راهکار های بازیابی حرارت در صنایع(قسمت اول)

ماخذ: نشریات شرکت گاز و برق پاسیفیک

مقدمه

فرایندهای صنعتی مقادیر زیادی سوخت و الکتریسیته مصرف می‌کنند که منجر به تولید حرارت می‌شود و متأسفانه بخش اعظم آن تلف شده و به جو یا آب سرازیر می‌گردد. تاکنون تلاش‌های بسیاری برای طراحی تجهیزاتی که از این حرارت تلف شده استفاده کنند صورت گرفته است.
با این کار می‌توان حدوداً ۲۰٪ در هزینه سالانه سوخت واحد صنعتی صرفه‌جویی کرده و در برخی از موارد خاص، میزان آلاینده‌های وارد شده به محیط زیست به
کاسته و حتی نیاز واحد صنعتی به نگهداری را کمتر نمود؛ اگرچه در برخی از موارد انجام این کار میزان آلاینده‌ها و نیاز به نگهداری را افزایش می‌دهد (مانند پیش‌گرم کردن هوای احتراق که دمای احتراق را بالا برده بر میزان اکسیدهای نیتروژن می‌افزاید).
این مقاله که طی این شماره و شماره آینده ارائه می‌شود به بررسی کامل انواع تجهیزات و راهکارهای بازیافت حرارت در صنایع می‌پردازد.

قابل استفاده بودن حرارت پرت به دمای آن بستگی دارد و هرچه دمای آن بالاتر باشد، ارزش بیشتری خواهد داشت. اکثر تجهیزات بازیافت‌کننده حرارت، حرارت را از یک جریان دما بالا به یک جریان دما پایین منتقل می‌کنند. این عمل باعث بالا رفتن دمای جریان ورودی و یا تغییر فاز جریان از مایع به بخار (مثل حالتی که در یک دیگ وجود دارد) می‌شود. کلیه این تجهیزات را می‌توان به طور کلی در رده مبدل‌های حرارتی طبقه‌بندی نمود.
البته می‌توان حرارت پرت را به صورت گذراندن هوای داغ یا بخار در توربین‌ها برای تولید برق و یا به کار انداختن پمپ‌ها، بادزن‌ها و سایر تجهیزات مکانیکی مورد بهره‌برداری قرار داد. برای انتخاب تجهیزات بازیافت‌کننده حرارت پرت باید نکاتی چون محدوده‌های دما و فشار، میزان خورندگی جریان‌های ورودی و خروجی، حضور موادی که باعث رسوب‌گذاری در سطوح انتقال حرارت می‌شوند و چرخه‌های حرارتی را مد نظر داشت. وجود شرایط غیرعادی، در هر یک از این موارد، به کار بردن طراحی و مواد خاصی را در تجهیزات بازیافت‌کننده، ضروری می‌سازد که هزینه ها را بالا خواهد برد. علاوه بر این باید منبع حرارت پرت و نقطه مصرف حرارت بازیابی شده، به هم نزدیک باشند.

این فناوری چگونه باعث صرفه جویی انرژی میشود؟

استفاده از حرارت پرت در فرایندی که در ورودی خود نیازمند حرارت است می‌تواند جایگزین سوخت و یا الکتریسیته‌ای شود که معمولاً به کار برده می‌شود. البته
حرارت پرت باید به اندازه کافی از مقتضیات ورودی فرایند داغ‌تر باشد (با احتساب تلفات حرارت در مبدل و مسیر انتقال) تا صرفه‌جویی حاصله از این محل جوابگوی هزینه‌های خرید تجهیزات بازیافت و کارکرد آنها باشد.
در واحدهای صنعتی تعداد فرایندها زیاد بوده و جریان مواد و انرژی در بین آنها نیز وجود دارد. علاوه بر این، حرارت بازیافت شده از خروجی هر فرایند را می‌توان در هر ورودی به کار برد. تمام فرایندها قادر به تولید حرارت پرت با صرفه اقتصادی نمی‌باشند. حتی جریان‌های فاضلاب داغ که از لحاظ ارزش انرژی بسیار مناسب هستند به دلیل دارا بودن مواد سمی و آلاینده مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، اما از سوی دیگر، شاید بازیافت حرارت از یک فرایند به حدی باشد که فرایند دیگری را از مصرف هر نوع سوخت بی‌نیاز سازد.

انواع تجهیزات

تجهیزات مختلفی برای بازیافت حرارت ساخته شده‌اند و طراحی آنها بر اساس ملحوظ کردن مسائل بسیاری چون محیط‌زیست و دماهای جریان دور ریز صورت گرفته است. عناوینی که برای برخی انواع خاص این تجهیزات در این مقاله ذکر شده اند بر اساس تجربیات میدانی بوده و گونه هایی از آنها در صنایع نیز وجود دارند در این بخش گستره وسیعی از مبدل های حرارتی چون بازیاینده های حرارتی مبدل های حرارتی بازیاینده مبدل های حرارتی لوله گرمایی دیگ های بازیابی حرارت پرت و منبسط کننده های گاز و بخار بررسی خواهند شد.

بازیابنده های حرارت

مبدل های بازیاینده معمولاً حرارت را از گازهای خروجی یک کوره زباله سوز و یا سایر منابع گازهای دما متوسط با دما بالا بازیابی کرده و به هوای ورودی احتراق منتقل می سازند این تجهیزات بر اساس جهت نسبی حرکت جریان گاز تقسیم بندی می شوند جهت حرکت دو گاز در مبدل های حرارتی جریان موازی به یک سو در مبدل های حرارتی جریان مخالف در خلاف جهت همدیگر و در مبدل های حرارتی جریان متقاطع به صورت عمود بر یکدیگر می باشد مبدل های حرارتی جریان مخالف بالاترین تأثیر و راندمان را داشته و مبدل های حرارتی جریان موازی کمترین راندمان را دارند.
در ادامه به شرح انواع مهم بازیاینده های حرارت می پردازیم.

بازیابنده های تشعشعی فلزی

این تجهیزات از دو لوله فلزی هم محور تشکیل شده‌اند. لوله داخلی حاوی گازهای داغ است که حرارت را به دیواره‌های داخلی بازيابنده می‌تاباند.
لوله خارجی حاوی گاز سردی است که گرم شده (معمولاً هوا برای احتراق به کار می‌رود). بازيابنده‌های تشعشعی فلزی بسیار ساده و ارزان هستند. این تجهیزات را در نزدیکی نقطه مصرف حرارت بازیابی شده نصب می‌کنند. البته ابعاد این بازيابنده‌ها نسبتاً بزرگ است.

نوع جریانی که در این تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرد، موازی است چون بدین ترتیب گازهای خروجی حرارت خود را سریعتر به گازهای کم دما انتقال داده و عمر پوسته داخلی افزایش می‌یابد. در برخی از طرح ها، دو بخش تعبیه می‌شود؛ بخش پایینی که برای سرد شدن سریعتر از جریان موازی بهره برده و بخش بالایی که برای کسب راندمان بالاتر به شیوه جریان مخالف عمل می‌کند.
از آنجا که پوسته داخلی در معرض دماهای بالاتر قرار دارد از مواد مقاوم در برابر حرارت ساخته می‌شود در حالی که برای پوسته بیرونی از مواد معمولی استفاده می‌شود. برای اینکه سیستم در برابر انبساط ناشی از اختلاف دما آسیب نبیند معمولاً آن را به صورت معلق در قابی آزاد طراحی کرده و بین آن و کوره یک اتصال
انبساطی قرار می‌دهند.

بازیابنده همرفتی

در این سیستم گاز های داغ از درون چندین لوله با قطر کم که در داخل یک پوسته قرار دارند، به چرخش واداشته شده و گازهای سردتر از روی این لوله‌ها به حرکت درآمده و حرارت موجود را به خود جذب می‌کنند. این سیستم‌ها بسیار کوچک‌تر از بازيابنده‌های تشعشعی می‌باشند.
توجه داشته باشید که هرسه نوع آرایش جریان یعنی موازی، مخالف و متقاطع در این طراحی وجود دارد.
بازيابنده‌های همرفتی به نسبت انواع تشعشعی گران‌تر بوده ولی از راندمان بالاتری برخوردارند. یک عیب این سیستم‌ها این است که در صورت کاهش جریان هوای احتراق دما پایین (بر اثر کاسته شدن از بار دیگ) دماهای بسیار بالایی در بازيابنده ایجاد می‌شود. اگر احتیاط بروز چنین شرایطی را ندهید بهتر است که یک کنارگذر (بای‌پاس) برای تازه تعبیه نمایید تا در موقع مقتضی برای تلف کردن حرارت بازیابی شده و تضمین سرد شدن مناسب گازهای خروجی به کار آید. بروز اختلاف شدید در دما باعث می‌شود تا اجزای بازيابنده منبسط و منقبض شده و حتی ترک‌خوردگی و یا شکستگی در آنها پدید آید. محافظت از اجزاء در برابر این صدمات ضروری است چون افت راندمان باعث اضافه شدن ۱۰ تا ۱۵ درصدی هزینه سوخت شده و برای بازسازی شاید تا ۹۰٪ قیمت اولیه سیستم ایجاد هزینه کند.
بازتابنده‌های با لوله سرامیکی برای کار تا دمای ۱۵۰۰ درجه فارنهایت طراحی شده‌اند. این بازتابنده‌ها از لوله‌های کوتاه، کاربید سیلیکون با آب‌بندهای انعطاف‌پذیر ساخته شده‌اند ولی در حال وجود نشتی بین جریان‌ها تا حد چند درصد عادی است.

بازیابنده همرفتی لوله در لوله قائم

این بازتابنده به صورت جایگزینی برای بازتابنده‌های همرفتی طراحی شده و در آن هوای سرد احتراق از روی دسته‌ای از لوله‌های موازی قائم که تا جریان گازهای داغ امتداد می‌یابند، عبور داده می‌شود.
بزرگ‌ترین مزیت این سیستم این است که می‌توان حتی در حین کارکرد نیز برخی از لوله‌ها را عوض نمود.
بدین ترتیب هزینه ها کاهش یافته و امکان صدمه دیدن سیستم در صورت قطع کار بازتابنده، به حداقل می‌رسد. هزینه این سیستم خیلی زیاد نیست و البته راندمان چندانی هم ندارد.

بازیابنده دوگانه تشعشعی/همرفتی

این سیستم با استفاده از دو شیوه انتقال حرارت یعنی تشعشع و همرفت راندمان بسیار بالاتری نسبت به سایر بازتابنده‌ها دارد. البته بازتابنده دما بالای تشعشعی در مرحله اول مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تجهیزات بسیار گران‌تر از بازتابنده‌های ساده فلزی هستند و سه همان نسبت تیر کوچک‌تر می‌باشند.

مبدل های حرارتی بازیابنده

این تجهیزات برای آزادسازی حرارت پرت از گاز به گاز، گاز به مایع و یا مایع به مایع به کار برده می‌شوند. منابع حرارتی شامل خروجی احتراق، توربین‌های گازی، موتورهای رفت و برگشتی، راکتورهای شیمیایی و چگالنده، می‌باشند. انواع این تجهیزات به شرح زیرند:

بازیابنده کوره ذوب

مبدل‌های حرارتی بازتابنده برای کوره‌های ذوب شیشه و یا کوره‌های نوار ذوب فولاد به کار برده شده و دارای دو محفظه نسوز از جنس آجر می‌باشند. زمانی که
یک محفظه در حال گرم شدن با گازهای داغ خروجی است، هوای سرد احتراق با گذر از داخل محفظه دیگر که قبلاً گرم شده است، حرارت جذب می‌نماید. البته شیری برای هدایت گازهای خروجی و احتراق در نظر گرفته شده، این شیر برای کسب حداکثر راندمان عمل سوئیچ کردن بین جریان‌ها را انجام می‌دهد. بازتابنده کوره ذوب در کاربردهای دما بالا بسیار خوب عمل می کند ولی ساخت آن گران بوده و فضای زیادی را نیز اشغال می نماید.

چرخ گرمایی

چرخ های گرمایی یا به اصطلاح بازیاینده های دوار برای بازیابی حرارت دما متوسط و پایین مورد استفاده قرار می گیرند. این چرخ شامل یک دیسک متخلخل ساخته شده از ماده ای با ظرفیت حرارتی بالا است که به طور پیوسته در بین دو کانال مجاور هم که حاوی گازهای با دمای مختلف می باشند، می چرخد. محور این دیسک موازی با جریان های گذرنده در بخش میان دو کانال است. با چرخش آرام دیسک، گرمای محسوس و حتی نهان از گاز داغ به نیمی از آن منتقل شده و از نیمه دیگر آن به گاز سرد منتقل می شود.
راندمان کلی انتقال گرمای محسوس در یک چرخ گرمایی به ۸۵٪ می رسد. ابعاد این چرخ می تواند تا قطر ۵ فوت کوچک بوده و ظرفیت هایی از هوا را تا ۴۰۰۰۰ فوت مکعب بر دقیقه تحمل نماید. گاه از چند چرخ گرمایی به صورت موازی استفاده می شود. انواع بزرگتر به طور سفارشی طراحی می گردند.
چرخ های گرمایی در چهار نوع تولید می شوند. نوع اول چرخ بسته (packed wheel) نام دارد و دارای یک قاب فلزی است که در هسته آن توری بافته شده ای از فولاد ضدزنگ با سیم های آلومینیومی قرار دارد. انواع دیگر، چرخ های جریان لایه ای می باشند. یکی از آنها از آهن گرمکن های با مسیرهای موازی برای عبور جریان ساخته شده و دیگری دارای یک ماتریس سرامیکی لانه زنبوری است که برای کاربردهای دما بالا (تا ۱۶۰۰ درجه فارنهایت) مورد استفاده قرار می گیرد. در نوع چهارم مسیرهای عبور جریان از مواد خاص رطوبت گیر پوشانده شده اند.

چرخ های گرمایی راندمان بسیار بالایی دارند و در برخی کاربردها می توانند علاوه بر بازیابی گرمای محسوس، رطوبت و گازهای نهان را نیز بازیافت کنند.
چرخ های گرمایی به صورت آماده موجودند و گزینه های نصب آنها به قدر کافی منعطف است که نیاز به طراحی های موردی و سفارشی را از بین می برد. نکات منفی مربوط به چرخ های گرمایی عبارتند از احتمال مخلوط شدن در جریان کاری و تسری آلودگی، وجود اجزای متحرک و نیاز به آب بندی بین چرخ و نشیمنگاه آن.

بازیابنده غیر فعال

این سیستم از دو سری کانال تشکیل شده است که هر یک دارای دیواره های فلزی نازکی هستند. گازهای سرد و گرم داخل کانالها حرکت کرده و حرارت از طریق سطوح دیواره های جداکننده، منتقل می گردد. نکات منفی این سیستم عبارتند از ابعاد بزرگ و هزینه نسبتاً بالا. بازیاینده های غیرفعال در کاربردهای دما متوسط و دما پایین بهتر جواب می دهند. بزرگترین مزیت آنها جلوگیری از سرایت هرگونه آلودگی بین جریان ها می باشد.

بازیابنده لوله فین دار

این سیستم ها که به نام اکونومایزرها شهرت دارند عملاً مبدل‌های حرارتی بین گاز به مایع هستند. مایع سرد (معمولاً آب) درون لوله های فین دار به چرخش در می آید. این لوله ها در داخل پوسته قرار دارند که گازهای خروجی داغ از آن عبور می‌کنند. فین ها باعث افزایش انتقال حرارت می‌شوند. این سیستم ها ضمن گران بودن به دلیل راندمان بالا در بسیاری از کاربردهای دما متوسط و دما پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند. توجه داشته باشید که استفاده از این سیستم در مواردی که گازهای خروجی کثیف باشند عملی نیست چون ذرات ریز در میان فین ها باقی مانده و راندمان انتقال حرارت را کاهش می‌دهند. البته اگر تدابیری برای تمیز کردن بین فین ها اندیشیده شده باشد، استفاده از این سیستم توصیه می‌گردد.

بازیابنده پوسته و لوله

این تجهیزات از لحاظ ساختاری شباهت بسیاری به بازیاینده های همرفتی دارند ولی با این تفاوت که مبدلهای مایع به مایع می‌باشند. صفحات بافل به طور معمول موازی محور پوسته نصب شده و جریانی را در طول پوسته ایجاد می‌کنند. در صورت طراحی مناسب می توان واحدهایی با راندمان بسیار بالا در اختیار داشت. صفحات بافل با این که هزینه ساخت مبدل و افت فشار درون آن را افزایش می دهند ولی راندمان انتقال حرارت را به میزان قابل ملاحظه ای بهبود می‌بخشند. از مزایای این مبدل های حرارتی می توان به وجود طراحی ها و آرایش های فراوان در بازار، راندمان بالا و ابعاد نه چندان بزرگ اشاره نمود. تنها نکته منفی، گران و مشکل بودن عملیات تعمیر و نگهداری آنها می‌باشد.
ادامه دارد…

 

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 63

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.