كنترل دما در مبدل های حرارتی

مجله تاسیسات شماره 141 -3

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 1 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 25% باز شدن شیر، 25% کل جریان از شیر عبور می کند و با 50% باز شدن شیر، 50% 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 20% بازشدگی نرخ جریان 4% جریان کل باشد، افزایش بازشدگی شیر تا 30% جریان پیشین را 50% افزایش داده و به 6% جریان کل می رساند؛

بدین معنی که جریان کل عبوری 2% افزایش یافته است. بازشدگی بیشتر شیر به 40% جریان را 3% (50% از 6%) افزایش خواهد داد و به 9% جریان کل خواهد رساند.

مشخصه جریان شیرهای خطی و درصد ثابت در شکل 2 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 (p₁) تعریف می شود:

تقلیل فشار=rp/ p₁

هنگامی که نسبت تقلیل فشار به حدود 46% می رسد، بخار مابین نشیمنگاه و پلاگ سرعت صوت در حال عبور است. در این حالت فشار پایین دست نشیمنگاه شیر 54% فشار بالا دست است که به آن فشار بحرانی گفته می شود. تقلیل فشار شیر در این حالت را تقلیل فشار بحرانی گویند.

شکل 3، دو نمونه از مشخصه سیستم را برای شیرهای خطی ودرصد ثابت در نسبت های تقلیل فشار کم مانند 2%-1% 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 4% 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 كنترل دمای مبدل های حرارتی با مدار گرم كننده بخار، از روش های متعددی می توان استفاده نمود. در این رابطه بسیار ضروری است كه شرایط واقعی عملكرد فرایند مد نظر قرار گرفته و سپس نوع كنترل دما انتخاب شود.

برخی از نكاتی كه باید در زمان انتخاب سیستم لحاظ گردد، در زیر عنوان شده است:

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

استفاده از سیستم كنترل بخار ورودی

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

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

میزان گذر جریان بخار (و متعاقبا فشار بخار ) بوسیله شیر دوراهه كنترل در مدار ورودی به مبدل تنظیم می شود. (شكل1).

 

 

موقعیت تنظیم (درصد باز و بسته بودن ) شیر كنترل با توجه به سیگنال ارسالی از كنترل تعیین می‌شود. میزان سیگنال مذكور نیز طبق اطلاعات دریافتی از سنسور دما كه 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 كندانس استفاده می شود.

مزایا

• طراحی و عملكرد 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 كه جهت بخار طراحی نشده باشند، احتمالا مبدل بیش از اندازه بزرگ خواهد بود.
• در صورت تغییر عمده در شرایط جریان ثانویه (كاهش جریان یا افزایش دما ) و یا در صورت افزایش فشار معكوس بر سیستم كندانس، احتمال عدم تخلیه مناسب و جمع شدن آب در مبدل (stall) وجود خواد داشت.

استفاده از سیستم كنترل بخار ورودی به همراه سیستم تخلیه اجباری كندانس

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، كنترلر و سنسور مربوطه كنترل می گردد. در مدار خروجی كندانس مبدل، از پمپ كندانس و تله بخار مشترك استفاده می شود (شكل2).

 

 

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

با استفاده از این چیدمان در صورتی كه فشار كندانس در خروجی مبدل حرارتی بیشتر از فشار معكوس خط باشد، تله بخار بصورت طبیعی عمل نموده و كندانس را تخلیه می كند و پمپ مكانیكی وارد مدار نخواهد شد.
در صورتی كه فشار خط كندانس خروجی از مبدل پایین تر از فشار معكوس باشد، كندانس قادر به عبور از تله بخار نبوده و در بدنه پمپ جمع می شود. در این صورت پمپ بطور اتوماتیك عمل نموده و با افزایش فشار كندانس، آن را تخلیه خواهد نمود.

مزایا

• طراحی و عملكرد نسبتا ساده
• در تمامی شرایط كاری مبدل، كندانس بصورت كامل تخلیه می شود.
• نصب، تنظیم و بهره برداری نسبتا ساده
• پاسخ سریع به تغییرات با حرارتی
• امكان استفاده از بخار با فشارهای پایین (حتی نزدیك به خلا) در مقابل فشارهای معكوس بالا.

معایب

• -هزینه بیشتر جهت نصب پمپ مكانیكی

زمانی استفاده كنید كه :

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

 

استفاده از شیر كنترل 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 اندك در نزدیكی دمای بخار ورودی خواهد بود.

در صورت استفاده از شیر سه راهه نوع مخلوط كننده (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 (شكل 3).

 

مزایا

• فشار ثابت بخار در مدار ورودی به مبدل حرارتی

معایب

• فشار مدار ثانویه باید به اندازه كافی 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 كنید كه:

• بكارگیری فشار ثابت بخار در مدار اولیه می تواند مشكل آب گرفتگی (stall) در مبدل را حل نماید.
• فشار بخار ورودی خیلی كم بوده (كوچكتر از یك بار) و فشار معكوس زیاد نباشد.

 

استفاده از شیر كنترل دو راهه در مسیر خروجی كندانس

در این روش، شیر كنترل نصب شده در خروجی مبدل حرارتی (مدار اولیه)، سطح كندانس در مبدل را كنترل و تنظیم می كند (شكل 4) .

 

 

با بسته شدن شیر كنترل، كندانس به داخل مبدل برگشته و سطوح حرارتی مبدل را پر می كند. با كاهش سطح حرارتی، قدرت گرمایش و انتقال حرارت مبدل حرارتی كاهش می‌یابد.

با باز شدن مجدد شیر مذكور، سطح كندانس در مبدل كاهش پیدا كرده و با پدیدار شدن سطوح حرارتی، نرخ انتقال حرارت افزایش می یابد.

معمولا اندازه مبدل حرارتی طوری انتخاب می شود كه در زمان حداكثر بار حرارتی، كندانس مقدار تقریبی 25 تا 50% از سطوح حرارتی را پوشانده باشد. میزان پائین آمدن دمای كندانس در مبدل حرارتی، دقیقا به مقدار سطوح پوشانده شده توسط كندانس مرتبط است.

مزایا

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

معایب

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

زمانی استفاده كنید که

• میزان بار حرارتی همواره ثابت و نسبتا زیاد باشد.
• فشار بخار نسبتا پائین (كمتر از 5 bar) باشد.
• آزاد شدن بخار فلاش مشكل ساز باشد و یا به هر علتی كندانس خروجی باید سرد شده باشد.

 

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