عند أغلب المهندسينيربك المبادل الحراريهي فكرة لاحقة. يتم اختيار الأنابيب لنقل الحرارة، ويتم تحديد حجم الغلاف لاحتواء الضغط، ويتم تحديد الحواجز وفقًا للنمط القياسي. يعمل هذا النهج مع العديد من التطبيقات، لكنه يفوت فرص التحسين. تستعرض هذه المقالة العديد من الحالات من الممارسة الميدانية حيث أدى الاهتمام بتصميم الحاجز إلى تحسين الأداء بشكل كبير، أو تقليل التكاليف، أو إطالة عمر التشغيل.
الحالة 1: المبرد الزائد-المضغوط
يحتوي مصنع كيماويات في منطقة ساحل الخليج على غلاف وأنبوب تبريد بقطر 600 ملم يعمل على تيار هيدروكربوني خفيف. ظل المبرد في الخدمة لمدة ثماني سنوات وكان أداؤه مناسبًا، لكن انخفاض الضغط زاد إلى درجة أن المصنع كان يفكر في استبدال المضخة أو تركيب ممر جانبي.
استخدم التصميم الأصلي حواجز مقطعية مفردة مع قطع بنسبة 25% ومسافة 200 مم. تم تخصيص الحواجز لترتيب TEMA القياسي. أظهرت مراجعة بيانات التشغيل أن انخفاض الضغط الجانبي للغلاف -قد زاد من القيمة التصميمية البالغة 35 كيلو باسكال إلى 85 كيلو باسكال. وتعزى الزيادة إلى التلوث، ولكن معدل التلوث كان أعلى من المتوقع.
لم يكن الحل هو تغيير تباعد الحاجز أو قطع الحاجز، بل تغيير تكوين الحاجز. تم استبدال الحواجز القطاعية المفردة بحواجز قطعية مزدوجة. تم تقليل انخفاض الضغط إلى 40 كيلو باسكال دون انخفاض كبير في نقل الحرارة. ووفر المصنع تكلفة المضخة الجديدة وتجنب التوقف عن التركيب.
الدرس المستفاد: عندما يكون انخفاض الضغط مفرطًا، فكر في تغيير نوع الحاجز قبل تغيير المضخة.
الحالة 2: الحزمة الاهتزازية
تحتوي محطة توليد الكهرباء على سخان مياه تغذية بقطر 900 ملم. كانت الوحدة في الخدمة لمدة ثلاث سنوات عندما بدأ حدوث أعطال في الأنابيب. كانت حالات الفشل عند وصلات الأنابيب-إلى-صفائح الأنابيب وفي النقاط التي تتلامس فيها الأنابيب مع الحواجز. كانت حالات الفشل ناجمة عن الاهتزاز الناتج عن التدفق-.
يحتوي التصميم على قطع حاجز بنسبة 25%، وحواجز مقطعية مفردة، ومسافة 300 مم. كان التردد الطبيعي المحسوب للأنابيب 45 هرتز. تم تقدير تردد الإثارة من التدفق الجانبي للغلاف - بـ 30 إلى 50 هرتز، اعتمادًا على سرعة التدفق. كان الاهتزاز عند الرنين.
وكان الحل هو تقليل المسافة بين الحاجز إلى 200 ملم. أدى هذا إلى زيادة التردد الطبيعي إلى 70 هرتز، خارج نطاق الإثارة. تم استبدال الأنابيب وتعديل الحواجز وإعادة الوحدة إلى الخدمة. كانت تكلفة التعديل جزءًا صغيرًا من تكلفة فشل الأنبوب المستمر. قدرت محطة الطاقة أن الاهتزاز تسبب في صيانة أكثر من 200 ألف دولار وخسارة الإنتاج على مدار السنوات الثلاث.
الدرس المستفاد: نسبة التكرار ليست تفصيلاً يجب تجاهله. عندما يكون التردد الطبيعي قريبًا من تردد الإثارة، تكون النتيجة اهتزازًا وفشلًا.
الحالة 3: عجز انتقال الحرارة
يحتوي مصنع لتجهيز الأغذية على مبادل حراري وأنبوب يبلغ قطره 500 مم يستخدم لتبريد منتج غذائي لزج. تم تصميم الوحدة بحواجز قياسية ولكنها لم تحقق درجة حرارة المخرج المطلوبة. اقترحت الشركة المصنعة زيادة مساحة السطح عن طريق إضافة مبادل أكبر، ولكن المصنع كان يبحث عن حل بتكلفة أقل-.
أظهرت مراجعة التصميم أن التباعد بين الحاجز كان 250 مم، وهو أكبر من المستوى الأمثل للسائل عالي اللزوجة-. سيطر على نمط التدفق التدفق الطولي عبر النوافذ الحاجزة. كان التدفق العرضي-فوق الأنابيب منخفضًا، وكان معامل انتقال الحرارة أقل من القيمة التصميمية.
تم تعديل الحواجز عن طريق تقليل التباعد إلى 150 ملم. زادت سرعة التدفق المتقاطع -، وزاد معامل انتقال الحرارة، وحققت الوحدة درجة حرارة المخرج المطلوبة. تم الانتهاء من التعديل أثناء إيقاف الصيانة المجدولة وبتكلفة أقل من 10% من تكلفة المبادل الجديد.
الدرس المستفاد: بالنسبة للسوائل اللزجة، غالبًا ما تكون المسافة الفاصلة القياسية كبيرة جدًا. يؤدي التباعد الأصغر إلى زيادة-التدفق العرضي وتحسين نقل الحرارة.
ميكانيكا الأداء يربك
يتم تحديد أداء نظام الحاجز من خلال ثلاثة عوامل: نمط التدفق، وتوزيع السرعة، وانخفاض الضغط. ويتأثر كل منها بتصميم يربك.
- نمط التدفق. يحدد تصميم الحاجز ما إذا كان التدفق في الغالب عبارة عن تدفق متقاطع- أو تدفق طولي. يعد التدفق المتقاطع- أكثر فعالية في نقل الحرارة لأنه يعطل الطبقة الحدودية. يعد التدفق الطولي أقل فعالية في نقل الحرارة ولكنه ضروري لنقل السائل بين حجرات الحاجز.
- توزيع السرعة. يحدد التصميم الحاجز ما إذا كان التدفق موحدًا عبر حزمة الأنبوب أو مركَّزًا في مناطق معينة. التوزيع غير الموحد-يقلل من انتقال الحرارة ويزيد من خطر التلوث المحلي.
- انخفاض الضغط. يحدد تصميم الحاجز انخفاض الضغط من خلال المبادل. انخفاض الضغط هو دالة للسرعة من خلال النوافذ الحاجزة وسرعة التدفق المتقاطعة-. العلاقة ليست خطية. تؤدي مضاعفة السرعة إلى زيادة انخفاض الضغط بمقدار أربعة أضعاف تقريبًا.
قطع يربك
يعد قطع الحاجز هو المتغير الأكثر أهمية في تصميم الحاجز. فهو يحدد التوازن بين التدفق المتقاطع والتدفق الطولي-. يؤدي القطع الأصغر إلى زيادة التدفق العرضي- وانتقال الحرارة ولكنه يزيد أيضًا من انخفاض الضغط وخطر اهتزاز الأنبوب. يؤدي القطع الأكبر إلى تقليل التدفق العرضي- وانخفاض الضغط ولكنه يقلل أيضًا من انتقال الحرارة.
القطع الأمثل لمعظم التطبيقات هو 20% إلى 25% من منطقة الحاجز. وهذا يوفر التوازن بين نقل الحرارة وانخفاض الضغط. بالنسبة للتطبيقات ذات القيود المفروضة على انخفاض الضغط العالي، قد تكون هناك حاجة إلى قطع أكبر. بالنسبة للتطبيقات التي يكون فيها نقل الحرارة هو الأولوية، يمكن استخدام قطع أصغر.
اتجاه القطع هو أيضا الاعتبار. في معظم التصميمات، يكون القطع أفقيًا، وتكون النافذة في أعلى أو أسفل الصدفة. هذا هو الترتيب القياسي للتشغيل العمودي. في التشغيل الأفقي، يكون القطع عادةً عموديًا لمنع تراكم السائل في الجزء السفلي من الغلاف.
تباعد يربك
يحدد تباعد الحاجز سرعة التدفق المتقاطع- والامتداد غير المدعوم للأنابيب. تتراوح المسافة عادة بين 20% إلى 100% من قطر الصدفة. يعتمد التباعد الأمثل على متطلبات نقل الحرارة، وقيود انخفاض الضغط، وخطر اهتزاز الأنبوب.
- نقل الحرارة. ويزداد معامل انتقال الحرارة مع انخفاض التباعد. بالنسبة لقطر غلاف معين، يكون المعامل متناسبًا تقريبًا مع الجذر التربيعي لمقلوب التباعد. هذه العلاقة صالحة لمدى المباعدة العملية.
- انخفاض الضغط. يتناسب انخفاض الضغط تقريبًا مع عكس التباعد. تباعد أصغر يزيد من انخفاض الضغط. العلاقة ليست خطية. يمكن أن يؤدي تقليل التباعد بنسبة 20% إلى زيادة انخفاض الضغط بنسبة 30% إلى 40%.
- اهتزاز الأنبوب. ينخفض خطر الاهتزاز مع انخفاض التباعد. يؤدي التباعد الأصغر إلى تقليل النطاق غير المدعوم وزيادة التردد الطبيعي. يتأثر خطر الاهتزاز أيضًا بنمط التدفق وتخطيط الأنبوب.
وينبغي اختيار التباعد لتحقيق التوازن بين هذه العوامل الثلاثة. بالنسبة للتطبيقات التي يهيمن عليها نقل الحرارة-، يكون التباعد عادةً عند الطرف الأدنى من النطاق. بالنسبة إلى التطبيقات المحدودة لانخفاض الضغط-، يكون الحد الأعلى. بالنسبة للتطبيقات ذات مخاطر الاهتزاز العالية، يجب أن تكون المسافة صغيرة بما يكفي للحفاظ على الأنابيب ضمن حدود الاهتزاز المسموح بها.
الملعب الأنبوب وتخطيط الأنبوب
تؤثر درجة ميل الأنبوب-المسافة بين الأنابيب المجاورة-على توزيع التدفق وانخفاض الضغط. توفر المسافة الأكبر مساحة أكبر للتدفق الجانبي للغلاف-، مما يقلل من انخفاض الضغط ويسمح بسرعة تدفق أعلى. تؤدي الدرجة الأصغر إلى زيادة عدد الأنابيب لقطر غلاف معين، مما يزيد من مساحة نقل الحرارة ولكن يحد من التدفق.
يؤثر تخطيط الأنبوب-وترتيب الأنابيب في الحزمة-على توزيع التدفق وخصائص الاهتزاز. التخطيطات القياسية الثلاثة هي:
- مثلث (30 درجة). يوفر هذا التصميم أعلى عدد من الأنابيب لقطر الصدفة المحدد. إنه التصميم الأكثر شيوعًا للتطبيقات حيث تكون الأولوية لتعظيم مساحة نقل الحرارة. توزيع التدفق جيد، وانخفاض الضغط معتدل.
- مربع (90 درجة). يوفر هذا التصميم إمكانية الوصول للتنظيف الميكانيكي للأنابيب. يتم استخدامه في التطبيقات التي يكون فيها السائل الجانبي -ملوثًا أو حيث يجب تنظيف الأنابيب. عدد الأنابيب أقل من الثلاثي لنفس قطر الصدفة.
- مربع مستدير (45 درجة). يوفر هذا التخطيط حلاً وسطًا بين عدد الأنابيب المرتفع للتخطيط الثلاثي والوصول إلى التنظيف للتخطيط المربع. يتم استخدامه في التطبيقات التي تتطلب بعض الوصول للتنظيف.
الحاجز-إلى-إزالة الأنبوب
يؤثر الخلوص بين فتحات الحاجز والأنابيب على التدفق الالتفافي وخصائص اهتزاز الأنبوب. يتراوح الخلوص عادة من 0.5 إلى 1.5 ملم للتصميمات القياسية. تقلل الخلوص الأصغر من التدفق الالتفافي وتحسن نقل الحرارة ولكنها قد تزيد من خطر تلف الأنبوب أثناء التجميع. يقلل الخلوص الأكبر من خطر تلف التجميع ولكنه يزيد من التدفق الالتفافي ويقلل من نقل الحرارة.
يجب تحديد الخلوص بناءً على مادة الأنبوب، وقطر الأنبوب، وطريقة التجميع. بالنسبة لأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، قد تكون الخلوص أكبر من أنابيب الفولاذ الكربوني لمراعاة المعامل الأعلى للتمدد الحراري.
منهجية التصميم
يمكن استخدام المنهجية التالية لتطوير تصميم حاجز لتطبيق معين:
الخطوة 1: تحديد متطلبات العملية.
تحديد واجب الحرارة، وخصائص السوائل، وانخفاض الضغط المسموح به، وحدود اهتزاز الأنبوب. هذه هي القيود التي يجب أن يفي بها التصميم.
الخطوة 2: حدد نوع يربك.
حدد تكوين الحاجز بناءً على متطلبات العملية وقيود المساحة. الحواجز القطاعية المفردة هي الافتراضية. يتم استخدام الحواجز القطاعية المزدوجة أو القرصية-و-الدونات عندما يكون انخفاض الضغط مفرطًا.
الخطوة 3: تحديد المسافة الفاصلة.
حساب التباعد المطلوب لتحقيق معامل انتقال الحرارة المطلوب والحفاظ على الأنابيب ضمن حدود الاهتزاز المسموح بها.
الخطوة 4: تحديد قطع يربك.
احسب القطع المطلوب لتحقيق التوازن المطلوب بين التدفق المتقاطع والتدفق الطولي. يكون القطع عادةً من 20% إلى 25% من مساحة الحاجز.
الخطوة 5: التحقق من التصميم.
احسب معامل انتقال الحرارة، وانخفاض الضغط، ومخاطر الاهتزاز. يجب أن تكون النتائج ضمن متطلبات العملية.
الخطوة 6: تحديد المواد.
حدد مادة الحاجز بناءً على خصائص السائل ودرجة حرارة التشغيل. يجب أن تكون المادة الحاجزة متوافقة مع مادة الأنبوب ومادة الغلاف.
التركيب والصيانة
عادةً ما يكون تركيب وصيانة الحواجز أمرًا بسيطًا، ولكن هناك العديد من الاعتبارات المهمة.
- تثبيت. يجب تثبيت الحواجز بالاتجاه الصحيح. يجب أن تتم محاذاة القطع مع فوهات المدخل والمخرج. يجب أن تتم محاذاة فتحات الأنبوب مع الأنابيب. يمكن أن يؤدي عدم المحاذاة إلى تلف الأنبوب أثناء التجميع أو التشغيل.
- تقتيش. يجب فحص الحواجز أثناء إيقاف الصيانة. يجب أن يتضمن الفحص فحصًا للتآكل والتآكل والتشوه. يجب فحص الخلوصات بين الأنابيب والثقوب الحاجزة للتأكد من عدم زيادتها بسبب التآكل.
- تنظيف. يجب تنظيف الحواجز في حالة وجود قاذورات. تعتمد طريقة التنظيف على نوع الوديعة. يعتبر التنظيف الكيميائي نموذجيًا للرواسب العضوية. يعتبر التنظيف الميكانيكي نموذجيًا للرواسب غير العضوية.
خاتمة
يعد نظام الحاجز مكونًا مهمًا في المبادل الحراري للهيكل والأنبوب. ويحدد تصميمه نمط التدفق، ومعامل نقل الحرارة، وانخفاض الضغط، وخصائص اهتزاز الأنبوب. يجب أن يوازن التصميم بين المتطلبات المتنافسة لنقل الحرارة، وانخفاض الضغط، والدعم الميكانيكي.
يجب أن يعتمد اختيار نوع الحاجز، والتباعد، والقطع على تقييم منهجي لظروف العملية، وخصائص التدفق، والمتطلبات الميكانيكية. يجب أن يتضمن التحليل حساب انتقال الحرارة، وحساب انخفاض الضغط، وتحليل الاهتزاز. وينبغي التحقق من التصميم باستخدام الطرق المناسبة.
عند تصميمه وتركيبه بشكل صحيح، يضمن نظام الحاجز نقلًا موثوقًا للحرارة على مدار العمر التصميمي للمبادل. عندما يكون التصميم سيئًا، يمكن أن يتسبب في عدم كفاية الأداء، أو انخفاض الضغط المفرط، أو اهتزاز الأنبوب، أو الفشل المبكر.