غالبًا ما يتم التعامل مع رأس قناة المبادل الحراري للغلاف والأنبوب باعتباره مكونًا ثانويًا-وهو عبارة عن غلاف في نهاية الغلاف يوجه السائل إلى حزمة الأنبوب. هذا الرأي غير مكتمل. الرأس قناة المبادل الحرارييحدد كيفية دخول السائل وخروجه من المبادل. تؤثر هندستها على توزيع التدفق، وانخفاض الضغط، والأداء الحراري. تؤثر مادته وسمكه على السلامة الهيكلية وعمر الخدمة. عندما يفشل رأس القناة، يتوقف المبادل. بقية التصميم لا علاقة له بالموضوع.
تتناول هذه المقالة رأس القناة من منظور قرارات التصميم التي لها عواقب عملية. إنها ليست مراجعة شاملة. وهو يركز على القضايا التي عادة ما يساء فهمها أو يتم تجاهلها.
توزيع التدفق
متطلبات التصميم الأولى لرأس القناة هي توزيع التدفق. يجب توجيه السائل الذي يدخل القناة بالتساوي إلى جميع الأنابيب. إذا كان التوزيع غير متساوٍ، فإن بعض الأنابيب تحمل تدفقًا أكبر من غيرها. تتمتع الأنابيب ذات التدفق العالي بمعاملات نقل حرارة أعلى. الأنابيب ذات التدفق المنخفض لها معاملات أقل. يتم تحديد نقل الحرارة الإجمالي بواسطة الأنابيب ذات الأداء الأقل، وليس المتوسط.
الأسباب الرئيسية لسوء التوزيع هي موقع فوهة المدخل ووجود أقسام داخلية. إذا تم وضع فوهة المدخل بالقرب من أحد جوانب القناة، فقد لا ينتشر التدفق بشكل موحد. إذا كانت القناة تحتوي على قسم لترتيب التمريرات المتعددة-، فقد يؤدي القسم إلى عدم توازن الضغط بين التمريرات.
تتمثل ممارسة التصميم القياسية في وضع فوهة المدخل في وسط القناة وتوفير حجم قناة كافٍ للسماح بتطور التدفق قبل دخول الأنابيب. يجب أن يكون حجم القناة كبيرًا بدرجة كافية لتقليل السرعة وتوزيع التدفق، ولكن ليس كبيرًا لدرجة أنه يزيد التكلفة دون داع.
في ترتيبات-الممرات المتعددة، يجب إغلاق الأقسام لمنع التسرب بين الممرات. يؤدي التسرب في القسم إلى تقليل عدد التمريرات الفعالة ويقلل من انتقال الحرارة. يمكن أن يكون ختم القسم عبارة عن حشية أو وصلة ملحومة. يجب فحص الختم أثناء الصيانة.
هبوط الضغط
يؤثر رأس القناة أيضًا على انخفاض الضغط. يتعرض السائل الذي يمر عبر القناة لفقدان الضغط من فوهة المدخل إلى لوح الأنبوب. تنجم الخسارة عن التغير في السرعة، والاحتكاك على جدران القناة، والاضطراب عند مدخل الأنبوب.
عادة ما يكون انخفاض الضغط في رأس القناة صغيرًا مقارنة بانخفاض الضغط في الأنابيب. يتراوح عادةً ما بين 5% إلى 15% من إجمالي انخفاض الضغط الجانبي للأنبوب-. ومع ذلك، في بعض التطبيقات-مثل أنظمة الضغط المنخفض-أو الأنظمة ذات رأس المضخة المحدود-قد يكون انخفاض ضغط رأس القناة كبيرًا.
يمكن تقليل انخفاض الضغط عن طريق زيادة قطر القناة أو عن طريق تبسيط الهندسة الداخلية. كلا الخيارين يضيفان التكلفة. يجب أن يوازن التصميم بين انخفاض الضغط والتكلفة.
يتأثر انخفاض الضغط أيضًا بحجم الفوهة. تعمل الفوهة الصغيرة على زيادة سرعة السائل وانخفاض الضغط. تقلل الفوهة الكبيرة من السرعة وانخفاض الضغط ولكنها تزيد من التكلفة والمساحة. يتم تحديد حجم الفوهة من خلال انخفاض الضغط المسموح به، وسرعة السائل، وتصميم الأنابيب.
سمك وتصنيف الضغط
رأس القناة عبارة عن وعاء ضغط. يجب أن يكون سمكها مناسبًا للضغط الداخلي ودرجة الحرارة. توفر رموز التصميم -ASME القسم VIII، EN 13445، وGB 150 طرقًا لحساب السُمك.
يعتمد الحساب على القطر الداخلي والضغط التصميمي والضغط المسموح به للمادة. يعتمد الضغط المسموح به على درجة الحرارة. في درجات الحرارة المرتفعة، يكون الضغط المسموح به أقل. يجب أن تكون السماكة كافية لأقصى درجة حرارة وأقصى ضغط يحدث في وقت واحد.
تتطلب الرموز أيضًا بدلًا للتآكل. تتم إضافة البدل إلى السُمك المحسوب لمراعاة فقدان المواد أثناء فترة الخدمة. يكون البدل عادةً 3 مم للخدمة المعتدلة و6 مم للخدمة المسببة للتآكل. يجب أن يعتمد البدل على معدل التآكل المتوقع وعمر الخدمة المطلوب.
تتطلب الرؤوس المسطحة سماكة أكبر من الرؤوس المقعرة. يتم دعم الرأس المسطح عند الحواف فقط؛ يقاوم الرأس المقعر الضغط عن طريق عمل الغشاء. يتم اختيار شكل الرأس بناءً على الضغط والتكلفة والمساحة المتوفرة. قد يكون تصنيع الرأس المقعر أكثر تكلفة ولكنه يستخدم مواد أقل. يجب أن يعتمد الاختيار على التكلفة الإجمالية، وليس على تكلفة المواد وحدها.
اختيار المواد
يجب أن تكون مادة رأس القناة متوافقة مع السائل ودرجة الحرارة والضغط. المادة الأكثر شيوعًا هي الفولاذ الكربوني. إنه فعال من حيث التكلفة-ويتمتع بالقوة الكافية لمعظم التطبيقات. القيد هو مقاومة التآكل. الفولاذ الكربوني غير مناسب للسوائل المسببة للتآكل.
يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ عندما تكون مقاومة التآكل مطلوبة. الدرجات الأكثر شيوعًا هي 304L و316L. 316L التي توفر مقاومة أفضل لتنقر الكلوريد. معامل التمدد الحراري للفولاذ المقاوم للصدأ أعلى من الفولاذ الكربوني. يجب أن يؤخذ التوسع في الاعتبار عند تصميم الأنابيب والدعامات.
يتم استخدام سبائك الفولاذ في خدمة درجات الحرارة المرتفعة-. يتطلب التصنيع التسخين المسبق والمعالجة الحرارية اللاحقة للحام-. التكلفة أعلى من الفولاذ الكربوني.
يتم استخدام المواد المكسوة عندما يكون السائل متآكلًا ويكون الضغط مرتفعًا. يوفر الفولاذ الكربوني القوة؛ الكسوة توفر مقاومة للتآكل. يبلغ سمك الكسوة عادة من 3 إلى 5 مم ويتم تطبيقها عن طريق اللحام أو الترابط الانفجاري. المواد المكسوة أقل تكلفة من مواد السبائك الصلبة.
غطاء القناة والمفاصل الحشية
يتم تثبيت غطاء القناة على القناة. توفر الحشية الموجودة بين الغطاء والقناة الختم. يجب أن تحافظ الحشية على الختم عند ضغط التشغيل ودرجة الحرارة. يجب أن تكون مادة الحشية متوافقة مع السائل.
أكثر أنواع الحشيات شيوعًا هي حشوات الجرح الحلزونية، وحشيات الوصلات الحلقية، وحشيات الصفائح. تستخدم حشوات الجرح الحلزونية للضغط العالي ودرجة الحرارة. يتم استخدام جوانات المفصل الدائري للضغط العالي جدًا. تستخدم حشوات الصفائح للضغط المنخفض ودرجة الحرارة.
يجب أن يوفر التثبيت تحميلًا مسبقًا كافيًا لضغط الحشية. يجب أن يتم حساب التحميل المسبق بناءً على ضغط الحشية وحمل الضغط. يجب أن يتم اختيار البراغي على أساس الضغط المسموح به وعمر الكلال.
الفشل الأكثر شيوعًا في الوصلات ذات الحشيات هو فقدان التحميل المسبق. قد يتم فقدان التحميل المسبق بسبب ارتخاء البراغي أو التمدد الحراري للقناة أو تآكل البراغي. فقدان التحميل المسبق يسبب التسرب. يجب فحص البراغي وإعادة تدويرها أثناء الصيانة.
التفتيش والاختبار
يجب فحص رأس القناة أثناء التصنيع وأثناء إيقاف الصيانة. يجب أن يتضمن الفحص فحوصات الأبعاد والتحقق من المواد والاختبارات غير المدمرة.
تتحقق فحوصات الأبعاد من السُمك واستواء سطح الحشية وموقع الفوهة. يؤكد التحقق من المواد التركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية. يقوم الاختبار غير المدمر- بفحص رأس القناة بحثًا عن الشقوق والعيوب.
الاختبار الهيدروستاتيكي مطلوب بواسطة الرموز. ضغط الاختبار هو 1.5 مرة من الضغط التصميمي. يجب إجراء الاختبار بعد التصنيع وبعد التثبيت. يجب فحص الوصلات الحشية للتأكد من عدم وجود تسرب أثناء الاختبار.
أثناء-فحص الخدمة، يجب أن يتضمن تنظيف السطح الداخلي، وفحص أسطح الحشيات، وقياس السُمك المتبقي. قياسات السُمك مطلوبة للتحقق من عدم استهلاك بدل التآكل.
القضايا المشتركة
تتعلق المشكلات الأكثر شيوعًا في رؤوس القنوات بتوزيع التدفق وتسرب الحشية والتآكل.
سوء توزيع التدفق يقلل من انتقال الحرارة وقد يسبب الإجهاد الحراري في الأنابيب. يحدث تسرب الحشية بسبب فقدان التحميل المسبق أو تدهور الحشية. يحدث التآكل بسبب السائل أو بسبب التأثير الجلفاني بين المواد المتباينة.
يمكن منع هذه المشكلات عن طريق التصميم المناسب واختيار المواد والصيانة. يجب أن يتضمن التصميم تحليل التدفق للتحقق من التوزيع. يجب اختيار الحشيات لظروف الخدمة. يجب أن يكون بدل التآكل كافيًا لعمر الخدمة المتوقع.
رأس القناة عبارة عن وعاء ضغط وموزع للتدفق. يؤثر تصميمه على الأداء والموثوقية وتكلفة المبادل. يجب أن تستند قرارات التصميم إلى شروط الخدمة ومتطلبات الكود وعمر الخدمة المتوقع. إن رأس القناة المصمم جيدًا-سيستمر طوال عمر المبادل. سيؤدي رأس القناة المصمم بشكل سيء إلى حدوث مشكلات. الفرق هو في الاهتمام بالتفاصيل.