مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل و بویلرهای چگالشی
منبع کویلی و مشکل تأمین آب گرم بهداشتی و عفونت لژیونلا
سپتامبر 2, 2023
چیلر چیست و چه اجزایی دارد؟
سپتامبر 12, 2023
مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل و بویلرهای چگالشی
مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل از آن جهت اهمیت دارد که هر کدام این مبدلها تأثیر قابل توجهی در راندمان و کارآیی بویلرهای چگالشی خواهند داشت. به همین دلیل هر چه با مزایا و معایب حاصل از مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل، بیشتر آشنا باشیم، شناخت بهتری نسبت به عملکرد بویلرهای چگالشی در اختیار خواهیم داشت.
مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل و بویلرهای سنتی
درون بویلرهای سنتی، گرمای حاصل از احتراق سوخت، پس از عبور از مبدل حرارتی به آب منتقل شده و دمی آن را بالا می‌برد. در نتیجه با احتراق سوخت‌های هیدروکربنی (متان)، بخار آب تشکیل می‌شود.
در بـویلر چگالشی گرمای نهان گازهای احتراق، با تبدیل بخار آب موجود در گازهای خروجی به آب مایع بازیابی شده و از اتلاف حرارت جلوگیری می‌شود. بنابراین راندمان بویلر چگالشی ١٠-١٥% بیشتر از بویلر سنتی است. به همین دلیل بویلرهای چگالشی اخیرا جایگزین بویلرهای سنتی در اروپا و آمریکا شده‌اند.
هلند و رتبه نخست در استفاده از بویلرهای چگالشی
هلند به عنوان اولین کشوری که به طور گستره از بویلرهای چگالشی استفاده می‌کند، شناخته شده است. در اروپا فعالان محیط زیست و حامیان صرفه‌جویی در مصرف انرژی، طرفدار استفاده از بویلرهای چگالشی هستند. در انگلستان از سال ٢٠٠٥، استفاده از بویلرهای چگالشی با راندمان بالا اجباری شده است. شرکت های توزیع برق آمریکا و کانادا، با کم کردن مالیات ساختمان‌‌هایی که از بویلرهای چگالشی استفاده می‌کنند، باعث افزایش سهم بازار این بویلرها شده‌اند.
مقایسه مبدل حرارتی و آلومینیومی و مرور یک تاریخچه
استفاده از مبدلهای حرارتی آلومینیومی قدمت ٣٠ ساله در اروپا دارد و در دهه اخیر، تحقیق و توسعه در خصوص این مبدلها به طور گسترده صورت گرفته است. در حال حاضر، بازار بویلرهای چگالشی اروپایی به دو بخش مبدلهای حرارتی آلومینیومی و استنلس استیل تقسیم شده‌است. در این مطلب تفاوت مبدلهای حرارتی از منظر مواد اولیه، طراحی، پارامترهای کلیدی عملکرد، نصب و تفاوت هزینه بررسی می‌شود.
محیط عملیاتی و پارامترهای احتراق در مبدل حرارتی آلومینیوم با استنلس استیل
هر نوع مبدل حرارتی برای افزایش دمای آب ورودی، از گرمای ناشی از احتراق گاز طبیعی و یا گاز مایع استفاده می‌کند تا آب تغذیه با دمای مناسب تامین شود. در بویلرهای چگالشی گرمای نهان گازهای احتراق بازیابی می‌شود بنابراین برای دستیابی به راندمان بالا ضروری است که گازهای احتراق به دمایی کمتر از نقطه شبنم ( ٢,٥٧ درجه سانتیگراد) رسیده و خنک شوند.
وقتی گاز طبیعی و یا گاز مایع می‌سوزند، به طور طبیعی ٢CO، NOx، O٢H وO٢N تولید می‌شود، بنابراین بدلیل وجود ناخالصی در سوخت و هوای ورودی، در گازهای حاصل از احتراق نیز ناخالصی دیده می‌شود. در واقع، به دلیل وجود ناخالصیهای موجود، میعانات گازی خاصیت اسیدی دارند که باعث خوردگی بویلر می‌شوند.
مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل و خواص شیمیایی آب
کنترل میزان کلرید و سطح PH آب تغذیه و میعانات گازهای دودکش در سیستم گرمایش بویلرهای چگالشی حائز اهمیت است.
میزان کلرید موجود در میعانات گازهای دودکش وابسته به سیستم تخلیه هوا است. در صورتی‌که هوای ورودی به محفظه احتراق از فضای بیرونی تامین شود (direct vent)، میزان کلرید کمتر از ppm ٣ خواهد بود. اگر هوای احتراق از داخل ساختمان تامین شود (direct exhaust)، به‌دلیل وجود ذرات و ناخالصیهای موجود در هوا، میزان کلرید افزایش می‌یابد
با استفاده از تمیزکننده‌ها/ وکس‌ها، رنگ‌ها، سختی‌گیرها، چسب‌ها و مبردها می‌توان هوای ورودی به محفظه احتراق را برای پایین نگه داشتن سطح کلرید، کنترل کرد.
مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل از منظر آب تغذیه (سیستم گرمایش)
کلیه تولید کنندگان بویلر چگالشی با مبدلهای حرارتی آلومینیومی و با استنلس استیل، باید خواص شیمیایی آب، متناسب با عملکرد بویلرهای تولیدی خود را مشخص کنند. PH آب بویلر با مبدل حرارتی آلومینیومی و استنلس استیل باید بین ٧ تا 8.5 باشد و در صورتی‌که سطح PH آب در محدوده مجاز قرار نگیرد، هر دو مبدل از جنس استنسلس استیل و آلومینیوم دچار خوردگی می‌شوند.
میزان کلرید آب تغذیه بسته به اینکه از آب شهری، آب زیرزمینی و یا سایر منابع استفاده شود، متفاوت بوده و باید کمتر از ppm ٢٥٠ باشد. بنابراین برای محافظت از سیستم گرمایش و دستیابی به حداکثر راندمان، اجرای دستورالعمل‌های متفاوت تولیدکنندگان بویلر که متناسب با عملکرد آنهاست، ضروری است.
مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل و مرور یک تاریخچه
فراوانی و قیمت پایین مس و چدن، منجر به استفاده گسترده از این مواد در بویلرهای قدیمی شده‌است. اوایل ١٩٨٠ بویلرهای مسی بازار اروپا را تصرف کردند و تولید بویلرهای چدنی کمرنگ‌تر از قبل شد. در سال‌‌های اخیر، استفاده از مبدلهای آلومینیومی و استنلس استیل به عنوان اجزای اصلی بویلرهای چگالشی با راندمان بالا گسترش یافته است.
مبدل حرارتی آلومینیومی
آلومینیوم با خواص منحصر به فرد خود، به عنوان ماده اولیه ایده‌آل برای تولید مبدلهای حرارتی شناخته شده‌است. سبکی، قابلیت تبدیل به شکل‌های مختلف و خواص انتقال حرارت عالی، آلومینیوم را بهترین انتخاب برای ساخت مبدلهای حرارتی با راندمان بالا تبدیل کرده است.
سطح مبدل در معرض خوردگی حفرهای، خوردگی شکافی و خوردگی یکنواخت ( به علت PH اسیدی میعانات) قراردارد به همین دلیل، استفاده از آلیاژهای آلومینیوم- سیلیکون و آلومینیوم- منیزیم به عنوان ماده سازنده مبدلهای حرارتی که مقاومت بالایی در برابر خوردگی ناشی از آب دارند، توصیه می‌شود. جدول زیر، آلیاژهای مناسب را برای کاربری‌های مختلف معرفی می‌کند.
| کاربری | مناسب ترین آلیاژ | توضیحات |
| ریختهگری ماسه‌ای Sand casting | Mg١٠AlSi | مقاومت بالا در برابر خوردگی و استحکام بالا |
| ریختهگری و فلزکاری – ریخته گری تحت فشار die casting | ١٢AlSi | ریختهگری دیوارههای پیچیده و نازک در انواع قالب‌ها مقاومت بالا و انعطاف‌پذیری مناسب |
| اکستروژن | ٦٠٦٠-٩H | مناسب برای لولههای فین‌دار |
مزایای آلیاژ آلومینیوم برای تولید مبدل حرارتی
مهندسان طراح می‌توانند از برخی مزایای آلیاژهای آلومینیوم در فرایند تولید مبدلهای حرارتی بهره ببرند:
- تولید مبدلهای حرارتی با راندمان بالا و هندسه پیچیده (حفره‌های داخلی، مقاطع توخالی با ابعاد دقیق)
- در فلز آلومینیوم، امکان ریختهگری و ساخت قطعات به صورت یکپارچه وجود دارد در نتیجه ساخت مبدل حرارتی ساده‌تر شده و نیازی به مونتاژ چندین قطعه نیست.
- خواص قطعات نهایی در کلیه جهت‌‌ها یکسان و یکنواخت است.
مزایای آلومینیوم برای تولید مبدل حرارتی در بویلرهای چگالشی
آلیاژهای آلومینیوم چندین مزیت برای مبدل حرارتی بویلرهاي چگالشی ارائه میدهند:
- امکان ریختهگری و تولید مبدلهای حرارتی با سطوح گرمایش گسترده (ارائه مزیت تولید سطوح گسترده از یک حجم محدود) و مبدلهای حرارتی صفحه‌ای با نرخ انتقال حرارت بالا
- هدایت حرارتی بالاتر (W/mk ٢٠٥) نسبت به استنلس استیل W/mk ١٦ و چدن (W/mk٦٠ )
- نسبت مقاومت به وزن بالا
- محصولات با روکش آلومینیوم مقاومت بالایی در برابر خوردگی های حفره ای دارند. همچنین آلومینیوم در مقابل خوردگیهای جوی از جمله آب، نمک و بسیاری از مواد شیمیایی و محلول‌‌های آنها مقاوم است.
- انعطاف پذیری بالا حین تولید -قابلیت اتصال با جوشکاری و لحیم کاری – امکان شکل‌گیری سرد و یا گرم آن را فراهم کرده علاوه بر این قابلیت تولید قطعات با اشکال متنوع وجود دارد.
مبدل حرارتی استنلس استیل
استنلس استیل بخشی از یک خانواده بزرگ از آلیاژهایی با ویژگیهای مختلف برای هر یک از اعضا است. بر اساس مقدار شباهت عناصر تشکیل دهنده به فولاد، استنلس استیل به چهار گروه آستنیتی، فریتی، دوپلکس و مارتنزیتی دسته‌‌بندی می‌شوند.
با تغییر مقدار عناصر تشکیل دهنده استنلس استیل ، آلیاژهای مشخصی از آن ایجاد می‌شوند. کروم عنصر کلیدی است که استنلس استیل را در برابر خوردگی مقاوم می‌سازد اما وجود کروم و یون‌های کلرید می‌توانند تاثیر منفی بر روی استنلس استیل‌بگذارند.
چرا ورق استیل در برابر خوردگی حساس است؟
متاسفانه ورق استیل عموما نسبت به خوردگیهای حفرهای و شیاری مخصوصا در محیط حاوی یون کلرید حساس می‌باشد. زیرا در لایه منفعل اکسید کروم، یون کلرید با کروم ترکیب شده و محلول کلرید کروم تشکیل می‌شود در نتیجه با حل شدن کروم، آهن آزاد روی سطح در معرض واکنش با محیط قرار گرفته و خوردگی صورت می‌گیرد.
نقش عناصر کروم، مولیبدن، تنگستن و به خصوص نیتروژن در افزایش مقاومت به خوردگیهای حفرهای و شیاری مهم می‌باشد. افزایش بیش از ٢٠ درصد کروم در ورق استیل آستنیتی باعث ایجاد مشکلاتی در آنها میگردد. بنابراین معمولا از مولیبدن و یا دیگر عناصر موثر کمک گرفته می‌شود. بنابراین در ارتباط با این دو نوع خوردگی، در صورتی که خوردگی کمتر مورد نیاز باشد، عموما ورق استیل کروم بالا و با مولیبدن کمتر استفاده می شوند که به دلیل نداشتن نیکل (عنصر گرانقیمت) راندمان آلیاژی بالاتر از ورق استیل آستنیتی دارند.
باید توجه داشت که افزایش مولیبدن اگرچه باعث بهبود مقاومت به حفره دار شدن ورق استیل میگردد اما در مقابل محیط‌های اکسیدکننده قوی مانند اسید نیتریک فیلم محافظ را ضعیف نموده و باعث خوردگی بیشتر در ورق استیل میگردد.
مبدل استنلس استیل و افزایش اجتناب‌ناپذیر هزینهها
دو مدل ٣٠٤ و L٣٠٤ متداول‌‌ترین نوع استنلس استیل هستند که امروزه تقریبا بیش از ٦٠% استنلس استیل‌های تولید شده در سطح جهان را تشکیل میدهند. با افزودن ٢% مولیبدن به استنلس استیل L٣٠٤، مدل L٣١٦ ایجاد می‌شود که مقاومت بهتری در مقابل خوردگی کلریدی دارد. ایجاد استنلس استیل با مقاومت بالا در برابر خوردگی کلرید نیازمند افزودن درجه‌های بالاتری از آلیاژ است که سبب افزایش هزینهها می‌شود.
مشابه آلومینیوم، این مواد در برابر خاصیت خورندگی میعانات گازی دودکش مقاوم هستند و نیازمند کنترل سطح PH آب سیستم گرمایش با استفاده از تصفیه شیمیایی مناسب هستند.
مزیت‌های کلیدی مبدل حرارتی آلومینیومی در مقایسه با استنلس استیل
پارامترهای کلیدی در طراحی مبدل حرارتی بویلرهای چگالشی عبارت‌اند از:
- هدایت حرارتی مواد اولیه
- ضخامت دیواره‌‌ها
- مساحت سطح (رابطه مستقیم با راندمان مبدل حرارتی)
- خصوصیات جریان (در دو طرف مبدل حرارتی)
- محل قرارگیري مشعل در مبدل حرارتی
- وزن مبدل حرارتی
- ابعاد مبدل حرارتی
- مدت زمان عملکرد مبدل حرارتی در برابر تغییرات بارهاي حرارتی
- خوردگی/ تخریب/ تعمیرات
مقایسه آلومینیوم با استنلس استیل از منظر ضخامت
در حالی که حداقل ضخامت آلومینیوم ٥,٢ میلیمتر است، کاهش ضخامت استنلس استیل تا کمتر از ١ میلیمتر ممکن می‌باشد ولی با توجه به اینکه نرخ انتقال حرارت آلومینیوم ١٢ برابر استنلس استیل است با افزایش ضخامت بدنه مبدل، نرخ انتقال حرارت نهایی مبدلهاي آلومینیومی بسیار بیشتر از مبدلهاي استنلس استیل بوده و مزیتی براي مبدلهاي استنلس استیل از منظر قابلیت کاهش ضخامت وجود ندارد.
در مقایسه با سطح صاف استنلس استیل، براي محفظه احتراق و یا مسیر آب مبدل آلومینیومی، قابلیت ریخته گري و شکل‌‌گیري با سطح انتقال حرارت گسترده وجود دارد.
بعلاوه، می‌توان به منظور بهینه‌‌سازي انتقال حرارت، افزایش بار حرارتی واحد و کاهش ابعاد مبدل تعداد پین‌‌هاي سطوح مبدل حرارتی آلومینیومی را افزایش داد. مزیت دیگر مبدلهاي حرارتی آلومینیومی، یکپارچه بودن آنها و کاهش تعداد قطعات و زمان مونتاژ است.
مقاومت در برابر خوردگی هر دو مبدل آلومینیومی و استنلس استیل به نوع آب در گردش درون مبدل (آب آشامیدنی، آب دریا، آب شور و …) بستگی دارد.
- نوع آب
- ساختار و ترکیب آلیاژ
- دما
- دبی آب
با اینکه استنلس استیل مقاومت خوبی در دماهاي بالا دارد، اما استحکام آلیاژ آلومینیوم در دماهاي بالاي ١٠٠ درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد، از آنجا که این دما بسیار بیشتر از ماکسیمم دماي کارکرد بویلر است از منظر کاهش مقاومت آلومینیوم در دماهاي بالاي ١٠٠ درجه سانتیگراد مزیتی در انتخاب استنلس استیل وجود ندارد .
در دماهاي کمتر از ١٠٠ درجه سانتیگراد، آلیاژ آلومینیوم عملکرد بهتري از استنلس استیل دارد و نشانه هاي تنش و ترک (tension and cracking) در برخی از مبدلهاي استنلس استیل دیده می‌شود.
استنلس استیل و حساسیت در برابر ترک‌خوردگی
استنلس استیلL ٣١٦ استفاده شده در مبدل حرارتی بویلرهاي چگالشی، آلیاژ با عیار بالایی است که کروم تشکیل دهنده آن بیش از ١٨% است. وقتی کروم اکسیده می‌شود، لایه نازک اکسید روي سطح فلز تشکیل شده که فلز زیرین را از خوردگی محافظت می‌کند. اگرچه استنلس استیل L٣١٦ مقاومت خوبی در بیشتر محیط‌‌هاي خورنده دارد، حساسیت بالایی در برابر ترک خوردگی ناشی از تنش کلراید دارد. (chloride-induced stress corrosion cracking SSC)
بویلر چگالشی آلومینیومی و مقاومت در برابر خوردگی و ترک
مبدلهای حرارتی از جنس آلیاژ آلومینیوم Mg١٠ ALSi به کار رفته در بویلرهای چگالشی، همانند استنلس استیل L٣١٦ در برابر خوردگی مقاوم هستند و بر خلاف فرآیند اکسیداسیون در استنلس استیل، فیلم اکسید آلومینیوم نسبتا ضخیم است. مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم به توانایی آن در تولید اکسید آلومینیوم بستگی دارد. منیزیم، عنصر آلیاژی موجود در ٣O٢Al با تشکیل مخلوطی از اکسیدها، ، باعث تقویت خواص محافظتی فیلم اکسید می‌شود. سیلیکون، عنصر آلیاژی دیگری است که بدون تاثیر منفی بر محافظت در برابر خوردگی، ویژگی های ریختهگری و قالب‌پذیری را بهبود می‌بخشد.
برای مثال اگر مبدلهای حرارتی آلومینیومی Mg١٠AlSi متداول را بعد از حدود 5 سال عملکرد در یک محیط ریختهگری نشان می‌دهد؛ در این مثال محفظه احتراق و مبدل حرارتی سطوحی که در معرض آتش هستند، هیچ مشکل انسدادی و یا خوردگی در بویلرهای چگالشی آلومینیومی از خود نشان نخواهند داد.
مبدلهای حرارتی استنلس استیل و مشکل استفاده از لولههای جوش داده
لولههای استنلس استیل مبدل حرارتی متداول در دو نوع جوش داده شده یا بدون درز هستند که نوع بدون درز و جوش بدلیل مقاومت بالاتر در برابر خوردگی به انواع دیگر ارجحیت دارد. هر دو نوع از نظر متالوژیکی همگن هستند ولی فرایند تولید لولههای بدون درز –علی الخصوص در مبدلهای حرارتی با لولههای جداره نازک- طولانی و پیچیده است، بنابراین در مبدلهای حرارتی استیل به طور گسترده از لولههای جوش داده شده استفاده می‌شود.
برای دستیابی به انتقال حرارت مورد انتظار، لولههای جوش داده شده، در معرض فرایندهای جوشکاری سرد قرار می‌گیرند به همین دلیل فرایند تولید یکی از پارامترهای مهم در کیفیت مبدل حرارتی استنلس استیل تلقی می‌شود. ترکیب و ساختار در مناطق جوشکاری و تنش پس ماند بر اثر کار سرد (cold work) مقاومت در برابر خوردگی استنلس استیل L٣١٦ را به شدت کاهش می‌دهد.
مقایسه مبدل حرارتی آلومینیومی با استنلس استیل و چند نکته‌ی کلیدی
در مقایسه مبدلهای حرارتی سیستم بویلرهای چگالشی، توجه به چند نکته حائز اهمیت است. عملکرد بویلر و کیفیت آب، هوا و سوخت همگی بر عمر دستگاه و الزامات نگهداری تاثیر می‌گذارند که شامل الزامات شیمیایی آب مثل سطح PH و همچنین مقدار کلراید آب تغذیه، سوخت و هوای احتراق است.
به عنوان ماده اولیه، انتقال حرارت آلومینیوم سریع‌‌تر و مقاومت کششی استنلس استیل بهتر است ولی زمانی که دیوارههای مبدل حرارتی ضخیم تر می‌شود، مقاومت بالاتر استنلس استیل مزیت آن نسبت به آلومینیوم تلقی نمی‌شود. با توجه به اینکه امکان جداسازی مبدلهای حرارتی وجود دارد، نصب و تعمیرات آنها آسان‌تر از مبدلهای استنلس استیل است.
شرکت مبنا و تولید بویلرهای چگالشی آلومینیومی سیلیکون
بویلر چگالشی آلومینیوم سیلیکون راتا تولید مبنا با بهره‌گیری از آخرین دستاوردهای روز دنیا در صنعت تأسیسات، بالاترین راندمان موتورخانه را برای تأمین گرمایش ساختمان و آب مصرفی در مقایسه با دیگ‌های چدنی سنتی و دیگ‌های چگالشی استنلس استیل در اختیار کاربر قرار می‌دهد.
برخی از ویژگیهای بویلر چگالشی آلومینیومی راتا در مقایسه با استنلس استیل تولید مبنا عبارت‌اند از:
- هدایت حرارتی بالاتر (W/mk 273) نسبت به استنلس استیل (W/mk 16) و چدن (W/mk 55)
- کوچک بودن مبدلهای آلومینیومی و وزن کمتر بویلر
- انعطاف‌پذیری بالاتر نسبت به استنلس استیل حین تولید و امکان ریختهگری و تولید مبدل حرارتی با سطوح گرمایش گسترده
- سرویس و نگهداری آسان‌تر با توجه به قابلیت جداسازی پره‌های مبدل
- مقاومت بالا در برابر خوردگی به دلیل وجود لایه محافظ اکسید آلومینیوم
- نسبت به مقاومت به وزن بالای آلیاژ آلومینیوم سیلیکون در مقایسه با استنلس استیل و فولاد
- عمر کاری بالای مبدل به دلیل استفاده از آلیاژ Al-Si-Mg
- مقاومت بیشتر در برابر تنش‌های حرارتی نسبت به استنلس استیل
- کارکرد مناسب در محدوده PH گسترده‌تر نسبت به سایر فلزات
- سطوح بدون درز و جوش، تضمین‌کننده‌ی دوام محفظه حرارتی
بویلر چگالشی آلومینیومی راتا، بر خلاف دیگر بویلرهای چگالشی از جنس استنلس استیل، بدون درز و جوش است و به همین دلیل نیز مقاومت بالایی در برابر خوردگی و ترک خوردگی دارد. در بویلرهای چگالشی استنلس استیل، تماس دائم جوشکاری‌های و پرسکاریها با میعنات اسیدی، مشکلات جدی برای بویلر به وجود می‌آورد، در صورتی که این مشکل در مبدل بدون درز و جوش بویلر چگالشی آلومینیومی راتا ساخت شرکت مبنا وجود ندارد.
