:: كيفية اختيار مُبادِل حرارة الصحن اليمنى للتطبيقات الصناعية

Original: ENGLISH HEXNOVAS المادة

كيف نختار البوق الأيمن لبورصة النفاثة

How to select a plate heat exchanger, plate exchanger selection guide, industrial plate heat exchanger sizing, gasketed plate heat exchanger vs brazed plate heat exchanger, plate and shell heat exchanger selection, spiral heat exchanger for fouling liquids, compact heat exchanger selection for industrial cooling and heating systems.

:: كيفية اختيار مُبادِل حرارة الصحن اليمنى للتطبيقات الصناعية

إن اختيار مبادلات حرارة الصفيحة الصحيحة ليس مجرد مسألة إيجاد وحدة مدمجة ذات مساحة اسمية كافية، فاختيار مبادلات حرارة حقيقية للطبقات الصناعية يتوقف على الواجب الحراري، وانخفاض الضغط المسموح به، وخصائص السوائل، وميل التعبئة، وتوقعات الصيانة، والتوافق المادي، ومرونة التشغيل في المستقبل. HVACيجب أن يوازن بين الكفاءة والقابلية للتنظيف والموثوقية وتكاليف التشغيل الطويلة الأجل، وخدمة المواد الكيميائية، والتبريد، والانتعاش الحراري، أو التبريد، أو التبريد الصناعي، وبين الكفاءة، وبين التنظيف، والموثوقية، وتكاليف التشغيل الطويلة الأجل، ويفسر هذا الدليل كيفية اختيار درجة المبادلات الحرارية بالطبقات، واختيار مبادلات حرارة مزودة باللوحات الغازية، عندما يكون من الصعب تحديد التصميمات الأكثر تخصصاً.

وكثيرا ما يتم اختيار مبادلات حرارة للطبقات لأنها توفر معامل نقل حراري أعلى وبصمة أقل بكثير من مبادلات الدفاعات التقليدية وأجهزة التبديل الحرارية الأنبوبية. غير أن الكفاءة العالية وحدها لا تضمن اتخاذ قرار هندسي جيد. وقد تعاني وحدة غير محددة بدقة من انخفاض الضغط المفرط، أو سوء التوزيع، أو درجات الحرارة غير مستقرة، أو من الإضرار السريع. وقد تزيد تكلفة الوحدة التي يتم تحديدها على نحو مفرط دون تحسين استقرار العمليات. وينبغي أن يضاهي مبادلات حرارة صناعية مختارة جيدا واجب العمليات الحقيقية، وأن يدعم مظروف تشغيل المصنع، وأن يظل قابلا للاستمرار طوال فترة خدمته.

1. ابدأ بالواجب الحراري الكامل ليس فقط تخمين القدرة الخشنة

الخطوة الأولى في اختيار مبادلات حرارة الطبق هي تحديد الحمولة الحرارية الحقيقية وفي الممارسة العملية، لا تزال طلبات كثيرة لا تصل إلا إلى بيان غامض مثل " الماء الصالح للشرب " ، أو " البخار المكون " ، أو " سائل عملية التسخين " . ويتطلب الاختيار السليم وجود درجات حرارة في الداخل ودرجات حرارة في الخارج، ومعدل تدفق جانبي واحد على الأقل، وهوية سوائل، ويفضل أن تكون بيانات الممتلكات المادية في ظروف التشغيل.

وبالنسبة لواجب منصف واحد من السائل إلى السائل، يبدأ منطق التصعيد بالواجب الحر، معبرا عنه كمبلغ الطاقة المنقولة في كل وقت من أيام الوحدة. وإذا كان معدل تدفق أحد الجانبين وتغيّر درجة الحرارة معروفين، يمكن حساب الواجب ثم التحقق منه من الجهة الأخرى. أما بالنسبة لخدمات التكثيف أو التهرب، فإن الحالة أكثر حساسية لأن تهيمن الحرارة المتوفّرة وتوزيع التدفق يصبح أكثر أهمية. وفي هذه الحالات، يجب على المهندس أن يميز بوضوح بين التبريد المعقول، والتكثيف، والتغوط، والتبخر، ومناطق الحرارة الخارقة، بدلا من معاملة المبادلات على أنها أداة بسيطة من نوع واحد.

2. تقييم برنامج درجة الحرارة ودرجة الحرارة الحقيقية

تحليل الحرارة هو أحد أهم المتغيرات في تصميم مبادلات الحرارة بالصحن وعادة ما تؤدي درجة الحرارة المتقاربة إلى وجود منطقة نقل حراري أكبر حجما أو إلى نمط أكثر توجها نحو الأداء. ولا يركز كثير من المستعملين إلا على القيم المتسربة والمنفذة، ولكن مسألة التصميم الحقيقية هي ما إذا كان نطاق درجة الحرارة المطلوبة أو فارق محطات طرفية صغيرة يمكن تحقيقه من الناحية المادية عند هبوط ضغط مقبول وهوامش فاخرة.

وعندما يقترب المنهاج الساخن من النسيج البارد، أو يقترب المنفذ البارد من الموصل الساخن، يحتاج الموصل إلى مزيج قوي من المساحة المتاحة، والاضطرابات الجيدة، والتوزيع الكافي للتدفقات. وهذا سبب واحد هو أن مبادلات حرارة اللوحات كثيرا ما تكون مفضلة على تصميمات القصف والأنبوب في نظم صناعية مدمجة: فالاضطرابات العالية التي تولدها اللوحات المتآكلة يمكن أن تدعم أداء حراري أكثر عدوانية في بصمة أقل. ومع ذلك، فإن كل نهج صغير ليس عمليا. ويجب أن يكون استعراض هندسي واقعي حساباً للسجل الذي يعني فرقاً في درجات الحرارة، ونمط اللوحات، وترتيبات المرور، واحتياطياً متوقّعاً.

• وعادة ما تزيد درجات حرارة النهج الصغير المساحة المطلوبة والحساسية إزاء الإغراق.
• وقد تحتاج أهداف منفذة ضيقة جدا إلى ترتيبات متعددة الطرقات أو إلى نوع مختلف من المبادلات.
• وينبغي تقييم واجبات تغيير المرحلة بصورة منفصلة عن خدمات التبريد السائلي أو التدفئة البسيط.

3. انخفاض الضغط ليس عقاباً على تجنب أي تكاليف

وفي العديد من المشاريع الصناعية، يطلب المهندسون أقل انخفاض ممكن في الضغط. هذا يبدو آمناً، لكنه يمكن أن ينتج وحدة أكبر وأقل كفاءة وأكثر تكلفة. يعمل مُبادِل حرارةِ الصحونِ لأن تَصَدُّقَ الصحونِ يُحدثُ اضطراباً ويُحسّنُ النقل الحرّيّ المُحتَمَل. هذا الاضطراب مرتبط بانخفاض الضغط وإذا كان انخفاض الضغط المسموح به منخفضاً بصورة غير واقعية، فإن النتيجة قد تكون مساحات مفرطة، أو اقتصاديات ضعيفة، أو الحاجة إلى الانتقال إلى نوع آخر من المبادلات.

ويتمثل النهج الأفضل في تحديد ميزانية معقولة لخفض الضغط لكل جانب من جوانب النظام. وفي المياه المبردة، والمضخات الحرارية، والطاقة في المناطق، وتبريد العمليات، أو نظم التبريد الصناعية، ينبغي اختيار المبادلات كجزء من التصميم الهيدروليكي الكلي بدلا من كونها مكونا معزولا. وكثيرا ما تأتي قيمة مبادلات الحرارة المدمجة من توفير حيز النبات وتحسين الكفاءة الحرارية؛ التضحية بكل قطرة الضغط قد تضعف تلك الميزة

وفي الوقت نفسه، فإن انخفاض الضغط المرتفع للغاية غير مستصوب أيضا لأنه يزيد من تكلفة الضخ ويمكن أن يجعل التشغيل في المستقبل غير مستقر. إختيار مُبادِل حرارةِ جيدةِ يَعْني العثور على مدىِ هبوطِ الضغطِ الذي يَوْصلُ نقلَ حراريِ قويِ بدون تَجْعلُ عبئاً هدرالياً لا لزوم له.

4. تُعدّل قيمة الممتلكات السائلة أكثر من مخطط المعدّات

ويمكن لاثنين من مبادلات الحرارة ذات حجم الوصل ومساحة السطح أن يؤدوا أداء مختلفا جدا إذا كانت السوائل مختلفة. وتؤثر في عملية الاختيار النهائية على التصور والكثافة والسلوك الحراري والحرارة المحددة ومحتوى المواد الصلبة ومستوى كلوريد الهيدروجين، ومحتويات الألياف، وميل البلورة، والسلوك المضلل. ولهذا السبب لا ينبغي اتخاذ قرار مبادلات حرارة الطبق الصناعي الخطيرة من الأبعاد ذات الإسم وحده.

عدد الفيسكو ورينولدز

وتخفض السوائل العالية الحساسية من الاضطرابات وقد تقلل بشكل كبير من معامل نقل الحرارة الفعّال. وفي مثل هذه الحالات، قد لا يزال متبادل حرارة الطبق الموحد يعمل، ولكن نمط اللوحة، والفجوة في القنوات، وترتيبات المرور، يصبح أكثر أهمية بكثير. وبالنسبة للخدمة الشديدة الوضوح أو شديدة التلوث، قد تكون التصميمات المتخصصة أكثر ملاءمة من إرغام مبادلات حرارة طبق مدمجة موحدة على تطبيق غير مناسب.

التصويب المحتمل

والتوافق المادي أمر حاسم. وقد يكون الفولاذ اللاصق 304 مقبولاً لبعض شبكات المياه المغلقة، في حين أن 316 لام أكثر شيوعاً لأداء واجب صناعي أوسع. وقد تتطلب المياه المحتوية على الكلوريد، والمواد الكيميائية العدوانية، والمياه المهينة، أو مياه البحر، أو المواد الكيميائية التنظيفية التيتانيوم، 904L، 254 SMO، أو فولاذ لاصق، أو سبائك النيكل. وينطبق الشيء نفسه على مواد الغازات في مُبادِل حرارة باللوحات الغازية. حتى تصميم حراري جيد الحجم سيفشل إذا كانت اللوحة أو المواد الختمية غير مناسبة من الناحية الكيميائية.

الجفون والسلوك المُضلل

فاللويدات التي تحمل الألياف، والحمأة، والحجم، والبلورات، أو الجزيئات المعلّقة يمكن أن تكون مرشحة ضعيفة لتبادلات الوصل الضيقة. وفي هذه الحالات، قد لا يكون القرار الصحيح معياراً من نوع GPHE أو BPHE على الإطلاق. ويمكن أن يكون الحل الصحيح لوحة أوسع نطاقاً، أو مبادلات حرارة دوامة، أو تصميم آخر يتم اختياره في المقام الأول لإثارة المقاومة والتنظيف.

5. ينبغي أن يؤثر الاتجاه الدافع على نوع المبادلات منذ البداية

فالدفع هو أحد أكثر الأسباب شيوعاً التي تؤديها مبادلات الحرارة ذات الكفاءة النظرية أداءً ضعيفاً في الميدان. وفي بعض الأحيان يعامل المصممون القذف كعامل احتياطي ثان يضاف في نهاية الحساب، ولكن هذا لا يكفي عندما يكون للسوائل نفسها اتجاه معروف نحو ضخ الألياف أو تعددها أو تبلورها أو تسويتها أو فخها. في هذه الحالات، يجب أن يبدأ اختيار المبادلات بسلوك الخدمة، ليس فقط واجب الحرارة.

وكثيرا ما يُفضَّل مُبادِل حرارة باللوحات الغازية عندما يُتوقَّع القيام بالتنظيف الدوري لأن الوحدة يمكن فتحها للتفتيش والصيانة. ومن ناحية أخرى، فإن مبادلات حرارة الطبق المتصدع خالية من الصيانة في حلقات مغلقة نظيفة، ولكنها عموما أقل ملاءمة عندما قد تكون هناك حاجة إلى تنظيف ميكانيكي منتظم. عندما تكون السوائل قذرة بشكل خاص، أو متسخة، أو مثبتة للجسيمات، يمكن لمبادل الحرارة الرئوية أن يقدم سلوكاً أفضل لمكافحة الاختلاط وأداً أطول أجلاً.

وباختصار، فإن الإغفال ليس مجرد مسألة أداء. إنها مسألة اختيار. وإذا تم تجاهل استراتيجية الصيانة أثناء التصميم، يمكن للمصنع أن يدفع ثمنها في وقت لاحق من خلال وقت التعطل، وعمالة التنظيف، والاستهلاك الكيميائي، ومكافحة العمليات غير المستقرة.

6. اختر نوع المبادلات الحرارية وفقاً للعملية، ليس بالعادة

ويغطي مصطلح " مبادلة الحرارة " عدة تكنولوجيات متميزة. وهي ليست قابلة للتبادل، وكل منها موجود لأنه يحل مشكلة هندسية مختلفة. ويتمثل إطار مفيد للاختيار في البدء بمتطلبات العملية، ثم اختيار أسرة المبادلات التي تناسب على أفضل وجه معوقات التشغيل الحقيقية.

وهذه المقارنة مهمة بالنسبة للجماهير التقنية على غرار الشبكة العالمية لأن العديد من الأخطاء في الاختيار تحدث عندما لا يبحث المستعملون إلا عن طريق بطاقات المنتجات العامة. والسؤال الهندسي الأكثر فائدة ليس " أي مبادلات الحرارة هي الأكثر كفاءة " بل " أي مبادلات الحرارة الأنسب لهذا الواجب المحدد على مدى حياته الكاملة في الخدمة؟ " .

7. اختيار المواد لا يمكن فصله عن الاختيار الحراري

إن اختيار مواد اللوحات ومواد الغازات ليس خطوة شراء منفصلة يتعين معالجتها في وقت لاحق. إنه جزء من اختيار الهندسة منذ البداية وتتوقف المواد المطلوبة على تركيز الكلوريد، أو الهيدروجيني، أو المواد الكيميائية التنظيفية، أو محتوى الأوكسجين، أو درجة الحرارة، أو الضغط، وما إذا كان السائل قابلاً للشرب، أو مائياً، أو ملوثاً بالجلد.

في العمل الصناعي العملي، 304 و 316L are common starting points, but many demanding services quickly move beyond them. Seawater, chloride-rich cooling water, aggressive CIP وقد تتطلب وسائط الإعلام أو سوائل العمليات ذات التآكل الشديد التيتانيوم أو المنظمة البحرية الخاصة أو المواد السامة أو السبيكة أو مواد السبيكة المرتفعة، وقد تحتاج الصناعات النظائية أيضا إلى نهج مختلف تماما، مثل مبادلات الصلب اللاصقة الكاملة في التطبيقات التي يكون فيها التلوث بالنحاس غير مقبول.

وينبغي للمهندسين أيضا أن يتجنبوا افتراض أن مجرى الصحون وحده يحل المشكلة. وفي مبادلات حرارة باللوحات الغازية، يجب أن يقاوم مركب الغاز أيضاً سوائل العملية ودورة التنظيف. إنّ اختيار النسيج الخاطئ قد يؤدي إلى تَفَرّم، أو تَسْرب، أو تَسرّب، أو تَقَلُّص حياة الغاز حتى لو بقيت اللوحات نفسها سليمة.

8. وكثيراً ما تقرر توقعات الصيانة ما إذا كان GPHE أو BPHE الخيار الأفضل

ومن أكثر الأسئلة عملية في اختيار مبادلات حرارة الطبق ما إذا كان يجب فتح المبادلات وتنظيفها آليا خلال حياتها. وإذا كان الجواب هو نعم، فإن مبادلات حرارة اللوحات الغازية هي عادة الخيار الأنسب لأنه يمكن تفكيكها للتفتيش والتنظيف واستبدال الطوابع الغازية وتعديل القدرات. وهذه المرونة هي أحد الأسباب الرئيسية التي تدعو إلى استمرار شعبية هذه المرافق الصناعية ونباتات العمليات.

مُبادِل حرارةِ لوحةِ مُتَجَرَّفةِ أكثر جاذبيةً عندما تكون العملية نظيفةُ، التَصَدُّق حرجُ، والفتح الروتيني لا يُتوقَّعُ. ولهذا السبب تستخدم هذه المركبات على نطاق واسع في أجهزة التبريد، والمضخات الحرارية، وحزم التبريد، ومبردات النفط، ومنظومات HVAC المغلقة. وفي هذه التطبيقات، يمكن أن تفاقم فوائد الأثر الأصغر حجماً، ولا وجود للغاز، وانخفاض الطلب على الخدمات، عدم القدرة على الانفتاح.

القرار الخطأ يحدث عادة عندما يختار المستعمل BPHE لمجرد أنها مدمجة، في حين أن العملية في الواقع تنطوي على مخاطرة أو عدم يقين في نوعية المياه. GPHE من أجل نظيف جداً OEM ويمكن أن تضيف المجموعة تكلفة وحيزا دون إضافة قيمة عملية، ولذلك ينبغي تعريف فلسفة الصيانة في وقت مبكر على أنها واجب حراري بحد ذاته.

9. النظر في درجة الضغط، والإجهاد، ومظروف التشغيل في المستقبل

ولا ينبغي اختيار مبادلات الحرارة فقط حول نقطة التشغيل العادية الحالية. وتشهد النظم الصناعية الحقيقية بدايتها، وإغلاقها، والصدمة الحرارية، وتباين المضخات، وتقويض النمو، والتغييرات الموسمية، ودورات التنظيف، وأحيانا زيادة القدرة في المستقبل. وإذا اختيرت المبادلات دون هامش تشغيلي، فإن التحولات في العمليات الصغيرة قد تحركها خارج النافذة المفيدة.

ويكتسي هذا الأمر أهمية خاصة في التبريد، والطاقة في المناطق، ونظم استعادة الحرارة الصناعية حيث قد يواجه المبادِل درجات حرارة مختلفة في النهوج وفي ظروف ضغط مختلفة طوال العام. وفي مهام أعلى ضغطاً وأكثر طلباً، يمكن أن يكون مبادلات حرارة بالطبقات والدفاعات أكثر ملاءمة من مبادلات اللوحات المزودة بالغازات القياسية لأن التصميم المبلّغ يدعم بشكل أفضل الظروف الحادة مع الحفاظ على مزايا الكفاءة الحرارية في تكنولوجيا اللوحات.

10. أفضل عملية اختيار منظمة، قابلة للتكرار، ومحددة حسب الطلب

ويشتمل التدفق الجيد لاختيار مبادلات الحرارة على الأسئلة التالية:

• ما هو الواجب بالضبط، وهل هو منطلق واحد، التكثيف، التهرب، أو مختلطة؟
• ما هي درجة الحرارة العادية، والدنيا، ودرجات الحرارة القصوى ومعدلات التدفق؟
• ما هو انخفاض الضغط المتاح على كل جانب من الجانبين؟
• ما هي خصائص السوائل في درجة حرارة التشغيل، بما في ذلك الحساسية والسلوك المضلل؟
• هل يجب أن يُفتح المُبادِل للتنظيف أو للتوسع في المستقبل؟
• هل هناك تآكل أو نقص في النظافة التي تؤثر على مواد الطبق والغاز؟
• هل التطبيق أفضل من قِبل GPHE، BPHE، الحلقية، أو لوحة وتصميم قذيفة؟
• ما هو الهامش التشغيلي اللازم للخدمة المستقرة الطويلة الأجل؟

ويمنع هذا النهج المنظم أفظع أخطاء الاختيار: إذ لا يُختار إلا بواسطة البصمة، أو ينسخ مشروعاً سابقاً دون التحقق من ظروف العمليات الفعلية، أو يُقلل من تقدير الإضرار، أو يتجاهل إمكانية الوصول إلى الصيانة. وينبغي دائماً اختيار مبادلات حرارية مدمجة كجزء من نظام العمليات، وليس كبند مكرّس معزول.

الخلاصة: مبادلات حرارة الطبق اليمنى هي التي تبقى في العملية

إنّ أفضل انتقاء لبائعي اللوحات ليس من بين أصغر الجسم أو أكثر الأداء الاسمي عدواناً. وهو الذي يُنجز الواجب المطلوب في ظروف النباتات الحقيقية، مع انخفاض الضغط المقبول، والتوافق المادي، والعملية في مجال الصيانة، وحياة الخدمة. بالنسبة للحلقات المغلقة النظيفة، قد يكون مُبادِل حرارة الطبق المُتَقَدَّم أكفَل و إجابَة اقتصادية. وبالنسبة للواجبات الصناعية المفتوحة والمتتالية، كثيرا ما يكون مبادلات حرارة اللوحات الغازية الخيار الأفضل. بالنسبة لوسائط الإعلام القذرة أو المحتوية على الألياف، قد يحمي مبادلات الحرارة الروحية الموثوقية. من أجل خدمة عالية الضغط أو شديدة، قد تكون تكنولوجيا الطبق والقصف الطريق الصحيح.

وبعبارة أخرى، فإن الاختيار السليم لا يتعلق باختيار فئة المنتج أولا. الأمر يتعلق بفهم العملية أولاً، ثم تطابق تكنولوجيا الصرف مع التطبيق الفعلي. وهكذا يخفض المستعملون الصناعيون تكلفة دورة الحياة، ويحميون الوقت الإضافي، ويحصلون على القيمة الكاملة لمعدات نقل الحرارة المدمجة.