أساسيات المبادل الحراري

تعريف مبادل الحرارة

  المبادل الحراري هو جهاز ينقل جزءًا من حرارة السائل الساخن إلى السائل البارد ، أي يتم ملء حاوية مغلقة كبيرة بالماء أو وسائط أخرى ،وهناك أنابيب تجري من خلال الحاويةدع الماء الساخن يتدفق من خلال الأنابيب

بسبب الفرق في درجة الحرارة بين الماء في الأنابيب والماء الساخن والبارد في الحاوية، سيتم تبادل الحرارة.يتم نقل الحرارة عالية الحرارة دائما إلى درجة حرارة منخفضةبحيث يمكن تبادل حرارة الماء في الأنابيب إلى الماء البارد في الحاوية.

تصنيف هيكل المبادلات الحرارية

يمكن تقسيم مبادلات الحرارة إلى:

المبرد، المكثف، السخان، المبادل الحراري، الغلاية الجديدة، مولد البخار، غلاية الحرارة الفارغة (أو الحرارة الفارغة).

وفقًا لطريقة تبادل الحرارة ، يمكن تقسيمها إلى:

مبادلات الحرارة المباشرة (وتسمى أيضًا مبادلات الحرارة الهجينة) ، ومبادلات الحرارة التجديدية ومبادلات الحرارة الجدارية.

يقدم ما يلي أساساً مبادلات الحرارة المصنفة وفقًا لأساليب تبادل الحرارة:

1) مبادلة حرارة اتصال مباشر

تعتمد محولات الاتصال المباشر على الاتصال المباشر بين السوائل الباردة والساخنة لنقل الحرارة.هذه الطريقة نقل الحرارة يتجنب الأوساخ والمقاومة الحرارية على قسم نقل الحرارة وكلا الجانبينطالما أن الاتصال بين السوائل جيد، سيكون هناك معدل نقل الحرارة أكبر.

وبالتالي، يمكن استخدام مبادلات الحرارة الهجينة في أي مكان يسمح فيه للسوائل بالخلط مع بعضها البعض، مثل غسل الغاز وتبريد، وتبريد المياه الدائرة، وتسخين البخار والمياه المختلطة،تكثيف البخار، الخ تطبيقاتها تشمل الشركات الكيميائية والمعادن، هندسة الطاقة، هندسة تكييف الهواء والعديد من قطاعات الإنتاج الأخرى.

المبادلات الحرارية الهجينة المستخدمة بشكل شائع تشمل: أبراج التبريد ومكنفات الغاز ومبادلات الحرارة النفاثة والمكثفات الهجينة.

2) مبادلة الحرارة التجديدية

المبادل الحراري التجديدي هو جهاز يستخدم لتبادل الحرارة التجديدية. يتم ملؤه بملء صلب لتخزين الحرارة.

عادةً ما يتم بناء شبكة الحريق من الطوب المقاوم للنار (أحياناً يتم استخدام أحزمة معدنية موجعة ، إلخ).

التبادل الحراري يحدث في مرحلتين.

في المرحلة الأولى، يمر الغاز الساخن من خلال شبكة الحريق، ونقل الحرارة إلى شبكة الحريق وتخزينها.

في المرحلة الثانية، يمر الغاز البارد عبر شبكة الحريق ويتم تسخينه عن طريق تلقي الحرارة المخزنة في شبكة الحريق.

تحدث هذه المراحل مرتين بالتناوب. عادة ما يتم استخدام اثنين من المجددين بالتناوب ، أي عندما يدخل الغاز الساخن إلى جهاز واحد ، يدخل الغاز البارد إلى الجهاز الآخر. غالبًا ما يستخدم في صناعة المعادن ،مثل جهاز التجديد في أفران صناعة الصلب المفتوحة.

كما يستخدم في الصناعة الكيميائية ، مثل أجهزة التسخين المسبق للهواء أو غرف الاحتراق في أفران الغاز ، وأفران التكسير التجديدي في محطات البترول الاصطناعية.

3) محول حرارة الحائط

في هذا النوع من مبادلات الحرارة، يتم فصل السوائل الساخنة والباردة بواسطة معدن بحيث لا يختلط السوائل اثنين ونقل الحرارة.

في الإنتاج الكيميائي ، غالباً ما لا يمكن أن تصل السوائل الساخنة والباردة إلى اتصال مباشر ، لذلك المبادل الحراري الجدار الفاصل هو المبادل الحراري الأكثر استخدامًا.

ما يلي يقدم بشكل رئيسي تصنيف مبادلات الحرارة الجدار القسم:

أ) مبادلة حرارة مغطاة بالسترة

يتم تصنيع هذا النوع من مبادلات الحرارة عن طريق تثبيت سترة على الجدار الخارجي للحاوية ولها بنية بسيطة؛ ومع ذلك ،سطح التدفئة محدود بجدار الحاوية ومعامل نقل الحرارة ليس مرتفعاً.

من أجل تحسين معامل نقل الحرارة وتسخين السائل في الغلاية بالتساوي ، يمكن تركيب جهاز تحريك في الغلاية.

عندما يتم إدخال ماء تبريد أو عامل تسخين دون تغيير مرحلة في السترة،يمكن تثبيت حوائط دائرية أو تدابير أخرى لزيادة الاضطرابات في السترة لزيادة معامل نقل الحرارة على جانب واحد من السترة.

من أجل التعويض عن عدم وجود سطح نقل الحرارة، يمكن أيضا تثبيت أنابيب ملفوفة داخل الغلاية.

يتم استخدام مبادلات الحرارة المغطاة على نطاق واسع لتسخين وتبريد عمليات التفاعل.

ب) مبادلة حرارة الأنبوب الثعبان

يتم تقسيم مبادلة الحرارة الأنبوب الملفوفة إلى مبادلة حرارة الأنبوب الملفوفة المغمورة ومبادلة حرارة الأنبوب الملفوفة الرش.

أنابيب الثعابين مصنوعة في الغالب من أنابيب معدنية ملتوية إلى أشكال مختلفة مناسبة للحاوية ، وتغمر في السائل الموجود في الحاوية.

مزاياه هي: البنية البسيطة، يمكن أن تتحمل ضغطًا مرتفعًا، ويمكن أن تكون مصنوعة من مواد مقاومة للتآكل.

العيوب: الاضطرابات السائلة في الحاوية منخفضة، ومعامل نقل الحرارة خارج الأنبوب صغير.

إصلاح أنابيب تبادل الحرارة في صفوف على الإطار الصلب.

يتدفق السائل الساخن في الأنبوب، ويتم صب مياه التبريد بالتساوي على الجهاز.

المزايا: يتدفق السائل الساخن في الأنابيب، ويصب مياه التبريد بشكل متساوٍ فوق الجهاز.لذلك تأثير نقل الحرارة من مبادلة الحرارة رش أفضل من ذلك من المبادلة الحرارية الملفوفة غارقة.

ومع ذلك، يجب وضعه في الهواء الطلق. فهو يحتل مساحة كبيرة ومياه تبرز بسهولة في البيئة المحيطة به، مما يجعله غير مريح للاستخدام.

(ج) مبادلة حرارة مغطاة بالسترة

لأن سرعة تدفق السوائل داخل الأنابيب وخارجها أكبرلذا فإن معامل نقل الحرارة لديهم كبير و تأثير نقل الحرارة جيدالتسخين المياه المستخدمة عادة هو مبادلة حرارة بسيطة من نوع الغطاء.

د) محول الحرارة للقشرة والأنبوب

المبادلات الحرارية القشرية والأنبوبية هي المبادلات الحرارية الشائعة في الحائط المقسّم. لها تاريخ طويل من التطبيقات في الصناعة ولا تزال تحتل مكانة مهيمنة بين جميع المبادلات الحرارية.

المبادل الحراري للقشرة والأنبوب يتكون أساسا من قشرة، وقطعة أنبوب، لوحة أنبوب ورأس.ويتم تثبيت كلا طرفي حزمة الأنبوب على لوحة الأنبوب.

هناك نوعان من السوائل التي تتبادل الحرارة في مبادلة الحرارة القشرة والأنبوب: واحد يتدفق داخل الأنابيب،وتسمى ضربته الجانب الصدريسطح جدار حزمة الأنبوب هو سطح نقل الحرارة.

من أجل تحسين معامل نقل الحرارة للسائل خارج الأنابيب ، عادة ما يتم تثبيت عدد معين من المدافع العرضية في الغلاف.

لا يمنع المكافئات فقط السائل من الاختصار ويزيد من سرعة السائلولكن أيضا إجبار السائل على التدفق المتقاطع من خلال حزمة الأنابيب عدة مرات وفقا للمسار المحدد، مما يزيد إلى حد كبير من درجة الاضطرابات. هناك نوعان من المكافحات المستخدمة عادة: ذات الشكل الدائري وشكل القرص (كما هو موضح في الشكل أدناه). يستخدم الأول على نطاق واسع.

كل مرة يمر السائل من خلال حزمة الأنبوب في الأنبوب يسمى مرور الأنبوب، وكل مرة يمر السائل من خلال الغلاف يسمى مرور الغلاف.

من أجل زيادة سرعة السائل في الأنابيب، يمكن تثبيت أقسام مناسبة في الرؤوس في كلا الطرفين لتقسيم جميع الأنابيب إلى عدة مجموعات بالتساوي.

وبهذه الطريقة، يمكن للسائل أن يمر عبر جزء من الأنابيب فقط ويعود إلى حزمة الأنابيب عدة مرات في وقت واحد، والتي تسمى مرور متعدد الأنابيب.

وبالمثل ، من أجل زيادة معدل التدفق خارج الأنابيب ، يمكن تثبيت حواجز طولية في القشرة للسماح للسائل بالمرور عبر مساحة القشرة عدة مرات ،والذي يُسمى بمرور متعدد القشرات.

في مبادلة الحرارة للقشرة والأنابيب ، بسبب درجات حرارة السائل المختلفة داخل الأنابيب وخارجها ، فإن درجات حرارة القشرة وحزمة الأنابيب تختلف أيضًا.إذا كان الفرق في درجة الحرارة بين الاثنين كبير، سوف يحدث ضغط حراري كبير داخل المبادل الحراري، مما قد يسبب انحناء الأنابيب أو كسر أو أن تكون فضفاضة من ورقة الأنابيب.

لذلك عندما يزيد فرق درجة الحرارة بين حزمة الأنبوب والغلاف عن 50 درجة مئوية،يجب اتخاذ تدابير مناسبة لتعويض فرق درجة الحرارة للقضاء على الضغط الحراري أو تقليله.

طريقة التعويض:

قم بوضع حلقة توسيع على القشرة أو استخدم مبادل حرارة أنبوبي على شكل U ومبادل حرارة رأس عائم.

مبادلة حرارة أرضية ثابتة

عندما يكون الفرق في درجة الحرارة بين السوائل الساخنة والباردة ليس كبيراً، يمكن استخدام مبادل حرارة أطباق أنبوب ثابت.

يحتوي على بنية بسيطة وتكلفة منخفضة ، لكنه من الصعب تنظيفه وليس مناسبًا للسوائل التي تميل إلى التقليص والسوائل ذات الاختلافات الكبيرة في درجة الحرارة.

إذا لم يكن فرق درجة الحرارة كبيرًا جدًا ، فيمكن استخدام مبادل حرارة أرضي ثابت مع حلقة تعويض.

(هـ) مقايض الحرارة الصفيح

يتكون مبادل الحرارة الصفيح من مجموعة من لوحات نقل الحرارة المعدنية الرقيقة مستطيلة ، والتي يتم ضغطها وتجميعها على الدعامة بإطار.

يتم طي حواف صفيحتين مجاورتين بضمادات (مصنوعة من مختلف المطاطات أو الأسبستوس المضغوط ، إلخ) للضغط.هناك ثقوب مستديرة في الزوايا الأربعة للصفائح لتشكيل قنوات السائل.

الفرق بين مبادلة الحرارة الصفيحة ومبادلة الحرارة القذيفة والأنبوبية:

a.معدل نقل الحرارة العالي

نظرًا لأن الألواح المموجة المختلفة مقلوبة مع بعضها البعض لتشكيل قناة تدفق معقدة ، يتدفق السائل بطريقة ثلاثية الأبعاد في قناة التدفق بين الألواح المموجة,التي يمكن أن تنتج تدفق مضطرب عند عدد رينولدز منخفض (عادة Re = 50 ~ 200) ، لذلك نقل الحرارة هو

ب. الفرق في درجة حرارة المتوسط اللوغاريتمي كبير والفرق في درجة الحرارة النهائية صغير.

في المبادل الحراري للقشرة والأنبوب ، يتدفق السوائل في جانب الأنابيب وجانب القشرة على التوالي. بشكل عام ، يكون التدفق متقاطعًا ،ومعدل تصحيح الفرق الحراري المتوسط اللوغاريتمي صغيرومع ذلك ، فإن مبادلة الحرارة الصفيحة لديها في الغالب وضع تدفق متزامن أو مضاد للتيار. ، ومعامل تصحيحه عادة ما يكون حول 0.95بالإضافة إلى ذلك ، فإن تدفق السوائل الباردة والساخنة في مبادل الحرارة الصفيحة متوازية مع سطح تبادل الحرارة وليس هناك تدفق جانبي.الفرق في درجة الحرارة في نهاية مقايض الحرارة الصفيحة صغير، وتبادل الحرارة مع الماء يمكن أن يكون أقل من 1 درجة مئوية، في حين أن المبادلات الحرارية القشرة والأنابيب هي عموما 5 درجة مئوية.

ج. بصمة صغيرة

المبادلة الحرارية الصفيحة لديها هيكل مضغوط، ومساحة تبادل الحرارة لكل وحدة حجم هي 2 إلى 5 أضعاف من نوع القذيفة والأنبوب. على عكس نوع القذيفة والأنبوب،التي تتطلب مساحة صيانة محجوزة لاستخراج حزمة الأنبوب، يمكن لمبادل الحرارة الصفيحة تحقيق نفس نقل الحرارة. المساحة التي يشغلها المبادل الحراري حوالي 1/5 ~ 1/8 من المبادل الحراري للقشرة والأنبوب.

d. سهلة تغيير منطقة تبادل الحرارة أو مزيج من العمليات

طالما يتم إضافة عدد قليل من الألواح أو إزالتها ، يمكن زيادة أو تقليل مساحة تبادل الحرارة ؛ من خلال تغيير ترتيب الألواح أو استبدال عدد قليل من الألواح ،يمكن تحقيق مزيج العملية المطلوب وتكييفه مع ظروف تبادل الحرارة الجديدةمن المستحيل تقريبًا زيادة مساحة نقل الحرارة لمبادلات الحرارة

الوزن الخفيف

سمك الألواح من مبادل الحرارة لوحة هو فقط 0.4 ~ 0.8mm، في حين أن سمك أنابيب تبادل الحرارة من قشرة ومبادل الحرارة أنابيب هو 2.0 ~ 2.5mm.الغلاف من نوع الغلاف والأنبوب أثقل بكثير من إطار المبادل الحراري لوحة. ، المبادلات الحرارية الصفيحة عادة ما تكون حوالي 1/5 من وزن المبادلات الحرارية للقشرة والأنبوب.

أسعار منخفضة

باستخدام نفس المواد ونفس مساحة تبادل الحرارة ، فإن سعر مبادلات الحرارة الصفيحة أقل بنحو 40٪ إلى 60٪ من سعر مبادلات الحرارة القشرية والأنبوبية.

g. سهلة الصنع

لوحات نقل الحرارة من مفاصلات الحرارة الصفيحة يتم طابعها ومعالجتها بدرجة عالية من التوحيد القياسي ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة.المبادلات الحرارية للقذائف والأنابيب تصنع عادة يدويا.

سهلة التنظيف

طالما أن محاور الضغط لمبادل الحرارة الصفيحة من نوع الإطار مفككة ، يمكن تفريغ حزم الصفائح ويمكن إزالة الصفائح للتنظيف الميكانيكي.هذا مريح جدا لعملية تبادل الحرارة التي تتطلب تنظيف متكرر للمعدات.

خسارة حرارة صغيرة

في مبادلات الحرارة الصفيحة ، يتم تعريض لوحة قشرة لوحة نقل الحرارة فقط للغلاف الجوي ، وبالتالي فإن خسارة إبعاد الحرارة ضئيلة ولا تحتاج إلى تدابير عزل.المبادلات الحرارية للقذائف والأنابيب لديها خسائر حرارية كبيرة وتتطلب عزلًا حراريًا.

السعة الصغيرة

وهو 10٪ ~ 20٪ من محول الحرارة في القشرة والأنابيب.نظرًا لأن الفجوة بين أسطح نقل الحرارة صغيرة وأسطح نقل الحرارة مغشوشة وملتوية، فقدان الضغط أكبر من أنابيب سلسة تقليدية.

k. ليس من السهل التوسيع

بسبب الاضطرابات الداخلية الكافية، فإنه ليس من السهل على نطاق واسع، ومعامل التوسع له هو فقط 1/3 ~ 1/10.k من المبادل الحراري القشرة والأنبوب. لا ينبغي أن يكون ضغط العمل كبيرة جدا.,وينبغي ألا تكون درجة حرارة الوسط عالية جداً، لأنه قد يؤدي إلى تسرب المبادل الحراري من النوع الصفيح. يتم إغلاق المبادل الحراري بضغط عمل لا يتجاوز عموماً 2.5MPa،و يجب أن تكون درجة الحرارة المتوسطة أقل من 250 درجة مئوية، وإلا قد يحدث تسرب.

I.بسهولة مسدودة

وبما أن القنوات بين الصفائح ضيقة جدا، وعموما فقط 2 ~ 5 ملم، عندما تحتوي وسيلة تبادل الحرارة على جسيمات أكبر أو مواد الألياف،من السهل حجب القنوات بين الألواح.