مبدلات الحرارة Heat Exchangers

مبدلات الحرارة  Heat Exchangers

مبدلات الحرارة تعتبر من اهم معدات الصناعة والمعالجة المستخدمة في جميع أنحاء العالم ، حيث أنها إحدى تطبيقات الفيزياء الحرارية - الثيرموداينامكس- وأيضا تعتبر إحدى تطبيقات علم انتقال الحرارة

                                                           مقدمة وتعريف                               

مبدلات الحرارة هي عبارة عن أجهزة صممت لغرض توصيل الحرارة من وسط إلى آخر بأكبر كفاءة ممكنه ، سواء كان الوسط مفصول بجدار صلب وحتى لو كان الوسطان لا يلامسان بعضهما بشكل مباشر ، تستخدم مبدلات الحرارة بشكل واسع في التدفئة والتبريد ، وتكييف الهواء وفي محطات الطاقة والمصانع الكيميائية والبتروكيميائية بالإضافة إلى مصافي النفط ومعامل معالجة الغاز. ويمكن ان نعتبر مبرد السيارة  - Radiator - مثال مشهور وبسيط واللذي من خلاله يتم تبادل الحرارة بين سائل المحرك الساخن والسائل المبرد بواسطة المروحة ، بالتالي تتم عملية تبريد المحرك والحفاظ على حرارة السيارة.

  

                                                       المحتوى  

ترتيب الإندفاع Flow Arrangement

  أشهر أنواع مبدلات الحرارة

     - مبدلات الحرارة الغلافية الأنبوبية  Shell & Tube Heat Exchangers

    اختيار مبدلات الحرارة

  متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي LMTD

  معامل توصيل الحرارة

  المراقبة والصيانة

   مبدلات الحرارة في الصناعة

 نوع فريد من أنوع مبدلات الحرارة

                                    

                                   ترتيب الإندفاع Flow Arrangement                                              هناك العديد من التصنيفات لمبدلات الحرارة وتختلف باختلاف المكان والنظام المعتمد. ولكن، يمكننا أن نصنف مبدلات الحرارة وفقاً  لنوعية ترتيب الإندفاع.

هناك ثلاثة ترتيبات لإندفاع الموائع في مبدلات الحرارة:

1. مبادلات الحرارة ذات الإندفاع المتوازي -Parallel Flow- ، المائعان يدخلان المبدلة الحرارية من نهاية واحدة - جهة واحدة- وتنتقل بشكل متوازي إلى النهاية الأخرى للمبدلة.

2. مبدلات الحرارة ذات الإندفاع الإنعكاسي - Counter Flow - يدخل المائعان من جهتين عكسيتين ويسيران باتجاه معاكس. بعد عدة تجارب وحسابات رياضية ، تبين لنا ان مبدلات الحرارة ذات الإندفاع الإنعكاس تمتاز بكفاءة أعلى من مبادلات الحرارة ذات الإندفاع المتوازي. حيث في الإندفاع الإنعكاسي ، يتم توصيل كمية كبيرة من الحرارة ، وهذا هو المطلوب.

3. مبدلات الحرارة ذات الإندفاع التقاطعي -Cross Flow- ، ينتقل المائعان بوضعية عمودية ، بحيث يكون أحد المائعان عمودي على الآخر.                                  

اندفاع انعكاسي (A) اندفاع متوازي (B)

 رسم بياني يبين لنا كفاءة التوصيل الحراري بين نوعي الإندفاع

(1) مبادلات الحرارة ذات الإندفاع المتوازي  Parallel Flow	(2) مبدلات الحرارة ذات الإندفاع الإنعكاسي  Counter Flow	(3) مبدلات الحرارة ذات الإندفاع التقاطعي  Cross Flow

جدول يبين لنا الأنواع الثلاثة لإندفاع الموائع

                                   أنواع مبدلات الحرارة Types of Heat Exchangers                              

هناك العديد من الأنواع لمبدلات الحرارة ، أنواع كثيرة لا يمكنني حصرها في موضوع واحد. لذا ، سنتحدث عن أبرز نوع منها وهو:

  مبدلات الحرارة الغلافية الأنبوبية  Shell & Tube Heat Exchangers

تتكون مبدلات الحرارة الغلافية الأنبوبية من عدة أنابيب ، ومجموعة واحدة من هذه الأنابيب تحوي المائع اللذي إما يبرد أو يسخن، بينما، المائع الآخر يجري خارج الأنابيب اللتي إما تسخن أو تبرد لكي تقدم الحرارة أو تمتص الحرارة من المائع. مجموعة الأنابيب كلها تسمى "حزمة" أنابيب. عادةً ، تستخدم لتطبيقات الضغط المرتفع (مع الضغوط أكبر من 30 بار ودرجة حرارة أكبر من 260 ° C). وذلك لأن هذا النوع من المبادلات حرارية قوية وجبارة بالنظر إلى شكلها.

حزمة أنابيب لمبدلات الحرارة الغلافية الأنبوبية

رسم توضيحي لمبدلات الحرارة الغلافية الأنبوبية ( اندفاع انعكاسي)

هنالك عدة خواص للتصميم الحراري للإنابيب واللتي يجب أن تأخذ بعين الإعتبار عندما يصمم المهندس معدة كاللتي نحن بصدد الحديث عنها. تشمل هذه الخواص ما يلي:
قطر الأنبوب: استخدام أنبوب صغير القطر يجعل التبادل الحراري إقتصادي ومدمج بالإضافة لكونه متكتل. ومع ذلك ، فمن المرجح للتبادل الحراري أن يتعطل بشكل أسرع وصغر حجم الأنابيب يجعل التنظيف الميكانيكي صعب جداً بسبب القاذورات.   لكي نتغلب على مسألة القاذورات ومشاكل التنظيف، يمكننا استخدام أنابيب بأقطار أكبر. وهكذا، يجب الأخذ بعين الإعتبار كل من تحديد قطر الأنبوب ، والمساحة المتوفرة ، التكلفة وطبيعة القاذورات من السوائل .

سماكة الأنابيب: سمك جدار الأنابيب هي -عادة- مصممة للتأكد مما يلي :
    - هناك مجالا كافيا للتآكل
    - أن التدفق الناجم عن الاهتزاز يمكن مقاومته
    - قوة المركزية المحورية
    - القدرة على تغيير قطع الغيار بأقل التكاليف وبأبسط الطرق

أحيانا سمك الجدار يحدد عن طريق الحد الأقصى لفارق الضغط عبر الجدار.

طول الأنابيب :  المبادلات الحرارية عادة ما تكون أرخص عندما تكون لديهم غلاف قصير القطر وأنبوب طويل. لهذا ، وعادة ما يوجد هدف لجعل المبدل الحراري أطول ما يمكن. ومع ذلك ، هناك العديد من القيود لهذا ، مثل المساحة المتاحة في الموقع . الحاجة إلى ضمان أن هناك امكانية في أطوال الأنابيب التي عادةً ما تكون ضعف الطول المطلوب (حتى يتسنى لنا سحب وتنزيل واستبدال الأنابيب ). أيضا ، لا بد من التذكير بأنه من الصعب استبدال وتغيير الأنابيب الطويلة الرقيقة.

أبعاد الأنابيب: عند تصميم الأنابيب ، يجب التأكد مع ضمان مقاسات كل أنبوب (أي ، وسط المسافة بين مركز محاور للأنابيب) ليس أقل من 1.25 ضعف الأنابيب خارج القطر.

تمويج الأنابيب : هذا النوع من الأنابيب ، وتستخدم أساسا لأنابيب الداخلية ، يزيد من الاضطرابات من السوائل ولها تأثير مهم جدا في نقل الحرارة بإعطاء أفضل أداء ممكن.

                       الإختيار  Selection                           

نظرا لكثرة المتغيرات ، عند اختيار مبادلات الحرارية المثلى عادةً ما يكون تحدٍ صعب للمهندسين. من ناحية الحسابات اليدوية ممكن ، ولكن يلزم تكرار هذه العمليات مرات عديدة. وعلى هذا النحو ، مبادلات حرارية غالبا ما تكون مختارة عن طريق برامج الكومبيوتر ، سواء من جانب مصممي النظام الذين يكونون في العادة مهندسين ، أو - أحياناً- من بائعي هذا النوع من المعدات.

من أجل اختيار مبادلة حرارية مناسبة، يقوم مصممو نظام البرامج (أو بائعي المعدات) بالنظر في قيود تصميم كل نوع للمعدات الحرارية. وبالرغم من التكلفة غالبا ما تكون المعيار الأول لتقييمها ، هناك عدة معايير أخرى هامة واللتي تشمل ما يلي :

• قيود الضغوط العالية / المنخفضة 
• الأداء الحراري Thermal Performance
• مدى درجات الحرارة Temperature Range
• نوع المواد -الموائع- المراد معالجتها (السائلة / السائلة ، وجود أو عدم وجود الجسيمات الصلبة، غاز / سائل ، غاز / غاز)
• انخفاض الضغط عبر المبدل Pressure Drop
• سعة ومقدرة تدفق السوائل
• سهولة التنظيف ، والصيانة والإصلاح
• المواد المطلوبة للبناء
• قدرة وسهولة التوسع في المستقبل 

إن اختيار المبادلة الحرارية الصحيحة يتطلب بعض المعرفة اللتي تلم بمختلف أنواع المبادلات الحرارية ، وكذلك البيئة التي ستعمل فيها المعدة. عادة،  في الصناعة التحويلية ، عدة أنواع مختلفة من المبادلات حرارية تستخدم فقط لعملية واحدة أو نظام لاستخلاص المنتج النهائي.

                     متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي Log mean Temperature Difference     

يستخدم متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي لتحديد القوة الدافعة لدرجة الحرارة لنقل الحرارة في نظام الإندفاع (ولا سيما في المبادلات الحرارية). الLMTD هو لوغاريتمي من متوسط فرق درجة الحرارة بين تيارات الباردة والساخنة في نهاية كل مبدل.
تستخدم المعادلة التالية لإندفاع المائع العكسي :

أما في حالة الإندفاع المتوازي للمائع، تستخدم المعادلة التالية مع ملاحظة الأرقام:

 حيث:

T1 =  درجة حرارة مدخل المائع الساخن.
T2 = درجة حرارة مخرج المائع الساخن.
T1 =  درجة حرارة مدخل المائع البارد.
T2 = درجة حرارة مخرج المائع البارد.

لن يكون هناك فارق في درجة الحرارة التفاضلية التي هي 1 أو 2 ما دامت التسمية هي متسقة. وكلما زادت قيمة الـLMTD ، كلما زاد التوصيل الحراري. ومع ذلك ثمة نوع ثالث من اندفاع الموائع وهو الإندفاع المتعامد، في هذه الحالة توجد هنالك أربع درجات الحرارة المستخدمة لحساب LMTD واللتي لا تحلها أي من هذه المعادلات،ولكن طريقة الـNTU توفر لنا إيجاد الحل.

                       معامل توصيل الحرارة Heat Transfer Coeffecient                              

إن معامل توصيل الحرارة ، في الديناميكا الحرارية والميكانيكية والهندسة الكيميائية ، يستخدم في حساب نقل الحرارة ، وعادة قبل مرحلة الحمل الحراري أو تغير حالة المادة بين السائل والصلب: 

حيث:

ΔQ = حرارة المدخلات أو الحرارة المفقودة ، (جول)

h= معامل انتقال الحرارة ، (واط / م2 . كلفن)

A= منطقة انتقال الحرارة السطحية ، م2
ΔT = الفرق في درجة الحرارة بين سطح صلب والمنطقة المحيطة بها السائل ، (كلفن)
Δt = الفترة الزمنية ، (ثانية)

إن معامل انتقال الحرارة في النظام العالمي للوحدات هو واط لكل متر مربع فين كلفن (واط /(م2.ك))

وهناك العديد من أساليب لحساب معامل انتقال الحرارة في مختلف وسائط نقل الحرارة ، السوائل المختلفة ، نظم التدفق ، وتحت مختلف الظروف . وعادةً ما تستخدم هذه المعادلة في حالة تصميم أو صيانة مبادلة حرارية.

                      المراقبة والصيانة Monitoring & Maintenance                          

للتفتيش على سلامة المبادل الحراري وعلى أنابيبه ، يمكن اختبارها في الموقع عن طريق استخدام غاز الهليوم أو باستخدام الخاصية الموصلية -Conductivity-. هذه الأساليب تؤكد لنا سلامة المعدة لمنع أي تلوث في أجزاءها.

يقوم أخصائيو الصيانة برصد حالة أنابيب المبادل الحراري من خلال أسلوب الـNondestructive أو عن طريق Eddy Current Testing .
غالبا ما تكون آليات اندفاع المياه محاكاة  من جانب الحسابات الديناميكية للسوائل المسماة بـ Computational Fluid Dynamics. المواد الصغيرة المتعلقة بالمائع مشكلة خطيرة في الكثير من المبادلات الحرارية. مياه الأنهار كثيرا ما تستخدم كمياه تبريد ، الأمر الذي يؤدي إلى دخول أنقاض بيولوجية للمبادل الحراري ويؤدي إلى بناء طبقات شبة عازلة ، هذا بالتأكيد يحد من معامل انتقال الحرارة.مشكلة أخرى أيضاً تكمن عند تواجد الطبقات البنائية التي تتألف من طبقات من المواد الكيميائية مثل كربونات الكالسيوم أو كربونات المغنيسيوم.

                                              المبادلات في الصناعة               

تستخدم المبادلات الحرارية على نطاق واسع في الصناعة لغرض التبريد أوالتسخين. نوع وحجم المبادلات الحرارية المستخدمة يمكن تكييفها لتلائم عملية ما تبعا لنوع السوائل ، وحالتها، درجة الحرارة ، الكثافة ، اللزوجة ، والضغوط ، والتركيب الكيميائي ومختلف الخصائص الحرارية الأخرى.

في كثير من العمليات الصناعية هناك مضيعة للطاقة أو حرارة تيار هو أن تستنفد بعد ، ومبادلات حرارية ويمكن استخدام هذه الحرارة لاستعادة وضعها لاستخدام التدفئة مختلفة من جانب تيار في هذه العملية. وهذه الممارسة ينقذ الكثير من المال في صناعة الحرارة التي تزود بها تيارات أخرى من مبادلات حرارية،خلاف ذلك من شأنه أن يأتي من مصدر خارجي الذي هو أكثر تكلفة وأكثر ضررا على البيئة.

المبادلات الحرارية تستخدم في العديد من الصناعات ، منها ما يلي :

معالجة المياه المستعملة
نظم التبريد
صناعة البترول

                                          نوع فريد من أنوع مبدلات الحرارة                             

من قدرة الخالق عز وجل أنه خلق رئتا الإنسان وهما تؤديان دور المبدلات الحرارية ، ولكن ليست أي مبدلة ، هي من صنع الخالق الجبار ، حيث أن الرئة عبارة عن مبدلة حرارية قياسية - نموذجية- فريدة من نوعها نظراً لكبر منطقة انتقال الحرارة السطحية مقارنةً بنسبة الحجم. بالتالي الرئة هي عبارة عن مبدلة حرارية مثالية.