چکیده

کولرهاي هوایی مبدلهایی هستند که در آنها سیال فرآیندي با جریان هوا خنک میشود. در این مبدلها معمولاً بخارات گرم درون مجموعهاي از لولهها که بصورت افقی کنار هم قرار گرفتهاند، توزیع میشود. جداره خارجی لولهها به فین مجهز شده است تا سطح انتقال حرارت بین بخارات و جریان هواي خنک افزایش یابد. جریان هواي لازم براي خنک کردن بخارات داخل لولهها نیز بوسیله فنهایی که نیاز به مصرف توان زیادي دارند، تأمین میشود.

امروزه روشهاي مختلفی نظیر کنارگذر کردن بخشی از دبی هواي سرد، قرار دادن لوور بر سر راه جریان هوا و محدود کردن دبی آن، کنترل سرعت موتور فن و استفاده از فنهاي با گام متغیر جهت کنترل دما و همچنین راندمان کولرهاي هوایی بکار میرود تا بتوان عملکرد آنها را تحت شرایط آب و هوایی گوناگون و یا تغییرات شرایط فرآیندي در بهترین حالت قرار داد. کلیه این روشها از مزایایی همچون قیمت اولیه کم و کنترل دقیق و پیوسته برخوردار هستند اما اغلب مصرف توان را کاهش نمیدهند. روشی که در این پژوهش جهت افزایش راندمان کولرهاي هوایی ۲E-101 و ۲E-102 پالایشگاه تهران بکار گرفته شدهاست، استفاده از فینهاي با راندمان بالاتر میباشد که با تغییر تعداد ردیفهاي لولهها و نصب لولههاي با فین هاي جدید همراه است که لازم بذکر است این راهکار هماکنون در مرحله عملیاتی قرار دارد. به این ترتیب با بکارگیري روش فوق علاوه بر کنترل دماي فرآیند، توان مصرفی فنهاي هوایی فوق در کل به میزان۶۴/۷۷۴ کیلووات کاهش یافته که نهایتاً منجر به بهبود عملکرد کولرها نیز خواهد شد.

کلمات کلیدي: کولر هوایی، بهینهسازي انرژي، کاهش توان، فین، شبیهسازي، نرمافزار ACOL+



مقدمه

مبدلهاي هوایی به مبدلهاي حرارتی گفته میشود که یکی از دو سیال آنها هوا باشد. بطور کلی می توان این نوع مبدلها را به دو گروه اصلی تقسیم نمود. گروه اول مبدلهایی هستند که سیال دوم آنها یک مایع یا یک بخار در حال تغییر فاز است و عمدتاً داراي ساختار لوله فیندار می باشند. در این مبدلها هوا در سمت بیرون لولهها و سیال دوم درون لولهها جریان دارد.

ولی گروه دوم مبدلهایی را شامل میشود که سیال دوم آنها نیز هوا یا گاز دیگري است که عمدتاً داراي ساختار صفحه فیندار میباشند. مبدلهاي هوایی گروه اول یعنی مبدلهاي داراي لوله فیندار از فراوانی بیشتري در صنعت برخوردار هستند که از مهمترین آنها می توان به کولرهاي هوایی، اواپراتورها، کندانسورها و چیلرها در تهویه مطبوع اشاره نمود. در این میان کولرهاي هوایی بعنوان یکی از پرکاربردترین نوع از مبدلهاي هوایی مطرح می باشند و در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از قبیل
CDU/VDU، LPG، Hydrocracking، EDC/VCM، PTA، MTBE، پارازایلین و … بکار میروند، .[۱] در این پژوهش کولرهاي هوایی با ساختار لوله فیندار با ذکر مثالی صنعتی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفتهاست.

بطورکلی در این نوع از کولرهاي هوایی معمولاً بخارات گرم درون مجموعهاي از لولهها که بصورت افقی کنار هم قرار گرفتهاند، جریان دارند. جداره خارجی لولهها نیز به فین مجهز میباشد تا سطح انتقال حرارت بین بخارات و جریان هواي خنک افزایش یابد. این مبدلها از نظر شکل جریان عموماً از نوع جریان متقاطع۱ میباشند که جریان هواي لازم براي خنک کردن بخارات داخل لولهها بوسیله یکسري فن، تأمین میشود، شکل .(۱)

این فنها براي ایجاد جریان هواي موردنظر نیاز به مصرف توان بالایی دارند. از آنجا که به مرور زمان و با استهلاك سیستم مصرف توان نیز به جهت کنترل دما و سایر شرایط فرآیندي افزایش مییابد، لذا همواره راهکارهاي افزایش راندمان کولرهاي هوایی یا کاهش مصرف توان فنها مورد توجه بودهاست. تا کنون روشهاي متعددي ارائه شدهاست که اکثر آنها تنها کنترل شرایط موجود دستگاه را بویژه از نقطه نظر دماي خروجی سیال فرآیندي به همراه داشته، بدون آنکه منجر به کاهش توان مصرفی فنها نیز گردد، .[۱۰] جایگزینی و بکارگیري فینهاي با راندمان بالاتر یکی دیگر از راهکارهاي بهبود عملکرد کولرهاي هوایی در حال کار است که با تعویض برخی از لولهها و نصب لولههاي با فینهاي جدید، علاوه بر کنترل دماي فرآیند، توان مصرفی فنها را نیز کاهش میدهد. این مهم با انجام یک پژوهش بر روي کولرهاي هوایی ۲E-101 و ۲E-102 پالایشگاه تهران مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت و نتایج عملیاتی قابل قبولی را در برداشت، بطوریکه مورد تأیید مسئولین محترم آن شرکت نیز واقع شد.

کولرهاي هوایی

کولرهاي هوایی تجهیزات انتقال حرارت لولهاي هستند که در آنها هواي اطراف از روي سطح خارجی لولهها عبور میکند و به عنوان یک واسطه خنککننده عمل میکند تا سیالی را که درون لولهها قرار دارد خنک یا کندانس کند. بطور کلی استفاده از خنککنندهها در مقیاس وسیع در صنعت نفت به اواخر ۱۹۲۰ در میدانهاي نفت و گاز ایالات جنوب غربی آمریکا برمیگردد که داراي ساختار دسته لوله عمودي و بیحفاظ در مقابل باد بودند و در نواحی خشک به دلیل کمبود آب بکار میرفتند. در اواسط ۱۹۳۰ طراحی به واحدهاي افقی تغییر یافت که از فنها براي عبور دادن هواي خارج از روي کویل استفاده شد. اولین

۱ Cross Flow



پالایشگاه داراي کولرهاي هوایی در سال ۱۹۴۸ در تگزاس آمریکا ساختهشد، در حالیکه اولین نوع آن در اروپا در سال ۱۹۵۸

راهاندازي گردید.

از مهمترین مزایاي استفاده از کولرهاي هوایی میتوان به مواردي همچون در دسترس بودن سیال خنک کننده هوا در مقادیر نامحدود، عدم وجود اثرات منفی زیست محیطی نظیر گرم کردن رودخانه و آب دریاها و …، انتخاب نوع جنس مبدل تنها بر اساس نوع سیال فرآیندي بدلیل غیر خورنده بودن هوا، آسان بودن مشکلات و مسائل مربوط به طراحی مکانیکی آنها بویژه پارامتر فشار درون مبدل، تأمین برخی از ظرفیت سرمایشی مورد نیاز حتی در صورت رخداد خرابی در سیستم فنها (بدلیل وجود جریان طبیعی هوا) بر عکس کولرهاي آبی، وجود آلودگی بسیار کمتر سیال فرآیندي نسبت به سایر سیستمها بویژه کولرهاي آبی، ناچیز بودن تولید رسوب سمت هوا و عدم لزوم تمیزکاري سیستم در اکثر مواقع و همچنین کمتر بودن هزینههاي نگهداري کولرهاي هوایی نسبت به کولرهاي آبی تا حدود ۲۵ درصد اشاره نمود. اما کولرهاي هوایی در مقایسه با کولرهاي آبی از یکسري معایب نیز برخوردار هستند که مهمترین آنها عبارتست از: محدودیت در انتخاب محل مناسبی در کارخانه جهت نصب کولرهاي هوایی به منظور جلوگیري از گردش مجدد هوا، اشغال فضاي بیشتر نسبت به کولرهاي آبی، نوسانات سریع و بزرگتر دماي هوا بدلیل شرایط مختلف آب و هوایی بخصوص در زمستان و تابستان و تأثیرات منفی آن بر کنترل و عملکرد فرآیند و نهایتاً داشتن محدودیت جهت کاهش دماي سیال فرآیندي در حدود ۳ تا ۶ درجه کمتر از کولرهاي

آبی، .[۸]

ساختار مبدل

مطلبق شکل (۲) کولرهاي هوایی در حالت کلی از سه قسمت اصلی دسته لوله۲، سازه و تجهیزات محرك مکانیکی تشکیل میشوند. دسته لوله خود شامل لولهها، هدرها و قاب دسته لوله میباشد و تجهیزات محرك مکانیکی نیز از سه قسمت فنها، انتقال دهندههاي قدرت، محفظه تهویه۳ و محرکها تشکیل شده است. مجموعه یک یا چند دسته لوله که به همراه سازه و سایر سایر تجهیزات اضافی با دو یا چند فن کار میکنند دهنه۴ نامیده میشود. هر دسته لوله از این مبدلها از نماي بالا به صورت یک مستطیل است که ضلع بزرگتر آن مربوط به طول لولهها و ضلع کوچکتر مربوط به پهناي هدر است. همچنین از نماي انتهایی نیز یک مستطیل است که ضلع کوچکتر عمق هدر است که با تعداد ردیفهاي لوله در جهت جریان هوا متناسب است.

بدلیل کمتر بودن ضریب انتقال حرارت سمت هوا در مقایسه با سیال درون لوله، و جهت کاهش مقاومت حرارتی در این طرف از لولههاي فیندار استفاده میشود. همانند سایر مبدلهاي هوایی، آلومینیوم به دلیل ضریب هدایت حرارتی بالاتر، وزن کمتر و قابلیت انعطاف بیشتر، جهت ساخت فین در کولرهاي هوایی کاربرد دارد، .[۲]

جهتگیري دسته لولهها و جریان هوا

جهتگیري دسته لوله کولر هوایی در چهار روش اصلی عمودي، افقی، فریم V شکل و فریم A شکل میباشد که از بین آنها جهتگیري افقی متداولتر است. اگر جهتگیري عمودي استفاده شود کاهش قابل توجهی در فضاي لازم صورت میگیرد، اما عملکرد واحد به شدت از جهت باد عمودي تأثیر میگیرد و لازم است براي حفظ عملکرد طراحی از صفحات محافظ استفاده شود. اما واحدهاي V فریم و A فریم حد میانه واحدهاي افقی و عمودي بشمار می روند که مساحت سطح لازم براي نصب آنها

۲ Bundle 3 Plenum 4 Bay



نصف مقدار لازم جهت واحدهاي افقی بوده و از آرایش دسته لوله با شیب ۳۰ تا ۴۵ درجه از خط عمود قرار دارند بطوریکه هدرهاي دو تخته از بالا یا پایین به یکدیگر متصل شدهاند.

جریان هوا از روي دسته لولهها نیز میتواند بصورت مکشی۵ یا دمشی۶ به حرکت درآید، همانگونه که در شکل (۲) ملاحظه میشود. در جریان هواي دمشی یا اجباري، هوا از درون فن کشیده و سپس به درون دسته لوله دمیده میشود. اما در واحدهاي با جریان مکشی یا القایی، ابتدا هوا از درون دسته لولهها مکیده و سپس وارد فن میشود. بطور کلی نوع مکشی بدلیل ایجاد توزیع یکنواخت جریان هوا در شرایط مساوي نسبت به نوع دمشی بازدهی بیشتري دارد. اما در نوع مکشی، اگر موتور گرداننده به همراه فن در بالاي لولهها قرارگیرد، به علت مواجه بودن با هواي گرم آسیب پذیرتر خواهد بود. لذا براي حل این مشکل می توان موتور را در پایین لوله ها قرار داد و به وسیله یک شفت نیروي محرکه آنرا به فن در بالاي لولهها منتقل کرد. بنابراین محل قرارگیري موتور، سیستم محرك و فن در نوع جریان دمشی قابل وصولتر هستند، در حالیکه نوع مکشی به شفتهاي سیستم انتقال قدرت بلند و یاتاقانهاي اضافی احتیاج دارند.

در خصوص دماي کارکرد تجهیزات، در نوع دمشی کلیه تجهیزات از قبیل فنها، سیستم انتقال قدرت و موتور در دماي کمتري (دماي هواي ورودي) نسبت به نوع مکشی کار میکند. همچنین مسأله برگشت مجدد هواي خروجی در مورد سیستم مکشی کمتر اتفاق میافتد زیرا هواي خروجی با سرعت بالا در راستاي عمودي خارج شده و در نتیجه درختان و ساختمانهاي اطراف تأثیر کمتري در عملکرد آنها دارند.

از نظر شرایط آب و هوایی نیز نوع مکشی حفاظت بهتري در مقابل آب و هوا ایجاد میکند. بنابراین عملکرد نوع دمشی تحت تأثیر برف و باران و حتی تابش خورشید قرار گرفته و از اینرو کنترل آن سختتر میشود، از طرفی فینهاي باز بیشتر در معرض خرابی قرار میگیرند. بطورکلی نوع جریان دمشی با هواي سردتري در تماس بوده، لذا کاربرد آن به حجم کمتر و مصرف توان کمتري منجر میشود، حال آنکه نوع مکشی جریان هواي یکنواختتري را فراهم میآورد. در ضمن ضریب انتقال حرارت در نوع جریان دمشی (براي ۱۰ ردیف و کمتر)، به دلیل اغتشاش هواي ورودي بالاتر از نوع مکشی می باشد، [۱] و .[۴]