مبادل حراري أنبوبي

المبادئ الهيكلية

البنية الأساسية

الغلاف: الغلاف الخارجي للمبادل الحراري، عادة ما يكون ملحومًا من صفائح فولاذية، ويستخدم لإيواء حزمة الأنابيب والسوائل.

حزمة الأنابيب: تتكون من عدة أنابيب تبادل حراري، وهي المكون الأساسي لنقل الحرارة. يمكن أن تكون أنابيب التبادل الحراري مستقيمة، أو على شكل حرف U، أو حلزونية، وعادةً ما تكون مصنوعة من مواد مثل الفولاذ الكربوني، أو الفولاذ المقاوم للصدأ، أو النحاس.

صفيحة الأنبوب: تستخدم لتثبيت حزمة الأنابيب، وربط أنابيب تبادل الحرارة بالغطاء ومنع حزمة الأنابيب من الاهتزاز تحت تأثير السوائل.

الأطراف: يتم تركيبها في كلا طرفي الغلاف، وتستخدم لإغلاق الغلاف وتشكيل قنوات السوائل.

الحواجز: يتم تركيبها داخل الغلاف، وتستخدم لتغيير اتجاه تدفق السائل على جانب الغلاف، مما يزيد من الاضطرابات ويحسن كفاءة تبادل الحرارة.

مبدأ العمل

يعتمد مبدأ عمل المبادل الحراري الأنبوبي على التوصيل الحراري. يتدفق سائل داخل الأنابيب، ويتدفق سائل آخر خارجها (جانب الغلاف). تنتقل الحرارة من السائل عالي الحرارة إلى السائل منخفض الحرارة عبر جدران الأنابيب، مما يؤدي إلى تبادل حراري.

لتحسين كفاءة تبادل الحرارة، يغير السائل الموجود على جانب الغلاف اتجاه تدفقه عدة مرات عبر الحواجز، مما يؤدي إلى حدوث اضطراب وزيادة مساحة التلامس بين السائل وجدران الأنبوب.

سمات

المزايا

هيكل بسيط: بسيط نسبيًا في التصميم والتصنيع، مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف.

موثوقية عالية: هيكل قوي مع مقاومة قوية للضغط، ومناسبة للظروف القاسية مثل الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية.

قدرة قوية على التكيف: يمكن أن تتكيف مع خصائص السوائل المختلفة وظروف التشغيل؛ عن طريق تغيير ترتيب حزمة الأنابيب وقطر الأنبوب، يمكن تلبية متطلبات تبادل الحرارة المختلفة.

صيانة سهلة: يمكن إزالة حزمة الأنابيب بسهولة للتنظيف والإصلاح، مما يسهل الصيانة.

العيوب

كفاءة تبادل الحرارة المنخفضة نسبيًا: بالمقارنة مع المبادلات الحرارية اللوحية، فإن المبادلات الحرارية الأنبوبية لها معامل نقل حرارة أقل، مما يتطلب مساحة تبادل حراري أكبر لتحقيق نفس تأثير تبادل الحرارة.

حجم أكبر: نظرًا لمساحة التبادل الحراري الأكبر، فإن المعدات كبيرة نسبيًا وتشغل مساحة أكبر.

التنظيف الصعب: يعد تنظيف الجزء الداخلي من الأنابيب أمرًا صعبًا نسبيًا، وخاصة بالنسبة للسوائل التي تحتوي على شوائب، والتي تشكل بسهولة الترسبات داخل الأنابيب، مما يؤثر على كفاءة تبادل الحرارة.

الأنواع الرئيسية

مبادل حراري ذو أنبوب ثابت

الخصائص الهيكلية: تُثبَّت حزمة الأنابيب من طرفيها على صفيحة الأنبوب الملحومة بالغلاف. يتميز هذا الهيكل بالبساطة وانخفاض التكلفة، ولكنه لا يُخفف الضغط الحراري، وهو مناسب للتطبيقات ذات الفروقات البسيطة في درجات الحرارة.

التطبيقات: مناسبة للتطبيقات حيث يكون الفرق في درجة الحرارة بين السوائل الموجودة على جانب الغلاف والسوائل الموجودة على جانب الأنبوب صغيرًا (عادةً أقل من 50 درجة مئوية).

مبادل حراري ذو رأس عائم

الخصائص الهيكلية: يُثبَّت أحد طرفي صفيحة الأنبوب على الغلاف، بينما يطفو الطرف الآخر بحرية داخل الغلاف، مما يُجنِّب الضغط الحراري. يُمكن فكّ طرف الرأس العائم بسهولة للتنظيف والصيانة.

التطبيقات: مناسبة للتطبيقات حيث يكون الفرق في درجة الحرارة بين السوائل الموجودة على جانب الغلاف والسوائل الموجودة على جانب الأنبوب كبيرًا (عادةً أكبر من 50 درجة مئوية).

مبادل حراري على شكل أنبوب على شكل حرف U

الخصائص الهيكلية: حزمة الأنابيب على شكل حرف U، حيث يُثبَّت طرفاها على صفيحة الأنبوب نفسها. يسمح هذا الهيكل بالتمدد والانكماش بحرية، مما يُزيل الإجهاد الحراري، إلا أن تنظيف الجزء الداخلي من الأنابيب صعب.

التطبيقات: مناسبة لتطبيقات درجات الحرارة العالية والضغط العالي والفرق الكبير في درجات الحرارة، ومناسبة بشكل خاص للسوائل حيث لا تكون متطلبات النظافة داخل الأنابيب عالية.

مبادل حراري غدي محشو

الخصائص الهيكلية: أحد طرفيه مُثبَّت بصفائح أنبوبية، والطرف الآخر مُغلَق بسدادة حشو، مما يُسهِّل الفك والتنظيف. مع ذلك، فإن موثوقية سدادة الحشو منخفضة نسبيًا، وهي عُرضة للتسريب.

التطبيقات: مناسب للتطبيقات حيث يكون السائل الموجود على جانب الأنبوب نظيفًا وخاليًا من الترسبات.

مجالات التطبيق

القطاع الصناعي

صناعة البترول والكيميائيات: تستخدم في تسخين النفط الخام، وتبريد الغاز المتشقق، واستعادة الحرارة في عمليات التفاعل الكيميائي المختلفة.

صناعة الطاقة: تستخدم في مكثفات محطات الطاقة والمبردات والمعدات الأخرى لتبريد بخار عادم التوربينات واستعادة الحرارة المهدرة.

الصناعة المعدنية: تستخدم لتبريد المصهورات ذات درجة الحرارة العالية واستعادة الحرارة المهدرة، وتحسين كفاءة الطاقة.

صناعة الأغذية والأدوية: تستخدم في عمليات التسخين والتبريد والتعقيم للأغذية والأدوية لضمان جودة المنتج وسلامته.

القطاع المدني

أنظمة التدفئة: تستخدم لتبادل الحرارة في محطات التدفئة، ونقل الحرارة من الماء الساخن لشبكة التدفئة إلى نظام الماء الساخن الخاص بالمستخدم.

أنظمة تكييف الهواء: تستخدم لتبادل الحرارة بين مياه التبريد والمياه المبردة، مما يضمن التشغيل العادي لنظام تكييف الهواء.

الاختيار والصيانة

نقاط الاختيار الرئيسية

حساب التبادل الحراري: تحديد الحرارة التي يجب نقلها بناءً على متطلبات العملية واختيار منطقة تبادل حراري مناسبة.

خصائص السوائل: ضع في الاعتبار عوامل مثل درجة حرارة السوائل والضغط ومعدل التدفق والتآكل لاختيار مواد الأنابيب والأغلفة المناسبة.

مساحة التثبيت: حدد نموذج وحجم المبادل الحراري المناسب بناءً على مساحة التثبيت المتاحة.

الاقتصاد: قم بدراسة شاملة لتكلفة الشراء وتكلفة التشغيل وتكلفة الصيانة لاختيار المعدات ذات نسبة التكلفة إلى الأداء العالية.

إجراءات الصيانة

التفتيش المنتظم: قم بفحص حزمة الأنابيب والغلاف بانتظام بحثًا عن التآكل وتحديد التسريبات ومعالجتها على الفور.

التنظيف والصيانة: نظّف حزمة الأنابيب وغلافها بانتظام لإزالة الأوساخ وضمان كفاءة التبادل الحراري. استخدم مواد تنظيف مناسبة لتجنب التآكل.

منع التحميل الزائد: تجنب تشغيل المعدات في ظل ظروف تتجاوز الضغط ودرجة الحرارة التصميمية لمنع تلف المعدات.

تسجيل معلمات التشغيل: سجل معلمات تشغيل المعدات، مثل درجة حرارة السائل، والضغط، ومعدل التدفق، لتسهيل الكشف عن التشوهات ومعالجتها في الوقت المناسب.

تُعدّ المبادلات الحرارية الأنبوبية من معدات التبادل الحراري الشائعة الاستخدام، وتتميز ببنيتها البسيطة وموثوقيتها العالية وقدرتها العالية على التكيف. في التطبيقات العملية، ينبغي اختيار النماذج المناسبة بناءً على الاحتياجات المحددة، وتعزيز الصيانة والإدارة لضمان التشغيل المستقر على المدى الطويل.