گزارش کارآموزی سیستم های تبادل حرارت در نیروگاه

تجهیزات تبخیری :

در صنعت دو نوع اصلی تجهیزات تبخیری لوله ای وجود دارد : دیگهای بخار و مبدلهای تبخیری . در دیگهای بخار مستقیماً انرژی سوخت تبدیل به حرارت نهان تبخیر می شود . در مبدلهای تبخیری عمل احتراق صورت نمی گیرد و فقط حرارت محسوس یا نهان یک سیال به حرارت نهان تبخیر سیال دیگر تبدیل می شود . اگر یک مبدل تبخیری برای تغلیظ تبخیری آب با یک محلول آبی مورد استفاده قرار می گیرد ، اصطلاحاً آن را تغلیظ کننده تبخیری گویند . اگر از مبدل تبخیری برای تغذیه حرارت مورد نیاز به پایین ستونهای تقطیر استفاده شود ( بخار تشکیل شده چه بخار باشد چه بخار ماده دیگر ) آن را ریبویلر گویند . وقتی مبدل تبخیری برای تولید بخار آب و نیز به عنوان جزئی از فرایند تقطیر استفاده نشده باشد آن را تبخیر کننده می نامند .

زمانیکه به منظور تهیه آب خالص یا هر فرایند تغلیظ کردن دیگر ، یک تغلیظ کننده تبخیری به سیستم های تولید انرژی الکتریکی متصل شود آن را تبخیر کننده نیروگاهی می نامند و وقتی از آن برای تغلیظ یک محلول شیمیایی به روش تغلیظ تبخیری آب موجود در حلال استفاده می شود آن را تغلیظ کننده تبخیری شیمیایی می نامند . بر خلاف تغلیظ کننده های تبخیری در ریبویلر ها هدف تأمین بخشی از حرارت مورد نیاز نقطیر بدون انجام تغلیظ می باشد ، اگرچه معمولاً از وقوع چنین پدیده ای نمی توان جلوگیری کرد . در بسیاری از موارد برای ترکیبی از چند دستگاه گوناگون که هر یک از آنها را می توان تغلیظ کننده تبخیری نامید ، نیز از اصطلاح تغلیظ کننده تبخیری استفاده می شود .

فرآیندهای تبخیری در نیروگاه :

در نیروگاهها فرآیندهای تبخیری به چهار گروه تقسیم می شوند :

تبخیر کننده های آب جبرانی برای تغذیه به دیگ بخار

تبخیر کننده های فرآیندی برای تهیه آب خالص

تبخیر کننده برای انتقال حرارت

دستگاه تقطیر آب نمک

1- تبخیر کننده های آب جبرانی :

تبخیر کننده های آب جبرانی ، مقدار آب لازم برای جایگزینی نشت ها و کاستی های که به صورت بخار آب و یا مایع چگالی شده ، از سیستم خارج می شوند را تأمین می کند . این تبخیر کننده ها به مراتب بزرگتر از تبخیر کننده های فرآیندی هستند و معمولاً از نوع یک مرحله ای هستند ، با وجود این بعضی اوقات با توجه به مشخصه های سیکل مایع چگالیده و نیز مقدار آب جبرانی مورد نیاز ، از تبخیر کننده های دو مرحله ای نیز استفاده می شود . امروزه به ندرت می توان نیروگاهی فاقد این تجهیزات پیدا کرد . تبخیر کننده هایی که خودشان کوچک هستند دارای 100 تا  ft2 1000 سطح حرارتی می باشند .

2- تبخیر کننده ها در فرآیندها :

در بسیاری از منابع به صورت مداوم نیاز به مقادیر زیادی آب مقطر می باشد . در این گونه تأسیسات از تبخیر کننده های دو مرحله ای ، سه مرحله ای و یا چهار مرحله ای استفاده می شود . این تبخیر کننده ها حرارت مورد نیاز خود را از بخار آب برداشت شده و یا به طور مستقیم از دیگ بخار دریافت می کنند . انتخاب مراحل بستگی زیادی به ارتباط بین سرمایه گذاری ثابت و ارزش بهره برداری از بخار آب دارد .

در تبخیر کننده های چند مرحله ای که تغذیه آنها به صورت موازی صورت می گیرد ، نیازی نیست که تمام مرحله ها به صورت همزمان کار کند و بنابراین اگر مقدار آب مقطر مورد نیاز تغییر کرد ، می توان تعداد مراحل را تنظیم کرد . معمولاً تبخیر کننده های مورد استفاده برای اینگونه خدمات دارای اندازه متوسط هستند و سطح حرارتی هر یک از پوسته ها مقدار 500 تا  ft2 1000 است .

3- تبخیر کننده های مورد استفاده برای انتقال حرارت :

تبخیر کننده های مورد استفاده در انتقال حرارت ، سیستمهای یک مرحله ای هستند که در آنها یک یا چند پوسته به صورت موازی با یکدیگر قرار دارند و بخار آب را از خروجی یک توربین فشار قوی یا موتور فشار قوی دریافت می کنند . هدف از کاربرد این نوع تبخیر کننده ، چگالش بخار آب تولید شده در دیگ بخار فشار قوی که از درون توربین فشار قوی گذشته می باشد .

سپس مایع چگالیده شده با استفاده از یک چپ افزاینده فشار که مستقیماً به یک دیگ بخار فشار قوی برگردانده می شود و بدین ترتیب مواد فشار قوی به طور مداوم تغذیه می شود ، بدیهی است که محل نصب دیگ بخار و توربین فشار قوی بستگی زیادی به این مدار دارد . با چگالش بخار خروجی از توربین یا موتور فشار قوی ، از حرارت منتقل در تبخیر کننده برای تهیه مقادیر زیادی بخار جهت فرآیندهای گوناگون استفاده می شود . در اینصورت تمامی یا بخشی از مایع چگالیده شده هرگز به سیستم تبخیر کننده باز نخواهد گشت . اگر مایع چگالیده شده باز گردانده نمی شود ، بدین دلیل است که جمع آوری مایع چگالیده شده بسیار مشکل خواهد بود ، یا اینکه ممکن است بخار تولید شده در تبخیر کننده در یک فرآیند شیمیایی یا گرمایشی مصرف شده و یا اینکه به طور مداوم آلوده شود .

4- دستگاه تقطیر آب نمک :

معمولاً یک پوند سوخت می تواند حدود 10 پوند بخار آب تولید کند و این بخار در یک تبخیر کننده دو مرحله ای می تواند از آب دریا 5/12 پوند آب خالص تولید کند ، پس این مطلب کمی عجیب است که معمولاً کشتی ها آب مورد نیازشان را از آب دریا تأمین می کنند . آب دریا حدود سه درصد وزنی و یا  34000 ppm  مواد جامد دارد ، در حالیکه آب تازه حدود 340 ppm مواد جامد دارد . مرسوم است که به جای 90 درصد تبخیر ، فقط یک سوم آب تغذیه تبخیر می شود . باقیمانده آب تغذیه که حدوداً دارای 5 درصد یا 51000 ppm ماده جامد دارد به دریا باز گردانده می شود . چون مقدار زیرکش حیلی زیاد است ، مطلوب تر است که از سیستم هایی با درجه حرارت متغیر پایین استفاده شود . زیرا کم بودن درجه حرارت موجب کمتر شدن نرخ رسوب گیری نیز خواهد شد .

فرآیندهای تبخیری :

تبخیر کننده ها تجهیزاتی هستند که برای تبادل حرارت نهان مورد استفاده قرار می گیرند و به عنوان بخشی از یک فرآیند نغلیظ یا تقطیر مطرح نمی شوند . محاسبه بار حرارتی معمولاً بسیار ساده است . شاید رایج ترین نوع تبخیر کننده مبدل 2-1 افقی و یا شکلهای اصلاح شده آن باشد که تبخیر در پوسته و یا لوله ها صورت می گیرد ، اگر بخار آب ماده واسط گرمایش باشد ، خوردگی ناشی از وجود هوا در مایع چگالیده شده و این معمولاً سبب می گردد تا متغیر در پوسته مزایای بیشتری به همراه داشته باشد . چند اختلاف اساسی میان عملیات و محاسبات تبخیر وجود دارد و تبخیر کننده های عمودی و افقی وجود دارد .

در تبخیر کننده های نیروگاهی 50 تا 60 درصد از قسمت فوقانی پوسته برای آزاد سازی مایع که درون حبابهای واقع بر سطح به دام افتاده اند به کار برده می شود . آزاد سازی بیشتر مایع به کمک یک جداکننده بخار آب در پوسته انجام می شود . طرح مکانیکی و ضخامت پوسته ، فلانجها و صفحه نگهدارنده لوله بستگی به حاصل ضرب فشار درون پوسته و قطر پوسته دارد .

در بسیاری از موارد فشار یا خلاء ایجاد شده زیاد نیست و ضخامت پوسته فلانج و صفحه نگهدارنده لوله های غیر قابل قبول نمی باشد . در مورد تبخیر کننده های دیگر معمولاً فشار بالا است و بقیه فضای آزادسازی در پوسته گران خواهد بود ، زیرا تدارک چنین فضایی برای آزاد سازی در فشارهای بالا با افزایش ضخامت پوسته همراه است . به این دلیل معمولاً تبخیر کننده ها را برای آزادسازی داخلی طراحی نمی کنند و در عوض از نوعی وسیله خارجی نظیر ظروف استوانه ای شکل جوشی ارزان قیمت متصل به تبخیر کننده استفاده می شود که در آن مایع به دام افتاده در حبابهای بخار آب از بخار خارج می شود .

وقتی بخار آب از سطح یک حوضچه تبخیر می شود ( نظیر یک تبخیر کننده نیروگاهی ) ممکن است خوراک را 100 درصد تبخیر کرده بدون آنکه سطح مایع در حوضچه که در ابتدا تا حد مورد نظر پر شده است ، تغییر کند . دلیل اینکه کمتر از 100 درصد خوراک که به طور معمول تبخیر می گردد این است که ته مانده در آن جمع شده و لازم است احتمالی برای خارج کردن آن در نظر گرفت .

طبقه بندی مبدلهای تبخیر کننده :

طراحی این گروه از مبدلها از سایر انواع مبدلها پیچیده تر و با حساسیت بیشتر همراه است . به این دلیل طبقه بندی تبخیری بر مبنای روشهای محاسبه مورد استفاده برای هر نوع عمل خاص رایج است . هر یک از گروههای زیر از نظر محاسبه با سایر انواع دیگر اختلاف دارد .

مبدلهای تبخیری با سیرکولاسیون اجباری :

الف ) تبخیر در پوسته :

تبخیر کننده ریبویلر دارای پمپ با جوشش هم دما

تبخیر کننده ریبویلر دارای پمپ با محدوده درجه حرارت جوشش

تبخیر کننده  سیرکولاسیون اجباری یا ریبویلر محلولهای آبی

ب ( تبخیر در لوله :

تبخیر کننده یا ریبویلر دارای پمپ با یا بدون محدوده درجه حرارت جوشش

تبخیر کننده با سیرکولاسیون اجباری یا ریبویلر محلولهای آبی

مبدلهای تبخری با سیرکولاسیون طبیعی :

الف ) تبخیر در پوسته :

ریبویلر کتری مانند

سرد کن

ریبویلر به صورت دسته لوله ها در ستون

ریبویلر تریموسیفون افقی

ب ) تبخیر در لوله ها :

ریبویلر ترموسیفون عمودی

تبخیر کننده های عمودی با لوله های بلند

محدودیتهای شار حرارتی و اختلاف درجه حرارت :

می توان شرط کرد که شرایط فزاینده همواره تعیین کننده این نکته است که چه مقدار از خوراک مایع ورودی به تبخیر کننده باید تبخیر شود ، وقتی تبخیر مایع از حوضچه صورت می گیرد ، تقریباً حداکثر شار حرارتی به دست می اید . برای آب حداکثر شار حرارتی معادلtu / ( hr ) ( ft2 ) 400000 و برای مواد  آلی 70000 تا btu / ( hr ) ( ft2 ) 125000 گزارش شده است اگر چه این مقادیر فقط در تجهیزات آزمایشگاهی از سطوح کاملاً تمیز به دست آمده اند . مجدداً متذکر می شویم که حداکثر شار حرارتی در اغلب درجه حرارتهای بحرانی به دست می آید که محدودیتی برای حداکثر ضریب قابل حصول است . قبل از اختلاف درجه حرارت بحرانی ضریب انتقال حرارت و شار حرارتی کاهش می یابد ، این کاهش ناشی از تشکیل لایه ای از گاز روی لوله ها می باشد ، این پدیده انسداد ناشی از بخار است که که شکل اصلی در طراحی و عملیات مبدلهای تبخیری می باشد .

شار حرارتی با نسبت  یا  تعریف می شود اما به کمک  که در آن  hv ضریب تبخیر و  اختلاف درجه حرارت بین دیواره لوله و درجه حرارت جوشش است تعریف می گردد .  شار حرارتی بر مبنای سطح تمیز  Ac می باشد در حالیکه شار حرارتی بر مبنای سطح واقعی A‌می باشد . مقدار A در یک نبخیر کننده طراحی شده با توجه به ضریب جرم گیری بزرگتر از  Ac می باشد ، با این همه محدود کردن  و hv تا حداکثر مقدار قابل اطمینان مرسوم است . این دو کمیت از ایجاد اختلاف درجه حرارت بسیار زیاد  نیز جلوگیری می کند محدودیتهای زیر همواره در نظر گرفته می شوند :

1- شار حرارتی :

الف ) حداکثر شار مجاز برای تبخیر کننده ها دارای سیرکولاسیون اجباری و ریبویلرهایی که در آنها مواد آلی تبخیر می شود معادل  btu / (hr)(ft2) 20000 و به ازای سیرکولاسیون طبیعی btu / (hr)(ft2) 12000 می باشد .

ب ) حداکثر شار مجاز برای تبخیر آب یا محلولهای آبی با غلظت کم با استفاده از سیرکولاسیون اجباری و طبیعی معادل btu / (hr)(ft2) 30000 است .

2- ضریب فیلم :

الف ) حداکثر ضریب فیلم متغیر مجاز برای متغیر مواد آلی با سیرکولاسیون طبیعی یا آزاد معادل btu / (hr)(ft2) 300 می باشد .

ب ) حداکثر ضریب فیلم مجاز برای تبخیر آب و محلولهای آبی با سیرکولاسیون طبیعی یا آزاد معادل btu / (hr)(ft2) می باشد .

رابطه میان حداکثر شار و حداکثر ضریب فیلم :

محدودیتهای مطرح شده باعث حذف تمام احتمالات ایجاد کننده انسداد بخار می شوند . تصور کنید می خواهیم یک ترکیب آلی را که در 200 درجه فارنهایت می جوشد در یک تبخیر کننده دارای سیرکولاسیون اجباری با استفاده از بخار آب 400 درجه فارنهایت تبخیر کنیم به طوریکه  باشد و جریان به صورتی برقرار گردد که ضریب تبخیر معادل btu / (hr)(ft2) 3000 به دست می اید . اگر ضریب چگالش بخار آب  Ru = 0.003 , Uc = 250 , 1500 آنگاه UD = 142 خواهد بود . در اینصورت شار حرارتی برابر است با btu / (hr)(ft2) 28000 = 200*142 که از حد مطرح شده در بند (  I – ب )تجاوز می کند . چون  یا  ممکن است از 20000 تجاوز نکند .

هر تغییری که با (  I – الف ) همخوانی لازم را ایجاد کند با افزایش سطح کل تبخیر همراه است . اگر درجه حرارتهای اولیه و بخار حفظ شوند ، ضریب کل جدید  UD معادل  200/20000 که برابر btu / (hr)(ft2) 100 خواهد بود . اختلاف درجه حرارت  ممکن است بزرگتر از اختلاف درجه حرارت بحرانی باشد زیرا چنین وضعی در حداکثر شار قابل حصول رخ نمی دهد و تحت چنین شرایطی اختلاف درجه حرارت بحرانی می تواند در یک محدوده تغییر کند بدون آنکه خطر انسداد بخار پیش آید .

1- تبخیر در پوسته :

الف ) تبخیر کننده با ریبویلر دارای پمپ با جوشش همدما

محاسبات مورد استفاده در حل این نوع از مبدلها در بسیاری از مسائل ساده تبخیر مطرح در تأسیسات همراه یا بدون انتقال به ستون تقطیر رایج است . اگر یک مایع اساساً خالص و یا مخلوطی با نقطه جوش ثابت باشد به طور همدما خواهد جوشید ، این حالت معمولاً در مورد مایع تحتانی ستون تقطیر یک مخلوط دو تایی به اعضای نسبتاً ناخالص مشاهده می گردد . برای عملیات جوشش نظیر تبخیر مایع سرد خروجی از یک مخزن ذخیره ممکن است مایع در نقطه جوش خود نبوده و نیازمند پیش گرمایش تا رسیدن به نقطه جوش باشد . از آنجا که پوسته یک تبخیر کننده با سیرکولاسیون اجباری شبیه هر مبدل 2-1 دیگر است گرمایش را می توان در پوسته ای مشابه نظیر تبخیر انجام داد . اگر دوره عملکرد یک تبخیر کننده را با یک ضریب جرم گیری کلی تعیین کنیم ، لازم است سطح پوسته را به دو ناحیه متوالی تقسیم کنیم ، یک ناحیه برای پیش گرمایش و یک ناحیه برای تبخیر ، روش عملی همانند روشی که برای چگالنده – مادون سرد کننده به کار برده می شود .

اختلاف درجه حرارت حقیقی همان اختلاف درجه حرارت متوازن برای دو ناحیه است و  ضرایب مبدل تغییر متوازن می باشد که با معادلات زیر به دست می آید :

  Ad , Ac  سطوح مربوطه

 Uc , Ud  ضرتیب کلی مبدل

 = ( متوازن ) Ucv

  = ( متوازن )

اگر بخار آب برای گرمایش به کار برده شود ، تنها در مسیر گذر در لوله ها مئورد نیاز می باشدکه لزوماً مساوی نیستند ، زیرا در گذر برگشت مقدار جریان بخار کمتر از گذر اول است. هر گاه از جریانهای داغ نظیر گازوئیل به عنوان ماده گرم کننده استفاده شود ، تعیین درجه حرارت حقیقی در هر ناحیه به عنوان یک مسئله مطرح است . اگر حد نیزدیکی میان درجه حرارت خروجی سیال گرم کننده و درجه حرارت خروجی بخار بسیار کوچک باشد ، اختلاف درجه حرارت حقیقی را می توان با در نظر گرفتن افت درجه حرارت در هر ناحیه متناسب با حرارت گرفته شده از سیال گرم کننده تقریب زد .

ب ) تبخیر کننده یا ریبویلر دارای پمپ با محدوده جوشش :

اگر مایعی که تبخیر می گردد مخلوطی از چند جزء قابل اختلاط باشد ، به صورت همدما نخواهد جوشید ، در عوض چنین مخلوطی دارای یک درجه حرارت جوشش اولیه ( نقطه حباب ) و یک درجه حرارت جوشش نهایی ( نقطه شبنم ) است که در آن آخرین قطره مابع تبخیر می گردد . وقتی که مایع در نقطه حباب شروع به جوشش می کند ، اجزای فوارتر با دبی بیشتری از محلول خارج می شوند ، در حالیکه اجزای فرار وارد بخار می شوند ، درجه حرارت جوشش مایع باقیمانده افزایش می یابد ، این بدان معنی است که در تمام تبخیر کننده یک محدوده درجه حرارت وجود دارد که در آن جوشش صورت می گیرد و هر چه درصد مایع تبخیر شده بیشتر باشد ، این محدوده از نقطه حباب تا نقطه شبنم در ورودی مایع گسترده تر می گردد .

به دلیل وجود این محدوده جوشش ، حرارت محسوس نیز مانند حرارت نهان باید به طور همزمان توسط مایع در حین عبور از تبخیر کننده حذف گردد و به این ترتیب مایع دارای یک محدوده درجه حرارت جوشش خواهد بود . علاوه بر این حرارت محسوس در همان سطحی مبادله می گردد که حرارت جوشش خواهد بود ، علاوه بر این حرارت محسوس در همان سطحی مبادله می گردد که حرارت تبخیر تبادل می یابد . بر خلاف پیش گرم کن – تبخیر کننده همدما که در نواحی جدا از هم صورت می گیرد .