القذيفة وأنبوب مبادل حراريتظل معدات نقل الحرارة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الصناعات العملية. وهيمنتها ليست صدفة-فالتصميم قوي، ومبادئ التشغيل مفهومة جيدًا، ويغطي نطاق التكوينات المتاحة تقريبًا كل مجموعة من الضغط ودرجة الحرارة ونوع السائل. في وسط كل مبادل غلاف وأنبوب توجد حزمة الأنابيب: تجميع الأنابيب، وألواح الأنابيب، والحواجز، وقضبان الربط التي تحدد الأداء الحراري والميكانيكي للوحدة.
حزمة الأنبوب كنظام
حزمة الأنابيب ليست مجرد مجموعة من الأنابيب. إنهالتجميع الهندسيمع مكونات مترابطة. تدعم صفيحة الأنبوب الأنابيب وتوفر سطحًا مانعًا للتسرب. تقوم الحواجز بتوجيه التدفق الجانبي للغلاف -وتدعم الأنابيب ضد الاهتزاز. تعمل قضبان الربط والفواصل على تثبيت مجموعة الحاجز معًا. يجب أن تقاوم الأنابيب نفسها الضغط الداخلي، والضغط الخارجي، والتمدد الحراري، والتآكل، والتآكل -في كثير من الأحيان في وقت واحد.
ويجب تحديد كل مكون مع مراعاة المكونات الأخرى. يؤثر التغيير في قطر الأنبوب على سماكة صفيحة الأنبوب والتباعد بين الحاجز. يؤثر التغيير في المادة على تصميم وصلة الأنبوب-إلى-وصلة الأنبوب. يؤثر التغير في عدد التمريرات على توزيع التدفق وانخفاض الضغط. يتطلب تحديد حزمة الأنابيب عرضًا على مستوى الأنظمة-.
مبادئ التصميم الحراري
يتم تحديد الأداء الحراري لحزمة الأنابيب من خلال معامل نقل الحرارة الإجمالي، ومساحة سطح نقل الحرارة، وتسجيل متوسط فرق درجة الحرارة. المعامل الإجمالي هو مقلوب مجموع المقاومات الحرارية على جانب الأنبوب-، وجدار الأنبوب، وجانب الغلاف-.
يعتمد معامل نقل الحرارة الجانبي للأنبوب- بشكل أساسي على قطر الأنبوب، وسرعة السائل، وخصائص السائل. بالنسبة للتدفق المضطرب، توفر معادلة Dittus-Boelter تقديرًا معقولًا:
نو=0.023 × إعادة^0.8 × بر^ن
حيث Nu هو رقم نسلت، وRe هو رقم رينولدز، وPr هو رقم براندتل، وn هو 0.4 للتدفئة و0.3 للتبريد.
يعد معامل نقل الحرارة الجانبي -للغلاف أكثر تعقيدًا. التدفق في الغلاف عبارة عن مزيج من التدفق المتقاطع فوق الأنابيب والتدفق الطولي بين الحواجز. يحدد تباعد الحاجز سرعة ودرجة الاضطراب. التدفق عبر حزمة الأنبوب غير منتظم؛ هناك مناطق ذات سرعة عالية حول النوافذ الحاجزة وسرعة أقل في حزمة الأنبوب نفسها.
عدد الأنابيب-عدد الأنابيب التي يمكن استيعابها في قطر غلاف معين-هو دالة لقطر الأنبوب، ودرجة ميل الأنبوب، وتخطيط الأنبوب (مثلث، أو مربع، أو مربع مستدير). بالنسبة لقطر الصدفة المحدد، يوفر التصميم الثلاثي أعلى عدد من الأنابيب، بينما يوفر التصميم المربع وصولاً أفضل للتنظيف.
اعتبارات التصميم الميكانيكي
يشتمل التصميم الميكانيكي لحزمة الأنابيب على سمك الأنبوب، وسمك لوح الأنبوب، وسمك الحاجز والتباعد، ووصلة الأنبوب -إلى-صفيحة الأنبوب. يجب أن يكون حجم كل واحدة منها مناسبًا لتحمل ظروف التشغيل.
يتم تحديد سمك الأنبوب من خلال الضغط الداخلي، والضغط الخارجي (إذا كانت الأنابيب عرضة للانهيار)، وبدل التآكل. بالنسبة لضغط وقطر معينين، فإن السُمك المطلوب يتناسب عكسيًا مع الضغط المسموح به. تسمح المواد ذات القوة العالية- بأنابيب أرق، مما يحسن نقل الحرارة ولكنه يقلل من التآكل المسموح به.
يتم تحديد سمك صفيحة الأنبوب من خلال الضغط على جانب الغلاف -وجانب الأنبوب-، وهندسة صفيحة الأنبوب، ونمط فتحة الأنبوب. يجب أن تكون صفيحة الأنبوب سميكة بدرجة كافية لمنع التسرب عند وصلة الأنبوب-إلى-وصلة صفيحة الأنبوب ولمقاومة الانحناء تحت الضغط. بالنسبة لتطبيقات الضغط العالي-، قد يصل سمك صفيحة الأنبوب إلى عدة بوصات، مع زيادة مقابلة في الوزن والتكلفة.
يؤثر التباعد يربك على كل من الأداء الحراري والسلامة الميكانيكية. يؤدي التباعد الأقرب بين الحاجز إلى زيادة السرعة الجانبية للغلاف - ومعامل نقل الحرارة ولكنه يزيد أيضًا من انخفاض الضغط وخطر اهتزاز الأنبوب. تتراوح المسافة الفاصلة بين الحاجز عادةً من 20% إلى 100% من قطر الصدفة، مع اعتماد الأمثل على التصميم المحدد.
يمثل اهتزاز الأنبوب خطرًا كبيرًا في التدفق الجانبي-عالي السرعة-. يمكن أن يتسبب الاهتزاز الناجم عن التدفق- في تآكل الأنابيب مقابل الحواجز، مما يؤدي إلى فشل الأنبوب. يتم تقييم خطر الاهتزاز باستخدام التردد الطبيعي للأنابيب وقوى الإثارة الناتجة عن التدفق. إذا كان التردد الطبيعي ضمن نطاق تردد الإثارة، فيجب تعديل التصميم -إما عن طريق تقليل الامتداد غير المدعوم أو عن طريق تغيير قطر الأنبوب أو المادة.
اختيار المواد
يؤثر اختيار المواد لحزمة الأنابيب على الأداء الحراري، ومقاومة التآكل، والتكلفة. يجب أن يعتمد الاختيار على ظروف التشغيل، وخصائص السوائل، وعمر الخدمة المتوقع.
تعتبر مواد الأنبوب الاختيار الأكثر أهمية. فيما يلي الأكثر شيوعًا:
- الفولاذ الكربوني هو المادة القياسية لمعظم التطبيقات. إنه فعال من حيث التكلفة-ويتمتع بالقوة الكافية لدرجات الحرارة والضغوط المعتدلة. مقاومتها للتآكل محدودة، وهي غير مناسبة للسوائل المسببة للتآكل أو تبريد مياه البحر.
- يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ (304L، و316L، والدرجات المزدوجة) مقاومة أفضل للتآكل مقارنة بالفولاذ الكربوني. 304L المناسب لمعظم الخدمات الكيميائية. 316L يوفر مقاومة أفضل لتنقر الكلوريد. توفر الدرجات المزدوجة قوة أعلى ومقاومة أفضل للتآكل الناتج عن الإجهاد. عادة ما تكون علاوة التكلفة على الفولاذ الكربوني من 2 إلى 4 مرات.
- تُستخدم سبائك النحاس- والنيكل (90/10 و70/30) في تطبيقات التبريد بمياه البحر. أنها توفر مقاومة ممتازة للتآكل في مياه البحر ولها الموصلية الحرارية الجيدة. التكلفة أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ.
- يُستخدم التيتانيوم في التطبيقات الأكثر تآكلًا، بما في ذلك مياه البحر والكلوريد-الذي يحتوي على سوائل عند درجات حرارة مرتفعة. يوفر التيتانيوم مقاومة كاملة تقريبًا للتآكل والشقوق في هذه البيئات. وتكون التكلفة أعلى بكثير-عادةً ما تتراوح بين 5 إلى 8 أضعاف تكلفة الفولاذ المقاوم للصدأ.
عادةً ما يتم اختيار مواد صفائح الأنبوب لتتناسب مع الأنابيب أو لتكون متوافقة مع مادة الغلاف. يجب أن تكون صفيحة الأنبوب سميكة بدرجة كافية لدعم الأنابيب ولتوفير مانع تسرب عند وصلة صفيحة الأنبوب-إلى-الأنبوب.
عادةً ما تكون المواد الحاجزة من الفولاذ الكربوني لمعظم التطبيقات. في خدمة التآكل، يمكن تحديد الحواجز في نفس مادة الأنابيب أو في الفولاذ الكربوني المطلي.
أنبوب-إلى-وصلات صفائح الأنبوب
يعد الوصل بين الأنابيب وصفيحة الأنبوب أمرًا بالغ الأهمية لسلامة المبادل الحراري. يجب أن يمنع الوصل التسرب بين جانب الأنبوب-وجانب الغلاف-السوائل الجانبية ويجب أن يتحمل ضغط التشغيل ودرجة الحرارة.
النوعان الأكثر شيوعًا للمفاصل هما:
- يتم تشكيل الوصلات الملفوفة عن طريق توسيع الأنابيب في فتحات صفائح الأنبوب. يتم توسيع الأنبوب باستخدام أداة أسطوانية تعمل على تشويه الأنبوب مقابل فتحة صفيحة الأنبوب. تعتبر الوصلات المدرفلة مناسبة للضغوط ودرجات الحرارة المعتدلة وهي أكثر أنواع الوصلات شيوعًا في مبادلات القشرة والأنابيب.
- يتم تشكيل الوصلات الملحومة عن طريق لحام الأنبوب بصفيحة الأنبوب. يوفر اللحام مانعًا للتسرب-محكمًا ومناسبًا للضغوط ودرجات الحرارة العالية. تعد الوصلات الملحومة أكثر تكلفة من الوصلات المدرفلة ولكنها توفر موثوقية أفضل في الخدمة الشديدة.
في بعض التطبيقات، يتم استخدام مزيج من الدرفلة واللحام-يتم دحرجة الأنبوب ثم يتم لحامه-على وجه صفيحة الأنبوب. وهذا يوفر القوة الميكانيكية للمفصل المدلفن وضيق التسرب-للوصلة الملحومة.
التفتيش ومراقبة الجودة
يتطلب تصنيع حزمة الأنابيب فحصًا صارمًا ومراقبة الجودة. عادة ما يتم إجراء عمليات التفتيش التالية:
- يتضمن فحص الأنبوب فحوصات الأبعاد وقياسات سمك الجدار وفحص تشطيب السطح. يجب فحص كل أنبوب بحثًا عن العيوب التي قد تؤثر على أدائه أو مدة خدمته.
- يتضمن فحص صفائح الأنبوب التحقق من قطر الثقب والتباعد، وفحص التسطيح، وفحص تشطيب السطح. يجب أن يتطابق نمط الثقب مع التصميم لضمان ملاءمة الأنبوب بشكل مناسب.
- يتضمن فحص اللحام الفحص البصري للحام، وبالنسبة للتطبيقات المهمة، -الاختبارات غير المدمرة (اختراق السائل أو التصوير الشعاعي). يجب أن تستوفي جودة اللحام متطلبات الكود المعمول بها.
- يتم إجراء الاختبار الهيدروستاتيكي على الحزمة المكتملة للتحقق من سلامة الأنابيب -إلى-وصلات صفائح الأنبوب. يكون ضغط الاختبار عادة 1.5 مرة من الضغط التصميمي.
إعادة التركيب مقابل الاستبدال
عندما تصل حزمة الأنابيب إلى نهاية عمر الخدمة، يكون لدى المشغل خياران: إعادة أنبوب المبادل الموجود أو استبدال الوحدة بأكملها. يعتمد القرار على حالة الغلاف وتكلفة الحزمة الجديدة مقارنة بتكلفة المبادل الجديد.
- تكون إعادة الأنابيب مناسبة عندما يكون الغلاف في حالة جيدة وتكون تكلفة الحزمة الجديدة أقل من 60% من تكلفة المبادل الجديد. تستغرق عملية إعادة الأنابيب عادة ما بين 20% إلى 40% من الوقت اللازم لتركيب مبادل جديد.
- يكون الاستبدال مناسبًا عندما تكون القشرة متآكلة أو تالفة، أو عندما تكون تكلفة الحزمة الجديدة قريبة من تكلفة المبادل الجديد. يوفر الاستبدال الفرصة لترقية تصميم المبادل إلى المعايير الحالية وتحسين الأداء الحراري.
خاتمة
حزمة الأنبوب هي المكون المحدد للمبادل الحراري للهيكل والأنبوب. ويحدد تصميمها الأداء الحراري والسلامة الميكانيكية وعمر الخدمة للوحدة. يتطلب تحديد قطر الأنبوب، وتباعد الأنبوب، وتكوين الحاجز، والمواد عرضًا على مستوى الأنظمة-يأخذ في الاعتبار ظروف العملية، والأحمال الميكانيكية، ومتطلبات الصيانة.
يعد التصنيع المخصص لحزم الأنابيب مناسبًا عندما لا تلبي التصميمات القياسية متطلبات العملية. يتم تبرير التكلفة الإضافية عندما تعمل على تحسين نقل الحرارة أو إطالة عمر الخدمة أو تقليل الصيانة. يجب أن يستند القرار إلى تحليل تكلفة دورة الحياة الذي يأخذ في الاعتبار التكلفة الأولية وتكلفة التشغيل وعمر الخدمة المتوقع.
يجب أن تحدد المواصفات التي تم تطويرها لحزمة الأنابيب بوضوح مادة الأنبوب، وسمك الأنبوب، ودرجة ميل الأنبوب، وترتيب الحاجز، ونوع وصلة الأنبوب -إلى-صفيحة الأنبوب، ومتطلبات الفحص. يجب أن تشير المواصفات إلى القواعد والمعايير المعمول بها، ويجب أن تتطلب دليلاً على مراقبة الجودة لجميع المواد واللحامات الهامة.