تبخیرکننده ها با ساختارهای گوناگون طراحی و در مدلهای مختلفی کار می کنند که بستگی به تجهیزات سرویس دهی،ساختار،بازرسی،آزمایش و عملیاتی شدن و عموما در طول عملیات تبخیر وجود دارد.از طرفی هدف از این مقاله بحث در مورد تمامی اشکال تبخیرکننده هاست ولی ما بحث در مورد تبخیرکننده را محدود به آنهایی می کنیم که کاربرد صنعتی دارندو علی الخصوص مبدل های tube&shell.
ما می توانیم تمامی تبخیرکننده را به دستگاه های بیرونی و درونی تقسیم بندی کنیم.
انتخاب انواع تبخیرکننده بستگی به خیلی از فاکتورهای ارزیابی دارد،مثل:
هدف از تبخیر برای تولید بخار یا خنک کردن با حرارت دهی متوسط
جوشاندن سیال:تک جزئی و حاوی ماده ی غیر فرار یا جامدات غیر حل شدنی
نوع گرمادهی:مایع،گاز،تشعشعی یا الکتریکی
مشخصات رسوب گذاری و تجهیزات خارح کردن آن
فشار عملیاتی:ایم مورد خصوصا در موارد عملیات در کمترازخلا و نزدیک فشار بحرانی مهم است.
با انجام این مباحث شما می توانید با طرح ریزی و جستجو در لوله ها باعث توسعه جوش هسته ای و ضریب جوش یا افزایش ضریب چندگانه حرارتی شوید.
۱) جوشش در خارج از لوله ها:
a) ریبویلرهای kettleساختار ریبویلرهای kettle شکل ۱ نشان داده شده است.در اینجا یک دسته لوله ی U شکل را در یک پوسته ی بزرگتر مشاهده می کنید که سطح مایع بالاتر از دسته لوله ها و بوسیله ی بفل کنترل می شود و زیادی مایع (از کف یا blow down) به بالاتر از بفل که در قسمت انتهایی قراردارد،رفته و بوسیله ی کنترل سطح،کنترل می شود.
سطح بالای بفل برای رهاشدن بخار از سطح متلاطم و مسیری به بالای دسته لوله ها استفاده می شود و گردش دوباره ی مایع و بازگشت به دسته لوله ها توسط چرخش گریز از مرکز حلقوی شکل، بین پوسته و دسته لوله ها انجام می گیرد. به تعداد یک عدد یا بیشتر (بستگی به اندازه طول لوله ها دارد) نازل بخار برای خروج بخار استفاده می شود.ساختار U شکل لوله ها غالبا برای حذف رسوبات گرمایی که ممکن است باعث مشکل gasket شود؛نیاز است و هم چنین هیچ فشاری بین لوله و پوسته نیست و اگر سرعت بالا برای حرارت دهی مایع نیاز باشد می توان از پاس(گذر) اضافی استفاده کرد.
مزایا:
نداشتن حساسیت هیدرودینامیکی و بنابراین راحتی برای افزایش سایز-فلاکس بالای حرارتی که می تواند با مقدار∆T پایین کارکند-تا ۸۰% می تواند بخار تولید کند-لوله کشی ساده ای دارد-سطح حرارتی غیرمحدود دارد.
معایب:
تمامی رسوبات یکجا جمع شده و تجمعات غیرفرار و غیرقابل استفاده در draw off جمع می شوند-تمییز کردن پوسته سخت است-سخت بودن تعیین درجه اختلاط و بنابراین تعیین درست ∆T برای محدوده زیاد جوش مایعات مشکل است-افزایش سایز پوسته گران تمام می شود.
نوع دیگری از ریبویلرهای kettle با دسته لوله های ثابت که کنترل سطح مایع در قسمت پوسته عمل می کند در شکل ۲ نشان داده شده است.این نوع از ریبویلرها در واحد های زیادی برای خنک سازی و تهویه ی هوا استفاده می شود و در این واحدها مبرد تمیز است و یا مقداری از لایه های نفتی دارد که کاملا باید بخار شوند.
لوله ها در فضای بخار برای بخار خشک یا سوپرهیت برای استفاده در کمپرسور بکار می روند و خروجی کوچک draw off گاهی اوقات برای نگه داشتن محتوای نفت کم موجود در پوسته بکار می رود.
b) ریبویلر داخل برج شکل ۳ یک دسته لوله ی U شکل در داخل برج را نشان می دهد که این در حقیقت یک ریبویلر از نوع kettle است اما لوله کشی اتصال و پوسته ندارد و به همین دلیل مشکلات هیدرودینامیکی که ناشی از مکان نامناسب و اندازه ی نامناسب برای خوراک و خطوط بخار که در ریبویلر kettle است؛در این برج وجود ندارد.و از معایب آن میزان سطح محدود برای نصب و نیاز آن به فلنج های بزرگ و نگهدارنده های(supporters) داخلی ،لوله های کوتاه و گران بودن دسته لوله ها را می توان نام برد و علاوه بر آن برای تمیز کردن،برج باید کاملا متوقف شود(shut down).
c)ریبویلرهای ترموسیفون افقی شکل های معمول بفل ها در مرجع TEMA بصورت X,G,H,E بیان شده است که در شکل ۴ یک ریبویلر نشان داده شده است که جوشش در قسمت پوسته رخ می دهد.با چیدمان لوله ها،نیروی driving force برای گردش بوسیله ی تفاوت دانستیته بین مایع در ستون و مخلوط دو فاز در خروجی لوله بوجود می آید و حرارت دهی متوسط جریان در لوله ها تک فازه یا چند فازه رخ می دهد.
مزایا:
ریت بالای گردش که می تواند ∆T بهتری از ریبویلر kettle بدهد-ارتفاع حوالی برج کمتر از ترموسیفون عمودی است-سرعت بالا و خروجی کم جز بخار سبب کاهش اثر پسماند بالای ریبویلرها و کاهش رسوب گذاری می شود-فضای نامحدود می تواند رسوب گذاری حرارتی مایع را کنترل کند.
معایب:
رسوب گذاری در پوسته-بفل گذاری و نگهدارنده های لوله ها ممکن است باعث بوجود آمدن لایه و مکان های dry out شود(محل های خشکی زدن)-نازل های چند مسیره و لوله کشی پیچیده نیاز است-ممکن است برای جلوگیری از فلش شدن در نزدیکی ورودی و غلظت سنگین ترین در خروجی های مبدل به بفل نیاز باشد-داده های طراحی خیلی کمی از آن موجود است و مشکلات هیدرودینامیکی تعریف نشده ای برای آن پیش می آید-نیاز به ناحیه وسیع و ساختار بلند و پر هزینه ای دارد.
d) ریبویلرهای ترموسیفون عمودی یکی از اشکال غیرمعمول در چیدمان واحد است که کمتر برای اتصال به برج مورد استفاده قرار می گیرد و اغلب برای راکتورهای لوله ای با بستر کاتالیست مورد استفاده قرار می گیرد زیرا در راکتورهای پرشده نیاز به کنترل دمایی دقیقی است و این نمونه در شکل۵ قابل مشاهده است.گاهی اوقات بستر کاتالیست در بالای رشته لوله هاست و زمانیکه بخواهیم واکنش را خیلی سریع متوقف کنیم و گردش توسط درام بخار بالای آن تامین می شود.
وابستگی شرایط دمایی در بالای لوله ها باعث بوجود آمدن مشکلاتی می شودکه در حین گرایش بخار برای تشکیل نقاط پوشیده زیر لوله ممکن است،بوجود آید. ۲) جوشش در داخل لوله ها
a) ریبویلرهای ترموسیفون عمودی ریبویلر با شکل E-TEMA تک گذره در پوسته در شکل ۶ نشان داده شده است.مشخصه اصلی این تبخیرکننده ،لوله بزرگ خروجی با تقاطع یکسان سطح لوله ها و چیدمانی است که کمترین فاصله ی عمودی بین بالای دسته لوله ها و نازل ستون را داشته باشد.
سطح مایع موجود در ستون معمولا در بالای سطح لوله ها برای حفظ ماکزیمم گردش نگه داشته می شود و ضریب انتقال حرارت بهتر در زمانی بدست می آید که سطح مایع ۱/۳ تا ۱/۲ طول لوله باشد؛اگرچه گردش کاهش یافته و ممکن است که رسوب گذاری افزایش یابد.
برای شرایط عملیاتی تحت خلا که هد هیدرواستاتیکی می تواند تاثیرات خاص روی نقطه جوش محلی یا ∆T پایین بگذارد،فرو رفتگی کمتری از لوله ها مورد استفاده قرار می گیرد.
هد driving برای گردش از تفاوت دانستیته بین مایع در برج و دوفاز مخلوط در لوله بوجود می آید ؛بنابراین در تبخیرکننده نهایتا ۳/۴ تا ۱ اینچ و در لوله ها ۸تا ft12 ایجاد می شود.دامنه ی درصد وزنی بخار خروجی برای هیدروکربن ها از ۰٫۱تا ۰٫۳۵ و برای آب حدود ۰٫۰۲تا ۰٫۱ است.
مزایا:
گردش بالا و معمولا کمترین رسوب گذلری را دارد-رسوب گذاری در بخش لوله ها راحت تر تمییز می شود-پوسته یE شکل و لوله های اتصال نسبتا ارزان بوده و به راحتی ساپورت شده و کامل می شوند.
معایب:
به ارتفاع بیشتر و ستون بلندتری نیاز است-می توانبا ریبویلرکوچکتری فلاکس حرارتی بیشتری تولید کرد-تاثیرات هیدرواستاتیکی در نقطه جوش ممکن است باعث مشکل در ∆T پایین یا در سرویس های تحت خلا شود-بیشترین سطح برای ریبویلر محدود بوده و تا ۵۰% بخار سازی محدودیت دارد.
آزمایشات حاکی از این مطلب است که بی ثباتی در فلاکس های بالا بسیار متاثر از اندازه افت فشار در خروجی لوله هاست،اگرچه پایداری ممکن است بوسیله ی افزایش افت فشار در خط جریان مایع توسط لوله ها یا محدود کننده ها بوجود آید.
b)تبخیرکننده لوله بلند عمودیدر این نوع از تبخیرکننده ها چیدمان تقریبا مثل شکل ۶ است بجز در خط جریان گردشی که ممکن است حذف شده باشد و اصولا این نوع شامل تبخیرکننده های یک مسیره با ریت خوراک کنترل شده می باشد و جز وزنی بخار خیلی بالا و نزدیک به ۱۰۰% است و بستگی به رنج جوشش و مشخصات رسوب گذاری در خوراک دارد.
اگر گردش مجدد بوسیله ی گردش مایع با خوراک تازه مخلوط شده انجام گیرد،باید قبل از پمپ کردن مخلوط در تبخیرکننده کاملا مخلوط شود.تاثیر فروبری بسیارکمتر از فیلم حلقوی بالارونده یا رژیم جریان غبارآلود(مه گرفته)موجود در بخش اصلی لوله است.
این تبخیرکننده ها می توانند به آسانی در فشارهای کم(بیشتر ازin hg abs2 ) کار کرده و اگر ∆T مورد استفاده مناسب باشد(حدود f15) ویسکوزیته را کنترل کرده و رنج دمایی جوشاندن را کنترل کند.لوله های کوچکتر با قطر in2 و با طول بیشتر از ft20 در این تبخیرکننده بسیار کاربرد دارند.
c)تبخیرکننده با گردش اجباریاین نوع از تبخیرکننده ممکن است از انواع افقی یا عمودی و تک مسیره یا چندمسیره باشد. تبخیرهای خیلی کوچک در لوله ها و قبل از آخرین پاس رخ می دهد.در ابتدا این واحدها بوسیله ی هیتر(گرمکن ها) و مایعات فلش شده بعد از گذر پاسها سالم شده(treatment) و پس از محدود شدن و جداسازی مایع به قسمت مکش پمپ باز می گردد.
مزایا:
سرعت زیاد و نبود تبخیر باعث کاهش رسوب می شود-ریت بالای انتقال حرارت-می تواند در فشارهای خیلی پایین abs مورد استفاده قرارگیرد مانند هد هیدرواستاتیکی که از نقاط جوش جلوگیری می کند-ویسکوزیته ی اجباری در کف(bottom) می تواند توسط مبدل های استاندارد مورد استفاده قرار گیرد-اتصالات لوله کشی کوچکتر
معایب:
هزینه ی پمپ ها و توان برای عملیات
در این تبخیرکننده ها ،تولید کننده های بخار و لوله ها ،ساکن و در معرض آتش مستقیم هستند که عمده ی مشکلات در بخش انتقال حرارت وجود دارد و منبع حرارتی دارای طراحی مخصوص است که روش های طراحی آن خارج از هدف این مقاله می باشد.
فیلم تبخیری
در فیلم ریزان تبخیری،یک لایه ی فیلم نازک جریان در داخل لوله های عمودی(شکل ۷ ) به سمت پایین می ریزدکه ریزش می تواند در لوله های افقی خالی نیز رخ دهد.این فیلم به قدری نازک است که دارای ضریب انتقال حرارت بالا و حباب های تشکیل شده ی کم است یا اصلا حباب ندارد و به همین دلیل افت فشار کم بوده و هد هیدرواستاتیکی قابل صرف نظر است.این تبخیر کننده ها برای عملیات در فشار خیلی پایین بسیار مناسب بوده و با داشتن اختلاف دمای کوچک،ضریب حرارتی بالایی دارند و ماندگی در آنها بسیار کم است،بنابراین کنترل دمای مایعات محسوس بوده و عریان سازی گاز می تواند برای کاهش یا حذف سطح دمایی صورت گیرد.
معایب:
پخش یکسان در لوله ها سخت است-نیاز است که فیلم بصورت مناسب در سطح باقی بماند و امکان تشکیل نقاط فیزیکی خشک وجود دارد.
ترجمه از کتاب wolverine tube heat transfer data book
