آشنایی با تجهیزات بازیابی حرارت

آشنایی با تجهیزات بازیابی حرارت

در ادامه مقالات آموزشی رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات و پس از معرفی مقاله های آموزشی مربوط به جریان آشفتگی و آشنایی با مدل های جریان آشفتگی در این مقاله آموزشی به آشنایی با تجهیزات بازیابی حرارت می پردازیم که امیدواریم برای شما در ارایه مقالات آموزشی و پژوهشی و پایان نامه های کارشناسی ارشد مفید واقع شود. در ادامه به آشنایی با تجهیزات بازیابی حرارت می پردازیم.

در سیستمهایی که احتراق با دمای بالا صورت می‌گیرد مانند کوره‌ها و بویلرها، حدود 40 تا 70 درصد حرارت تولیدی از طریق دودکش خارج می‌شود. به منظور جلوگیری از این اتلاف حرارت و صرفه‌جویی در مصرف سوخت، از روش‌های بازیابی حرارت از گازهای خروجی از دودکش برای کاهش تلفات انرژی استفاده می‌شود. پیش‌گرم شدن هوای احتراق منجر به افزایش بهره‌وری و کاهش انتشار دی‌اکسید کربن خواهد شد، چراکه با گرم شدن هوای ورودی سوخت کمتری برای گرم کردن واکنشگرها تا دمای اشتعال مورد نیاز خواهد بود. بازیابی حرارت از دود احتراق و انتقال آن به هوای احتراق توسط مبدلهای حرارتی از نوع تماس غیرمستقیم تحت عنوان رکوپراتور Recuperator و رجنراتور (Regenerator( انجام می‌شود.

در رجنراتور هزینه‌های ساخت، تعمیر و نگهداری بالاتر از رکوپراتور است ولی توانایی آن برای پیش گرم کردن هوا بیشتر است. در رجنراتورها از موادی استفاده می‌شود که توانایی ذخیره انرژی در یک سیکل کاری، مثلاً 30 تا 60 ثانیه، را دارا باشند. ابتدا این مواد ذخیره‌کننده انرژی گوی‌هایی از جنس آلومینا Alumina Al₂O₃ یا سیلیکون کارباید silicon carbideSIC توسط گاز خروجی دودکش گرم شده و سپس هوا از میان آنها عبور کرده و انرژی حرارتی به هوا منتقل می‌شود. رجنراتورها به طور مقطعی (سیکل‌های کاری ناپیوسته) هوا را گرم می‌کنند. بنابراین، اگر بخواهیم هوا به طور مستمر پیش‌گرم شود باید از دو رجنراتور به طور همزمان استفاده نمود. شکل زیر عملکرد دو مشعل رجنراتیو (بازیاب) را نشان می‌دهد. از این رجنراتورهای بستر ثابت در کوره‌های شیشه و آلومینیوم استفاده می‌شود.

مشکلی که در رجنراتورها اتفاق می‌افتد آسیب بستر انتقال حرارت در اثر شوک حرارتی است. زیرا مواد ذخیره‌کننده انرژی در یک سیکل کاری ابتدا در معرض دود داغ و سپس در معرض هوای سرد قرار می‌گیرند. از دیگر مشکلات موجود در رجنراتورها آب‌بندی در درگاه‌های ورودی و خروجی است.

نوع دیگر مبدلهای حرارتی برای بازیابی انرژی دود احتراق، رکوپراتور‌ها هستند. بر خلاف رجنراتور، رکوپراتور بازیابی گرما را به طور مداوم انجام می‌دهد. همچنین، رکوپراتور هندسه ساده‌تری داشته و هزینه سرمایه‌گذاری، تعمیرات و نگهداری آن پایین‌تر است. رکوپراتور‌ها اغلب در ارتباط با بخش مشعل حرارتی واحدهای صنعتی از جمله کوره‌ها، بویلرها، توربین‌های گاز، میکرو‌توربینها، سیستم‌های تهویه و کوره ذوب فلزات به منظور افزایش بازده کلی و صرفه‌جویی در مصرف سوخت به کار برده می‌شوند. شکل زیر چگونگی عملکرد یک رکوپراتور ساده را نشان می‌دهد.

رکوپراتورها از نظر نوع ماده به کار رفته برای ساخت به دو نوع فلزی و سرامیکی تقسیم‌بندی می‌شوند. رکوپراتورهای فلزی از لحاظ ساخت به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند:

1. رکوپراتور پوسته و لوله shell and tube recuperator
2. رکوپراتور صفحه‌ای پره‌دار Plate & fin recuperator
3. رکوپراتور سطح اولیه Primery surface recuperator PSR

در رکوپراتور پوسته و لوله عموماً دود داغ در سمت لوله و هوای سرد در سمت پوسته جریان دارد. سطح انتقال حرارت در این نوع مبدل جداره فلزی لوله‌ها است؛ بنابراین هر چه تعداد لوله‌ها بیشتر باشد سطح انتقال حرارت نیز بیشتر خواهد شد، ولی از طرفی به قطر مبدل نیز افزوده می‌شود. یکی از علل استفاده از مبدل پوسته و لوله سهولت سرویس و نگهداری آن است که ارتباط مستقیم با کاهش هزینه‌ها دارد.

رکوپراتورهای صفحه‌ای پره‌دار شامل یک صفحه هستند که پره‌ها بر روی آن جوش داده شده و یا لحیم می‌شوند. این نوع رکوپراتور به دلیل اینکه نسبت سطح به حجم بالایی دارد، راندمان حرارتی بالایی نیز ایجاد می‌کند. شکل زیر نمونه‌هایی از رکوپراتورهای صفحه‌ای پره‌دار را با فرمهای مختلف آرایش پره‌ها نشان می‌دهد.

رکوپراتورهای صفحه‌ای به دلیل وزن کمتر در مقایسه با رکوپراتورهای پوسته و لوله با راندمان حرارتی مشابه، قابلیت نصب مستقیم در مسیر دود خروجی از دودکش را دارند و نیاز به استفاده از فن مکشی نخواهند داشت. از نقطه ضعفهای این نوع رکوپراتورها می‌توان به پتانسیل بالای رسوب‌گذاری برای سوختهای گازی با سولفور بالا و همچنین سوختهای مازوت و زغال سنگ اشاره کرد. نقطه ضعف دیگر این رکوپراتورها مشکلات آب‌بندی و در نتیجه طول عمر کارکرد پایین آنها نسبت به رکوپراتورهای پوسته و لوله می‌باشد.

رکوپراتورهای سطح اولیه از ورقه‌های نازک فلزی چین‌خورده به ضخامت 3 تا 5 میلیمتر ساخته می‌شوند. در شکل زیر نمونه‌ای از این رکوپراتورها نشان داده شده است.

در رکوپراتورهای PSR صفحات به هم جوش داده نشده‌اند و آزادی حرکت دارند و در نتیجه گرادیان دمایی بالایی را در حین راه‌اندازی می‌توانند تحمل کنند. درحالی‌که، در رکوپراتورهای صفحه‌ای پره‌دار چون پره‌ها به یک صفحه ثابت متصل شده‌اند ساختار محکم‌تری را تشکیل داده، آزادی حرکت کمتری دارند و در نتیجه تنش حرارتی کمتری را تحمل می‌کنند.

در مقالات آموزشی قبلی به مدل سازی انتقال حرارت در نرم افزار های پرکاربرد و مهم رشته مهندسی مکانیک در مقطع کارشناسی ارشد یعنی OpenFoam و Fluent به طور کامل پرداخته شده است که می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقاله های مربوطه هدایت شوید :

 - مقدمه‌ای بر مدلسازی انتقال حرارت در نرم‌افزار Fluent

- مقدمه‌ای بر مدلسازی احتراق در نرم‌ افزار OpenFoam

- مقدمه‌ای بر مدلسازی احتراق در نرم‌ افزار Fluent

- مقدمه‌ای بر مدلسازی انتقال حرارت در نرم‌افزار OpenFoam