طرق معالجة المبادلات الحرارية

المبادلات الحرارية Heat Exchangers

ما هي فكرة التبادل الحراري خلال المبادلات الحرارية؟
تنتقل الحرارة عادة ً من المواد الحارة الى المواد الباردة ويؤدي ذلك الى أنخفاض درجة حرارة المواد الحارة وارتفاع درجة حرارة المواد الباردة ويكون مقدار الحرارة المفقودة مساوياً للحرارة المكتسبة مضافاً أليه الحرارة المتسربة الى الجو. وكالآتي:
الحرارة المفقودة = الحرارة المكتسبة + الحرارة المتسربة الى الجو
ويتم أنتقال الحرارة في المبادل الحراري بصورة رئيسية بطريقتي التوصيل Conduction والحمل Radiation حيث أن حرارة المادة تنتقل الى جدران حزمة الأنابيب بواسطة الحمل وخلال جدران حزمة الأنابيب الى الجهة الثانية بواسطة التوصيل وعن طريق جزيئات المعدن ومن ثم من الجدار الخارجي لحزمة الأنابيب الى المادة التي تجري خلال القشرة الخارجية للمبادل الحراري بواسطة الحمل مرة ثانية.

ما هو الغرض من المبادلات الحرارية؟
أن الغرض الأساسي من أستعمال المبادلات الحرارية هو الأقتصاد في النفقات ، حيث أن تكاليف تسخين النفط الخام على سبيل المثال يحتاج الى الكثير من الوقود والطاقة ، في حين تجد في نفس الوحدة منتجات نفطية بحاجة الى تبريد قبل أرساله الى الخزانات لذا يمكن أداء الوظيفتين في مبادل حراري واحد أو مجموعة من المبادلات الحرارية.
أن بخار الماء يعتبر من أوساط التسخين الشائعة في الصناعة النفطية ، وخاصة الغلايات Reboilers حيث أنه يعطي حرارته الى المنتج النفطي ويتحول بدوره الى ماء. أن البخار المتكثف من عمليات التسخين هذه يتم إعادته الى (منظومة مغلقة) ليُعاد أستعماله كماء مغذي للمرجل لأنتاج البخار. علماً أن البخار ليس مسخناً رئيساً في تكرير النفط الخام أذ أن النفط الخام يُسخّن بشكل أساسي في الأفران.

حالات جريان الموائع في المبادلات الحرارية :
هناك حالتان لأتجاه جريان الموائع في المبادلات الحرارية وهي:
1. الجريان الموازي Parallel Flow يكون أتجاه جريان الموائع في هذه الحالة متشابهاً ، أي أن المائعين يسيران بنفس الأتجاه. كما في الشكل:

2. الجريان المعاكس Counter-Current Flow يكون أتجاه جريان المائعين متعاكساً أي أن المادتين تسيران بأتجاهين متعاكسين وكما في الشكل:

أن المحور الأفقي X-Axis في الشكلين أعلاه يمثلان طول المبادل ويلاحظ في الجريان المتعاكس ثبوت فرق درجات الحرارة تقريباً على طول المبادل الحراري بينما في الجريان المتوازي يلاحظ أن الفرق كبير جداً في دخول المبادل ويقل على أمتداد طوله. وأثبتت التطبيقات العملية أن الجريان المتعاكس كفاءته أكثر من الجريان المتوازي.

أنواع المبادلات الحرارية (تبعاً لطبيعة عملها):
يستعمل المبادل الحراري عادة ً للأغراض التالية:
1. تسخين سائل أو غاز.
2. تبريد سائل أو غاز.
3. تكثيف بخار.
4. تبخير سائل.

تسمى المبادلات الحرارية حسب عملها ووظيفتها كما يلي:
1. المسخنات Heaters : وهي المبادلات التي تستعمل سائلاً ساخناً لتسخين مائع.
2. المبردات Coolers : وهي المبادلات الحرارية التي لتبريد الموائع بواسطة سائل آخر ويستعمل الماء عادة ً لهذا الغرض ويسمى ماء التبريد Cooling Water وفي حالة
أستعمال الهواء تسمى المبردات الهوائية Air Coolers.
3. المكثفات Condensers: وهي المبادلات الحرارية التي تستخدم لتكثيف البخار أو مزيج أبخرة أو بوجود غازات قابلة للتكثيف (كوجود الهواء مع بخار الماء) وعملها
الرئيس هو إزالة أو أمتصاص الحرارة الكامنة للتبخير Latent Heat ويستعمل الماء لهذا الغرض عادة ً .
4. المبخرات Evaporators : تستخدم لتبخير سائل مذيب من محلول معين وتستخدم عادة لتركيز المحاليل بواسطة تبخير الماء (من هذه المحاليل المائية).
5. الغلايات Reboilers: وهي المبادلات الحرارية التي تستعمل عادة لتسخين قعور أبراج التقطير لفصل المشتقات عن بعضها أو لأبراج التجزئة (لفصل بعض الغازات عن
السوائل) ويستعمل بخار الماء بشكل واسع في الصناعة النفطية.

كما يمكن تصنيف المبادلات الحرارية تبعاً لعدد الأطوار. وكالآتي:
1. مبادلات أحادية الطور : وهي المبادلات الحرارية التي يتم فيها التبادل الحراري بين مائعين (بنفس الطور) ولا يحدث تغير في حالة (طور) أحد هذين المائعين.
2. مبادلات متعددة الأطوار: وهي المبادلات الحرارية التي يتم فيها التبادل الحراري مع حدوث تغير في حالة (طور) أحد هذين المائعين ، فمثلاً يتبخر أحدهما أو يتكثف أثناء
التبادل الحراري.

كما يمكن تصنيف المبادلات الحرارية تبعاً لتصميمها. وكالآتي:
1. المبادلات ذات الرأس ذكون هناك فرق كبير في درجات حرارتها ولك لكون طرفي الحزمة ثابتين ولا توجد حماية أو أحتياطات للتمدد الحراري الكبير وكذلك يستعمل للضغوط الواطئة
للموائع. ويستعمل للموائع بحيث لا تتجاوز أقصى حرارة لها 150 °م.
2. المبادلات ذات الرأس السائب Floating Head Exchangers: في هذا النوع من المبادلات تثبت أحدى صفيحتي الأنابيب من طرف وتترك سائبة من الطرف الآخر وذلك لكي تسمح
بتمدد حزمة الأنابيب نتيجة التمدد الحراري وخاصة إذا كانت الفروق الحرارية كبيرة بين المائعين ويستعمل هذا النوع على نطاق واسع جدا في الصناعة النفطية ويكون سهل
التنظيف عند أجراء أعمال الصيانة.
3. المبادل الحراري ذو شكل حرف يو U-Type Exchengers: في هذا النوع من المبادلات تكون حزمة الأنابيب على شكل حرف U ومثبتة على صحيفة واحدة للأنابيب وفي هذا النوع
تتمدد الأنابيب بحرية تامة. كذلك يكون عدد نقاط الأتصال أو الربط للأنابيب مع صفيحة الأنابيب أقل منه في المبادلات الأخرى (لوجود صفيحة أنابيب واحدة) ويستعمل عادة في
الغلايات وخاصة التي تسخن البخار ويستعمل لدرجات الحرارة والضغوط العالية إلا أنه صعب التظيف بالوسائل العادية مقارنة بالأنواع الأخرى. وتستعمل لتنظيفه وسائل ميكانيكية
حديثة كأستعمال الماء ذو الضغط العالي أو فرش دقيقة وخراطيم مرنة. وهذا النوع شائع الأستعمال في الصناعة النفطية.
4. المبادل الحراري ذو الأنبوب المزدوج Double Pipe heat Exchanger : وهو المبادل الحراري الذي هو عبارة عن أنبوب خارجي وانبوب داخلي آخر أقصر وتمر المادة خلال
الانبوب الخارجي والمادة الاخرى المراد تبريدها او تسخينها خلال الانبوب الداخلي.

الملاحظات الواجب أتباعها أثناء تشغيل المبادلات الحرارية :
1. عند تبريد المنتجات النفطية ذات الحرارة المرتفعة جداً يجب أن يكون مرورها خلال أنابيب المبادلة الحرارية يجب أن تكون سرعتها بطيئة جداً في البداية ومن ثم تزداد
سرعتها تدريجياً ، لأن السرعة العالية في البداية قد تؤدي الى تدمير حزمة الأنابيب والمبادلة ككل.
2. الترسبات: أن المياه المستعملة في التبريد تحتوي على كمية لا بأس بها من الشوائب والأملاح التي تترسب على جدران الأنابيب الداخلية لحزمة الأنابيب وهيكل المبادل
Shell إذا كان يمر خلاله وذلك لأرتفاع درجة الحرارة للماء لأكتسابه كمية من الحرارة من المادة المراد تبريدها ، لذا يتوجب تنظيف المبادلة لأزالة الترسبات وبالتالي زيادة
كفاءة التبادل الحراري.
3. مراعاة أن تدخل السوائل الموائع الحارة التي يراد تبريدها من الجهة العليا للموائع وذلك بسبب زيادة الكثافة بأنخفاض الحرارة مما يولد ميلاً نحو الجريان للأسفل وسوف
يساعد ذلك عمل المبادل وعدم وجود مقاومة أكبر للجريان (أو لفقدان الضغط) .وعليه يلاحظ في جميع المبردات الهوائية دخول المائع (الحار) من الأعلى وخروجه من
الأسفل.

عند الحديث عن المبادلات الحرارية من نوع shell & Tube فأن هناك سؤال دائماً ما يتبادر الى الذهن :
أي من السائلين يتم وضعه في shell ، وأي منهما يتم وضعه في الأنابيب tubes. الجواب هو التالي:

يجب وضع سائل ما في الأنابيب Tubes ، في الحالات التالية:

1. عند الحاجة الى أنابيب مصنوعة من نوع خاص من السبائك المعدنية تقاوم التآكل ودرجات الحرارة العالية. حيث أن هذه المواد تكون مطلوبة في الأنابيب فقط ، فإذا
كان السائل الذي يمر في shell يسبب التآكــل فأن كلاً من shell – tube يجب أن يكون محمياً بسبيكة خاصة.
2. السائل في ضغوط عالية . حيث إذا السائل بضغط عال يجب وضعه في الأنابيب لأن ذلك أقل كلفة ً حيث أنها تكون ذات قطر أقل من الـ shell(والتي ستحتوي السائل
الأقل ضغطاً).
3. احتواء السائل على البخار والغازات غير المتكثفة. حيث أن هذا السائل سيحدث تبادلاً حرارياً أكبر إذا كان في الأنابيب.
4. أن يكون السائل مسبباً للصدأ لذا يجب أن يكون في الأنابيب ، حيث يمكن معالجته.

يجب وضع السائل في الـ shell في الحالات التالية:

1. إذا كان المطلوب فرق ضغط قليل small pressure drop.
2. أذا كان السائل لزجاً viscous. حيث أن هذا سيؤدي الى فرق ضغط قليل وسيكون التبادل الحراري أكبر.
3. عند الحاجة الى الغليان. حيث يجب تصميمها على نمط الغلاية kettle.
4. السائل يحتوي على غشاء ضعيف.

المبادل الحراري نوع Plate & Frame:

1. قليل الكلفة ( وخاصة ً للسوائل التي تسبب التآكل).
2. أصغر وأخف مقارنة بمبادل حراري نوع shell & Tube بنفس الكفاءة الحرارية.
3. قلة عمليات الصيانة بالأضافة الى سهولة زيادة سعته من خلال أضافة المزيد من الصفائح plates .
4. بعض المصممين لا يفضلون أستخدامه في الصناعة النفطية إلا في ظروف معينة (درجة حرارة أقل من 300 ̊ F وضغط يتراوح بين 150 – 300 psig).
5. لا يمكن أستخدام هذا النوع من المبادلات الحرارية لسوائل عالية اللزوجة.
6. يجب أختيار الصفائح من مواد مقاومة للتآكل.

المبادل الحراري التي تستخدم الهواء Aerial H.Ex:

وهي المبادلات التي تستعمل الهواء في تبريد الغازات الى درجة حرارة مقاربة لدرجة حرارة الجو ، ومبدأ عمل هذا النوع من المبادلات هو سحب الهواء عمودياً من الأعلى أو الأسفل ليتلامس مع أنابيب الغاز الأفقية التي تتفرع من أنبوب واحد للدخول ومن ثم تتحد الى أنبوب واحد للخروج ويتم التحكم بدرجة الحرارة بأربع طرق:

1. زاوية ميل ريش المروحة blade pitch.
2. سرعة دوران محرك المراوح الذي يؤدي الى زيادة كمية الهواء المستعمل التبريد.
3. كما يمكن التحكم بزاوية ميل شقوق التهوية louvers. والتي يمكن التحكم بها أوتوماتيكياً أو يدوياً.
4. تدوير قسم من الغاز المراد تبريده عند تغير درجات الحرارة.

مسخنات التسخين المباشر Direct Fired Heaters ومسخنات التسخين غير المباشر indirect Fired Heaters:

يستخدم النوع الأول التسخين المباشر من خلال الشعلة و/ أو نواتج الأحتراق من خلال الأشعاع Radiation والحمل Convection ، ولكن الدور الأكبر هو للأشعاع حيث يجري السائل المطلوب في أنابيب حول الشعلة flame وتتلقى هذه الأنابيب القدر الأكبر من الحرارة مباشرة ً عن طريق الأشعاع في حين تكون هناك كمية قليلة من الحرارة عن طريق تيارات الحمل من الهواء الساخن بين الشعلة والأنابيب أما النوع الثاني فلا يحصل تلامس بين المادة المطلوبة ونواتج الأحتراق ويتم تسخين وسط آخر مثل (الماء – البخار – أو أي سائل آخر) لتسخين النفط أو الغاز . ويفضل أن تكون المسخنات بعيدة نسبياً عن بقية الوحدات في الصناعة النفطية ، حيث يمكن التعامل معه في حالات الحريق أو الحالات الطارئة.

كيفية السيطرة على درجة الحرارة في المبادلات الحرارية
Temperature Control in Heat Exchangers

تعد المبادلات الحرارية من أكثر المعدات أنتشاراً في المعامل والمصانع ووحدات إنتاج ومعالجة النفط والغاز الطبيعي ، كما أنها تعتبر الأصعب في السيطرة لصعوبة السيطرة على درجة الحرارة ، وممن الضروري التعرف على كيفية عمل المبادلات الحرارية ولو بشكل مبسط ، حيث أن مبدأ عملها هو وجود مائعين بدرجتي حرارة مختلفتين وحدوث تماس غير مباشر بينهما (دون أختلاطهما) لوجود عازل فيزياوي بينهما ، تميل درجة حرارة المائعين للتساوي.
ومن خلال ترتيب التدفق المتعاكس Counter Current Flow فأن من الممكن أن تكون درجة حرارة المائع الخارج لأحد المائعين قريبة من درجة حرارة المائع الداخل للمائع الآخر ، حيث يتم التبادل الحراري بينهما مع عدم حدوث زيادة أو نقصان في الطاقة.
بما أن المحتوى الحراري للمائعين غير ثابت ، لذا يجب مراعاة تصميم المبادل الحراري لأسوأ الحالات ، وأن يتم تحقيق درجات الحرارة المطلوبة لكلا المائعين من خلال السيطرة على هذه العملية ، كما يتم مراعاة جعل حجم المبادل الحراري أكبر من المطلوب ، لأن كفاءته ستقل بعد فترة معينة بسبب تزايد الرواسب داخله ، وعند صيانته وتنظيفه سترجع مساحة التبادل الحراري الى وضعها الأصلي.

ما الذي يتم قياسه في المبادل الحراري؟
أن الشيء الوحيد الذي يمكن السيطرة عليه هو كمية الحرارة التي يتم تبادلها ، حيث يتم السيطرة على درجة حرارة أحد المائعين ، ولا يمكن السيطرة على درجة حرارة المائعين ، لأن الحرارة تنتقل من أحدهما الى الآخر. لذا من المهم جداً أن يتم تحديد المكان الذي تكون فيه درجة الحرارة ثابتة ، من خلال وضع معدة معينة على خط خروج أحد المائعين ، كأن يكون صمام جانبي Bypass valve ومزج قسم من المائع الحار مع المائع البارد ويجب أن تكون وسيلة السيطرة في أقرب نقطة ممكنة من خط خروج المائع من المبادل الحراري لأن بعدها سيجعل عملية السيطرة صعبة .

ما هو المائع الذي يمكن التحكم به؟
وهو الأعتبار المهم الثاني ، حيث يحتوي المبادل الحراري من نوع Shell & Tube على أربع مداخل للمائعين ، أثنان منهما للدخول والأثنان الآخران للخروج ، مما يستوجب أختيار المائع المناسب للدخول في الأنابيب Tubes وأيهما في القشرة Shell لذا هناك العديد من الترتيبات كما موضح في الشكل أدناه ، على أفتراض أن المائع الموجود في القشرة هو الذي سيتم التحكم في درجة حرارته وسيتم تسمية هذا المائع ب Process ، والمائع الآخر سيشار أليه ب Medium وأدناه جميع الأحتمالات:

1. خنق خط خروج مائع Process .
2. خنق خط دخول مائع Process.
3. فتح الخط الجانبي لمائع Process مع تقليل خط الخروج.
4. فتح الخط الجانبي لمائع Process مع تقليل خط الدخول.
5. خنق خط خروج مائع Medium .
6. خنق خط دخول مائع Medium.
7. فتح الخط الجانبي لمائع Medium مع تقليل خط الخروج.
8. فتح الخط الجانبي لمائع Medium مع تقليل خط الدخول.

ورغم كثرة الأحتمالات ، فهناك قسم منها أفضل من الآخر، ويكون الأختيار الأفضل تبعاً للحالة المطلوبة. وفي أدناه سيتم تحليل كل هذه الأحتمالات وبيان الأفضل منها :

خنق مائع Process :
أن من غير المنطقي التحكم بدرجة حرارة مائع Process من خلال خنق خط الدخول أو الخروج ، ويمكن التحكم بكمية التدفق flowrate بواسطة معدات أخرى كمسيطر التدفق flowmeter ، مما سيؤدي الى تغير درجة الحرارة تبعاً لمعدل التدفق وذلك لتأثيره على زمن المكوث residence time وبالتالي ستكون درجة حرارة خروج مائع Process قريبة من درجة حرارة دخول مائع Medium . كما أن أية تغيرات في معدل التدفق لأي سبب كان ، قد تؤدي الى تغيرات كبيرة في درجة الحرارة ، لذا يجب علينا التفكير في الأحتمالات الأخرى.

فتح الصمام الجانبي Bypass لمائع Process :
حيث يمكن السيطرة على هذه الحرارة من خلال نصب صمام جانبي Bypass valve وكلما أرتفعت درجة الحرارة يمكن أن يفتح الصمام الجانبي لتجاوز المبادل الحراري والحيلولة دون المزيد من التسخين لهذا المائع ، ومع تحقيق المزيد من الخلط Mixing يتم تحقيق الحرارة المطلوبة.
ويبدو هذا الأحتمال جيداً لكن مع استعمال بعض الأضافات ، حيث يمكن نصب نوعين من صمامات السيطرة Control Valves ، كما يجب تقليل فرق الضغط Pressure Drop دائماً ومن ثم الحفاظ عليه ثابتاً . ويجب عدم تغيير معدل التدفق الكلي وللحفاظ على معدل التدفق يجب أستعمال صمام الفراشة Butterfly Valve .

أن فتح صمام الفراشة فتحة كاملة Fully Open سيؤدي الى زيادة فرق الضغط وقد يصل الى حد أكبر من معدل الضغط للمبادل الحراري نفسه ، مما يعني أنه مع فتح الصمام بشكل كامل فأن نصف معدل التدفق سيتجاوز المبادل من خلال الصمام الجانبي.
ولتحقيق التبادل الحراري الصحيح يجب وضع مسيطر تدفق flow control وتتم معايرته لكي يتلائم مع العملية ، ويمكن وضع صمام يدوي لهذا الغرض.
وبما أن مكان وجود هذه الصمامات يكون في أماكن يصعب الوصول أليها ، لذا يتوجب جعلها صمامات سيطرة ، حيث مع فتح الصمام الجانبي فتحة كاملة يتم غلق صمام السيطرة وبالعكس.

بهذه الطريقة يمكن التحكم بالصمامين من خلال معايرة Positioner الصمام بالشكل الذي يجعل صمام الخروج يفتح عن أشارة 0-50% ويغلق عند أشارة 50-100% وبهذا الترتيب يكون أحد الصمامين على الأقل مفتوحاً من 50-100% وبشكل دائم.

كما يمكن الحصول على ترتيب آخر وهو المحافظة على فرق الضغط ، ومن ثم معدل التدفق ثابتاً ، ويتحقق ذلك من خلال غلق صمام الخروج عند بدء الصمام الجانبي بالفتح. حيث سيصبح مغلقاً كلياً fully closed عندما يصبح الصمام الجانبي مفتوحاً كلياً fully open . ويمكن نصب صمام ثلاثي الأتجاه three-way valve لكي يقوم مقام صمامين في مكان واحد ، ويمكن في هذه الحالات نصب صمام فراشة Butterfly valve مع ربطه ب Actuator واحد مما سيؤدي الى فتح الأول وغلق الثاني ، كما أن من الممكن نصب I/P واحد للصمامين أو أثنين على التوالي للحصول على أشارتين منفصلتين.

خنق مائع Medium :

يجب عدم أستخدام صمام جانبي للموائع التي يتم تسخينها ولديها ميل (للتكسر أو التفكك) مثل بعض الصناعات الغذائية او البترولية او بعض المواد الكيمياوية التي قد تتبلمر في درجات حرارة عالية.
وفي هذه الحالات تكون المشكلة في أن درجة حرارة الخط الخارج مزيج من خط التجاوز (الخط الجانبي) والخد الخارج من المسخنة أو المبادل حيث يمكن أن تصل درجة الحرارة الى حدود عليا أي أنها لا تصل الى درجة حرارة المعدل (المطلوبة) .
وفي هذه الحالات يتم السيطرة على درجة حرارة مائع process من خلال خنق صمام خروج مائع Medium مما يسهّل التحكم بدرجة الحرارة.

وهذا المثال بسيط جداً حيث يتم تجهيز النفط الساخن لتسخين مائع Process ، والمطلوب هو الحفاظ على درجة حرارته ثابتة . حيث لا يوجد سبب منطقي للحفاظ على معدل تدفق التفط ويمكن خنقه للحفاظ على درجة الحرارة وكما مبين في المثال أعلاه. أن تأثير خنق خط الدخول أو الخروج هو نفسه ، لذا يجب أن نأخذ أموراً أخرى بنظر الأعتبار مثل الحفاظ على ضغط المائع الحار لتقليل أحتمالات تحرر الغازات المذابة.
ومن النادر جداً عدم أستخدام الصمام الجانبي في المبادلات الحرارية التي تقوم بتبريد مائع Process ، كما أن من غير المرغوب لخنق ماء التبريد لأنه يسبب التآكل. ولهذا الغرض يتم وضعه في الأنابيب لا في القشرة وذلك لتجنب تكون الترسبات وللحفاظ على معدل السرعة. وإذا كان من الضروري خنق سائل التبريد يجب الأخذ بنظر الأعتبار درجة غليان سائل التبريد ، ويجب الحفاظ على ضغط السائل. كما أن خنق الصمام الداخل حالة نادرة جداً.

التبادل التعاكسي Cross Exchangers :

عند أستخدام المبادلات من هذا النوع والتي كون فيها المائعان في حركة متعاكسة يجب عدم وضع أية مسيطرات حرارة تعرقل جريان اي منهما ، ومثال ذلك درجة حرارة أسفل برج التقطير التي يتم أدخالها في مبادل حراري بالتعاكس مع الداخل الى البرج ، ويتطلب البرج درجة حرارة عالية في الأسفل لكن الحرارة لا يتم أستهلاكها في العملية ولا نحتاج اليها ، حيث ترجع الى خط تغذية البرج ، وهي طريقة مناسبة للحفاظ على الطاقة دون التأثير على النظام مع عدم التأثير على السائلين أيضاً ويمكن التحكم بدرجة الحرارة من خلال وضع صمام جانبي أحد السائلين أو كليهما ، أن المبادل الحراري التعاكسي Counter- Current Cross Exchangers يتم استخدامه بشكل واسع للحيلولة دون فقدان الحرارة .

التبادل الحراري بأستخدام الهواء Aerial Coolers :

يعتبر هذا النوع من المبادلات نوع خاص من مبادلات Shell & Tube التي تكون فيها القشرة هي لوحدة التبريد ويتم أستخدام مروحة كبيرة للتبريد بأستخدام الهواء ، وعادةً يكون من الأسفل ليمر خلال الأنابيب وكما في الأنواع الأخرى من المبادلات الحرارية يمكن السيطرة على درجة الحرارة من خلال التحكم بتدفق اي من المائعين. كما توجد ثلاث طرق أخرى لهذا الغرض وهي: التحكم في فتحات التهوية Louver - التحكم في زاوية ميل الريش fan Pitch control - والتحكم بسرعة المروحة. وفيما يلي شرح لكل من هذه العوامل بالتفصيل:
التحكم في فتحات التهوية Louvers Control :
أن لهذه الطريقة بعض السلبيات حيث من الصعب الحفاظ على درجة حرارة ثابتة بسبب تجمع الأوساخ والعوالق بمرور الزمن ، وخاصة في البيئات المتربة والرملية. أما في البيئات التي يحصل فيها تغيرات مناخية كبيرة يمكن السيطرة على درجة حرارة الهواء ومنع الأنجماد ويتم تزويد هذه الوحدة بمسيطر لزاوية هذه الفتحات في الجزء العلوي ، حيث يتم تحسس درجة الحرارة بواسطة متحسس حرارة Temperature Sensor للهواء فوق المروحة ويسيطر على الحرارة من خلال تغيير فتحة التهوية وغلق مدخل الهواء والشكل التالي يوضح هذه العملية.

التحكم في زاوية ميل الريش Fan Pitch Control :
وهي طريقة أخرى للسيطرة على درجة الحرارة وتساعد في التقليل من أستهلاك الطاقة ، وكما في طرق التبادل الحراري الأخرى فأن لهذه الطريقة بعض التحديدات حيث في البلدان الباردة يتم إطفاء بعض المراوح بسبب برودة الجو ، مع بقاء المراوح في العمل رغم نزول قياس الزاوية الى صفر ، مما قد يسبب زيادة في التبريد كما أن هذا النوع من المراوح بحاجة الى الكثير من الصيانة لذا يجب مراعاة جعلها سهلة التزييت والتصليح.

التحكم في سرعة المروحة Variable speed Fan Control :
وهي من أكثر المسيطرات شيوعاً ، وخاصة ً في المناطق التي تكون فيها تغييرات مناخية كبيرة حيث يمكن السيطرة على سرعة المروحة من خلال المحرك الكهربائي ، حيث أن تقليل سرعة المروحة الى النصف يقلل الطلب على الطاقة الى 85% (أن القدرة الكهربائية تتناسب مع مكعب سرعة المروحة) .

السيطرة المركبة Combination Control :

أن المبادل الحراري يستعمل عادة ً للتسخين أو التبريد لسائل معين يمكن التحكم بمعدل تدفقه. ويتم ذاك من خلال وضع صمام ثلاثي الأتجاه Three-way valve أو صمامين من نوع الفراشة Butterfly valve لغرض السيطرة على التبادل الحراري مع استخدام صمام آخر لغرض السيطرة على التدفق ويمكن وضعه قبل أو بعد المبادل الحراري
يمكن السيطرة بصمامين في حال السيطرة على صمام الدخول والصمام الجانبي بشكل مستقل بحيث يتم التحكم بالمنظومة كلها بواسطة مسيطر تدفق أما الفرق بين صمامي السيطرة فيتم السيطرة عليها بواسطة مسيطر لدرجة الحرارة ، وتتم السيطرة الكاملة بواسطة صمامين.
ويمكن ملاحظة ذلك من خلال المخطط المقابل حيث يستخدم الماء المغذي للمسخنة boiler لتبريد الخط الخارج من مكثف الكبريت sulfur condenser في حين يتم تسخين الماء تسخيناً أبتدائياً . أن وجود بخار الكبريت في الأنابيب Tubes أمر مزعج في حين يكون الماء في القشرة Shell ولغرض التأكد من عدم غليان الماء سنقوم بوضع الصمامات في طرف الخروج.

أما الصمام الذي يسيطر على مخرج المبادل الحراري Heat Exchanger outlet يستلم أشارة مساوية لنصف مجموع خرج Output المسيطرين الآخرين ، أن الفرق بين التدفقين يعتمد على مسيطر معدل التدفق. وفي حال فشل الصمامين في الفتح فأن UY-A و UY-B سيقومان بإعطاء القيمة الصحيحة لنتيجة أفضل.

حماية المبادلات الحرارية :
أن المبادل من نوع الأنابيب والقشرة Shell & Tube لا يحتوي على أجزاء متحركة ، كما لا تدخل اليه أي من أنواع الطاقة الخارجية ، لذا فهو يحتوي على بعض معدات الحماية الميكانيكية ، وبعض المعدات الأخرى . فالمبادل الحراري يكون معرضاً الى التآكل الشديد ، لذلك يجب نصب متحسسات التآكل وتتألف من نفس مواد من نفس مادة المبادل الحراري ، لتقوم بقياس مستوى التآكل.
كما أن وحدات التبريد بالهواء Aerial Coolers يجب حمايتها من المحركات الكهربائية ، كما هناك خطورة محتملة من تطاير ريش مراوح التبريد في حال عدم تثبيتها بشكل صحيح ، أو بسبب أهتزازها Vibration والذي قد يؤدي الى تضررها بشكل كبير.
كما تحتوي المبادلات الحرارية على صمامات أمان Safety Relief Valves والتي تحميها من الضغط الزائد ، وتقوم بتصريفه.

[img]

[/img]

[img]

[/img]

[img]

[/img]

[img]

[/img]

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.

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

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.

[img]

[/img]

عمليه غسيل المبادل الحراري

تتوقف علي نوع الاستخدامات للمبادل وهل المبادل يقوم بالعمل عليه زيت مع زيت او زيت مع بخار او زيت مع مياه بارده للتبريد وعند غسيل الجهه التي يتم المرور به سواء wax هنا شموع او زيوت يتم اتباع الاتي:-

1) غسيل المبادل بالمياه اولا وزلك لطرد جميع اثار الشحوم والزيوت من المبادل وبالتالي عند استخدام الصودا الكاويه لايحدث تصبن وبالتالي يحدث انسداد للمبادلوتكون درجه الحراره من 60-80 م بعد التاكد من مواصفات المبادل وهي غالبا مسجله علي كل مبادل وفي حدود 90 -110 م

2) بعد التاكد من عدم وجود اي اثار من الزيوت والشموع في راجع المياه يتم استخدام صودا اش في اول عمليه غسيل

3) يتم في الخطوه الثالثه الغسيل بالصودا الكاويه تركيز 4% في حدود 8 بوميه
وتكرر عمليه الغسيل بالصودا مره اخري للتاكد من نظافه المبادل

4) يتم الغسيل بالمياه وحمض الستريك حتي تمام التخلص من اثار الصودا الكاويه عن طريق الكشف بالفينول فثالين

ملحوظه_

يتم التأكد من ضغط الطلمبه المستخدمه في عمليه الغسيل بحيث لاتذيد عن ضغط المبادل او يتم تركيب عداد ضغط علي طرد الطلمبه لمعرفه الضغط وليس هناك علاقه بين ضغط التشغيل والغسيل المهم الا يذيد الضغط عن ضغط المبادل

» معالجة وتنظيف وغسيل المبادلات الحرارية لمصنع الشركة المصرية للعبوات الزراعية-السادات
» اعادة تاهيل المبادلات الحرارية
» غسيل المبادلات الحرارية وابراج التبريد لشركة اكوح للبلاستيك
» المبادلات الحرارية الزجاجية لابراج التبريد( تنظيف/تركيب/اعادة تاهيل)
» غسيل المبادلات الحرارية من الداخل والخارج وشبكة المواسير للشركة المصرية للعبوات الزراعية-مدينة السادات