مقالات
کاربرد استیل در مبدلهای حرارتی
مهر
مبدل حرارتی استیل یکی از تجهیزات رایج در واحدهای صنعتی برای انتقال حرارت میان دو سیال است. مبدلهای حرارتی با طراحیها و شکلهای بسیار متنوعی در صنعت بکار میروند و برای خنک کردن یا گرم کردن سیالات از آنها استفاده میشود. آلیاژهای مختلفی برای ساخت این تجهیزات استفاده میشود اما مبدل حرارتی استیل را میتوان از پرکاربردترینها دانست. در این مقاله از استیل رخ قصد داریم به کاربرد مبدل حرارتی و کاربرد استیل در ساخت مبدلهای حرارتی بپردازیم. پس تا انتها همراه ما باشید.
مبدل حرارتی استیل چیست؟
مبدل حرارتی چیست؟ و کار مبدل چیست؟ همانطور که گفته شد مبدل حرارتی استیل برای تبادل حرارت میان دو سیال به کار میرود. مبدلهای حرارتی انواع مختلفی دارند که هرکدام مکانیزم ویژهای برای تبادل حرارتی دارند که باید در انتخاب مبدل حرارتی در نظر داشته باشید. مبدل حرارتی غیرتماسی یا Recuperative بیشترین کاربرد را در صنعت دارد.
کاربرد مبدل حرارتی بدین صورت است که دو سیال که با یکدیگر اختلاف دما دارند توسط لایهای فلزی از هم جدا شده و از طریق همان لایه تبادل حرارت میکنند. یکی از آن سیالها وظیفه خنک کردن سیال دیگر را بر عهده دارد. این دو سیال با یکدیگر به صورت مستقیم در تماس نیستند و انتقال حرارت از طریق دیواره یا لایه فلزی بین آنها انجام میشود. در انتخاب مبدل حرارتی میتوانید این نکات را مورد توجه قرار دهید.
در مبدل حرارتی استیل، سطح جداکننده معمولاً از ورق استیل ساخته میشود و از آنجا که در برخی صنایع مواد شیمیایی و سیالات خورنده به داخل مبدل هدایت میشوند، باید از آلیاژهایی استفاده شود که مقاومت خوبی در برابر خوردگی داشته باشند.
گرید مناسب استیل در ساخت مبدل استیل
گرید مناسب مبدل چیست؟ در ساخت مبدل حرارتی استیل، انتخاب گرید مناسب بسیار مهم است. از آنجا که در این مبدلها سیالاتی با دمای بالا وارد سیستم میشوند، نیاز است تا متریال مورد استفاده مقاومت به خوردگی خوبی در دمای بالا داشته باشد. همچنین در مواردی، سیالات عبوری خورنده هستند. در برخی از سیالات نیز، گازهایی تولید میشود که تا حدودی اسیدی هستند و باعث خوردگی سطح متریال مبدل حرارتی استیل میشوند.
در مبدل حرارتی استیل، گرید انتخاب شده باید در برابر خوردگی حفرهای مقاومت خوبی داشته باشد. خوردگی حفرهای زمانی رخ میدهد که گازهای کلریدی و یونهای کلر، اکسید کروم سطح استیل را حل کند و با آهن واکنش دهد. در صورت واکنش با آهن در مبدل حرارتی استیل، حفرههایی کروی به وجود میآیند که مستعد تمرکز تنش و رشد خوردگی هستند.
در انتخاب لولۀ استیل برای مبدل حرارتی، باید آلیاژی با مقاومت به خوردگی مناسب در نظر گرفته شود. علاوه بر این، لازم است به میزان استحکام و دوام آلیاژ در دما و فشار عملیاتی توجه ویژهای داشت.
معیاری برای سنجش میزان مقاومت به خوردگی وجود دارد که PREN نام دارد. این عدد بیانگر میزان مقاومت در برابر انواع خوردگی حفرهای (Pitting Resistance Equivalent Number) است. برای انتخاب آلیاژ مورد استفاده برای ساخت مبدل حرارتی استیل، از آلیاژ استیل با مقدار PREN بزرگ استفاده میکنند چرا که هرچه این مقدار بیشتر باشد مقاومت در برابر خوردگی حفرهای بیشتر است.
مبدل حرارتی استیل اغلب از آلیاژهای 316L و 439 ساخته میشود. این دو از گریدهای فولادهای ضد زنگ هستند. در ادامه به بررسی ویژگیهای هرکدام و کاربرد آنها در ساخت مبدل استیل میپردازیم.
استیل 316L در ساخت مبدل حرارتی
استیل 316L در ساخت مبدل حرارتی استیل کاربرد ویژهای دارد. چرا که این آلیاژ مقاومت بسیار خوبی در برابر انواع خوردگی فلزات و به خصوص خوردگی مواد اسیدی و نمکی دارد. این گرید از فولاد ضد زنگ حاوی حدود 2 تا 3% مولیبدن است که باعث مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی حفرهای است. از ویژگیهای استیل 316L میتوان به قابلیت جوشکاری بسیار خوب، مقاومت در برابر خوردگی حفرهای و شکل پذیری بالا اشاره کرد.
درصد بالای عناصر نیکل و کروم دراستیل 316L سبب شده است که این آلیاژ برای استفاده در مبدل حرارتی استیل گزینهای بسیار مناسب باشد. چرا که نیکل سبب بهبود شکل پذیری و استحکام این آلیاژ میشود. کروم نیز سبب بهبود مقاومت در برابر خوردگی میشود. علاوه بر این محتوای 2 تا 3% مولیبدن نیز سبب کارایی بیشتر 316L برای ساخت مبدل حرارتی استیل شده است. زیرا مولیبدن در برابر خوردگی کلریدها و مواد شیمیایی گوگرد دار مقاومت میکند. به طور کلی میتوان گفت هرچه میزان مولیبدن در ساختار بیشتر باشد عدد PREN نیز بالاتر است.
بیشتر بخوانید: کاربرد های ورق استیل 316 چیست؟
میزان PREN برای استیل 316L در حدود 22 است. با توجه به ویژگیهای این گرید از استیل میتوان گفت میزان خوردگی در مبدل حرارتی استیل به گونهای نیست که این آلیاژ را دچار خوردگی سازد.
نکته حائر اهمیت دیگر در ساخت مبدل حرارتی استیل، مقاومت در برابر ترک خوردگی تنشی است. برخی از گریدهای فولاد ضد زنگ ممکن است در برابر ترک خوردگی تنشی مقاومت مناسبی نداشته باشند. 316L و 439 از گریدهایی هستند که هر دو به یک میزان در برابر این نوع از ترک خوردگی مقاوم هستند.
برای خرید ورق استیل 316L، از استیل رخ این صفحه را مشاهده نمایید.
استیل 439 برای مبدل حرارتی
گرید دیگری که در ساخت مبدل حرارتی استیل مورد استفاده قرار میگیرد، استیل 439 است. این آلیاژ از دسته فولادهای ضد زنگ فریتی است. این گرید محتوای نیکل بسیار کمی دارد و به همین دلیل نسبت به استیل 316L قیمت مناسبتری داشته و یک جایگزین اقتصادی برای آن است.
از این آلیاژ نمیتوان برای ساخت مبدل حرارتی استیل که در معرض مایعات با خورندگی بالاست استفاده کرد. چرا که به دلیل محتوای کمتر از کروم و نیکل و مولیبدن مقاومت به خوردگی کمتری نسبت به استیل 316L دارد. ولی در عوض قیمت مناسبتری نسبت به استیل 316L دارد. در این گرید از استیل از تیتانیوم و نیوبیوم به عنوان پایدار کننده ناحیه متاثر از حرارت در جوشکاری استفاده شده است.
معیار PREN که برای ساخت مبدل حرارتی استیل اهمیت زیادی دارد برای این گرید حدود 17 است. برای استفاده از این آلیاژ در مبدل استیل نیاز است که PH سیالات همیشه بالای 4 باشد تا از خوردگی حفرهای جلوگیری شود. چرا که در غیر این صورت، خوردگی حفرهای در فولاد 439 اتفاق میافتد.
همانطور که گفته شد برای ساخت مبدل حرارتی استیل، باید از آلیاژی استفاده شود که مقاومت در برابر ترک خوردگی تنشی خوبی داشته باشد. گرید 439 استیل به دلیل ساختار فریتی خود، در برابر این نوع ترک مقاومت نسبتا خوبی دارد. هرچند که در تستها شاهد برتری استنلس استیل 316 هستیم.
برای ساخت مبدل استیل حرارتی و انتخاب میان دو گرید 316L و 439 باید عوامل متعددی را مد نظر قرار داد. مقاومت به خوردگی حفرهای استیل 316L بسیار بالاتر است. برای ساخت مبدل حرارتی استیل که با نمک و مواد اسیدی در ارتباط است بهتر است از این آلیاژ استفاده شود. همچنین طول عمر مبدل حرارتی استیل 316L بسیار بیشتر است.
اما در مواردی که مبدل حرارتی استیل نیاز به مقاومت به خوردگی بالایی ندارد میتوان از گرید 439 استفاده کرد. این گرید از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است. اما ویژگیهای خاص آلیاژ 316L را ندارد. البته علاوه بر این دو آلیاژ استیل از آلیاژهای دیگری نیز برای ساخت مبدل حرارتی استیل استفاده میشود. با توجه به شرایط عملیاتی و نوع سیال، علاوه بر استیل 316 و 439، گریدهایی مثل استنلس استیل 304، 310 و فولاد داپلکس 2205 ازجمله آلیاژهای مورد استفاده در مبدل حرارتی استیل هستند.
راهنمای انتخاب استیل مناسب برای مبدل حرارتی بر اساس نوع سیال و شرایط کاری
انتخاب آلیاژ مناسب برای مبدل حرارتی استیل فقط به نام گرید محدود نمیشود. در عمل، انتخاب متریال باید بر اساس نوع سیال، دمای کاری، فشار، میزان کلرید، pH، احتمال رسوبگذاری و شرایط شستوشوی سیستم انجام شود. به همین دلیل ممکن است یک گرید در یک کاربرد عملکرد بسیار خوبی داشته باشد، اما در شرایطی دیگر با افت عمر یا خوردگی زودهنگام مواجه شود.
تاثیر نوع سیال در انتخاب گرید مبدل حرارتی استیل
اگر سیال عبوری آب معمولی، بخار یا سیالات با خورندگی پایین باشد، در بسیاری از موارد میتوان از گریدهای اقتصادیتر استفاده کرد. اما هرچه میزان کلرید، اسیدیته یا ترکیبات شیمیایی خورنده بیشتر شود، نیاز به آلیاژهایی با مقاومت خوردگی بالاتر نیز افزایش پیدا میکند.
برای مثال، در محیطهایی که سیال حاوی نمک، یون کلر یا مواد شوینده صنعتی است، استفاده از استیل 316L انتخاب مطمئنتری محسوب میشود. وجود مولیبدن در این گرید باعث میشود مقاومت آن در برابر خوردگی حفرهای و شیاری بیشتر از بسیاری از گریدهای رایج باشد. به همین علت، استیل 316L در مبدلهای حرارتی صنایع شیمیایی، غذایی، دارویی و برخی خطوط فرایندی مرطوب کاربرد گستردهای دارد.
در مقابل، اگر مبدل در تماس با سیالات کمخورنده باشد و شرایط عملیاتی از نظر pH و کلرید کنترل شود، استیل 439 میتواند به عنوان گزینهای اقتصادیتر مورد استفاده قرار گیرد. این گرید برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به مقاومت خوردگی بسیار بالا وجود ندارد، اما همچنان خواص فولاد ضد زنگ و مقاومت مناسب در برابر اکسیداسیون اهمیت دارد.
نقش دما، فشار و شرایط بهرهبرداری
علاوه بر ترکیب شیمیایی سیال، دمای کاری و فشار عملیاتی نیز در انتخاب متریال مبدل حرارتی اهمیت زیادی دارند. افزایش دما میتواند سرعت بسیاری از واکنشهای خوردگی را بیشتر کند. از طرفی، اگر سیستم تحت فشار بالا یا سیکلهای حرارتی مداوم باشد، آلیاژ مورد استفاده باید علاوه بر مقاومت به خوردگی، استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی مناسبی نیز داشته باشد.
در چنین شرایطی، گریدهایی مانند 316L معمولاً انتخاب مطمئنتری هستند. همچنین در محیطهای سختتر و خورندهتر، بسته به طراحی مبدل و نوع فرآیند، ممکن است از گریدهایی مانند داپلکس 2205 یا حتی آلیاژهای مقاومتر نیز استفاده شود.
انتخاب گرید استیل در یک نگاه
به طور خلاصه میتوان گفت:
- استیل 439: مناسب برای سیالات با خورندگی پایین، کاربردهای عمومی و پروژههایی که قیمت تمامشده اهمیت زیادی دارد.
- استیل 316L: مناسب برای محیطهای مرطوب، سیالات حاوی کلرید، مواد شیمیایی ملایم، خطوط فرآوری و کاربردهایی که طول عمر و مقاومت خوردگی اولویت بالاتری دارند.
- استیل 304: گزینهای رایج برای شرایطی که محیط چندان خورنده نیست، اما نیاز به مقاومت بهتر نسبت به فولادهای معمولی وجود دارد.
- داپلکس 2205: مناسب برای شرایط سختتر، محیطهای دارای کلرید بیشتر و کاربردهایی که همزمان به استحکام بالا و مقاومت خوردگی بهتر نیاز دارند.
چرا انتخاب صحیح گرید اهمیت دارد؟
انتخاب اشتباه آلیاژ در مبدل حرارتی استیل میتواند باعث بروز مشکلاتی مانند خوردگی حفرهای، نشتی، افت راندمان انتقال حرارت، افزایش هزینه تعمیرات و کاهش عمر تجهیز شود. به همین دلیل در زمان انتخاب لوله، ورق یا صفحات استیل برای ساخت مبدل حرارتی، باید علاوه بر قیمت، به شرایط واقعی بهرهبرداری نیز توجه کرد.
در بسیاری از پروژهها، پرداخت هزینه بیشتر برای انتخاب گرید مناسبتر، در بلندمدت باعث کاهش توقف خط، کاهش هزینه نگهداری و افزایش عمر مفید مبدل خواهد شد.
سخن آخر
کاربردهای مبدل حرارتی در صنعت فراوان است. برای ساخت مبدلهای حرارتی از آلیاژهای مختلفی استفاده میشود. گریدهای 316L , 439 از جمله پرکاربردترین آلیاژها در ساخت مبدل حرارتی استیل هستند. آلیاژ 316L مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی حفرهای دارد. اما قیمت آن نیز به مراتب بیشتر از استیل 439 است.