شوک حرارتی در مبدل حرارتی زمانی ایجاد میشود که دمای سیال یا اجزای مبدل در مدت کوتاهی بهطور قابلتوجه تغییر کند و بخشهای مختلف تجهیز فرصت انبساط یا انقباض یکنواخت نداشته باشند. این وضعیت میتواند باعث ایجاد تنش حرارتی، نشتی، آسیب به گسکت، پلیت، تیوب یا اتصالات و در نهایت کاهش عمر مبدل شود. شناخت علت شوک حرارتی، علائم آن و روشهای جلوگیری از این پدیده، بهخصوص در زمان Start-up، Shutdown و تغییرات سریع دمای فرآیند، برای بهرهبرداری ایمن و کاهش خرابیهای تکراری در مبدل حرارتی اهمیت زیادی دارد.
شوک حرارتی در مبدل حرارتی چیست؟
شوک حرارتی یا Thermal Shock به تنشی گفته میشود که در اثر تغییر سریع دما و انبساط یا انقباض نامساوی اجزای مبدل حرارتی ایجاد میشود. فرض کنید مبدلی بعد از توقف در دمای حدود 20 درجه سانتیگراد قرار دارد و ناگهان سیالی با دمای 90 درجه وارد آن میشود. اختلاف دمای اولیه 70 درجه است، اما همین عدد بهتنهایی نشان نمیدهد که مبدل آسیب خواهد دید. سرعت تغییر دما، جنس قطعات، ضخامت پلیت مبدل یا تیوب، نوع اتصال، فشار کاری و میزان آزادی قطعات برای انبساط تعیین میکنند تنش ایجادشده چقدر خطرناک باشد. به همین دلیل نمیتوان یک اختلاف دمای ثابت را برای تمام مبدلها بهعنوان حد شوک حرارتی تعیین کرد.
چرا تغییر سریع دما به مبدل آسیب میزند؟
فلزات با گرمشدن منبسط و با سردشدن منقبض میشوند. کرنش حرارتی آزاد را میتوان بهصورت ساده با رابطه زیر بیان کرد:
εth = α × ΔT
در این رابطه α ضریب انبساط حرارتی متریال و ΔT تغییر دماست.
در مبدل حرارتی، قطعات کاملاً آزاد نیستند. برای مثال در مبدل پوسته و لوله، تیوبها به تیوبشیت متصلاند. اگر تیوبها سریع گرم شوند اما پوسته و تیوبشیت هنوز سرد باشند، اختلاف انبساط در محل اتصال تنش ایجاد میکند. در مبدل صفحهای نیز پلیتهای نازک خیلی سریع به دمای سیال واکنش نشان میدهند، در حالی که گسکت، فریم و اتصالات ممکن است با سرعت متفاوتی گرم یا سرد شوند.
برای نرخ مجاز افزایش یا کاهش دما نیز نمیتوان یک عدد ثابت برای همه مبدلهای حرارتی تعیین کرد. این مقدار به طراحی مبدل، جنس و ضخامت قطعات، نوع اتصال، فشار کاری، شرایط فرآیند و توصیه سازنده بستگی دارد. بنابراین اگر محدودیت مشخصی برای نرخ تغییر دما در یک تجهیز لازم باشد، باید دیتاشیت، دستورالعمل سازنده و شرایط طراحی همان مبدل بررسی شود.
علت شوک حرارتی در مبدل حرارتی
بیشتر موارد شوک حرارتی در مبدل حرارتی هنگام تغییر سریع شرایط کار و بهویژه در زمان راهاندازی یا توقف سیستم اتفاق میافتند. شناخت این شرایط برای پیدا کردن علت شوک حرارتی مبدل و جلوگیری از تکرار آن اهمیت زیادی دارد.
- • ورود ناگهانی بخار یا سیال داغ به مبدل سرد
- • ورود سریع آب سرد به مبدلی که هنوز داغ است
- • بازکردن یکباره شیر بخار
- • افزایش ناگهانی دبی بعد از روشنشدن پمپ
- • خاموشکردن سریع سیستم بدون کاهش تدریجی بار
- • راهاندازی سریع پس از توقف طولانی
- • تغییر سریع بین سیکل گرمایش و سرمایش
- • عملکرد نامناسب شیر کنترلی یا سنسور دما
- • سیکلهای مکرر گرم و سرد در خطوط تولید، CIP و پاستوریزاسیون
اگر چنین شرایطی جزئی از عملکرد عادی خط باشد، موضوع باید هنگام طراحی مبدل در نظر گرفته شود.
شوک حرارتی به کدام قسمتهای مبدل آسیب میزند؟
در مبدل صفحهای واشردار، پلیت و گسکت از قسمتهایی هستند که باید بررسی شوند. تغییرات حرارتی شدید میتواند بر خاصیت الاستیکی گسکت و آببندی مجموعه اثر بگذارد. در مبدل بریز، ناحیه اتصال بین صفحات اهمیت بیشتری دارد. در مبدل پوسته و لوله، نقاطی مانند اتصال تیوب به تیوبشیت، جوشها و خود تیوبها میتوانند تحت تنش قرار گیرند. اگر نشتی همیشه بعد از استارت یا پس از سردشدن مبدل ایجاد میشود، بررسی سابقه دمایی دستگاه در پیدا کردن علت خرابی کمک زیادی میکند.
تفاوت شوک حرارتی، خستگی حرارتی و ضربه قوچ چیست؟
| پدیده |
علت اصلی |
نحوه رخداد |
آسیب یا نشانه احتمالی |
شوک حرارتی
Thermal Shock |
تغییر سریع دما و اختلاف انبساط اجزای مبدل |
ورود ناگهانی سیال داغ به مبدل سرد یا برعکس |
تنش حرارتی، نشتی، تغییر شکل یا آسیب در اتصالات |
خستگی حرارتی
Thermal Fatigue |
تکرار تنشهای ناشی از گرم و سرد شدن |
سیکلهای مکرر Start-up، Shutdown یا تغییر دمای فرآیند |
ایجاد و رشد تدریجی ترک و کاهش عمر قطعات |
ضربه قوچ
Water Hammer |
تغییر ناگهانی سرعت جریان و ایجاد موج فشار |
بستهشدن سریع شیر، تغییر ناگهانی دبی یا عملکرد پمپ |
صدای ضربه، لرزش، جهش فشار و آسیب مکانیکی به اتصالات یا گسکت |
اگر یک تغییر دمای شدید فقط یک بار اتفاق بیفتد، بیشتر با Thermal Shock روبهرو هستیم. اما اگر مبدل روزانه چندین بار گرم و سرد شود، تنشهای تکرارشونده ممکن است به Thermal Fatigue یا خستگی حرارتی منجر شوند. Water Hammer نیز پدیده دیگری است. اگر هنگام خرابی صدای کوبش یا جهش فشار مشاهده شود، فقط شوک حرارتی را مقصر ندانید؛ وضعیت پمپ، شیرها و جریان سیال نیز باید بررسی شود.
از کجا بفهمیم خرابی مبدل به شوک حرارتی مربوط است؟
| نشانه یا زمان خرابی |
ارتباط احتمالی با شوک حرارتی |
چه چیزی بررسی شود؟ |
علتهای دیگری که نباید نادیده گرفته شوند |
| نشتی بلافاصله بعد از Start-up |
اگر دمای مبدل و سیال ورودی اختلاف زیادی داشته باشند، احتمال تنش حرارتی وجود دارد. |
سرعت افزایش دما، دمای اولیه مبدل، نحوه بازشدن شیرها و روند فشار |
افزایش فشار، ضربه قوچ یا خرابی گسکت |
| نشتی پس از خاموششدن و سردشدن |
تغییر ابعاد قطعات در زمان سردشدن میتواند خرابی موجود را آشکار کند. |
وضعیت گسکت، میزان فشردگی Plate Pack و سابقه دمای کاری |
فرسودگی یا سختشدن گسکت و مونتاژ نامناسب |
| ترک در اطراف تیوبشیت یا محل اتصال |
در سرویسهای دارای تغییر دمای سریع یا سیکلهای متعدد، تنش و خستگی حرارتی قابل بررسی است. |
محل ترک، تعداد Start/Stop، اختلاف دمای پوسته و تیوب و سابقه تعمیرات |
خوردگی، ارتعاش، تنش مکانیکی یا ضعف جوش |
| خرابی تکراری جوش یا اتصال بریز |
تکرار خرابی در یک نقطه میتواند نشانه وجود تنش حرارتی مداوم باشد. |
نرخ تغییر دما، تعداد سیکلهای حرارتی و شرایط طراحی مبدل |
کیفیت اتصال، ارتعاش یا فشار خارج از محدوده طراحی |
| خرابی همزمان با ورود ناگهانی سیال سرد یا داغ |
ارتباط با Thermal Shock بیشتر است، بهخصوص اگر خرابی بلافاصله رخ داده باشد. |
دمای دو سیال، سرعت تغییر دما و توالی راهاندازی |
جهش فشار یا عملکرد نادرست شیر کنترلی |
| صدای کوبش، لرزش یا جهش فشار |
این علائم بهتنهایی نشانه شوک حرارتی نیستند. |
فشار لحظهای، عملکرد پمپ، سرعت بستهشدن شیر و وجود کندانس |
Water Hammer یا ضربه فشاری |
| افت تدریجی راندمان بدون نشتی |
معمولاً نشانه مستقیم شوک حرارتی نیست. |
دمای ورودی و خروجی، دبی و اختلاف فشار مبدل |
رسوب، Fouling، گرفتگی یا کاهش دبی |
| اختلاط دو سیال |
ممکن است ناشی از ترک یا سوراخی باشد که تنش حرارتی در ایجاد آن نقش داشته است. |
تست نشتی پلیت یا تیوب و محل دقیق خرابی |
خوردگی، فرسایش یا آسیب مکانیکی |
این اطلاعات کمک میکند مشخص شود که خرابی صرفاً به فرسودگی یک قطعه مربوط است یا عواملی مانند تغییر سریع دما، خستگی حرارتی، ضربه قوچ یا شرایط نامناسب بهرهبرداری نیز در آن نقش داشتهاند.
چگونه از شوک حرارتی جلوگیری کنیم؟
برای جلوگیری از شوک حرارتی مبدل حرارتی، مهمترین اصل این است که تغییر دما تا حد امکان تدریجی و کنترلشده انجام شود. شیرها را بهآرامی باز کنید: ورود ناگهانی سیال داغ یا سرد میتواند اختلاف دمای شدیدی بین اجزای مبدل ایجاد کند.
- قبل از افزایش بار، دمای مبدل را بررسی کنید: اگر دستگاه مدت زیادی خاموش بوده، نباید بلافاصله در معرض حداکثر دمای کاری قرار گیرد.
- کندانس را در خطوط بخار تخلیه کنید: تجمع کندانس و ورود ناگهانی بخار میتواند علاوه بر تنش حرارتی، خطر ضربه قوچ را نیز افزایش دهد.
- بار حرارتی را مرحلهای افزایش دهید: دبی و دمای سیال بهتر است بهتدریج به شرایط کاری نهایی برسند.
- در زمان توقف، دما را ناگهانی تغییر ندهید: جایگزینکردن سریع سیال داغ با سیال سرد یا برعکس، احتمال ایجاد تنش حرارتی را افزایش میدهد.
- عملکرد شیر کنترلی و سنسورهای دما را بررسی کنید: نوسان یا عملکرد نادرست سیستم کنترل ممکن است باعث تغییرات سریع و ناخواسته دما شود.
- سیکلهای گرم و سرد را در طراحی در نظر بگیرید: اگر مبدل روزانه چندین بار Start-up و Shutdown دارد، تعداد سیکلها و سرعت تغییر دما باید از ابتدا در انتخاب و طراحی تجهیز لحاظ شود.
آیا همه مبدلها در برابر شوک حرارتی رفتار یکسانی دارند؟
خیر. مقاومت یک مبدل حرارتی در برابر تغییرات سریع دما به ساختار، جنس اجزا، نوع اتصال و شرایط کاری آن بستگی دارد. به همین دلیل نمیتوان یک نوع مبدل را در تمام کاربردها مقاومتر از سایر مدلها دانست.
در بررسی شوک حرارتی در مبدل پوسته و لوله (Shell & Tube)، اختلاف انبساط بین تیوبها و پوسته اهمیت زیادی دارد. در بعضی طراحیها از U-Tube یا Expansion Joint برای فراهمکردن امکان حرکت ناشی از انبساط حرارتی استفاده میشود.
شوک حرارتی در مبدل صفحهای علاوه بر پلیتها میتواند بر گسکت و پایداری آببندی مجموعه نیز اثر بگذارد. شرایط دمایی گسکت و میزان فشردگی مجموعه صفحات نیز اهمیت دارد و انتخاب نامناسب جنس گسکت یا قرارگرفتن مداوم آن در سیکلهای دمایی شدید میتواند عمر آببندی را کاهش دهد.
بنابراین انتخاب مبدل برای یک فرآیند دارای تغییرات دمایی نباید فقط براساس ظرفیت انتقال حرارت انجام شود. حداقل و حداکثر دما، سرعت تغییر دما، تعداد دفعات راهاندازی و توقف و نوع سیال نیز باید در انتخاب ساختار مناسب بررسی شوند.
هنگام انتخاب مبدل برای فرآیندهای دمایی متغیر چه اطلاعاتی لازم است؟
- • دمای ورودی و خروجی هر دو سیال
- • حداقل و حداکثر دمای کاری
- • دبی
- • فشار کاری و فشار طراحی
- • نوع سیال
- • تعداد دفعات Start/Stop
- • سرعت تقریبی افزایش یا کاهش دما
- • نحوه کنترل شیرها و پمپها
- • تعداد سیکلهای گرم و سرد در شبانهروز
خرید مبدل حرارتی از آرکا تجهیز صدر
برای انتخاب مبدل حرارتی مناسب، فقط ظرفیت دستگاه ملاک نیست. دمای کاری، فشار، دبی، نوع سیال و حتی تعداد دفعات روشن و خاموششدن سیستم میتوانند روی انتخاب نهایی تأثیر بگذارند؛ مخصوصاً در خطوطی که تغییرات دمایی زیادی دارند. آرکا تجهیز صدر در مشهد، مبدلهای حرارتی را متناسب با شرایط واقعی هر پروژه طراحی و تولید میکند. مبدلهای صفحهای، پوسته و لوله، بریز، جوشی و هواخنک از جمله مدلهایی هستند که برای کاربردهای صنعتی و تأسیساتی ارائه میشوند. خدمات تعمیر، تأمین قطعات و مشاوره انتخاب مبدل نیز برای پروژههای سراسر ایران انجام میشود.