المبادلات الحرارية
المبادلات الحرارية
المبادلات الحرارية معدات تستخدم في المنشئات الصناعية ومحطات توليد الطاقة الكهربائية وفي العديد من المنظومات الأخرى بهدف تبادل الحرارة بين مائع ساخن ومائع بارد مقابل فقد في الطاقة.
من أصناف المبادلات الحرارية ذات الاستخدام الواسع:
· المبادلات الحرارية الأنبوبية Tubular Heat Exchanger ومنها ذات الأنبوب الثنائي Double Tube او تلك تحوي على Shell and Tube وهناك نوع آخر تعرف بـ Glass Coil Heat Exchangers .
· المبادلات الحرارية الصفائحية Plate Heat Exchanger وتشكل الصفائح المستطيلة وتثبت بشكل عمودي فتشكل بشكل ملفوف وتعرف بـ Spiral Plate بهدف زيادة المساحة السطحية للتبادل الحراري.
· المبادلات الحرارية ذات الأسطح الكبيرة Extended Surface Heat Exchanger وتستخدم فيها صفائح مركب عليها زعانف Plate Fins أو أن تكون على شكل أنابيب يركب عليها زعانف ( كما هو الحال في مكيفات الهواء).
الأنابيب المزعنفة
تكون المبادلات الحرارية وتصنف حسب عملية الانتقال الحراري فيها وهي:
ذات التلامس غير المباشر Indirect Contact Heat Exchanger .
ذات التلامس المباشر Direct Contact Heat Exchanger .
يكون جريان الموائع داخل الأنابيب في المبادلات الحرارية :
· جريان المتوازي حيث يجري المائعين في نفس الاتجاه Parallel Flow.
· جريان متعاكس Counter Flow.
· جريان متعاكس Cross Flow.
يكون التبادل الحراري في المبادلات الحرارية حسب طور المائع, فهناك:
سائل / سائل وهي أكثر المبادلات الحرارية شيوعا واستخداما .
غاز / سائل.
غاز / غاز وتعتبر من أنواع المبادلات الحرارية المعقدة.
فكرة مبسطة عن معايير اختيار المبادلات الحرارية.
تؤخذ المعايير الأساسية التالية بنظر الاعتبار عند الحاجة لاختيار المبادل الحراري منها:
حرارة المائع وضغط التشغيل.
معدل جريان المائع.
طريقة جريان المائع (متوازي / متقاطع / متعامد).
نوع طور المائع المستخدم.
المواد الداخلة في تركيب المبادل.
الترسبات داخل المبادل.
التمدد الحراري.
الجدوى الاقتصادية.
ومن المعايير المهمة الأخرى التي من الواجب أخذها بنظر الاعتبار مثل عملية التركيب والصيانة والفحص والتنظيف حيث أن ذلك سينعكس على ديمومة التشغيل وسلاسته.
تتسم المبادلات الحرارية الجيدة بتحقيق الهدف التي تستخدم من أجله ويجب أن توفر فيها المتطلبات التالية:
أن تكون ذات تأثير حراري عالي فتعطي أعلى معامل للنقلالحراري Heat Transfer Coefficient (HTC).
أن يكون فقدان الضغط فيها أقل ما يمكن Less Pressure Drop .
أن يستخدم في تصميمها مواد ذات نوعية وأعتما دية عالية تضمن سلامة تشغيلها.
أن تكون مقاومة لتأثيرات التآكل Corrosion و التعرية Erosion الناتجة عن الموائع الجارية فيها لإجراء التبادل الحراري وتأثيرها على المواد المستخدمة في تصنيعها.
أن تكون ذات حجم ووزن مناسب.
أن تتحمل الضغوط و درجات الحرارة التشغيلية العالية.
أن تكون بأقل كلفة استثمارية وتشغيلية, وذات عمر تشغيلي طويل.
أن تكون صيانتها سهلة, مع سهولة تبديل الأجزاء.
تعتمد الأنابيب المستخدمة في المبادلات الحرارية على Tube Exchanger Manufacturing Association (TEMA) المعتمدة حسب المواصفات الأمريكية للأنابيب المستخدمة في المبادلات الحرارية و في تيما (TEMA) تستخدم عادة أنابيب الكاربون ستيل و أنابيب النحاس و أنابيب النحاس / نيكل و الستينلس ستيل Stain Less Steel والتيتانيوم, والأقطار شائعة الاستخدام هي بقياس 1/4 – 2 عقدة.
يعتمد ويحدد عدد الأنابيب في المبادل الحراري على أساس معدل الجريان للمائع ومقدار فقدان أو هبوط الضغط داخل المبادل, فيتم اختيار عدد الأنابيب استنادا إلى سرعة المائع داخل الأنبوب وبحدود 3 – 8 قدم بالثانية أي 0,9 – 2,4 متر بالثانية وسرعة المائع داخل غلاف الأنابيب بحدود 2 – 5 قدم بالثانية أي 0,6 – 1,5 متر بالثانية, ويجب مراعاة الحد الأدنى لسرعة جريان المائع داخل الأنابيب بحيث لا يتسبب بتكون الترسبات وأن تكون بحدها الأدنى, كذلك يجب ان لا يبالغ بسرعة المائع داخل الأنابيب تحاشيا للتآكل Corrosion و التعرية Erosion وكذلك لتقليل الاهتزاز Vibration داخل الغلاف.
تربط حزم الأنابيب بطريقتين فأما أن تكون متكاملة مع الغلاف وملحومة معها, وهنا يجب أن يراعى فيها حسابات التمدد والاهتزاز بدقة, أو أن يكون أحد طرفها مثبت بالغلاف و يترك الطرف الآخر سائبا داخل الغلاف ويثبت بواسطة حشوه Gasgate مناسبة, أو يمكن أن يكون الطرفان مثبتان بواسطة حشوات داخل الغلاف Shell وهذه الطريقة تتيح مرونة أكثر بالنسبة للتمدد والاهتزاز وتوفر سهولة تبديل حزمة الأنابيب أثناء الصيانة.
من أصناف المبادلات الحرارية ذات الاستخدام الواسع:
· المبادلات الحرارية الأنبوبية Tubular Heat Exchanger ومنها ذات الأنبوب الثنائي Double Tube او تلك تحوي على Shell and Tube وهناك نوع آخر تعرف بـ Glass Coil Heat Exchangers .
· المبادلات الحرارية الصفائحية Plate Heat Exchanger وتشكل الصفائح المستطيلة وتثبت بشكل عمودي فتشكل بشكل ملفوف وتعرف بـ Spiral Plate بهدف زيادة المساحة السطحية للتبادل الحراري.
· المبادلات الحرارية ذات الأسطح الكبيرة Extended Surface Heat Exchanger وتستخدم فيها صفائح مركب عليها زعانف Plate Fins أو أن تكون على شكل أنابيب يركب عليها زعانف ( كما هو الحال في مكيفات الهواء).
الأنابيب المزعنفة
تكون المبادلات الحرارية وتصنف حسب عملية الانتقال الحراري فيها وهي:
ذات التلامس غير المباشر Indirect Contact Heat Exchanger .
ذات التلامس المباشر Direct Contact Heat Exchanger .
يكون جريان الموائع داخل الأنابيب في المبادلات الحرارية :
· جريان المتوازي حيث يجري المائعين في نفس الاتجاه Parallel Flow.
· جريان متعاكس Counter Flow.
· جريان متعاكس Cross Flow.
يكون التبادل الحراري في المبادلات الحرارية حسب طور المائع, فهناك:
سائل / سائل وهي أكثر المبادلات الحرارية شيوعا واستخداما .
غاز / سائل.
غاز / غاز وتعتبر من أنواع المبادلات الحرارية المعقدة.
فكرة مبسطة عن معايير اختيار المبادلات الحرارية.
تؤخذ المعايير الأساسية التالية بنظر الاعتبار عند الحاجة لاختيار المبادل الحراري منها:
حرارة المائع وضغط التشغيل.
معدل جريان المائع.
طريقة جريان المائع (متوازي / متقاطع / متعامد).
نوع طور المائع المستخدم.
المواد الداخلة في تركيب المبادل.
الترسبات داخل المبادل.
التمدد الحراري.
الجدوى الاقتصادية.
ومن المعايير المهمة الأخرى التي من الواجب أخذها بنظر الاعتبار مثل عملية التركيب والصيانة والفحص والتنظيف حيث أن ذلك سينعكس على ديمومة التشغيل وسلاسته.
تتسم المبادلات الحرارية الجيدة بتحقيق الهدف التي تستخدم من أجله ويجب أن توفر فيها المتطلبات التالية:
أن تكون ذات تأثير حراري عالي فتعطي أعلى معامل للنقلالحراري Heat Transfer Coefficient (HTC).
أن يكون فقدان الضغط فيها أقل ما يمكن Less Pressure Drop .
أن يستخدم في تصميمها مواد ذات نوعية وأعتما دية عالية تضمن سلامة تشغيلها.
أن تكون مقاومة لتأثيرات التآكل Corrosion و التعرية Erosion الناتجة عن الموائع الجارية فيها لإجراء التبادل الحراري وتأثيرها على المواد المستخدمة في تصنيعها.
أن تكون ذات حجم ووزن مناسب.
أن تتحمل الضغوط و درجات الحرارة التشغيلية العالية.
أن تكون بأقل كلفة استثمارية وتشغيلية, وذات عمر تشغيلي طويل.
أن تكون صيانتها سهلة, مع سهولة تبديل الأجزاء.
تعتمد الأنابيب المستخدمة في المبادلات الحرارية على Tube Exchanger Manufacturing Association (TEMA) المعتمدة حسب المواصفات الأمريكية للأنابيب المستخدمة في المبادلات الحرارية و في تيما (TEMA) تستخدم عادة أنابيب الكاربون ستيل و أنابيب النحاس و أنابيب النحاس / نيكل و الستينلس ستيل Stain Less Steel والتيتانيوم, والأقطار شائعة الاستخدام هي بقياس 1/4 – 2 عقدة.
يعتمد ويحدد عدد الأنابيب في المبادل الحراري على أساس معدل الجريان للمائع ومقدار فقدان أو هبوط الضغط داخل المبادل, فيتم اختيار عدد الأنابيب استنادا إلى سرعة المائع داخل الأنبوب وبحدود 3 – 8 قدم بالثانية أي 0,9 – 2,4 متر بالثانية وسرعة المائع داخل غلاف الأنابيب بحدود 2 – 5 قدم بالثانية أي 0,6 – 1,5 متر بالثانية, ويجب مراعاة الحد الأدنى لسرعة جريان المائع داخل الأنابيب بحيث لا يتسبب بتكون الترسبات وأن تكون بحدها الأدنى, كذلك يجب ان لا يبالغ بسرعة المائع داخل الأنابيب تحاشيا للتآكل Corrosion و التعرية Erosion وكذلك لتقليل الاهتزاز Vibration داخل الغلاف.
تربط حزم الأنابيب بطريقتين فأما أن تكون متكاملة مع الغلاف وملحومة معها, وهنا يجب أن يراعى فيها حسابات التمدد والاهتزاز بدقة, أو أن يكون أحد طرفها مثبت بالغلاف و يترك الطرف الآخر سائبا داخل الغلاف ويثبت بواسطة حشوه Gasgate مناسبة, أو يمكن أن يكون الطرفان مثبتان بواسطة حشوات داخل الغلاف Shell وهذه الطريقة تتيح مرونة أكثر بالنسبة للتمدد والاهتزاز وتوفر سهولة تبديل حزمة الأنابيب أثناء الصيانة.
