استهلاك البخار للمبادلات الحرارية

يُشرح ويتناقص في هذا الدرس الأنواع المختلفة من المبادلات الحرارية، إلى جانب حسابات استهلاك البخار ومسائل أخرى مثل أهمية حمل بدء التشغيل.

يشير مصطلح المبادل الحراري بشكل صارم إلى جميع أنواع المعدات التي يتم فيها تعزيز نقل الحرارة من وسط إلى آخر. يمكن وصف مشعاع منزلي، حيث يتخلى الماء الساخن عن حرارته للهواء المحيط، كمبادل حراري. similarly، يمكن وصف غلاية بخار حيث تخلي غازات الاحتراق عن حرارتها للماء لتحقيق التبخر، كمبادل حراري بالاحتراق.

ومع ذلك، يُستخدم المصطلح غالبًا بشكل أكثر تحديدًا للمبادلات الحرارية من نوع غلاف وأنابيب أو مبادلات حرارية من الألواح، حيث يُستخدم سائل أولي مثل البخار لتسخين سائل عملي. يُشار إلى مبادل حراري من نوع غلاف وأنابيب يُستخدم لتسخين الماء للتدفئة المنزلية (باستخدام البخار أو الماء) غالبًا كمُسخن غير مخزن. (المُسخن التخزيني، كما هو موضح في الشكل 2.13.1، مُبنى بشكل مختلف، ويتكون عادةً من وعاء تخزين مياه ساخنة مع لفافة تسخين أولية بداخله).

غالبًا ما يوفر المصنعون تصنيفًا حراريًا لمبادلاتهم الحرارية بالكيلوواط، ومنه يمكن تحديد استهلاك البخار، كما هو الحال لبطاريات مُسخن الهواء. ومع ذلك، غالبًا ما تكون المبادلات الحرارية (خاصة غلاف وأنابيب) كبيرة جدًا للأنظمة التي يُطلب منها خدمتها.

سيتم اختيار المُسخن غير المخزن (كما هو موضح في الشكل 2.13.2) عادةً من نطاق قياسي من الأحجام، وغالبًا ما يكون لديه سعة أكبر بكثير من رقم التصميم. لتدفئة المباني بالماء الساخن قد تكون هناك أيضًا عوامل أمان معينة مُدرجة في حسابات الحمل الحراري. قد تُختار المبادلات الحرارية من الألواح أيضًا من نطاق قياسي من الأحجام إذا كانت الوحدات مُلحمية أو مُلحمة. ومع ذلك، هناك مرونة أكبر في تحجيم مبادلات الألواح المُحكمة بجوانات، حيث يمكن غالبًا إضافة أو إزالة ألواح لتحقيق مساحة نقل الحرارة المطلوبة. في كثير من الحالات، تكون مبادلات الألواح الحرارية مُحجمة بشكل مفرط ببساطة لتقليل انخفاض الضغط للسائل الثانوي. على المعدات القائمة، يمكن الحصول على مؤشر للحمل الفعلي إذا كانت درجات حرارة التدفق والرجوع ومعدل الضخ معروفة. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن الإنتاجية المُقدمة على لوحة المصنع للمضخة سترتبط على الأرجح برأس ضغط، قد يكون موجودًا أو لا يكون في الممارسة العملية.

حسابات استهلاك البخار للمبادلات الحرارية

المبادلات الحرارية من نوع غلاف وأنابيب والمبادلات الحرارية من الألواح هي أمثلة نموذجية لتطبيقات النوع المتدفق. لذلك، عند تحديد استهلاك البخار لهذه التطبيقات، يجب استخدام المعادلة 2.6.5.

يمكن تجاهل حمل بدء التشغيل إذا كان يحدث نادرًا، أو إذا لم يكن الوقت المستغرق للوصول إلى إنتاج الحمل الكامل مهمًا جدًا. غالبًا ما تُحجَم المبادلات الحرارية على الحمل التشغيلي الكامل، مع إضافة عوامل أمان محتملة. نادرًا ما تؤخذ خسائر الحرارة في الاعتبار مع هذه التطبيقات من النوع المتدفق، حيث أنها أقل بشكل ملحوظ من الحمل التشغيلي الكامل. عادة ما تُعزل المبادلات الحرارية من نوع غلاف وأنابيب لمنع فقد الحرارة، ولمنع الإصابة المحتملة للعاملين. تميل مبادلات الألواح الحرارية إلى أن تكون أكثر إحكامًا ولديها مساحة سطح أقل بكثير مكشوفة للهواء المحيط، بالنسبة لحجم الوحدة.

مثال 2.13.1

حدد الحمل الحراري وحمل البخار للمُسخن التخزيني غير المخزن التالي مُسخن تدفئة مُصمم للعمل بالحمل الكامل مع بخار عند 2.8 بار ج في فراغ البخار الأولي. درجات حرارة تدفق ورجوع الماء الثانوي هي 82 درجة مئوية و71 درجة مئوية على التوالي، بمعدل ضخ ماء 7.2 كجم/ثانية. cp للماء = 4.19 كجول/كجم درجة مئوية

الجدول 2.13.1 مقتطف من جداول البخار

الجزء 1 حدد الحمل الحراري يمكن حساب الحمل الكامل باستخدام المعادلة 2.6.5:

الجزء 2 حدد حمل البخار يمكن تحديد معدل التكثف الكامل باستخدام الجانب الأيسر من معادلة التوازن الحراري 2.6.6:

مبادلات حرارية من الألواح

يتكون المبادل الحراري من الألواح من سلسلة من الألواح المعدنية المموجة الرقيقة بينها عدد من القنوات، مع تدفق السوائل الأولية والثانوية عبر قنوات متناوبة. يحدث نقل الحرارة من السائل الأولي البخار إلى السائل العملي الثانوي في القنوات المجاورة عبر اللوح. يُظهر الشكل 2.13.3 تمثيلًا تخطيطيًا لمبادل حراري من الألواح.

يزيد نمط التموج من متانة الألواح ويوفر دعمًا أكبر ضد اختلافات الضغط. يخلق هذا النمط أيضًا تدفقًا مضطربًا في القنوات، مما يحسن كفاءة نقل الحرارة، مما يجعل المبادل الحراري من الألواح أكثر إحكامًا من المبادل الحراري التقليدي من نوع غلاف وأنابيب. كما يُلغي تعزيز التدفق المضطرب وجود المناطق الراكدة ويقلل بذلك من تراكم الأوساخ. عادة ما تُطلى الألواح على الجانب الأولي، لتعزيز التكثف بالقطرات للبخار. كان سوق مبادلات البخار الحرارية يهيمن عليه في الماضي المبادل الحراري من نوع غلاف وأنابيب، بينما كانت مبادلات الألواح الحرارية مفضلة غالبًا في صناعة الأغذية وتسخين الماء المستعمل. ومع ذلك، تعني التقدمات التصميمية الأخيرة أن مبادلات الألواح الحرارية مناسبة الآن بشكل متساوٍ لتطبيقات تسخين البخار. قد يسمح المبادل الحراري من الألواح بكل من التكثف وتبريد المكثف تحت درجة التشبع داخل وحدة واحدة. إذا صُرف المكثف إلى مستقبل ضغط جوي، فإن تقليل درجة حرارة المكثف يقلل أيضًا من كمية البخار المتأرجح المفقود إلى الغلاف الجوي عبر فتحة المستقبل. يمكن أن يُلغي الحاجة إلى مُبرد منفصل منفصل أو نظام استرداد البخار المتأرجح. على الرغم من أنه يمكن نظريًا حساب مساحة نقل الحرارة الاسمية باستخدام المعادلة 2.5.3، فإن مبادلات الألواح الحرارية هي تصاميم خاصة وعادة ما تُحدد بالتشاور مع المصنفين. مبادلات الألواح المُحكمة بجوانات (مبادلات الألواح والإطار) في مبادل حراري من الألواح مُحكمة بجوانات، تُثبت الألواح معًا في إطار، وجوان رقيق (عادة بوليمر صناعي) يُحكم كل لوح حول الحافة. تُستخدم براغي شد مثبتة بين الألواح لضغط حزمة الألواح بين لوح الإطار ولوح الضغط. يسمح هذا التصميم بتفكيك سهل للوحدة للتنظيف، ويسمح بتعديل سعة الوحدة بإضافة بسيطة أو إزالة الألواح. يعطي استخدام الجوانات درجة من المرونة لحزمة الألواح، مقدمًا بعض المقاومة للإرهاق الحراري وتقلبات الضغط المفاجئة. يجعل هذا بعض أنواع مبادلات الألواح المُحكمة بجوانات خيارًا مثاليًا كمُسخن بخاري لتوفير المياه الساخنة الفورية، حيث ستتعرض الألواح لقدر من الدورات الحرارية. الحد في استخدام مبادل الألواح المُحكم بجوانات يكمن في نطاق درجة حرارة التشغيل للجوانات، مما يضع قيدًا على ضغط البخار الذي يمكن استخدامه في هذه الوحدات. مبادلات الألواح المُلحمة بالقصدير في مبادل حراري من الألواح مُلحم بالقصدير، تُلحم جميع الألواح معًا (عادة باستخدام النحاس أو النيكل) في فراغ. هو تطوير لمبادل الألواح المُحكم بجوانات، وطُوّر لتوفير مزيد من المقاومة لضغوط ودرجات حرارة أعلى بتكلفة منخفضة نسبيًا. ومع ذلك، على عكس الوحدة المُحكمة بجوانات، لا يمكن تفكيك مبادل الألواح المُلحم بالقصدير. إذا لزم التنظيف يجب غسله عكسيًا أو تنظيفه كيميائيًا. يعني أيضًا أن هذه الوحدات تأتي في نطاق قياسي من الأحجام، وبالتالي شائع الإفراط في التحجيم. بينما يكون لمبادل الألواح المُلحم بالقصدير تصميم أكثر متانة من النوع المُحكم بجوانات، هو أيضًا أكثر عرضة للإرهاق الحراري بسبب بنائه الأكثر صرامة. يجب therefore تجنب أي تغييرات مفاجئة أو متكررة في درجة الحرارة والحمل، ويجب إيلاء اهتمام أكبر للتحكم على جانب البخار لتجنب الإجهاد الحراري. مبادلات الألواح المُلحمة بالقصدير أكثر ملاءمة (وتُستخدم بشكل أساسي) لتطبيقات تغييرات درجة الحرارة بطيئة، مثل التدفئة المنزلية. يمكن أيضًا استخدامها بنجاح مع سوائل ثانوية تمتد تدريجيًا، مثل الزيت الحراري. مبادلات الألواح المُلحمة في مبادل حراري من الألواح المُلحم، تُثبت حزمة الألواح معًا بدرزات ملحومة بين الألواح. يسمح استخدام تقنيات اللحام بالليزر بأن تكون حزمة الألواح أكثر مرونة من حزمة الألواح المُلحمة بالقصدير، مما يتيح للوحدة المُلحمة أن تكون أكثر مقاومة لنبضات الضغط والدورات الحرارية. تعني حدود التشغيل العالية لدرجة الحرارة والضغط للوحدة المُلحمة أن هذه المبادلات الحرارية عادة ما يكون لها مواصفات أعلى، وأكثر ملاءمة لتطبيقات الصناعات العملية الثقيلة. غالبًا ما تُستخدم حيث يكون أداء عالي الضغط أو درجة الحرارة مطلوبًا، أو عند تسخين وسائط لزجة مثل الزيت والهيدروكربونات الأخرى. مبادلات حرارية من نوع غلاف وأنابيب المبادل الحراري من نوع غلاف وأنابيب هو على الأرجح الطريقة الأكثر شيوعًا لتوفير تبادل حرارة غير مباشر في تطبيقات العمليات الصناعية. يتكون المبادل الحراري من نوع غلاف وأنابيب من حزمة أنابيب مُغلقة في غلاف أسطواني. تُثبت أطراف الأنابيب في ألواح أنابيب، تفصل بين السوائل الأولية والثانوية. حيث يُستخدم البخار المتكثف كوسط تسخين، يكون المبادل الحراري عادة أفقيًا مع حدوث التكثف داخل الأنابيب. يمكن أيضًا استخدام التبريد تحت درجة التشبع كوسيلة لاسترداد بعض الحرارة الإضافية من المكثف في المبادل الحراري. ومع ذلك، إذا كانت درجة التبريد تحت التشبع المطلوبة كبيرة نسبيًا، فمن الأ便捷often استخدام مُبرد مكثف منفصل.

مُسخنات غير مخزنة مُدفأة بالبخار

التصميم الشائع لمُسخن غير مخزن من بخار إلى ماء موضح في الشكل 2.13.4. يُعرف هذا بنوع “ممر غلاف واحد وممر أنابيبين” من المبادل الحراري من نوع غلاف وأنابيب ويتكون من حزمة أنابيب U مثبتة في لوح أنابيب ثابت.

يُقال إنه لديه “ممر غلاف واحد” لأن توصيلات دخول وخروج السائل الثانوي في أطراف مختلفة من المبادل الحراري، وبالتالي يمر السائل على جانب الغلاف طول الوحدة مرة واحدة فقط. يُقال إنه لديه ممران أنابيب لأن توصيلات دخول وخروج البخار في نفس الطرف من المبادل، بحيث يمر السائل على جانب الأنبوب طول الوحدة مرتين.

يُقسم حاجز الممر (يُسمى أيضًا لوح التقسيم أو لوح الريشة) رأس المبادل، بحيث يُحول السائل على جانب الأنبوب عبر حزمة أنابيب U بدلاً من المرور مباشرة عبر الرأس. هذا تصميم بسيط نسبيًا وغير مكلف لأنه لا يلزم سوى لوح أنابيب واحد، لكنه محدود الاستخدام في سوائل نظيفة نسبيًا لأن الأنابيب أكثر صعوبة في التنظيف. ملاحظة؛ من الأصعب استبدال أنبوب في هذه الأنواع من المبادلات الحرارية. عادة ما تُوفر الحواجز في الغلاف لتوجيه تيار السائل على جانب الغلاف عبر الأنابيب، مما يحسن معدل نقل الحرارة، ولدعم الأنابيب. بدء التشغيل من البارد كما ذُكر في الوحدة 2.7، يمكن غالبًا تجاهل حمل بدء التشغيل إذا كان يحدث نادرًا أو إذا لم يكن الوقت المستغرق للوصول إلى إنتاج الحمل الكامل حاسمًا. لهذا السبب، غالبًا ما يُعثر على صمامات التحكم والمبادلات الحرارية مُحجمة على الحمل الكامل زائد عوامل الأمان المعتادة. مع الأنظمة التي تتوقف عن العمل في الليل وعطلات نهاية الأسبوع، يمكن أن تكون درجة حرارة الماء الثانوي منخفضة عند بدء التشغيل في صباح شتوي بارد، ومعدلات التكثف في مُسخنات التدفئة التخزينية ستكون أعلى من حالة الحمل الكامل. consequently، قد يكون الضغط في فراغ البخار أقل بكثير من الضغط الذي يعمل فيه المبادل الحراري عادة، حتى ترتفع درجة حرارة الدخول الثانوية إلى رقم التصميم. من الناحية الحرارية، قد لا يشكل هذا مشكلة - يستغرق النظام ببساطة وقتًا أطول للتسخين. ومع ذلك، إذا لم يأخذ المصمم هذا الموقف في الاعتبار، فإن نظام تصريف مكثف غير كافٍ يمكن أن يتسبب في تراكم المكثف في فراغ البخار. يمكن أن يسبب هذا:

• تآكل داخلي.
• إجهاد ميكانيكي بسبب التشويه.
• ضوضاء، بسبب المطرقة المائية. ستسبب هذه مشاكل للمبادلات الحرارية غير المُصممة لتحمل هذه الظروف. تقدير أحمال التدفئة المبادئ - طريقة عملية ذاتية لتقدير حمل التدفئة هي النظر في المبنى نفسه. يمكن أن تكون الحسابات معقدة، متضمنة عوامل مثل عدد تغييرات الهواء ومعدلات نقل الحرارة عبر الجدران المزدوجة والنوافذ والأسطح. ومع ذلك، عادة ما يمكن الحصول على تقدير معقول بإخذ إجمالي حجم المبنى والسماح ببساطة بـ 30 - 40 واط/م³ من المساحة حتى 3000 م³، و15 - 30 واط/م³ إذا كان فوق 3000 م³. سيوفر هذا تقديرًا معقولًا لحمل التدفئة عندما تكون درجة الحرارة الخارجية حول شرط تصميم -1 درجة مئوية. طريقة عملية لتحديد استهلاك البخار لتثبيت قائم هي استخدام مقياس تدفق بخاري دقيق وموثوق.

مثال 2.13.2

حدد تصنيف التصميم لمُسخن تدفئة تخزيني من ظروف فعلية مُقاسة تصنيف تصميم مُسخن تدفئة تخزيني غير معروف، لكن حمل البخار يُقاس عند 227 كجم/ساعة عندما تكون درجة الحرارة الخارجية 7 درجات مئوية ودرجة الحرارة الداخلية 19 درجة مئوية، بفرق 12 درجة مئوية. مُصمم المُسخن التخزيني أيضًا لتوفير درجة حرارة داخلية 19 درجة مئوية عندما تكون درجة الحرارة الخارجية -1 درجة مئوية، بفرق 20 درجة مئوية. يمكن تقدير حمل البخار عند شرط التصميم ببساطة بنسبة اختلافات درجة الحرارة:

مُسخنات تخزين المياه الساخنة

مُسخنات تخزين المياه الساخنة مُصممة لرفع درجة حرارة كامل المحتويات من البارد إلى درجة حرارة التخزين ضمن فترة محددة. متوسط معدل تكثف البخار خلال فترة التسخين أو الاسترداد يمكن حسابه باستخدام المعادلة 2.13.1

مثال 2.13.2 حساب متوسط حمل البخار لمُسخن تخزيني مُسخن تخزيني سعته 2272 لتر (2272 كجم)، ومُصمم لرفع درجة حرارة هذا الماء من 10 درجات مئوية إلى 60 درجة مئوية في ½ ساعة مع بخار عند 2 بار ج. cp للماء = 4.19 كجول/كجم درجة مئوية

يمكن استخدام هذه القيمة المتوسطة لتحديد حجم صمام التحكم. ومع ذلك، عندما تكون درجة حرارة الماء في أدنى قيمة لها، على سبيل المثال 10 درجات مئوية، قد يكون معدل التكثف العالي للبخار أكثر مما يمكن لصمام التحكم المفتوح بالكامل تمريره، وسيُحرم اللفافة من البخار. سينخفض الضغط في اللفافة بشكل ملحوظ، مع تأثير صافي يقلل من سعة جهاز التصريف البخاري. إذا كان جهاز التصريف مُحجَم بشكل خاطئ أو مُختار بشكل خاطئ، فقد يتراكم المكثف في اللفافة، مما يقلل قدرتها على نقل الحرارة وتحقيق وقت التسخين المطلوب. قد تنتج المطرقة المائية، مما يسبب ضوضاء شديدة وإجهادًا ميكانيكيًا لللفافة. ومع ذلك، إذا لم يُسمح بتراكم المكثف في اللفافة، يجب أن يحافظ النظام على وقت التسخين الصحيح.

الحل هو ضمان تصريف مكثف مناسب. يمكن تحقيق هذا إما بمصيدة بخار أو مضخة-مصيدة تلقائية حسب احتياجات النظام. (ارجع إلى الوحدة 13.1 - المبادلات الحرارية والتوقف).

مُسخنات بخارية أخرى من نوع غلاف وأنابيب

في مبادلات حرارية أخرى تستخدم البخار قد يُستخدم رأس عائم داخلي، وهو generally أكثر تنوعًا من الرأس الثابت لمبادلات أنابيب U. هي أكثر ملاءمة للاستخدام في تطبيقات مع فروق درجة حرارة أعلى بين البخار والسائل الثانوي. بما أن حزمة الأنابيب يمكن إزالتها يمكن تنظيفها بسهولة أكبر. غالبًا ما يُوجّه السائل على جانب الأنبوب للتدفق عبر عدد من الممرات لزيادة طول مسار التدفق. تُبنى المبادلات عادةً بين ممر أنابيب واحد وستة عشر ممرًا، ويُختار عدد الممرات لتحقيق سرعة جانب الأنبوب المُصممة. تُرتب الأنابيب في عدد الممرات المطلوبة بتقسيم الرأس باستخدام عدد من ألواح التقسيم. يُنشأ أحيانًا ممران غلاف بإدراج حاجز غزلي على جانب الغلاف عبر مركز المبادل، حيث يكون فرق درجة الحرارة غير مناسب لممر واحد. تُستخدم أيضًا ترتيبات التدفق المُنقسم والتدفق المُشطّ حيث يكون انخفاض الضغط وليس معدل نقل الحرارة هو العامل المتحكم في التصميم، لتقليل انخفاض الضغط على جانب الغلاف. يمكن أيضًا استخدام البخار لتبخير (أو تبخر) سائل، في نوع من المبادلات الحرارية من نوع غلاف وأنابيب يُعرف بإعادة الغليان. تُستخدم في صناعة البترول لتبخير جزء من المنتج السفلي من عمود تقطير. تميل هذه إلى أن تكون أفقية، مع التبخر في الغلاف والتكثف في الأنابيب (انظر الشكل 2.13.5).

في مُعادلات الغليان بالتدفق القسري يُضخ السائل الثانوي عبر المبادل، بينما في مُعادات الغليان بال Thermosyphon يُحافظ على الدورة الطبيعية باختلافات في الكثافة. في مُعادات الغليان من نوع غلاية لا توجد دورة للسائل الثانوي، وتُغمر الأنابيب في بركة من السائل.

الجدول 2.13.3 معاملات نقل الحرارة النموذجية لبعض المبادلات الحرارية من نوع غلاف وأنابيب

على الرغم من أنه من المرغوب تحقيق التكثف بالقطرات في جميع هذه التطبيقات، إلا أنه غالبًا من الصعب الحفاظ عليه وغير متوقع. للبقاء عمليًا، تعتمد حسابات التصميم generally على افتراض التكثف بالأفلام.

يمكن تقدير مساحة نقل الحرارة لمبادل حراري من نوع غلاف وأنابيب باستخدام المعادلة 2.5.3. على الرغم من أن هذه الوحدات عادة ما تُحدد أيضًا بالتشاور مع المصنفين، يتم توفير بعض معاملات نقل الحرارة الإجمالية النموذجية حيث يُستخدم البخار كوسط تسخين (والتي تتضمن مسموحًا لتراكم الأوساخ) في الجدول 2.13.3، كدليل.

مبادلات حرارية من أنابيب مموجة

أحد التطورات في تصميم المبادل الحراري التقليدي من نوع غلاف وأنابيب، هو التطور الحديث للمبادل الحراري من أنابيب مموجة. هذا مبادل حراري ثابت اللوح ممر واحد مع غلاف مُلحّم، وأنابيب مموجة خطية مناسبة للسوائل منخفضة اللزوجة. بطريقة مشابهة لمبادلات الألواح الحرارية، تعزز الأنابيب المموجة ظروف التشغيل المضطربة التي تزيد من نقل الحرارة وتقلل من تراكم الأوساخ. مثل المبادلات الحرارية التقليدية من نوع غلاف وأنابيب، تُثبّت هذه الوحدات عادة بشكل أفقي. ومع ذلك، في المبادل الحراري من الأنابيب المموجة يجب أن يكون البخار دائمًا على جانب الغلاف.

مبادلات حرارية حلزونية

تشارك المبادلات الحرارية الحلزونية العديد من الخصائص المشابهة مع المبادلات الحرارية من نوع غلاف وأنابيب والمبادلات من الألواح وتُستخدم في كثير من نفس التطبيقات تتكون من صفائح معدنية مُصنعة تُشكّل بالبرد وتُلحّم لتكوين زوج من القنوات الحلزونية المتحدة المركز، والتي تُغلق بألواح طرفية مُحكمة بجوانات مُثبّتة على غلاف خارجي. عادة ما يكون الاضطراب في القنوات عاليًا، مع الحصول على خصائص تدفق متطابقة لكلا السائلين. هي أيضًا سهلة التنظيف نسبيًا ويمكن استخدامها لسوائل وعجائن ذات تراكم أوساخ ثقيل جدًا. استخدام ممر واحد فقط لكلا السائلين، مع إحكام الوحدة، يعني أن انخفاضات الضغط عبر التوصيلات عادة ما تكون منخفضة جدًا.