مقدمه

کاربرد روغن حرارت در صنعت، در بسیاری از فرایندهای صنعتی، تامین، نگهداری و کنترل دمای دقیق یکی از اصولی‌ترین نیازهای عملکردی است. از خشک‌کردن محصولات تا فرآیندهای پخت، از عملیات گرمایش پلاستیک‌ها تا فرایندهای شیمیایی حساس، هرجا که به انتقال حرارت با دمای بالا و کنترل پایدار آن نیاز باشد، روغن حرارت نقشی کلیدی ایفا می‌کند. روغن حرارت به عنوان عامل حمل گرما در سیستم‌های بسته (closed-loop) استفاده می‌شود تا گرمای حاصل از یک منبع حرارتی را به واحدهای مصرف‌کننده در فرآیند منتقل کند و در نهایت پس از فراوری به منبع بازگردد. این روغن‌ها به دلیل نقطه جوش بالا، ویسکوزیته مناسب در بازه دمایی وسیع، پایداری اکسایشی و کاهش خوردگی در لوله‌ها و تجهیزات صنعتی، جایگاه مهمی در صنایع مختلف یافته‌اند.

در این متن تلاش می‌کنیم به طور جامع به تعریف روغن حرارت، ویژگی‌های فنی آن، انواع موجود، اصول طراحی و عملکرد سیستم‌های حرارت‌دهی با روغن حرارت، دلایل انتخاب آن نسبت به سایر روش‌ها، نکات ایمنی و نگهداری، و نکات مهم برای بهبود کارایی و کاهش هزینه‌ها بپردازیم. هدف از نگارش این متن ارائه یک منبع جامع و قابل استناد برای مدیران پروژه، مهندسان فرایند، تکنسین‌های نگهداری و پژوهشگران است.

1. روغن حرارت چیست؟

روغن بهران حرارت یا Heat Transfer Fluid (HTF) یک مایع هیدروکربنی یا فرعی معدنی است که در یک مدار بسته در تماس با منبع گرمایی و مصرف‌کننده‌های گرمایی قرار می‌گیرد تا گرما را از محل حرارت‌دهنده به محل مصرف انتقال دهد. برخلاف بخار آب یا بخار روغن‌های لیتیومی که برای گرمایش با فشار بالا استفاده می‌شوند، روغن‌های حرارت معمولاً در محدوده دمایی پایین‌تری (حدود 100 تا 380 درجه سانتی‌گراد بسته به نوع روغن) و با فشار کم یا بدون فشار کار می‌کنند. ویژگی اصلی روغن حرارت این است که در دمای بالا تبخیر نمی‌شود و ظرفیت گرمایی نسبتاً بالایی دارد، به طوری که بتواند مقدار زیادی گرما را به صورت پایدار و قابل اعتماد منتقل کند بدون اینکه به سرعت نقصان کیفی پیدا کند.

دو نکته کلیدی درباره روغن حرارت وجود دارد:
– محدوده دمایی کارکرد: روغن‌های حرارت برای کار در یک بازه دمایی مشخص طراحی می‌شوند؛ انتخاب روغن مناسب به دماهای ورودی و خروجی، مدت زمان تماس با دما بالا و خواسته‌های فرایند بستگی دارد.
– پایداری شیمیایی و فیزیکی: روغن حرارت در تماس مداوم با حرارت بالا و اکسیژن یا آب می‌تواند دچار تخریب و تغییر خواص شود. بنابراین انتخاب روغن با پایداری مناسب در برابر اکسایش، کاهش ترکیبات فرار، و تشکیل رسوبات از اهمیت زیادی برخوردار است.

2. چرا از روغن حرارت به جای سایر حامل‌های حرارتی استفاده می‌شود؟

– بازه دمایی گسترده: روغن‌های حرارت می‌توانند در دماهای بالاتر از دمای کار سیستم‌های بخار یا مایعات مستقیم عمل کنند بدون اینکه به سرعت بخار شده یا ابرود شدنی باشند. این ویژگی امکان استفاده از تجهیزات و فرایندهای با دمای بالا را فراهم می‌کند.
– فشار کمتر و ایمنی بالا: سیستم‌های مبتنی بر روغن حرارت معمولا در محیط‌های بسته و با فشار پایین کار می‌کنند که خطرات ناشی از بخار فشار بالا یا انفجار را کاهش می‌دهد.
– عدم خورندگی و سازگاری با فلزات: بسیاری از روغن‌های حرارت با استانداردهای مناسب نسبت به فلزات رایج در سیستم‌های لوله‌کشی و پمپ‌ها سازگاری خوب دارند، به شرط آنکه ترکیب روغن با مواد دیگر یا آب موجود در سیستم کنترل شود.
– امکان استفاده در فرایندهای غیر آبی: برخی فرایندها نیازمند گرمای مینیمال یا تحلیل حرارتی غیر آبی هستند، و روغن حرارت این امکان را فراهم می‌کند بدون مشکلات مربوط به التراساندهای آب و بخار.
– ثبات حرارتی و خصوصیات ویسکوزیته‌پذیری مناسب: ویسکوزیته روغن حرارت در محدوده دمایی مطلوب تغییر می‌کند و این تغییر را می‌توان با طراحی مناسب برای حفظ نرخ انتقال حرارت مطلوب کنترل کرد.

3. انواع روغن حرارت و ترکیبات پایه

روغن‌های حرارت از نظر پایه شیمیایی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
الف- روغن‌های معدنی یا پارافینی (Mineral oil-based HTFs)
ب- روغن‌های مصنوعی هیدروکربنی یا سنتتیک (Synthetic hydrocarbon-based HTFs)
ج- روغن‌های استری (Esters-based HTFs)

یادداشت مهم: انواع دیگر مانند روغن‌های سیلیکونی یا روغن‌های پلی‌گلیکول نیز در برخی کاربردها به عنوان HTF به کار می‌روند، هر چند معمولاً در محدوده‌های دمایی خاص یا با هزینه‌های بیشتر به کار می‌روند.

3-1 روغن‌های معدنی

روغن‌های معدنی پایه‌ای‌ترین دسته HTFها هستند. این روغن‌ها از تقطیر یا پالایش روغن‌های معدنی خام به دست می‌آیند و طیف گسترده‌ای از خصوصیات را ارائه می‌دهند. مزایا:
– هزینه پایین‌تر نسبت به سایر دسته‌ها
– قابلیت دسترسی گسترده
معایب:
– ثبات اکسایشی نسبتاً کمتر نسبت به برخی HTFs سنتتیک
– محدودیت در دماهای بالا و در برخی محیط‌ها که نیازمند محافظت در برابر اکسیداسیون هستند
– احتمال تشکیل رسوبات یا خوردگی در درازمدت اگر سیستم به درستی نگهداری نشود

این دسته معمولاً برای کاربردهای با دماهای تا حدود 180 تا 320 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود، با توجه به مشخصات روغن و طول عمر سیال.

3-2 روغن‌های مصنوعی هیدروکربنی یا سنتتیک

روغن‌های HTF سنتتیک پایه‌های هیدروکربنی هستند که معمولاً با افزودنی‌هایی برای بهبود پایداری در برابر اکسایش، ضدآکسیداسیون، مقاومت در برابر خوردگی و پایداری حرارتی طراحی می‌شوند. مزایا:
– پایداری حرارتی بالاتر، طول عمر بیشتر
– ثبات ویسکوزیته در بازه وسیعی از دما
– مقاومت بهتر در برابر اکسیداسیون و تشکیل رسوبات
معایب:
– هزینه بالاتر نسبت به روغن‌های معدنی
– گاهی نیاز به تجهیزات یا مواد سازگار با HTFهای سنتتیک (مثلاً مهر و موم‌های خاص)

این دسته برای کاربردهای با دمای کاری متوسط تا بالا (معمولاً تا حدود 300 تا 360 درجه سانتی‌گراد یا بیشتر در برخی فرایندهای خاص) مناسب است و در صنایع با سطح ایمنی بالا کاربرد بیشتری دارد.

3-3 روغن‌های استری (Esters)

روغن‌های استری با منشأ فرایندی مانند دی‌استرها یا مونو استرها ساخته می‌شوند. این دسته معمولاً به دو زیرشاخه تقسیم می‌شود:
– استرهای غیر خوراکی (Industrial esters)
– استرهای خوراکی یا بیوفیت (Food-grade esters)
مزایا:
– پایداری اکسایشی بالا
– دامنه دمایی وسیع
– فومینگ کم و سازگار با برخی از سیستم‌های حساس
– برخی از آن‌ها دارای گرید بیو-پایه هستند که با محیط زیست سازگارترند
معایب:
– هزینه بالاتر
– سازگاری با بعضی از مواد سیستم (مثل برخی لاستیک‌ها یا مهر و موم‌ها) باید بررسی شود

استرها اغلب در فرایندهای با دمای بالای حدود 250 تا 350 درجه سانتی‌گراد کاربرد دارند و در صنایع پلاستیک، چاپ، لوازم خانگی، و برخی فرایندهای صنعتی ویژه استفاده می‌شوند.

3-4 سایر دسته‌ها (مختصر)

– روغن‌های سیلیکونی: در برخی کاربردهای مخصوص با دمای بالا اما معمولاً با قیمت بالا و ویژگی‌های خاصی استفاده می‌شوند.
– روغن‌های پایه پلی‌أویلن‌ها یا PAOها: دسته‌ای از روان‌کننده‌های مصنوعی که در HTFها نیز به کار می‌روند، مخصوصاً در سیستم‌هایی که به ویسکوزیته پایدار نیاز دارند.

4. ویژگی‌های کلیدی روغن حرارت و نحوه ارزیابی آنها

برای انتخاب یک روغن حرارت مناسب، مهندسان به چند شاخص فنی اصلی نگاه می‌کنند که به طور مستقیم کارایی سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهد:
– نقطه اشتعال (Flash Point) و نقطه آتش (Fire Point): نشان دهنده خطر پذیری آتش‌سوزی روغن در دمای کار است. هر چه این دو مقدار بالاتر باشد، ایمنی سیستم بالاتر است.
– ویسکوزیته در دماهای مختلف (Typically at 40°C و 100°C): نشان می‌دهد که روغن چگونه در بازه‌های دمایی مختلف به طور مؤثر از منبع حرارت به مصرف‌کننده منتقل می‌شود. رابطه ویسکوزیته با دما (حرارت‌داری یا کاهش ویسکوزیته با افزایش دما) به صورت غیرخطی است و باید در طراحی پمپ و قیمت‌گذاری انرژی لحاظ شود.
– ضریب ظرفیت حرارتی (Cp) و چگالی (ρ): مشخص می‌کند که چقدر گرما در واحد جرم و واحد دما می‌تواند ذخیره و انتقال یابد.
– پایداری اکسایشی و شدت واکنش‌های شیمیایی (Oxidation Stability): مقاومت روغن در برابر واکنش با اکسیژن هوا و ایجاد رسوبات، خونریزی یا تغییر رنگ و خصوصیات است.
– مقاومت در برابر نور UV یا تابش‌های گرمایی: بعضی روغن‌ها در برابر تابش‌های طولانی مدت نور و گرما حساسیت نشان می‌دهند.
– نقطه انجماد یا Pour Point: نشان می‌دهد در دماهای پایین روغن چه رفتار فیزیکی دارد و احتمال لخته شدن یا افزایش گرانروی وجود دارد.
– رسوب‌زایی و تشکیل تفاله (Coking) و رسوبات در مبدل‌ها و فیلترها: برخی HTFs در شرایط دمایی بالا می‌توانند واکنش‌های جانبی بدهند و رسوبات تولید کنند که عملکرد انتقال حرارت را کاهش می‌دهد.
– نسبت آلودگی به آب و املاح (Water Content): وجود آب در HTF می‌تواند منجر به خوردگی، کارکرد ناقص یا کاهش پایداری اکسایشی شود.
– سازگاری با اجزای سیستم: مهر و موم‌ها، پکینگ‌ها، واشرها، لاستیک‌های سیلیکونی یا صنعتی دیگر به خصوص در دماهای بالاتر حساسند؛ برخی روغن‌ها با برخی مواد سازگار نیستند و نیاز به تغییرات در ترکیب تجهیزات دارند.

5. نکاتی در طراحی سیستم‌های روغن حرارت

5-1 طراحی کلی

– هدف از فرایند گرمایش چیست؟ آیا باید دمای مشخصی را در یک نقطه ثابت نگه داشت یا دمای ورودی و خروجی باید با مشخصات فرایند همگام باشند؟
– دامنه دمای کاری روغن چگونه است؟ این دامنه باید با دمای کاری منبع حرارت، مبدل‌های حرارتی، و فرایند مصرف کننده مطابقت داشته باشد.
– نرخ انتقال حرارت مورد نیاز چگونه است؟ این به مقدار گرمایی (Q) که باید به فرایند بدهیم، به فشار، به طراحی مبدل حرارتی و به بازه دمایی ورودی/خروجی بستگی دارد.
– طراحی سیستم گردش روغن چگونه است؟ پمپ با پمپاژ مناسب برای جابجایی روغن در خط لوله، مبدل‌های حرارتی، مخازن ذخیره، فیلترها و واحدهای تصفیه به کار گرفته می‌شوند.

5-2 انتخاب روغن مناسب برای دماهای مختلف

الف- برای دماهای زیر حدود 150°C تا 180°C: روغن‌های معدنی با افزودنی‌های ضد اکسیداسیون و ضد فوم معمولاً کافی هستند، با توجه به اندازه‌گیری‌های دوره‌ای برای حفظ پایداری روانی.
ب- برای دماهای متوسط تا بالا: روغن‌های مصنوعی هیدروکربنی یا استری با ویژگی پایداری بالا و مقاومت اکسایشی مناسب ترجیح داده می‌شوند.
ج- برای دماهای بسیار بالا (تا حدود 350°C و بالاتر در برخی سیستم‌ها): استفاده از استرهای خاص یا ترکیبات پایه با پایداری بالا و نقطه اشتعال بالا معمول است؛ همچنین لازم است سیستم بهبود یافته از نظر ایمنی و ایمنی آتشگیری فراهم شود.

5-3 طراحی مسیر گرمایی و کنترل

– کنترل دمای ورودی و خروجی روغن باید با حسگرهای دقیق و کنترل‌کننده‌های PLC یا DIS برقرار شود تا گرمای ورودی به فرایند ثابت و پایدار بماند.
– مدیریت فلو و فشار روغن: یک طراحی صحیح باید فشار و جریان روغن را در سراسر مدار حفظ کند تا افت فشار کم و انتقال گرمایی به حداکثر برسد.
– مبدل‌های حرارتی و نوع آنها: مبدل‌های پوسته و لوله، مبدل‌های صفحه‌ای یا استفاده از لوله‌کشی باهوا در مناطقی که گازها وجود دارند. انتخاب نوع مناسب به ظرفیت گرمایی، افت فشار، و دسترسی به نگهداری بستگی دارد.
– مخازن و تجهیزات انبساط: روغن با گرمایش منبسط می‌شود؛ بنابراین وجود مخزن انبساط و سیستم برگشت به مخزن برای جلوگیری از فشار ناخواسته ضروری است.

5-4 ایمنی و استانداردها

– سیستم‌های روغن حرارت معمولاً به شکل بسته (closed-loop) طراحی می‌شوند تا از تماس با هوای بیرونی و خروج گرمایی جلوگیری شود. با این وجود، نشت روغن یا ورود آب به سیستم می‌تواند خطرناک باشد.
– استفاده از سیستم‌های اندازه‌گیری دما، سطح مایع، فشار و دبی روغن برای جلوگیری از اتفاقات ناخواسته الزامی است.
– در طراحی سیستم، نقطه آتش روغن و احتمال آتش‌سوزی از نظر ایمنی باید در نظر گرفته شود. برخی خواص روغن‌ها به کاهش خطر آتش در برابر آتش‌های دیگر کمک می‌کند.
– اطمینان از وجود تهویه مناسب و روش‌های خاموشی مناسب در صورت بروز آتش یا گرمای شدید.

6. کاربردهای صنعتی روغن حرارت

6-1 صنایع پلاستیک و لاستیک
در فرآیندهای نهایی مانند قالب‌گیری، اکستروژن و خشک‌کردن گرافیت، روغن حرارت به عنوان حامل حرارت در اکوسیستم‌های قالب‌گیری یا خشک‌کن‌ها استفاده می‌شود تا حرارت را به دمای دقیق برساند و کنترل دمایی لازم را فراهم کند.

6-2 صنایع شیمیایی و پالایش
در کارخانه‌های شیمیایی، روغن حرارت به عنوان منبع حرارت در فرایندهای گرمایی حساس مثل سنتزهای گرمایی، خشک‌کاری مواد یا جداسازی حرارتی استفاده می‌شود. در این صنایع کنترل حرارت نقش مهمی در کیفیت محصول و ایمنی فرایند دارد.

6-3 صنایع غذایی
برخی فرایندهای گرمایی در صنایع غذایی نیازمند جلوگیری از تماس با بخار آب یا بخار فشار بالا و کسب کنترل دقیق دما هستند. در این موارد، روغن حرارت با گریدهای غذایی یا بیولوژیک به کار می‌رود. این روغن‌ها معمولاً باید از استانداردهای خاص بهداشتی پیروی کنند و به راحتی در فرآیندهای نگهداری و تمیزکاری قابل استفاده باشند.

6-4 صنایع چاپ و فرآوری کاغذ
در برخی از فرایندهای خشک‌کردن و پخت در صنایع چاپ و کاغذ، روغن حرارت نقش کلیدی دارد تا گرمای لازم به واحدهای مصرف کننده منتقل شود و کیفیت محصول نهایی حفظ شود.

6-5 صنایع نساجی و پوشش‌دهی
در فرایندهای خشک‌کن، پخت و پردازش رنگ‌ها و پوشش‌ها، روغن حرارت برای کنترل دقیق دما و بهبود کیفیت نهایی پوشش‌ها استفاده می‌شود.

6-6 صنایع انرژی و خشک‌کردن هوا
در کارخانجات تولید برق یا عملیات خشک‌کن صنعتی، روغن حرارت به عنوان حامل حرارت در واحدهای قدرتمند استفاده می‌شود تا بدنه‌های بزرگ یا مواد خام را با دمای مشخصی گرم یا خشک کند.

7. نکته‌های کاربردی برای انتخاب و راه‌اندازی

– شناسایی دقیق دمای کار و بازه دمایی: قبل از انتخاب روغن، دامنه دمایی ورودی و خروجی، مدت زمان تماس با دما بالا، و تغییرات دما در طول چرخه کار را مشخص کنید.
– سازگاری با تجهیزات و مواد سیستم: مطمئن شوید روغن با مواد مهر و موم، گسکت‌ها، فلزات و لایه‌های پوششی سیستم سازگار است تا از خوردگی یا خرابی جلوگیری شود.
– توجه به گریدهای استاندارد: برای کاربردهای حساس یا غذایی، از روغن‌هایی با گرید غذایی یا استانداردهای ایمنی مناسب استفاده کنید.
– برنامه‌ریزی برای نگهداری و آنالیز روغن: تعیین فواصل زمانی برای اندازه‌گیری TAN، ویسکوزیته، سطوح آب و آلودگی، و برنامه‌های فیلترینگ و تعویض روغن بهینه است.
– آموزش و آگاهی تیم نگهداری: تیم‌های فنی باید با رفتار روغن حرارت، علائم خرابی و روش‌های پیشگیری آشنا باشند تا به موقع اقدامات اصلاحی انجام دهند.

نتیجه‌گیری

خرید روغن حرارت به عنوان یکی از عوامل کلیدی در انتقال حرارت در صنایع مختلف شناخته می‌شود. با توجه به نوع فرایند، دمای کار و الزامات ایمنی، انتخاب مناسب‌ترین روغن حرارت، طراحی صحیح سیستم، و نگهداری منظم می‌تواند به افزایش کارایی، کاهش هزینه‌های انرژی، و بهبود کیفیت محصولات منجر شود. در مسیر طراحی و اجرای پروژه‌های گرمایشی با روغن حرارت، توجه به نکات فنی مانند پایداری اکسایشی، ویسکوزیته مناسب در دماهای مختلف، نقطه آتش بالا، و سازگاری با سایر اجزا، به همراه برنامه‌های نگهداری دقیق، کلید موفقیت محسوب می‌شود.