مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله با دمای بالا: مهندسی بازیابی حرارت اتلاف گاز دودکش با کنترل خوردگی و فرسایش

تولیدات صنعتی، تولید برق و تاسیسات فرآوری شیمیایی، مقادیر زیادی انرژی حرارتی را از طریق جریان‌های اگزوز با دمای بالا آزاد می‌کنند. بازیابی این انرژی از طریقبازیابی حرارت اتلاف گاز دودکش (WHR)یکی از موثرترین استراتژی ها برای کاهش هزینه های عملیاتی و کاهش ردپای کربن است. با این حال، محیط‌های گاز دودکش چالش‌های مهندسی شدیدی را ارائه می‌کنند: استرس حرارتی شدید، خوردگی نقطه شبنم اسیدی و فرسایش خاکستر بادی.

استقرار یک مبدل حرارتی پوسته و لوله با مهندسی سفارشی و بادوام که برای این شرایط تهاجمی بهینه شده است، به کارخانه‌های صنعتی اجازه می‌دهد تا با خیال راحت شکاف بین انعطاف‌پذیری در دمای بالا و قابلیت اطمینان مکانیکی طولانی‌مدت را پر کنند.

طراحی پوسته بازیابی حرارت هدر رفته و مبدل حرارتی لوله توسط قوانین اساسی انتقال حرارت همزمان و دینامیک سیالات دیکته شده است. کل انرژی حرارتی دوباره مهندسی شده از جریان گاز دودکش از طریق معادله عمومی انتقال حرارت بیان می شود:

در کاربردهای گاز دودکش، مقاومت حرارتی سمت گاز بر سیستم غالب است زیرا گاز هدایت حرارتی قابل توجهی کمتری نسبت به سیال پردازش مایع درون لوله ها دارد. برای جبران این ضریب پایین فیلم سمت گاز و به حداکثر رساندن U، مبدل باید از سرعت های گاز بالا یا هندسه های بافل بهینه شده برای القای تلاطم موضعی بدون ایجاد افت فشار بیش از حد و پرهزینه (دلتا P) استفاده کند.

کارکردن در دمای گاز از 350 درجه سانتیگراد تا بالای 800 درجه سانتیگراد نیاز به سازه های پیشرفته برای کنترل انبساط حرارتی شدید و جلوگیری از کمانش مکانیکی فاجعه بار دارد.

هنگامی که گاز دودکش با دمای بالا وارد سمت پوسته می شود، لوله ها و پوسته بیرونی با سرعت های بسیار متفاوتی منبسط می شوند. پیکربندی‌های ثابت لوله لوله در این شرایط در اتصالات لوله به ورق لوله کمانش یا پاره می‌شوند. مبدل های پیشرفته WHR از تنظیمات خاصی برای جداسازی این تنش ها استفاده می کنند:

• طرح های سر شناور:یک صفحه لوله روی پوسته ثابت نگه داشته می شود در حالی که صفحه لوله مقابل آزاد است تا به صورت محوری در داخل پوسته حرکت کند، و به طور کامل تنش حرارتی ساختاری را از بین می برد.

• تنظیمات U-Tube:لوله ها به شکل پیوسته "U" خم می شوند و به هر لوله اجازه می دهد مستقل از ماتریس پوسته منبسط و منقبض شود. این برای دیفرانسیل های دمای بالا بسیار موثر است اما به مایعات لوله تمیز و بدون رسوب نیاز دارد.

• دم گسترش:برای واحدهای لوله ثابت، یک دم فلزی انعطاف پذیر مهندسی شده مستقیماً در دیواره پوسته بیرونی ادغام می شود تا حرکت دیفرانسیل محوری را ایمن جذب کند.

سودآوری یک پروژه بازیابی گرمای زباله کاملاً به میانگین زمان بین خرابی (MTBF) تجهیزات بستگی دارد. گاز دودکش تهدیدی دوگانه از تخریب شیمیایی و سایش فیزیکی است.

گازهای دودکش حاصل از زغال سنگ، نفت کوره سنگین یا زباله های شیمیایی اغلب حاوی دی اکسید گوگرد (SO2) و تری اکسید گوگرد (SO3) هستند. هنگامی که گاز در طول استخراج حرارتی سرد می شود، نباید از نقطه شبنم اسید سولفوریک (معمولاً بین 120 تا 150 درجه سانتی گراد) پایین بیاید.

اگر دمای دیواره لوله به زیر این آستانه کاهش یابد، H2SO4 بر روی سطوح فلزی متراکم می شود و باعث خوردگی حفره ای سریع و موضعی می شود.

قانون مهندسی:حلقه های کنترل باید در خط سیال فرآیند ادغام شوند تا دمای پوست دیواره لوله حفظ شودبالانقطه شبنم اسیدی محاسبه‌شده، تضمین می‌کند که گاز به طور ایمن در فاز بخار خود در سراسر لایه‌های مرزی داخلی باقی می‌ماند.

ذرات جامد معلق در گاز دودکش به عنوان یک محیط انفجار ساینده ثابت در برابر اجزای داخلی مبدل عمل می کند. نرخ فرسایش به طور نمایی متناسب با سرعت سیال است.

• کاهش سرعت:سرعت گاز سمت پوسته باید تا محدوده محافظه کارانه (معمولاً 10 تا 15 متر بر ثانیه) کاهش یابد تا از شسته شدن دیواره های لوله جلوگیری شود.

• بافل های برخورد:صفحات جامد قربانی گیج سنگین مستقیماً در زیر نازل ورودی گاز دودکش نصب می شوند. این کار ضربه ذرات با سرعت بالا را از بسته‌های لوله ظریف منحرف می‌کند و انرژی جنبشی اولیه جریان ورودی را جذب می‌کند.

انتخاب آلیاژهای مناسب هزینه های سرمایه ای (CAPEX) را با بقای طولانی مدت مبدل حرارتی در محیط های حرارتی تهاجمی متعادل می کند.

س: گاز دودکش باید به کجا هدایت شود - سمت پوسته یا سمت لوله؟

پاسخ: در اکثر برنامه های بازیابی حرارت زباله، گاز دودکش از طریق آن عبور می کندسمت پوسته. این یک سطح جریان مقطع بزرگتر را فراهم می کند، که حجم گازهای بالایی را در خود جای می دهد، افت فشار را به حداقل می رساند و امکان ادغام دوده دمنده های فیزیکی یا خطوط تمیزکننده مکانیکی را برای مدیریت تجمع خاکستر فراهم می کند.

س: رسوب گیری چگونه بر کارایی مبدل حرارتی گاز دودکش تأثیر می گذارد؟

A: رسوب گاز دودکش لایه ای از دوده یا خاکستر را بر روی قسمت بیرونی لوله رسوب می دهد. این لایه به عنوان یک عایق حرارتی ناخواسته عمل می کند و ضریب انتقال حرارت کلی (U) را به شدت کاهش می دهد. فواصل تمیز کردن منظم و سیستم‌های دمنده دوده صوتی یا بخار برای حفظ عملکرد حرارتی حیاتی هستند.

س: آیا می توان از این مبدل های حرارتی برای بازیابی حرارت گاز به گاز استفاده کرد؟

ج: بله. آنها اغلب برای پیش گرم کردن هوای احتراق ورودی با استفاده از گازهای خروجی دودکش استفاده می شوند. مهندسان هنگام رسیدگی به کاربردهای گاز به گاز، اغلب از لوله های پره دار در قسمت بیرونی استفاده می کنند تا سطح موجود (A) را به میزان قابل توجهی افزایش دهند و ضرایب انتقال حرارت پایین گازها را جبران کنند.

یک مبدل حرارتی پوسته و لوله بادوام که برای بازیابی گازهای دودکش در دمای بالا طراحی شده است، سنگ بنای بهینه سازی انرژی صنعتی است. با اجرای طرح‌های مکانیکی قوی برای انبساط حرارتی، اعمال محدودیت‌های دقیق سرعت سیال برای کاهش فرسایش ذرات، و انتخاب آلیاژهای درجه بالا برای مقاومت در برابر خوردگی نقطه شبنم، تأسیسات می‌توانند به طور ایمن ذخایر انرژی عظیمی را باز کنند که در غیر این صورت پشته را از بین می‌برد.

آیا برای محاسبه پتانسیل گرمای تلف شده پشته اگزوز خود آماده هستید؟

هر جریان گاز دودکش دارای پروفایل های ترمودینامیکی منحصر به فرد، غلظت اسید و بارهای ذرات است.

آیا می خواهید در مورد چگونگی محاسبه دمای بهینه دیواره لوله برای ترکیب سوخت خاص خود صحبت کنید تا به طور کامل از تراکم نقطه شبنم اسیدی جلوگیری شود؟