|
ما هو مُبادل الحرارة للقشرة والأنابيب؟
مبادل حراري قذيفة وأنبوب
,مبادل حراري صناعي
,مبادل حراري عالي الكفاءة
ما هو المبادل الحراري شل وأنبوب؟
أمبادل حراري قذيفة وأنبوبهي فئة من أوعية الضغط الصناعية المصممة لنقل الطاقة الحرارية بين سائلين دون السماح لهما بالاختلاط. إنه النوع الأكثر شيوعًا من المبادلات الحرارية المستخدمة في مصافي النفط والعمليات الكيميائية الكبيرة ومنشآت توليد الطاقة نظرًا لتصميمه القوي وقدرته على التعامل مع الضغوط ودرجات الحرارة القصوى.
التصميم الأساسي هو تمامًا كما يوحي الاسم: وعاء ضغط خارجي كبير (صدَفَة) يحتوي على مجموعة من الأنابيب الأصغر (أنابيب). يتدفق أحد السائلين عبر داخل الأنابيب، بينما يتدفق السائل الثاني عبر الجزء الخارجي للأنابيب داخل الغلاف، ناقلًا الحرارة عبر جدران الأنابيب الموصلة للحرارة.
1. تشريح المبادل
إن المبادل الحراري للهيكل والأنبوب قابل للتخصيص بدرجة كبيرة، ولكن جميع التصميمات تعتمد على أربعة مكونات ميكانيكية مهمة:
-
حزمة الأنبوب:سطح نقل الحرارة الأساسي. عادة ما تكون الأنابيب مصنوعة من معادن عالية التوصيل ومقاومة للتآكل (مثل التيتانيوم أو سبائك النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ).
-
القشرة:الاسطوانة الخارجية التي تحتوي على السائل الثاني. وهو مصمم لتحمل الضغط الداخلي للنظام وغالباً ما يكون معزولاً لمنع فقدان الحرارة للبيئة.
-
صفائح الأنبوب:صفائح معدنية سميكة محفورة بثقوب لقبول الأنابيب. يتم توسيع الأنابيب أو لحامها في هذه الصفائح لإنشاء ختم مانع للتسرب يفصل سائل جانب الغلاف عن سائل جانب الأنبوب.
-
يحير:لوحات داخلية مثبتة داخل الصدفة. إنها تخدم غرضين حيويين: دعم الأنابيب الطويلة لمنع الاهتزاز، وإجبار السائل الموجود على جانب الصدفة على التدفق بنمط متعرج عبر حزمة الأنبوب، مما يخلق اضطرابًا ويزيد من نقل الحرارة إلى الحد الأقصى.
2. الديناميكا الحرارية: انتقال الحرارة وLMTD
يتم تحديد حجم وكفاءة المبادل الحراري للقشرة والأنبوب بواسطة معادلة نقل الحرارة الأساسية:
فهم LMTD
ونظرًا لأن درجات حرارة كلا السائلين تتغير أثناء تدفقهما عبر المبادل، فإن فرق درجة الحرارة بينهما ليس ثابتًا. يستخدم المهندسونسجل متوسط الفرق في درجة الحرارة (LMTD)لحساب متوسط القوة الدافعة الحقيقية لانتقال الحرارة.
LMTD التفاعلية وحاسبة المساحة السطحية
لفهم كيف تحدد درجات حرارة السوائل الحجم الفعلي للمبادل الحراري، استخدم جهاز المحاكاة أدناه. اضبط درجات حرارة الدخول والخروج للتيارات الساخنة والباردة، جنبًا إلى جنب مع الحمل الحراري المستهدف، لحساب LMTD ومساحة السطح المطلوبة ($أ$).
3. تكوينات التدفق: لماذا "التمرير المتعدد"؟
بينما تفترض الأداة أعلاه تمريرة واحدة، نادرًا ما تكون المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب الصناعية بهذه البساطة. يتم تصنيفها حسب عدد المرات التي يمر فيها السائل عبر طول المبادل.
-
1-1 مبادل (تمريرة واحدة):يدخل السائل في أحد طرفي الأنابيب ويخرج من الطرف الآخر. سائل القشرة يفعل نفس الشيء.
-
مبادل 1-2 (أنبوب ثنائي المسار):يدخل سائل الأنبوب، وينتقل إلى أسفل نصف الأنابيب، ويضرب منحنى على شكل حرف U (أو رأس العودة)، وينتقل عائداً إلى أسفل النصف الآخر من الأنابيب. يؤدي ذلك إلى مضاعفة سرعة السائل وزيادة معامل نقل الحرارة ($U$)، على الرغم من أنها تتطلب المزيد من قوة الضخ.
-
Multipass (على سبيل المثال، 2-4 مبادلات):يُستخدم في المهام الصناعية الضخمة لتحقيق أقصى قدر من الاضطراب والكفاءة الحرارية ضمن مساحة مادية أصغر.
4. الغلاف والأنبوب مقابل المبادلات الحرارية اللوحية
عند تحديد المعدات، فإن البديل الأساسي لتصميم الغلاف والأنبوب هو المبادل الحراري اللوحي (PHE).
| ميزة | مبادل حراري شل وأنبوب | لوحة مبادل حراري (PHE) |
| حدود الضغط | عالية بشكل استثنائي (تصل إلى300+ بار) | معتدل (عادة أقل من30 بار) |
| حدود درجة الحرارة | عالية جدًا (تصل إلى600 درجة مئوية+) | معتدل (محدود بواسطة الحشيات المطاطية، ~150 درجة مئوية) |
| البصمة/الحجم | كبيرة وثقيلة | مدمج (كثافة مساحة سطحية عالية) |
| صيانة | صعب (يتطلب سحب حزم الأنابيب الثقيلة) | سهل (يمكن فك الأطباق وغسلها) |
| أفضل ل | تكرير النفط والبخار عالي الضغط والسوائل القذرة | الأغذية والمشروبات، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والسوائل النظيفة ذات الضغط المنخفض |
5. الأسئلة المتداولة (الأسئلة الشائعة)
ما هو تيما؟
TEMA لتقف عليرابطة مصنعي المبادلات الأنبوبية. إنه المعيار العالمي الذي يحدد التصميم الميكانيكي، والتفاوتات، والتسميات (على سبيل المثال، أنواع BEM، وAEL، وNEN) للمبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب.
ما هو "القاذورات" في المبادل الحراري؟
القاذورات هي تراكم الأوساخ أو الحجم أو النمو البيولوجي على أسطح نقل الحرارة. نظرًا لصعوبة تنظيف الجانب الصدفي للمبادل الصدفي والأنبوبي ميكانيكيًا، يقوم المهندسون دائمًا بتوجيه السوائل "الأقذر" أو الأكثر تآكلًا عبرداخلمن الأنابيب، والتي يمكن تنظيفها باستخدام رماح المياه ذات الضغط العالي.
لماذا يتم قطع الحواجز بزاوية؟
الحواجز ليست أقراصًا صلبة؛ عادة ما يكون لديهم "قطع" بنسبة 20٪ إلى 30٪ (مثل نصف القمر). وهذا يجبر السائل الموجود على جانب الصدفة على التدفق عموديًا لأعلى ولأسفل عبر حزمة الأنبوب، مما يقلل من "المناطق الميتة" الراكدة ويزيد من الخلط المضطرب المطلوب لنقل الحرارة بشكل مثالي.
فيديو
