کنترل دما در مبدل های حرارتی

مجله تاسیسات شماره ۱۴۱ -۳

اکثر روش های کنترل دما که در شماره پیشین به استحضار خوانندگان محترم رسید، نیاز به شیر کنترل دو راهه ای داشتند که یا در ورودی بخار مبدل حرارتی صفحه ای، و یا در خروجی کندانس قرار می گرفت:

• در صورتی که این شیر ورودی بخار نصب شود، هدف کنترل میزان و فشار بخار ورودی به مبدل است.
• در صورتی که این شیر در خروجی کندانس نصب گردد، کنترل سطح کندانس درون مبدل حرارتی مورد نظر می باشد.

معمولا ترکیب بندی اول یکی از متداول ترین روش های نصب کنترل دمای خودکار بر روی مبدل های حرارتی صفحه ای است.

نیازمندی های کنترل

سیستم کنترل خودکاری که بطور صحیح انتخاب، اندازه گیری و نصب شده است، باید تحت شرایط کاری معمول، کنترلی دقیق، قابل پیش بینی و پایدار انجام دهد. در صورت لزوم نیز می توان به کنترل فرایند موجود در سایت یا سیستم داده گیری متصل شود.

اجزا ء سیستم کنترل

سیستم کنترل دمای خودکار ساده ای که برای کنترل دمای خروجی جریان گرم شونده مبدل حرارتی صفحه ای مناسب باشد، از اجزاء نشان داده شده در شکل ۱ تشکیل شده است:

• حسگر: این ابزار دمای حقیقی جریان گرم شونده را اندازه گیری کرده و اطلاعات مربوطه را بوسیله سیگنال به کنترلر ارسال می کند.
• کنترلر: این دستگاه اطلاعات از پیش ذخیره شده دمای مطلوب را مقایسه و در نتیجه دستوراتی را بصورت سیگنال خروجی به محرک شیر ارسال می نماید.
• شیر و محرک شیر: محرک، شیر بخار را مطابق با سیگنال که از کنترلر دریافت می کند باز و بسته خواهد کرد.

هر یک از اجزاء سیستم کنترل باید به دقت انتخاب شوند تا اطمینان حاصل شود که مکمل یکدیگرند، و کل سیستم نیز باید برای حصول عملکرد بهینه طراحی گردد.

ارائه تمام اطلاعات لازم جهت فراگیری فرایند انتخاب و بکارگیری اجزاء سیستم کنترل دما خارج از حوصله این مقاله است. هر چند که در بخش های ذیل به بحث درباره برخی اطلاعات پایه ای تعدادی از اجزاء و روش های ساده اندازه گیری سیستم با استفاده از نصب شیر کنترل در ورودی بخار خواهیم پرداخت.

شیرکنترل

تمام شیرهای کنترل مشخصه ای ذاتی دارند که تعیین کننده ارتباط بین بازشدگی شیر و نرخ جریان در اختلاف فشاری ثابت است بعبارت دیگر، این مشخصه مربوط به میزان جریانی است که این مقدار بازشدگی شیر اجازه عبور را به آن می دهد.

معمولا قابلیت استفاده از چندین نوع پلاگ در شیرهای کف فلزی وجود دارد. دو نوع اصلی این پلاگ ها با نام “خطی ” و “درصد ثابت ” (یا لگاریتمی) شناخته می شوند.

طراحی پلاگ های نوع خطی بگونه ای است که نرخ جریان مستقیما با بازشدگی شیر تناسب دارد. با ۲۵% باز شدن شیر، ۲۵% کل جریان از شیر عبور می کند و با ۵۰% باز شدن شیر، ۵۰% کل جریان از شیر عبور می کند و….

طراحی نوع پلاگ های درصد ثابت به شکلی است که میزان مشخص از بازشدگی شیر، نرخ جریان را به میزان درصدی ثابت از جریان پیشین افزایش می دهد.

برای مثال، اگر در ۲۰% بازشدگی نرخ جریان ۴% جریان کل باشد، افزایش بازشدگی شیر تا ۳۰% جریان پیشین را ۵۰% افزایش داده و به ۶% جریان کل می رساند؛

بدین معنی که جریان کل عبوری ۲% افزایش یافته است. بازشدگی بیشتر شیر به ۴۰% جریان را ۳% (۵۰% از ۶%) افزایش خواهد داد و به ۹% جریان کل خواهد رساند.

مشخصه جریان شیرهای خطی و درصد ثابت در شکل ۲ نمایش داده شده است. همانطور که پبیشتر توضیح داده شد، فشار بخار در یک مبدل حرارتی ثابت نیست و با حرارتی تغییر می کند.

افت فشار

با تغییر افت فشار در طول شیر، رابطه بین جریان و بازشدگی شیر نیز تغییر می یابد. از رابطه نهایی بازشدگی شیر و خروجی مبدل حرارتی اغلب با عنوان مشخصه سیستم یا مشخصه نصب یاد می شود.

در شیرهای کنترل بخار، نسبت تقلیل فشار در جریان کامل عامل مهمی در تعیین مشخصه سیستم است. نسبت تقلیل فشار بصورت افت فشار در شیر کنترل (rp) تقسیم بر فشار مطلق بالادست شیر کنترل (p_۱) تعریف می شود:

تقلیل فشار=rp/ p_۱

هنگامی که نسبت تقلیل فشار به حدود ۴۶% می رسد، بخار مابین نشیمنگاه و پلاگ سرعت صوت در حال عبور است. در این حالت فشار پایین دست نشیمنگاه شیر ۵۴% فشار بالا دست است که به آن فشار بحرانی گفته می شود. تقلیل فشار شیر در این حالت را تقلیل فشار بحرانی گویند.

شکل ۳، دو نمونه از مشخصه سیستم را برای شیرهای خطی ودرصد ثابت در نسبت های تقلیل فشار کم مانند ۲%-۱% نشان می دهد.

شرایط جریان بحرانی

در صورت استفاده از مبدل حرارتی با سطوح حرارتی بیش از حد نیاز و در صورت اعمال درصد کم از بارهای حرارتی فرایند ممکن است فشار پایین دست شیر کمتر از فشار بحرانی شده و افت فشار و ملموسی در شیر کنترل مشاهده شود.

بدین صورت، مشخصه سیستم مشابه مشخصه شیر کنترل خواهد بود. بنابراین، با اندازه گیری شیر کنترل برای افت فشار بحرانی، یا نزدیک آن، مشخصه سیستم مطلوبی چه برای شیر کنترل خطی و چه برای درصد ثابت بدست خواهد آمد. بعنوان یک راهنمایی ساده می توان نسبت حدودی تقلیل فشار ۴% را برای حصول مشخصه مطلوب پیشنهاد داد.

انتخاب مشخصه شیر کنترل

استفاده از شیرهای کنترل با ویژگی کنترل خطی در کاربردهایی با میزان گذر ثابت جریان در مدار ثانویه، می تواند انتخاب مناسبی محسوب شود.

بعنوان نمونه، از شیر خطی می توان جهت گرمایش ساختمان ها به خوبی استفاده کرد. در کاربردهایی که بار حرارتی با تغییر جریان در طرف گرم شونده تغییر می کند، شیر کنترل با مشخصه درصد ثابت عملکرد مطلوبی خواهد داشت.

شیر درصد ثابت همچنین در کاربردهای گرمایشی نظیر مخازن دو جداره و یا استفاده جهت کنترل بارهای کم مناسب است.

ه منظور کنترل دمای مبدل های حرارتی با مدار گرم کننده بخار، از روش های متعددی می توان استفاده نمود. در این رابطه بسیار ضروری است که شرایط واقعی عملکرد فرایند مد نظر قرار گرفته و سپس نوع کنترل دما انتخاب شود.

برخی از نکاتی که باید در زمان انتخاب سیستم لحاظ گردد، در زیر عنوان شده است:

• فشار واقعی بخار مورد نیاز در مبدل حرارتی
• فشار برگشتی (معکوس ) که بر خروجی کندانس از مبدل اعمال می شود.
• آیا جریان ثانویه (گرم شونده) ثابت یا متغیر است؟
• ساختار مبدل حرارتی

استفاده از سیستم کنترل بخار ورودی

در این روش کنترل، مبدل با توجه به گذر کامل جریان در مدار ثانویه در سخت ترین شرایط (بالاترین اختلاف دما) اندازه گیری می شود.

در صورتی که مبدل حرارتی مورد نظر، بطور خاص جهت بخار طراحی نشده و عملا بزرگتر از حد نیاز باشد، می توان با تعبیه یک مدار بای پس در ورود از ثانویه، سیستم مبدل را بهینه سازی کرد.

میزان گذر جریان بخار (و متعاقبا فشار بخار ) بوسیله شیر دوراهه کنترل در مدار ورودی به مبدل تنظیم می شود. (شکل۱).

موقعیت تنظیم (درصد باز و بسته بودن ) شیر کنترل با توجه به سیگنال ارسالی از کنترل تعیین می‌شود. میزان سیگنال مذکور نیز طبق اطلاعات دریافتی از سنسور دما که در مدار ثانویه (گرم شونده) نصب می شود، مشخص خواهد شد. در مدار خروجی مبدل حرارتی از مجموعه تله بخار و شیرآلات جانبی جهت تخلیه کندانس استفاده می شود.

مزایا

• طراحی و عملکرد نسبتا ساده
• تنظیم راه اندازی و بهره بردای نسبتا آسان
• پاسخ نسبتا سریع به تغییرات و شرایط بار حرارتی

معایب

• در صورت استفاده از مبدل هایی که جهت بخار طراحی نشده باشند، احتمالا مبدل بیش از اندازه بزرگ خواهد بود.
• در صورت تغییر عمده در شرایط جریان ثانویه (کاهش جریان یا افزایش دما ) و یا در صورت افزایش فشار معکوس بر سیستم کندانس، احتمال عدم تخلیه مناسب و جمع شدن آب در مبدل (stall) وجود خواد داشت.

استفاده از سیستم کنترل بخار ورودی به همراه سیستم تخلیه اجباری کندانس

در این روش نیز مبدل حرارتی جهت عبور صدر در صد جریان ثانویه و گرمایش آن تا دمای طراحی انتخاب می‌شود. جریان بخار ورودی به مبدل حرارتی بوسیله شیر دوراهه، کنترلر و سنسور مربوطه کنترل می گردد. در مدار خروجی کندانس مبدل، از پمپ کندانس و تله بخار مشترک استفاده می شود (شکل۲).

استفاده از مدار بسته باریک بین بدنه پمپ و خروجی مبدل حرارتی موجب بالانس فشار شده و اجازه تخلیه راحت کندانس را بدست خواهد داد.

با استفاده از این چیدمان در صورتی که فشار کندانس در خروجی مبدل حرارتی بیشتر از فشار معکوس خط باشد، تله بخار بصورت طبیعی عمل نموده و کندانس را تخلیه می کند و پمپ مکانیکی وارد مدار نخواهد شد.
در صورتی که فشار خط کندانس خروجی از مبدل پایین تر از فشار معکوس باشد، کندانس قادر به عبور از تله بخار نبوده و در بدنه پمپ جمع می شود. در این صورت پمپ بطور اتوماتیک عمل نموده و با افزایش فشار کندانس، آن را تخلیه خواهد نمود.

مزایا

• طراحی و عملکرد نسبتا ساده
• در تمامی شرایط کاری مبدل، کندانس بصورت کامل تخلیه می شود.
• نصب، تنظیم و بهره برداری نسبتا ساده
• پاسخ سریع به تغییرات با حرارتی
• امکان استفاده از بخار با فشارهای پایین (حتی نزدیک به خلا) در مقابل فشارهای معکوس بالا.

معایب

• -هزینه بیشتر جهت نصب پمپ مکانیکی

زمانی استفاده کنید که :

• فشار معکوس بیشتر از فشار ورودی به مبدل باشد یا احتمال بیشتر شدن آن وجود داشته باشد.
• بعلت ایجاد رسوب در مبدل یا به منظور کاهش بخار فلاش، از فشارهای پایین بخار استفاده گردد.

استفاده از شیر کنترل سه راهه در مدار ثانویه (مدار گرم شونده)

در این روش، بخار با فشار ثابت به مدار اولیه مبدل حرارتی اعمال می گردد. بنابراین دمای خروجی سیال ثانویه از مبدل حرارتی، با فاصله اندک در نزدیکی دمای بخار ورودی خواهد بود.

در صورت استفاده از شیر سه راهه نوع مخلوط کننده (Mixing Type ) درصدی از جریان برگشتی (ورودی به مبدل) با درصدی از جریان خروجی از مبدل مخلوط شده تا دمای مورد نیاز فرایند را تامین نماید (شکل ۳).

مزایا

• فشار ثابت بخار در مدار ورودی به مبدل حرارتی

معایب

• فشار مدار ثانویه باید به اندازه کافی بالاتر از فشار مدار اولیه در نظر گرفته شود تا مانع از جوشیدن سیال ثانویه آب باشد، فشار آن حداقل باید برابر فشار بخار ورودی اعمال شود.

زمانی استفاده کنید که:

• بکارگیری فشار ثابت بخار در مدار اولیه می تواند مشکل آب گرفتگی (stall) در مبدل را حل نماید.
• فشار بخار ورودی خیلی کم بوده (کوچکتر از یک بار) و فشار معکوس زیاد نباشد.

استفاده از شیر کنترل دو راهه در مسیر خروجی کندانس

در این روش، شیر کنترل نصب شده در خروجی مبدل حرارتی (مدار اولیه)، سطح کندانس در مبدل را کنترل و تنظیم می کند (شکل ۴) .

با بسته شدن شیر کنترل، کندانس به داخل مبدل برگشته و سطوح حرارتی مبدل را پر می کند. با کاهش سطح حرارتی، قدرت گرمایش و انتقال حرارت مبدل حرارتی کاهش می‌یابد.

با باز شدن مجدد شیر مذکور، سطح کندانس در مبدل کاهش پیدا کرده و با پدیدار شدن سطوح حرارتی، نرخ انتقال حرارت افزایش می یابد.

معمولا اندازه مبدل حرارتی طوری انتخاب می شود که در زمان حداکثر بار حرارتی، کندانس مقدار تقریبی ۲۵ تا ۵۰% از سطوح حرارتی را پوشانده باشد. میزان پائین آمدن دمای کندانس در مبدل حرارتی، دقیقا به مقدار سطوح پوشانده شده توسط کندانس مرتبط است.

مزایا

• بعلت خنک شدن و استفاده از دمای محسوس کندانس، بخار فلاش از بین رفته و یا بسیار کم خواهد بود.
• فشار بخار ورودی ثابت ورودی موجب رفع آب گرفتگی مبدل حرارتی می شود.

معایب

• پاسخ آهسته به تغییرات بار حرارتی
• ایجاد ضربات چکش، اتعاشات و افزایش احتمال صدمه به مبدل حرارتی

زمانی استفاده کنید که

• میزان بار حرارتی همواره ثابت و نسبتا زیاد باشد.
• فشار بخار نسبتا پائین (کمتر از ۵ bar) باشد.
• آزاد شدن بخار فلاش مشکل ساز باشد و یا به هر علتی کندانس خروجی باید سرد شده باشد.

! کپی ممنوع * استفاده از مطالب این سایت فقط با ذکر نام منبع بلامانع می باشد * کپی ممنوع !