نرم افزار HTFS ( شبیه سازی و طراحی مبدل های حرارتی )

روش منحصر به فرد تصويري محاوره اي ACOL در طراحي مبدلهاي حرارتي هوا خنك ، شيوه هميشگي HTFS است. اين روش در عمل امكان دستيابي به شرايط بهينه تركيب و وضعيت واحد عملياتي به ازاي بار حرارتي مشخص را فراهم مي آورد. برنامه ACOL تعداد دسته لوله ها و پنكه ها را به علاوه مقدار جريان هواي لازم محاسبه مي كند. در اين مسير طرح ها و گزينه هاي مختلفي كه همگي عملي بوده و محدوديت هاي فرآيند در آنها رعايت شده است مورد بررسي قرار مي گيرند. يك اشاره كوچك موس كافيست تا خلاصه نتايج طراحي نشان داده شود. در روش طراحي پيشرفته ACOL طول و عرض مورد نظر طراح ، اندازه بهينه پنكه ها و جداول طراحي هاي جايگزين تعيين مي شود. سپس با شبيه سازي تفصيلي مي توان خطاي طراحي هاي خلاصه اوليه واحد را تصحيح كرد.

شش حالت شبيه سازي براي رسيدن به خواسته هاي كاربران ، سازندگان و مهندسان ارائه مي دهد :

·         دماي جريان خروجي قسمت لوله ها

·         دماي جريان ورودي قسمت لوله ها

·         عملكرد كنوكسيون طبيعي براي حالت “ پنكه ها خاموش “

·         مقدار جريان قسمت لوله ها

·         مقدار جريان طرف ديگر مبدل (متقاطع با لوله ها) به ازاي شرايط مشخص شده جريان قسمت لوله

·         ضريب جرم گيري قسمت لوله ها

طراحي

روش منحصر به فرد تصويري محاوره اي ACOL در طراحي مبدلهاي حرارتي هوا خنك ، شيوه هميشگي HTFS است. اين روش در عمل امكان دستيابي به شرايط بهينه تركيب و وضعيت واحد عملياتي به ازاي بار حرارتي مشخص را فراهم مي آورد. برنامه ACOL تعداد دسته لوله ها و پنكه ها را به علاوه مقدار جريان هواي لازم محاسبه مي كند. در اين مسير طرح ها و گزينه هاي مختلفي كه همگي عملي بوده و محدوديت هاي فرآيند در آنها رعايت شده است مورد بررسي قرار مي گيرند. يك اشاره كوچك موس كافيست تا خلاصه نتايج طراحي نشان داده شود. در روش طراحي پيشرفته ACOL طول و عرض مورد نظر طراح ، اندازه بهينه پنكه ها و جداول طراحي هاي جايگزين تعيين مي شود. سپس با شبيه سازي تفصيلي مي توان خطاي طراحي هاي خلاصه اوليه واحد را تصحيح كرد.

كاربرد در فرآيند

جريان فرايند در قسمت لوله ها مي تواند تك فاز يا دو فازي گرم يا سرد باشد. محاسبات محدود به مواد منفرد نيست و هر مخلوطي (با گازهاي غيرقابل ميعان يا بدون آن) در هر شرايطي (بخار خشك، بخار اشباع، دو فاز، مايع اشباع يا مادون سرد ) را مي توان به كار برد. جريان هاي X-side ( كه مربوط به حالت متقاطع است )   مي تواند هواي خشك يا مرطوب يا مخلوطي از گازها باشد. اين قابليت انعطاف زمينه كاربرد مداوم ACOL در صنايع نفت، گاز، شيميايي، پتروشيمي و انرژي را فراهم مي آورد.

 مشخصات فني و توانايي

انواع كاربرد

مبدلهاي حرارتي كه با هوا خنك مي شوند (ACHE) ، بازيافت حرارت ، تهويه مطبوع ، Charge Cooler

انواع لوله ها

ساده  ، پره بلند ، پره كوتاه ، پره دندانه دار ( Serrated Fin ) ، پره صفحه اي

انواع High fin

Extruded, L, G دوفلزي Shoulder grooved , (bi-metalic)

انواع كلگي

U-tube, Manifold, D, Cover Plate, Plug, Box

تعداد گذر

تا 50 عدد با آرايش ساده يا پيچيده. امكان چيدن و تنظيم گذرها به صورت تصويري

اندازه دسته لوله

2 تا 100 رديف با دسته لوله هاي چند گانه در هر bay و چندين bay در هر unit

نوع جريان هوا

اجباري، القايي ، آزاد (بدون پنكه)

طرف جريان فرآيندي

گرمايش و سرمايش تك فاز، ميعان يا جوشيدن

تقويت انتقال حرارت در طرف لوله ها

مشخص شده به ازاي هر گذر ، نوار پيچان ( twisted tapes )، ضرايب تقويت

X-side (جريان متقاطع)

هواي خشك، هواي تر (رطوبت زدايي)،مخلوط گازي چند جزئي، پروفيل دما و سرعت درورودي، عملكرد سطوح اختصاصي را نيز مي توان مشخص كرد.

خواص فيزيكي

مواد خالص و مخلوط هاي چند جزئي

بانكهاي داده داخلي

بانك داده ها با 40 ماده، بانك داده هاي مواد خاص كاربر و خواص جريان، بانك خاص كاربر براي X-side

واسطه هاي مخصوص

برنامه هاي PPDS2 , ASPENPLUS, HYSYS, HYSIM از طريق فايل هاي  PSF، برنامه انتخاب پنكه CF-P20 ، بانك اطلاعاتي خواص مواد DIPPR

جرم گيري

مقاومت استاندارد يا مقدار جرم گيري در قسمت لوله به عنوان تابعي از سرعت، دما، كيفيت ، فاز يا طول، X-side به عنوان تابعي از شماره رديف لوله ها

نتايج خروجي

ACOL از توان و قابليت هاي محيط ویندوز براي نشان دادن تمامي مشخصات مبدل استفاده مي كند. ترسيم منحني به صورت گسترده براي تجزيه و تحليل اطلاعات خروجي به كار گرفته شده است. خروجي ACOL شامل موارد زير است:

·         خلاصه عملكرد حرارتي – هيدروليكي مبدل

·         جزئيات نتايج شامل :

o        طرف لوله، طرف متقاطع با لوله ها و افت فشار دهانه ها

o        منحني هاي شرايط جريان و نتايج بدست آمده در مبدل

·         برگه اطلاعاتي  APIبا ورودي جزئيات مبدل به صورت خودكار

·         آرايه مبدل حرارتي براي واحدهاي از نوع API

·         خروجي متني شامل

o        خلاصه عملكرد حرارتي – هيدروليكي شامل تخمين وزن

o        نمودار جانمايي كلگي

o        اطلاعات جامع افت فشار در طرف لوله و طرف متقاطع

o        منحني هاي خواص جريان و بار حرارتي محاسبه شده توسط برنامه يا ضميمه شده به برنامه

o        جداول با جزئيات شرايط فرآيند و عملكرد آن در طول مبدل در قسمت لوله و X-side براي 20 نقطه در طول لوله در هر گذر يا رديف

o        نصب X-side و داده هاي Fan noise

·         فايل هاي INTOUT براي ارتباط خودكار با بانك هاي اطلاعاتي و ساير برنامه اي كاربردي .  

PIPESYS ، شبيه سازي خطوط لوله

خطوط لوله از عوارض گوناگون زمين تحت شرايط اقليمي مختلف عبور مي كنند. انتقال سيال در اين شرايط زماني بنحو مطلوب صورت مي گيرد كه اندازه خط لوله به درستي و با در نظر گرفتن عواملي مانند افت فشار و اتلاف حرارت تعيين شده و تجهيزات و لوازم نصب شده در داخل خط مانند كمپرسورها،        گرم كن ها و اتصالات با آن متناسب باشد.

با توجه به پيچيدگي محاسبات شبكه خطوط لوله، طراحي دقيق اندازه مشكل بنظر مي رسد. معمولا براي جبران خطاي محاسبه افت فشار در طراحي، لوله با اندازه بزرگتري انتخاب مي شود. در جريان هاي چند فازي اين مسئله باعث افت دما و فشار بيشتر، افزايش ملزومات براي انتقال مايع و خوردگي بيشتر لوله خواهد شد. مدلسازي دقيق سيال از اين مسائل جلوگيري كرده و نتيجه آن سيستم خط لوله با صرفه تري است. براي اين كار مي توان از مجموعه دانسته هاي تكنولوژي جريان تك فاز و چند فازي در قالب نرم افزار براي شبيه سازي دقيق و موثر جريان در خطوط لوله استفاده كرد. PIPESYS با قابليت هاي فراوان در مدلسازي دقيق هيدروليك خطوط لوله چنين نرم افزاري است. PIPESYS پس از نصب به صورت جزئي از نرم افزار HYSYS درآمده و به قابليت هاي اين نرم افزار مانند بانك داده هاي مواد و خواص سيال دسترسي دارد.

مجموعه اي از تجهيزات داخل خط كه براي ساخت خط لوله وآزمايش آن به كار مي روند در PIPESYS پيش بيني شده است و به كمك آن مي توان خطوط لوله اي را كه در محيط ها و ارتفاعات مختلف سطح زمين كشيده شده اند مدلسازي كرد.

امکانات و توانایی ها

·         مدلسازي دقيق و تفصيلي جريان هاي تك فاز و چند فاز.

·    محاسبه جزئيات پروفيل دما و فشار براي خطوط لوله اي كه از زمين هاي ناهموار، چه در خشكي و چه در فلات قاره دريايي عبور مي كنند.

·    محاسبه فشار از ابتداي خط به انتها يا برعكس. مدلسازي اثرات تجهيزات داخل خط مانند ايستگاه هاي تقويت فشار گاز و تلمبه خانه ها، گرم كن، خنك كن، رگلاتورها و اتصالات شامل شيرالات و زانويي.

·         اجراي تجزيه و تحليل هاي ويژه شامل :

o        پيش بيني لخته مايع حاصل از ارسال توپك (Pig)

o        پيش بيني حد سرعت براي سايش

o        ارزيابي حالت هاي حاد لخته سازي و آثار آن در لوله هاي عمودي و افقي

·         محاسبات تحليل حساسيت جهت تصميم گيري در مورد وابستگي رفتار سيستم به هر پارامتر

·    اجراي محاسبات سريع و موثر با بهينه كننده داخلي كه محاسبات را بدون كاهش دقت به طرز چشمگيري تسريع مي كند.

·         مطالعه امكان افزايش ظرفيت خطوط موجود بر مبناي تاثيرات تركيب مواد، خطوط لوله و شرايط اقليمي .

·    مدلسازي يك خط لوله يا شبكه خطوط به تنهايي يا به عنوان بخشي از تاسيسات كامل جمع آوري و فراورش (به كمك HYSYS )

مجموعه گسترده اي از روابط و مدل هاي محاسباتي مربوط به جريان هاي افقي، مايل، عمودي، پيش بيني رژيم جريان، سهم مايع (hold up) و افت فشار اصطكاكي در PIPESYS گنجانده شده است. روش اجراي محاسبات در PIPESYS از قابليت انعطاف قابل ملاحظه اي برخوردار است.

نمونه هايي از كاربرد PIPESYS در عمل

·    محاسبه پروفيل فشار براساس پروفيل معين دما، محاسبه هر دو پروفيل فشار و دما براساس شرايط يك سر لوله، محاسبه پروفيل فشار در جهت جريان يا برخلاف آن براي تعيين شرايط بالادست يا پايين دست.

·    اجراي محاسبات مكرر براي رسيدن به يك شرط در ابتداي لوله و شرط ديگري در انتهاي لوله مثلا محاسبه فشار بالادست و دماي پايين دست بر مبناي فشار پايين دست و دماي بالادست.

·         محاسبه شدت جريان متناظر با شرايط معلوم بالادست يا پايين دست.

PIPESYS از لحاظ ظاهر شبيه HYSYS طراحي شده تا دسترسي به اطلاعات تسهيل شود. اما نظر به طراحي ماهرانه و در عين حال ساده آن حتي بدون آشنايي با HYSYS نيز مي توان در مدت كوتاهي به آن خو گرفت.

نرم افزار Aspen B-jac

نرم افزار Aspen B-jac شامل تعدادی برنامه جهت طراحی حرارتی ، طراحی مکانیکی ، برآورده هزینه ها و ترسیم برای مبدل های حرارتی و مخازن تحت فشار می باشد.

برنامه های اصلی این نرم افزار عبارتند از :

    طراحی حرارتی مبدل های پوسته و لوله   Aspen Hetran                        

    طراحی مکانیکی ، برآورده هزینه ها و طراحی                 Aspen Teams                   

    ترسیمی مبدل های حرارتی پوسته و لوله                                                                

    طراحی حرارتی کولرهای هوایی ، مبدلهای اکونومایزر      Aspen Aerotran

    خروجی کوره ها و بخش جابه جایی کوره ها

 علاوه بر برنامه های اصلی تعدادی برنامه برای پشتیبانی برنامه های طراحی وجود دارند که عبارتند از :

بانک اطلاعات خواص شیمیایی و فیزیکی                                     Props

برنامه ای برای ساختن بانک اطلاعات شخصی برای Props            Priprops

بانک اطلاعات خواص مواد                                                      Metals

برنامه ای برای ساختن بانک اطلاعات شخصی برای            Metal Primetals

برنامه چیدمان صفحه لوله                                                      Ensea

برنامه تخمین و برآورد هزینه ها                                                Qchex

برنامه کمکی گرافیکی برای طراحی و ترسیم                                   Draw

برنامه ای برای تداوم کار و اطلاعات پایه مواد                              Newcost

برنامه ای برای ساختن مواد پیش فرض                                     Defmats

آشنایی با نرم افزار Aspen Hetran

نرم افزار Aspen Hetran برنامه ای برای طراحی ، ارزیابی .و شبیه سازی مبدل های پوسته و لوله در کلیه کاربردهای صنعتی نظیر انتقال حرارت بدون تغییر فاز ، میعان و تبخیر می باشد.

1- در حالت طراحی ( Design Mode ) ، نرم افزار مبدل حرارتی بهینه را با بار حرارتی مشخص و با در نظر گرفتن محدوده های افت فشار مجاز ، سرعت ، قطر پوسته ، طول لوله و دیگر محدودیت هایی مشخص شده ، طراحی می نماید.

2- در حالت ارزیابی ( Rating Mode ) ، نرم افزار کارآیی یک مبدل موجود ( ساخته شده ) را در شرایط عملیاتی مورد نظر بررسی می کند. در این حالت نرم افزار مشخص می کند که آیا سطح انتقال حرارت موجود در شرایط مورد نظر اهداف را برآورده می سازد یا خیر.

3- در حالت شبیه سازی ( Simulation Mode ) ، نرم افزار با مشخص کردن ساختار مبدل و شرایط ورودی ها ، شرایط جریان های خروجی را پیش بینی می کند.

نرم افزار Aspen Hetran دارای بانک اطلاعاتی وسیعی است که می توان از اطلاعات آن به عنوان پیش فرض استفاده نموده و بدین طریق امکان راحی با حداقل داده های ورودی را فراهم ساخت. برای حالت پیچیده که همراه با تغییر فاز در سیال خروجی است ( میعان و یا تبخیر ) ، برنامه نیاز به داده های تعادلی بخار – مایع و خواص ترموفیزیکی در گستره دمای عملیاتی دارد که به دو طریق می توان این نیاز را برآورده ساخت  :

1- به طور مستقیم توسط طراح وارد شود

2- نرم افزار به صورت خودکار داده های تعادلی مایع و بخار را محاسبه کند

نرم افزار قادر به طراحی مکانیکی اولیه برای مشخص کردن ضخامت پوسته و کلگی ها        می باشد. همچنین ضخامت صفحه لوله را به صورت تخمینی معین می کند ولی طراحی مکانیکی دقیق توسط Aspen Hetran انجام نگرفته و توسط برنامهAspen Teams  -  که به راحتی می توان از محیط Hetran وارد آن شد - انجام می پزیرد.

نرم افزار Hetran تمامی انواع مبدل های استاندارد TEMA را پوشش می دهد ، بنابراین با استفاده از آن میتوان کلیه مبدل های TEMA را طراحی نمود. این نرم افزار شامل استاندارهای ANSI ، DIN و ISO نیز می باشد. برنامه Aspen B-jac برآوردی از هزینه ساخت و هزینه تغییرات طراحی را نیز ارائه می دهد. برنامه برآورد هزینه تولید مبدل ، مشابه بانک اطلاعاتی Qchex عمل می نماید.

نرم افزار Aspen Hetran یک برنامه هوشمند است به این معنی که امکان ارزیابی تغییرات طراحی را در حین اجرای برنامه فراهم کرده و طراح را در وارد کردن داده های ورودی ، محاسبات ، نمایش نتایج ، تغییرات طراحی و پرینیت خروجی های مورد نظر ، راهنمایی می نماید.

نحوه کار نرم افزار  Hetranدر حالت طراحی

نرم افزار  Hetranدر حالت طراحی به جستجوی ساختارهای مناسبی برای مبدل می پردازد تا شرایط عملیاتی مورد انتظار را فراهم کند. در این جستجو نرم افزار از برخی متغیرهای هندسی به عنوان متغیرهای تصمیم گیری استفاده می نماید. در نهایت آنچه نرم افزار به عنوان نتیجه نهائی ارائه می دهد مجموعه ای از مبدل ها با ساختارهای متفاوت است که هر یک از آنها می تواند شرایط عملیاتی مورد نیاز را پوشش دهد ( نرم افزار به طور اتوماتیک مبدلی با هزینه کم را به عنوان یکی از نتایج گزارش میدهد ). لذا در این میان وظیفه طراح میباشد که با استفاده از علم مهندسی خود مبدل خاصی را به عنوان بهترین مبدل انتخاب کند.

 نرم افزار  Hetranموارد زیر را در طراحی به عنوان تابع هدف در نظر می گیرد :

·         سطح انتقال حرارت کافی برای بار حرارتی مورد نظر

·         محدودیت افت فشار در دو بخش پوسته و لوله

·         ابعاد امکان پذیر و معقول

·         دامنه سرعت سیال قابل قبول برای دو بخش پوسته و لوله

·         محدودیت های عملی ساخت

علاوه بر توابع هدف بالا ( که بهتر است گفته شود محدودیت ) ، نرم افزار Hetran هزینه نهایی ساخت مبدل و همچنین وضعیت مبدل را از لحاظ لرزش ، برای تمامی مبدل هایی که در نهایت ارائه کرده است ، بعنوان یکی از نتایج ( بصورت مزایا و یا معایب ) اعلام می نماید. دانستن این نکته حائز اهمیت است که  نرم افزار در انتخاب و ارائه مبدل هایی که برای شرایط عملیاتی مورد نظر پیشنهاد کرده است دو فاکتور بالا را دخالت نداده ، و این وظیفه بر عهده طراح می باشد.

به عنوان مثال بیش از 30 پارامتر مکانیکی وجود دارد که بطور مستقیم و غیر مستقیم بر روی طراحی مبدل پوسته و لوله تاثیر می گذارد. بررسی ترکیبی این متغیرها کاری دشوار و در برخی موارد امکان ناپذیر است. علاوه بر این دامنه قابل قبول برخی از متغیرهای طراحی به ملاحظات فرآیندی و هزینه ای بستگی دارد ( برای مثال اهمیت و هزینه تمیزکاری ). بنابراین نرم افزار Hetran در جستجو ، تنها از برخی متغیرها که از فرآیند ، عملیات ، نگهداری و ملاحظات ساخت مستقل باشند ، بعنوان متغیرهای تصمیم گیری استفاده می نماید. در زیر لیست متغیرهای مذکور آورده شده است. در ادامه نحوه بهینه سازی پارامترهای تصمیم گیری توسط برنامه توضیح داده می شود.

·         قطر پوسته ( Shell diameter )

·         فضای بین بافلها ( Baffle spacing )

·         نوع آرایش مسیرها ( Pass layout type )

·         طول لوله ( Tube length )

·         تعداد بافلها ( Number of baffles )

·         تعداد مبدل هایی که به باید طور موازی به کار گرفته شوند ( Exchangers in parallel )

·         تعداد لوله ها ( Number of tubes )

·         تعداد مسیرهای لوله ( Tube passes )

·         تعداد مبدهایی که باید به طور سری به کار گرفته شود (Exchangers in series  )

بهینه سازی قطر پوسته

یکی از متغیرهای بسیار مهم در حالت طراحی ، قطر پوسته می باشد. برنامه بهینه سازی نرم افزار ، کوچکترین قطر لازم را برای تامین سطح مورد نیاز انتقال حرارت ، افت فشار مجاز پوسته و حداکثر سرعت مجاز سیال پوسته جستجو می کند. محدوده جستجو  از مینیمم قطر شروع میشود و در صورت برآورده نشدن شرایط ، قطر با یک گام معینی افزایش خواهد یافت.

بهینه سازی فاصله بافل ها

نرم افزارHetran  ، مینیمم فاصله مرکز به مرکز بافل ها را طوری تعیین می کند که در آن حداکثر افت فشار مجاز و حداکثر سرعت مجاز پوسته رعایت شده و در عین حال با افزایش سرعت پوسته موجب افزایش ضریب فیلم حرارتی شود. افزایش سرعت سیال پوسته موجب کاهش جرم گرفتگی نیز خواهد شد ولی این مساله جزء متغیرهای بهینه سازی نمی باشد.

بهینه سازی تعداد بافل ها

نرم افزار Hetran ، ماکزیمم تعداد بافل هایی را که می توان بین مسیر دو نازل ورودی و خروجی پوسته قرار داد جستجو می نماید. از آنجا که موقعیت دقیق نازل های ورودی و خروجی را طراحی مکانیکی مشخص می کند ، نرم افزار با تخمین اولیه ضخامت صفحه لوله ها و هم چنین ضخامت رینگ فلنج ها ، تعداد مورد نیاز بافل ها را تعیین می نماید. مقدار عدد بدست آمده ، مجموع بافل ها و نگهدارنده ها می باشد.

بهینه سازی طول لوله

در حالت طراحی، هر بار که قطر پوسته تغییر می کند ، متناسب با آن کمترین طول لوله مطابق با استاندارد موجود انتخاب می گردد.

بهینه سازی تعداد گذرهای لوله

نرم افزار Hetran ، ماکزیمم تعداد مسیرهای لوله را طوری تعیین می کند که حداکثر فشار مجاز و حداکثر سرعت رعایت گردد. با افزایش تعداد مسیرهای لوله ، سرعت در بخش لوله ها افزایش یافته و در نتیجه ضریب انتقال فیلمی داخل لوله ها افزایش می یابد. ماکزیمم تعداد مسیرهای لوله معمولاً تابعی از قطر پوسته و قطر خارجی لوله هاست. همچنین این متغیر می تواند تابعی از نوع سرویس بخش لوله ها و کلگی عقب باشد. به عنوان مثال برای کلگی نوع W تنها دو گذر لوله باید استفاده شود ، همچنین برای کندانسورهایی که سیال ، داخل لوله کندانس می گردد ، حداکثر باید از دو گذر لوله استفاده کرد.

بهینه سازی تعداد لوله ها

برنامه Hetran ، از یک برنامه جهت طراحی صفحه لوله استفاده می کند( این برنامه در نرم افزار Ensea نیز بکار برده می شود). با استفاده از این برنامه تعداد دقیق لوله محاسبه می گردد برنامه با تغییر آرایش مسیرهای لوله و انجام آنالیز آن ، بیشترین تعداد لوله را در یک صفحه لوله طراحی می نماید.

بهینه سازی مبدل های سری

زمانی که قطر پوسته و طول لوله از مقدار استاندارد بیشتر شد و برنامه به دلیل کم بودن سطح انتقال حرارت نتوانست به جوابی همگرا گردد ، بطور اتوماتیک از طرف برنامه یک مبدل به صورت سری به مبدل اول افزوده می شود.  استفاده از این مبدل زمانی انجام می شود که MTD به زیر 0.7 ( یا به مقدار تعیین شده طراح ) کاهش یابد. لازم به ذکر است که منظور از مبدل سری همان پوسته های سری می باشد.

بهینه سازی مبدل های موازی

زمانی که قطر پوسته مبدل از ماکزیمم مقدار خود تجاوز نماید و همچنین طول لوله به مینیمم طول استاندارد خود برسد ولی حداکثر افت فشار مورد انتظار رعایت نگردد ، برنامه بطور خودکار مبدل را بطور موازی ( پوسته موازی ) طراحی خواهد نمود.

محاسبات نازل

در صورتی که قطر نازل ها به عنوان ورودی از طرف طراح وارد نگردد ، برنامه بر اساس ماکزیمم سرعت ، قطر نازل ها را تعیین خواهد نمود.

کمترین سرعت سیال

اگرچه برنامه Hetran مینیمم سرعت را به عنوان یک ورودی دریافت می کند ، اما این ورودی بطور مستقیم جزء محدودیت های بهینه سازی قرار نمی گیرد. از سوی دیگر برنامه با افزایش سرعت سیال ( نه بطور مستقیم- مثلاً با قرار دادن بافل بیشتر ) در محدوده افت فشار مجاز ، سعی در افزایش ضریب انتقال حرارت فیلمی و کاهش سطح مبدل دارد. نرم افزار ، ورودی طراح را برای سرعت مینیمم ( یا مقدار پیش فرض سرعت مینیمم ) با سرعت محاسبه شده مقایسه کرده و بعنوان هشدار چاپ می نماید.

بیشترین سرعت سیال

دانستن حداکثر سرعت مجاز در داخل پوسته و لوله برای طراح بسیار مهم است. انتخاب صحیح ماکزیمم سرعت سیال برای قسمت پوسته ، از لرزش مبدل جلوگیری کرده و احتمال سایش و خستگی مکانیکی لوله ها را می کاهد. همچنین برای بخش لوله کار کردن زیر سرعت ماکزیمم موجب محدود شدن سایش لوله و کاهش فرسایش اتصالات لوله به صفحه لوله میشود. در صورتی که ماکزیمم سرعت به عنوان ورودی در اختیار نرم افزار قرار نگیرد ، یک مقدار پیش فرض که مستقل از جنس لوله است ، برای آن محاسبه می شود.

همانطور که در بالا اشاره شد ، متغیرهای دیگری نیز وجود دارند که بر روی طراحی مبدل تاثیر گذار  می باشند اما در توابع هدف و محدودیت های مدل طراحی مبدل نقش ندارند و این وظیفه مهندس طراح است که با توجه به محدودیت های موجود و تجربیات شخصی خود این متغیرها را تعیین نماید ( لازم به ذکر است که برای این متغیرها نرم افزار معمولاً مقدار پیش فرضی را دارد).

متغیرهای دیگر که تصمیم گیری در مورد آنها بر عهده طراح است عبارتند از : نوع پوسته ، قطر خارجی لوله ، نوع کلگی عقب ، گام و آرایش لوله ها ، اندازه نازل ، نوع لوله ، تعیین موقعیت مبدل، نوع صفحه لوله ، نوع بافل ، مواد ، برش بافل ، تخصیص سیال، ضخامت دیواره لوله

محیط نرم افزار Aspen Hetran

در شاخه Hetran ، دو زیر شاخه اصلی Input و Results  وجود دارد که هر یک نیز دارای زیر شاخه های مربوط به خود است. در شاخه Input ، نرم افزار اطلاعات مورد نیاز جهت طراحی را از طراح دریافت خواهد نمود. این اطلاعات شامل موارد زیر است :

·         تعریف مساله ( Problem Definition )

·         اطلاعات خواص فیزیکی ( Physical property data )

·         ساختار مبدل ( Exchanger Geometry )

·         داده های طراحی ( Design data )

·         تنظیمات برنامه ( Program Options )

تعریف مساله ( Problem Definition )

اولین اطلاعاتی که لازم است در اختیار نرم افزار قرار گیرد تعریف مساله ای است که قرار است طراحی برای آن انجام گیرد. در شاخه تعریف مساله ، اطلاعات لازم در قالب سه فرم زیر دریافت می گردد :

·         فرم توضیحات ( Description Form )

·         فرم انتخاب نوع سیستم مورد مطالعه ( Application options Form )

·         فرم داده های فرآیندی ( Process data Form )

فرم توضیحات شامل سه زیر شاخه می باشد :

سربرگ ( Heading ) ، نام جریان ها ( Fluid name ) و ملاحظات ( Remarks ). هدف از این بخش وارد کردن اطلاعاتی است که مبدل در فرآیند با آنها شناخته می شود. این اطلاعات شامل نام و محل شرکت ، مشخصات سرویس ، ID مربوط به مبدل ، تاریخ ، شماره Revision و نام سیال بخش پوسته و لوله می باشد که معمولاً در بالای برگ   داده ها (  Data sheet) نوشته می شود. همچنین در این بخش سه سطر برای تذکرها و توضیحات وجود دارد که باید توضیحات لازم وارد شود.

هدف از فرم Application options تعیین موارد زیر است :

- نوع فرآیند موجود در دو بخش پوسته و لوله

- نحوه محاسبه موارد ویژه تبخیر و کندانس شدن ( در صورت وجود )

- نوع کندانسور و یا تبخیر کننده ( در صورت وجود )

- حالت نرم افزار

- تعیین سیال پوسته و لوله

شاخه انتخاب نوع سیستم مورد مطالعه دارای گزینه های مختلفی به صورت زیر است :

الف- گزینه های طرف گرم ( Hot side application ) :

·       مایع ، بدون تغییر فاز ( Liquid no phase change )

·       گاز ، بدون تغییر فاز ( Gas no phase change )

·       میعان محدوده باریک ( Narrow range condensation )

این مورد تمام حالت هایی را که ضریب فیلم طرف میعان در محدوده دمایی ، تغییر قابل ملاحظه ای نداشته باشد شامل می شود. بنابراین با فرض خطی بودن پروفایل میعان می توان محاسبات را انجام داد. این مورد برای حالت های میعان در دمای ثابت و میعان چند جزئی بدون اجزای غیر قابل میعان که تغییرات دمایی محدوده میعان کمتر از 6 درجه سانتیگراد (10 درجه فارنهایت) باشد ، پیشنهاد می گردد.

·       میعان چند جزئی ( Multi-component condensation )

این مورد تمام حالتهایی را که ضریب فیلم طرف میعان در محدوده دمایی میعان ، تغییر قابل ملاحظه ای داشته باشد شامل میشود بنابراین محدوده میعان باید به چندین ناحیه شکسته شود و خصوصیات و شرایط برای هر ناحیه خطی گردد. این مورد برای تمام حالتهایی که اجزای میعان ناپذیر موجود هستند یا چندین جزء قابل میعان با محدوده میعان بیشتر از 6 درجه سانتیگراد وجود دارد پیشنهاد می گردد.

·       بخار اشباع ( Saturated steam condensation )

این مورد وقتی است که طرف گرم ، بخار خالص بوده و میعان در دمای ثابت باشد.

·       حالت Falling film liquid cooler

این حالت زمانی است که سیال به طرف پایین جریان داشته و سرد می شود.

ب- منحنی میعان ( Condensation curve )

طراح می تواند منحنی تعادل بخار- مایع را وارد کرده ( Specified in input ) یا با انتخاب                  ( Calculated by program ) به نرم افزار اجازه دهد منحنی مورد نظر را با استفاده از قوانین گاز ایده آل یا روش های دیگر محاسبه نماید.

ج- نوع کندانسور ( Condenser type )

در بیشتر کندانسورها ، جهت جریان های بخار و میعانات مشابه است. اما به هر حال برای بعضی کاربردهای خاص که طراح بخواهد مقدار زیر سرد شدن را کم کند ، می تواند کندانسور نوع knock back reflex را انتخاب کند. در این حالت میعانات تشکیل شده به طرف ورودی بخار برمی گردند.

د- گزینه های طرف سرد ( Cold side application )

·       مایع ، بدون تغییر فاز ( Liquid no phase change )

·       گاز ، بدون تغییر فاز ( Gas no phase change )

·       تبخیر محدوده باریک (Narrow range vaporization  )

·       تبخیر چند جزئی ( Multi-component vaporization )

ه- منحنی تبخیر ( vaporization curve )

طراح می تواند منحنی تعادلی بخار- مایع را وارد نماید و یا برنامه با استفاده از قوانین گاز ایده آل یا چندین روش دیگر محاسبه منحنی را انجام دهد.

و- انواع تبخیر کننده ( vaporization curve )

·       جوشش استخری ( pooling boiling )

سیالی که دارای جوشش استخری است تنها می تواند در سمت پوسته جریان داشته باشد. مبدل هایی که در این شرایط استفاده می شوند تنها می توانند در حالت افقی قرار گیرند. این جوشش می تواند در پوسته نوع K یا در انواع دیگر پوسته موسوم به  " دسته لوله کامل " یا  " دسته لوله ناقص " که در آن لوله ها به دلیل فضای آزاد حذف شده اند ، صورت گیرد.

·       ترموسیفون ( Thermosiphon )

این مورد می تواند در طرف پوسته فقط در حالت افقی یا در طرف لوله در هر دو حالت افقی و عمودی صورت گیرد.

·       گردش اجباری ( Forced circulation )

هم در طرف پوسته و هم در طرف لوله می تواند صورت گیرد.

·       فیلم ریزان ( Falling Film )

تبخیر فیلم ریزان فقط در طرف لوله و در حالت عمودی که مایع از بالا به لوله ها وارد شده و به طرف پایین جریان می یابد ، اتفاق می افتد. معمولاً بخار تشکیل شد به علت اختلاف فشار بین بالا و پایین لوله به سمت پایین جریان می یابد. این نوع تبخیر از افزایش زیاد نقطه حباب جلوگیری کرده و به کاهش افت فشار کمک میکند.

ز- مکان جریان گرم ( Location of hot fluid )

در حین انجام برنامه Hetran ، می توان مکان جریان گرم را تغییر داد. بنابراین مقایسه بین دو حالت ممکن طرف لوله و طرف پوسته بسیار ساده خواهد بود.

ح- حالت های برنامه ( program mode )

- حالت طراحی

- حالت ارزیابی

- حالت شبیه سازی

ت- انتخاب فایل استاندارد ( select from standard file )

در این حالت طراح می تواند فایل اندازه های استاندارد مبدل - فایلی که لیستی از اندازه های استاندارد مبدل را دارد- را انتخاب کند. نرم افزار از این لیست اندازه ای از مبدل را انتخاب می کند که نیاز های مورد انتظار طراح را فراهم کند.

هدف از فرم داده های فرآیندی :

  وارد کردن دبی سیال بخش پوسته و لوله و نیز شرایط عملیاتی مورد نظر از قبیل دما ، فشار ، حداکثر افت فشار مجاز ، میزان جرم گرفتگی و بار حرارتی مورد نظر می باشد.

شاخه داده های فرآیندی در زیر شاخه process data شامل گزینه های ورودی زیر است :

·       دبی جریان ها

 دبی جریان های گرم و سرد باید در این بخش وارد گردد. البته زمانی که تغییر فاز وجود نداشته باشد می توان دبی ها را وارد نکرد. برنامه از روی بار حرارتی و با مشخص بودن دماها ، دبی را محاسبه می کند. هنگامیکه تغییر فاز رخ میدهد برنامه ، حداقل به دو دبی از سه دبی جریان کل ، جریان بخار و جریان مایع در ورودی و خروجی نیاز دارد.

·       دماهای ورودی و خروجی

دماهای ورودی و خروجی جریان های گرم و سرد در این بخش وارد می گردد. در حالتیکه تغییر فاز رخ نمی دهد برنامه می تواند از روی بار حرارتی مشخص شده یا بار حرارتی طرف مقابل با معلوم بودن دبی و دمای ورودی ، دمای خروجی را محاسبه نماید.

·       دمای حباب / دمای شبنم

برای میعان و تبخیر محدوده باریک ، دماهای حباب و شبنم مورد نیاز است. برای کندانسورها دمای شبنم ضروری است اما اگر هنوز بخار در دمای خروجی وجود داشته باشد ، به دمای حباب نیازی نیست.

·       فشار عملیاتی ( مطلق )

فشار عملیاتی مطلق سیال بخش پوسته و لوله ، باید در این بخش وارد گردد ، که بسته به کاربرد می تواند فشار ورودی یا خروجی باشد اما در بیشتر موارد فشار ورودی است. برای ریبویلرهای ترموسیفون ، فشار عملیاتی ، فشار سطح مایع در برج می باشد.

·       حرارت مبادله شده

در صورتیکه لازم باشد مبدل بر اساس بار حرارتی خاص طراحی شود ، باید بار حرارتی مورد نظر را در این قسمت وارد کرد. در صورتیکه مقدار حرارت مبادله شده از طرف طراح وارد شود ، برنامه بار حرارتی محاسبه شده در دو طرف گرم و سرد را با این مقدار مقایسه می کند. اگر اختلاف آنها بیشتر از 2درصد باشد ، برنامه دبی یا دمای خروجی را تصحیح می کند.

·       افت فشار مجاز

طراح می تواند افت فشار مجاز را به طور دلخواه تعیین نماید اما این مقدار نباید از فشار عملیاتی بیشتر باشد ، افت فشار مجاز معمولاً باید کمتر از 40درصد فشار عملیاتی باشد. همچنین با یک محاسبه سر انگشتی افت فشار مجاز برای سیستم مایع برای هر دو بخش لوله و پوسته مقدار 0.5 تا 0.7 کیلوگرم بر سانتی متر مربع گزارش شده است. برای گاز این مقدار بین 0.05 تا 0.2 کیلوگرم بر سانتی متر مربع می باشد که معمولاً از 0.1 استفاده میشود.

·       مقاومت جرم گرفتگی

اگر این گزینه توسط طراح مشخص نشود ، برنامه بصورت پیش فرض آن را صفر درنظر خواهد گرفت. علاوه بر آن نرم افزار هم لیستی از مقادیر معمول را پیشنهاد می کند.

در شاخه داده های فرآیندی زیرشاخه دیگری با عنوان Heat load balance options وجود دارد. در صورتیکه در هر دو قسمت Hot & Cold process stream adjustmen  ، گزینه  Programانتخاب شود ، بسته به نوع اطلاعاتی که در اختیار نرم افزار قرار گرفته است ، سایر مشخصه ها با استفاده از موازنه انرژی محاسبه خواهد شد.

برخی از مشخصه ها به شرح زیر ، متناسب با میزان انتقال حرارت (محاسبه شده و یا ورودی ) محاسبه خواهند شد :

1-  در حالتیکه فقط دمای خروجی جریان سرد و حرارت منتقل شده وارد نگردد ، میزان انتقال حرارت کل با استفاده از اطلاعات مربوط به جریان گرم به دست خواهد آمد و دمای خروجی سیال سرد از موازنه انرژی محاسبه خواهد شد.

2-  در صورتیکه دمای جریان سرد خروجی وارد شود ولی میزان دبی جریان سرد وارد نگردد ، نرم افزار با توجه به میزان انتقال حرارت لازم ، دبی جریان سرد را محاسبه خواهد کرد.

3-  در صورتیکه هر دو مشخصه جریان سرد خروجی و دبی جریان سرد توسط طراح وارد شده باشد ، برنامه دمای خروجی سرد را محاسبه خواهد کرد.

4-  در صورتیکه سه مشخصه جریان سرد وارد شود و برای جریان گرم تنها دبی و یا دمای خروجی آن از طرف طراح وارد شده باشد مشخصه دیگر ، مطابق با میزان انتقال حرارت به دست آمده از طریق جریان سرد و موازنه انرژی محاسبه خواهد شد.

5-  در صورتیکه سه مشخصه جریان سرد و هر دو مشخصه جریان گرم وارد شده باشد ، این حالت همانند حالت سوم خواهد شد و مشخصه دمای جریان سرد تطبیق داده خواهد شد.

6-  در حالتیکه هر سه مشخصه جریان گرم همراه با مشخصه دمای سرد خروجی و همچنین کل بار حرارتی از طرف طراح وارد گردد ، برنامه دبی سیال سرد و دمای خروجی جریان گرم را تطبیق خواهد داد. اگر در این حالت دبی جریان گرم وارد نشده باشد بجای دمای جریان گرم ، دبی جریان گرم تطبیق داده خواهد شد.

در صورت عدم برقراری موازنه انرژی ، دماهای خروجی توسط نرم افزار تغییر داده می شوند. برای هر دو بخش لوله و پوسته بجای گزینه Program ، می توان گزینه های Flow rate ، Outlet temperature و  No adjustment را انتخاب نمود.

اطلاعات خواص فیزیکی ( Physical property data )

 این بخش شامل قسمت های زیر می باشد : انتخاب های خواص ، ترکیب طرف گرم ، خواص طرف گرم ، ترکیب طرف سرد ، خواص طرف سرد

انتخاب های خواص ( Property Options )

در این بخش طراح باید گزینه های پیش فرض را قبول نماید. پیش فرض بدین معنی است که تمامی خواص ترمودینامیکی بخش پوسته و لوله توسط Aspen B-jac تعیین می شود. این شاخه شامل صفحات زیر است :

بانک های اطلاعاتی ( data banks )

در مورد داخل و خارج لوله ها به صورت جداگانه ، می توان دو انتخاب در مورد خواص فیزیکی داشت :

انتخاب اول : گزینه اول می تواند شرایط زیر را پوشش دهد :

·       استفاده از خواص فیزیکی B-jac ( بانک اطلاعاتی نرم افزار )

·       استفاده خواص فیزیکی که توسط کاربر مشخص شوند

·       استفاده از محیط نرم افزار Aspen plus جهت خواص فیزیکی

با انتخاب این مورد ، طراح می تواند به بانک اطلاعاتی نرم افزار مراجعه کند و خواص ویژه سیال داخل لوله و سیال خارج لوله را تعیین نماید و یا می تواند مستقیماً اطلاعات را از برنامه شبیه سازیAspen plus  به  B-jac منتقل کند.

بانک اطلاعاتی خواص B-jac شامل پایگاه داده DIPPR می گردد که دارای خواص فیزیکی بیش از 1500 ماده خالص است که در فرآیند های شیمیایی ، نفت و سایر صنایع به کار برده می شوند. طراح می تواند به این داده ها مراجعه نموده ، اجزای جریان ها را در ترکیبات وارد کند. اگر طراح خواص را در بخش خواص مشخص کند ، نباید هیچ ماده ای را در قسمت ترکیب وارد نماید ، مگر اینکه بخواهد هم از خواص بانک اطلاعاتی B-jac و هم از خواص تعیین شده استفاده کند. در چنین شرایطی ، خواص تعیین شده توسط طراح بر همه خواص فیزیکی در بانک اطلاعاتی اولیت دارد و لذا نرم افزار از آن استفاده خواهد نمود.

انتخاب دوم : استفاده از بانک اطلاعاتی Aspen Properties 

نرم افزار B-jac امکان دسترسی به بانک های اطلاعاتی خواص فیزیکی مواد را در ماژول Aspen properties که به صورت نرم افزاری جداگانه در مجموعه نرم افزارهای مهندسی Aspen است ، فراهم می کند.

انتخاب فلش

زمانی که طراح به بانک خواص Aspen Properties مراجعه کند و فایل مورد نظر با پسوند APPDF را تهیه نماید ، باید تنظیماتی را برای محاسبه فلش انتخاب کند که B-jac از آن برای بدست آوردن خواص تعادلی و نمودارهای تعادل بخار- مایع استفاده نماید.

انتخاب های میعان / تبخیر (Condensation/Vaporization Options)

برگه انتخاب های میعان و یا تبخیر شامل بخش های ذیل است. لازم به ذکر است درصورت انتخاب کاربرد داخل لوله له صورت مایع بدون تغییر فاز این پنجره قابل مشاهده نخواهد بود.

روش محاسبه منحنی میعان و تبخیر :

·       مدل ایده آل

در صورت انتخاب این روش ، برنامه از قانون گاز ایده آل برای فاز بخار و از قانون محلول ایده آل برای فاز مایع استفاده خواهد نمود. زمانیکه اطلاعات کافی از درجه غیر ایده آل بودن سیستم در دسترس نباشد ، می توان از این روش استفاده نمود. این روش برای تعداد اجزای تا 50 جزء مجاز است.

·       مدل های NTRL , Wilson , Van Laar , Uniquac

این مدل ها برای مخلوط های غیر ایده آل مناسب بوده و به تعیین پارامترهای تداخل متقابل مولکولی نیاز دارند. این مدل ها برای حداکثر 10 ماده قابل استفاده هستند. هریک از این معادلات دارای پارامترهای تداخل متقابل مولکولی برای هر جفت از اجزاء میباشند. همچنین مدل ترمودینامیکی Uniquac نیاز به پارامتر سطح و پارامتر حجم و مدل NTRL نیاز به پارامتر آلفا دارند. روش Wilson برای مخلوط های دوتایی به شدت غیر ایده آل مانند الکل- هیدروکربن مناسب می باشد. مدل Uniquac برای تعادل های بخار- مایع و مایع – مایع و نیز برای محلول های شامل مولکول های کوچک و بزرگ و پلیمرها قابل استفاده است. در این مدل پارامترهای تداخل متقابل مولکولی نسبت به معادلات Van Laar , Wilson ، کمتر تابع دما می باشد.

·       مدل های Chao-Seader ، Peng-Robinson ، Soave-Redlich-Kwong

این مدل ها برای مخلوط های غیر ایده آل کاربرد داشته و نیازی به پارامترهای تداخل متقابل مولکولی ندارند. مدلهای ترمودینامیکی PR , SRK برای سیستم های شامل هیدروکربن ها ، نیتروژن ، دی اکسید کربن ، مونوکسید کربن و سایر اجزای با قطبیت ضعیف مناسب هستند. همچنین می توان از آنها برای سیستم های شامل آزئوتروپ ، سیستم هایی که اجزای وابسته مانند آب و الکل دارند و برای پیش بینی خواص فاز بخار در هر فشاری استفاده کرد. روش CS از معادلات SRK برای فاز بخار غیر ایده آل و از یک معادله تجربی برای فاز مایع غیر ایده آل استف سایت رشته صنایع شیمیایی...