المبادلات الحرارية الحلزونيةغالبًا ما يتم وصفها على أنها "تغيير تدريجي" في تصميم الصدفة-و-الأنبوب. المطالبة واضحة ومباشرة: تدفق أكثر سلاسة، ونقل أفضل للحرارة، واهتزاز أقل، وانخفاض ضغط أقل. وفي كثير من الحالات، يقدمون ذلك بالضبط.
لكننا رأينا أيضًا أن أداءها كان ضعيفًا-ليس بسبب سوء التصميم، ولكن لأنه تم تحديدها لمهمة خاطئة أو تم تحديد حجمها بشكل غير صحيح. هذا ما قمنا بقياسه فعليًا في الميدان.
ما الذي يفعله التصميم الحلزوني المربك في الواقع؟
في المبادل الحاجز القطعي التقليدي، يتحرك السائل الجانبي للقشرة- ذهابًا وإيابًا عبر حزمة الأنبوب بنمط متعرج. يغير التدفق اتجاهه عند كل حاجز. يؤدي ذلك إلى حدوث اضطراب، ولكنه أيضًا يخلق مناطق ميتة، وانخفاضًا عاليًا في الضغط، واهتزازًا-يؤدي إلى تدفق متقاطع.
يستبدل تصميم الحواجز الحلزونية الحواجز القطاعية بسطح حلزوني مستمر. يتبع السائل مسارًا حلزونيًا على طول الصدفة. التدفق أكثر سلاسة وأكثر اتساقًا.
ما يمنحك التصميم الحلزوني:
- توزيع سرعة أكثر انتظامًا عبر الحزمة
- انخفاض الضغط المنخفض لنفس نقل الحرارة (أو نقل الحرارة بشكل أفضل لنفس انخفاض الضغط)
- انخفاض التدفق-الاهتزاز الناتج (لا توجد تغييرات مفاجئة في الاتجاه)
- عدد أقل من المناطق الميتة التي تتراكم فيها القاذورات
ما لا يعطيك:
- لا يلغي ذلك الحاجة إلى دعم الأنبوب المناسب (لا تزال بحاجة إلى حواجز لدعم الأنابيب)
- لا يحل المشاكل الناجمة عن سوء توزيع التدفق عند المدخل
- أنها لا تعمل بشكل جيد على قدم المساواة لجميع السوائل
انتقال الحرارة مقابل انخفاض الضغط: التجارة الحقيقية-متوقفة
هذا هو المطلب الأساسي لتصميمات الحواجز الحلزونية: نقل أفضل للحرارة لكل وحدة انخفاض في الضغط. لقد قمنا بقياس هذا في منشآت متعددة.
| المعلمة | قطاعي | يربك حلزونية | يربك ميزة حلزونية |
| قيمة الصدفة-الجانب U-. | 1,850 W/m²·K | 2,100 W/m²·K | +13.5% |
| انخفاض الضغط | 45 كيلو باسكال | 32 كيلو باسكال | -29% |
| النسبة (U/ΔP) | 41.1 | 65.6 | +60% |
يوفر التصميم الحلزوني نقلًا أفضل للحرارة بنسبة 13.5% مع انخفاض ضغط أقل بنسبة 29%. وهذا تحسن ذو مغزى. على مدار فترة تشغيل مدتها 5 سنوات، بلغ توفير طاقة الضخ حوالي 15% من إجمالي تكلفة التشغيل.
ولكن هناك مشكلة: التحسين ليس تلقائيًا. يعمل التصميم الحلزوني بشكل جيد فقط عندما تكون سرعة السائل عالية بما يكفي للحفاظ على نمط التدفق الحلزوني. عند السرعات المنخفضة، يتقلص التحسن.
الزاوية الحلزونية: حساب محدد نستخدمه
نرى خطأ شائعا: يحدد المهندسون "مبادلا حراريا حلزونيا" دون تحديد زاوية الحلزون. تستخدم الشركة المصنعة زاوية قياسية-عادةً 30-40 درجة-والتي قد تكون أو لا تكون مثالية.
تجربتنا مع الزوايا الحلزونية:
| زاوية الحلزون | التأثير على انتقال الحرارة | التأثير على انخفاض الضغط | أفضل ل |
| 20-25 درجة | تحسن معتدل | أقل زيادة | سرعة عالية-وسوائل نظيفة |
| 30-40 درجة | أفضل توازن | زيادة معتدلة | معظم الخدمات العامة |
| 45-60 درجة | أعلى تحسن | أعلى زيادة | خدمات القاذورات تحتاج إلى اضطراب |
مواصفاتنا النموذجية: 35 درجة للخدمات العامة. نحن نضبط لأعلى من أجل تلوث السوائل ونخفض من أجل الضغط -قطرة-تطبيقات محدودة.
الحواجز الحلزونية والقاذورات: مجموعة بيانات مُقاسة
إحدى الفوائد المزعومة للحواجز الحلزونية هي تقليل التلوث. من المفترض أن يحافظ التدفق الحلزوني على تعليق الجزيئات ويمنع ترسب الرواسب.
بيانات التلوث لدينا عبر خدمات متعددة:
| خدمة | معدل التلوث القطاعي | معدل التلوث الحلزوني | تخفيض |
| المياه المعالجة (المعالجة) | 1.0x | 0.6x | -40% |
| مياه برج التبريد | 1.0x | 0.7x | -30% |
| الهيدروكربونات الخفيفة | 1.0x | 0.8x | -20% |
| زيت ثقيل (سرعة عالية) | 1.0x | 0.85x | -15% |
| زيت ثقيل (سرعة منخفضة) | 1.0x | 1.1x | +10% (الأسوأ) |
النمط ثابت: الحواجز الحلزونية تقلل من التلوث في معظم الخدمات، ولكن فقط عندما تكون السرعة كافية. عند السرعات المنخفضة، يخلق الحلزون مساحة سطحية أكبر لتلتصق بها الرواسب، مما قد يؤدي في الواقع إلى تفاقم التلوث.
قاعدتنا: إذا كانت السرعة الجانبية لقشرتك- أقل من 0.5 م/ث، فلا تتوقع انخفاضًا في التلوث الناتج عن الحواجز الحلزونية. قد يجعلون الأمر أسوأ.
معيار API الذي نشير إليه
نقوم بتصميم مبادلات حرارية ذات حاجز حلزوني وفقًا لمعايير TEMA Class R، مع إشارة محددة إلى TEMA RCB-4.3.1 على تصميم الحاجز وRCB-4.7 على دعم الحزمة.
يتطلب TEMA RCB-4.3.1 أن توفر الحواجز الدعم الكافي للأنابيب لمنع الاهتزاز. تلبي الحواجز الحلزونية هذا المطلب ولكنها تتطلب تصميمًا دقيقًا لطول الرصاص الحلزوني وسمك الحاجز. يتناول TEMA RCB-4.7 تباعد دعم الحزمة، وهو أمر مهم بشكل خاص للتصميمات الحلزونية لأن الحلزون المستمر يخلق نمط دعم مختلفًا عن الحواجز القطاعية.
ممارستنا: نقدم حساب دعم الحاجز إلى العميل للحصول على الموافقة، بالرجوع إلى TEMA RCB-4.3.1 وRCB-4.7، قبل بدء التصنيع. هذا هو نفس الحساب الذي نستخدمه للحواجز القطاعية، ولكن تم تعديله ليتناسب مع الهندسة الحلزونية. والفرق الرئيسي هو مدى الأنبوب غير المدعوم: في التصميم المقطعي، يكون الامتداد غير المدعوم هو المسافة بين الحواجز المجاورة. في التصميم الحلزوني، يكون الامتداد غير المدعوم أطول لأن الحلزون يلتف حول الحزمة وتكون نقاط الدعم متباعدة بشكل أكبر. نحن نصمم لأقصى مدى غير مدعوم يبلغ 1.2 متر، مقارنة بـ 0.8-1.0 متر للتصميمات القطاعية.
الوصول إلى التنظيف الميكانيكي: قيود محددة
وقد أشرنا إلى هذا أعلاه. الحواجز الحلزونية عبارة عن هيكل مستمر يلتف حول الأنابيب. إذا كنت بحاجة إلى التنظيف الميكانيكي لجانب الصدفة-أو الأنابيب الفردية للقضيب-فإن الحاجز الحلزوني هو الذي يعيق الطريق.
المبدأ التوجيهي لدينا:
- إذا كانت خدمتك تتطلب تنظيفًا جانبيًا للهيكل الميكانيكي-، ففكر في استخدام الحواجز القطاعية بدلاً من ذلك.
- إذا كنت تستخدم حواجز حلزونية في خدمة إزالة الأوساخ، فخطط للتنظيف الكيميائي (CIP) فقط.
- إذا كنت بحاجة إلى أنابيب قضيبية، فحدد أنابيب قابلة للإزالة أو تصميمًا يسمح بالوصول إلى الأنابيب.
قائمة اختيار المبادلات الحرارية ذات الحاجز الحلزوني
قبل تحديد الحواجز الحلزونية:
- السرعة الجانبية للقذيفة- - هل تزيد عن 0.5 م/ث؟ إذا لم يكن الأمر كذلك، فإن الفائدة قد تكون ضئيلة. حساب Re_shell على أساس القطر الهيدروليكي.
- نوع السوائل – تستفيد السوائل أكثر من الغازات. تستفيد سوائل التلوث إذا كانت السرعة كافية.
- خطر الاهتزاز - إذا كان الاهتزاز يمثل مشكلة حالية، فإن الحواجز الحلزونية تعد حلاً مثبتًا.
- الوصول إلى التنظيف – هل تحتاج إلى التنظيف الميكانيكي؟ إذا كانت الإجابة بنعم، قد لا يكون الحلزوني هو الخيار الصحيح. حدد CIP إذا تابعت.
- قيود المساحة - هل يمكنك ملاءمة القشرة الموجودة؟ حلزوني يعمل بشكل جيد للتعديل التحديثي.
- زاوية الحلزون – تحديد طول الرصاص وزاويته. لا تترك الأمر للمصنع . 35 فهو نقطة بداية جيدة.
- التكلفة – الحزم الحلزونية أغلى بنسبة 15-25%. تشغيل الاقتصاد.
- الامتثال لـ TEMA - قم بالإشارة إلى TEMA RCB-4.3.1 وRCB-4.7 في المواصفات الخاصة بك. إرسال حسابات الدعم للموافقة عليها.
- تجربة البائع - ليس كل مصنع يقوم بتصميمات حلزونية بشكل جيد. اطلب مراجع من تطبيقات مماثلة.