المبادلات الحرارية ذات الزعانف اللوحية - دليل التصميم والاختيار والتحجيم والصيانة الفعال

1. المبادلات الحرارية ذات الزعانف اللوحية - نظرة عامة والمزايا الأساسية

المبادلات الحرارية ذات الزعانف اللوحية عبارة عن أجهزة حرارية عالية الكفاءة مصممة لنقل الحرارة بين سائلين أو أكثر مع الحفاظ على الحجم الصغير والبنية خفيفة الوزن. وهي تتكون من صفائح معدنية مكدسة مفصولة بحزم زعانف تخلق ممرات تدفق متعددة. تزيد هندسة الزعانف من مساحة السطح وتعزز الاضطراب لتحسين نقل الحرارة بالحمل الحراري. تشمل المزايا النموذجية ارتفاع نسبة مساحة السطح إلى الحجم، والوزن المنخفض لكل كيلوواط، والقدرة على التدفق المتعدد (هواء إلى هواء، ومن غاز إلى زيت، ومن سائل إلى غاز)، وسهولة التخصيص لمتطلبات الضغط ودرجة الحرارة ومعدل التدفق.

2. اعتبارات التصميم والبناء

يبدأ التصميم العملي بتحديد الواجب (الحمل الحراري)، ودرجات حرارة المدخل/المخرج، والحد الأقصى المسموح به لانخفاض الضغط، وخصائص السوائل. متغيرات البناء الرئيسية التي تحدد الأداء هي نوع الزعنفة، وارتفاعها وتباعدها، وسمك اللوحة، واختيار المواد، وطريقة اللحام أو اللحام، وترتيب التدفق (التدفق المتقاطع، أو التدفق المعاكس، أو التمرير المتعدد). عادةً ما يقوم المصممون بنمذجة نقل الحرارة باستخدام طرق فرق درجة الحرارة المتوسطة (LMTD) والتحقق باستخدام ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) عند وجود وزن ضيق أو قيود حرارية.

2.1 المواد والنحاس والمقاومة للتآكل

المواد المستخدمة عادةً هي الألومنيوم (خفيف الوزن، موصلية حرارية ممتازة)، الفولاذ المقاوم للصدأ (ضغط / درجة حرارة أعلى، مقاومة للتآكل)، والنحاس (موصلية ممتازة ولكن أثقل وأكثر تكلفة). يعتبر اللحام بالنحاس (سبائك الألومنيوم أو النحاس) أمرًا شائعًا لربط الصفائح والزعانف؛ ينتج اللحام الفراغي وصلات موثوقة للوحدات الفضائية والمبردة عالية الأداء. حدد المواد وطرق الانضمام بناءً على درجة حرارة التشغيل وكيمياء السوائل والقوة الميكانيكية المطلوبة.

2.2 هندسة الزعانف وتأثيرها على انتقال الحرارة وانخفاض الضغط

تتحكم هندسة الزعانف (العادية، المثقبة، ذات التهوية، المتموجة، أو ذات الشريط المتوازن) في التوازن بين معامل نقل الحرارة وانخفاض الضغط. تعمل الزعانف ذات الفتحات والشريط المتوازن على زيادة الاضطراب وانتقال الحرارة ولكنها تزيد أيضًا من انخفاض الضغط؛ تعمل الزعانف البسيطة على تقليل انخفاض الضغط ولكنها تتطلب مساحة أمامية أكبر للقيام بمهمة مماثلة. تتمثل ممارسة التصميم النموذجية في اختيار الزعنفة التي تلبي الحد المسموح به ΔP مع تقليل الوزن والمنطقة الأمامية.

3. الأداء الحراري: قائمة المراجعة الحسابية

اتبع قائمة المراجعة هذه خطوة بخطوة لتقدير الأداء الحراري للتصميم الأولي:

• تحديد درجات حرارة الدخول/الخروج ومعدلات التدفق الشامل لكل تيار.
• حساب الرسوم الحرارية المطلوبة Q = ṁ·c_p·ΔT لجميع التدفقات.
• اختر هندسة الزعانف وقم بتقدير معاملات الحمل الحراري على الجانب الفردي (استخدم الارتباطات أو بيانات البائع).
• حساب معامل انتقال الحرارة الإجمالي U بما في ذلك كفاءة الزعانف والتوصيل من خلال اللوحات.
• استخدم A = Q / (U·LMTD) لتقدير مساحة نقل الحرارة المطلوبة؛ التكرار مع قيود انخفاض الضغط.

4. انخفاض الضغط والحدود الميكانيكية – مقايضات عملية

غالبًا ما تكون تصميمات الزعانف اللوحية مقيدة بانخفاض الضغط المسموح به. تعمل كثافات الزعانف العالية وهندسة الزعانف العدوانية على زيادة نقل الحرارة ولكنها تزيد أيضًا من فقدان الضغط وقوة المروحة/المضخة. بالنسبة للغازات، ينخفض ​​الضغط بقوة مع زيادة السرعة وانسداد الزعانف؛ بالنسبة للسوائل، يؤدي الاختيار الدقيق لحجم الممر إلى تجنب خسائر اللزوجة العالية. تشمل الحدود الميكانيكية الحد الأقصى لضغط العمل، والتمدد التفاضلي بين المواد، وإجهاد المفاصل النحاسية تحت الأحمال الحرارية الدورية - وهو أمر مهم للاستخدام في مجال الفضاء الجوي والاستخدام المبرد.

5. أفضل الممارسات المتعلقة بالتلوث والتنظيف والصيانة

نظرًا لأن مبادلات الزعانف اللوحية تستخدم ممرات ضيقة، فهي أكثر حساسية للتلوث الجسيمي والتلوث الناتج عن تكثيف الأبخرة. أفضل الممارسات:

• حدد الترشيح والفواصل في اتجاه المنبع لتقليل تحميل الجسيمات والقطيرات.
• اختر مواد الزعانف والألواح المتوافقة مع مواد التنظيف الكيميائية إذا كان التنظيف الكيميائي متوقعًا.
• تصميم للفحص في الموقع أو تضمين وحدات أساسية قابلة للاستبدال لتطبيقات الخدمة الشديدة.
• استخدم التنظيف الخلفي الدوري (للتدفقات العكسية) أو التنظيف الهوائي حيثما أمكن ذلك.

6. إرشادات الحجم وحساب الأمثلة

مثال موجز للتحجيم (الهواء إلى السائل): الواجب المطلوب 50 كيلووات، مدخل الهواء من 25 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية، مدخل المياه من 40 درجة مئوية إلى 35 درجة مئوية، جانب الهواء المسموح به ΔP = 150 باسكال. نهج سريع: حساب Q ومعدل تدفق كتلة الماء، وتقدير معامل نقل الحرارة من جانب الهواء بناءً على نوع الزعنفة المختارة والمنطقة الأمامية، وحساب U وA باستخدام LMTD، ثم التحقق من الهواء السرعة للحد ΔP. في الممارسة العملية، يجب عليك التكرار على تباعد الزعانف والمنطقة الأمامية؛ عادةً ما يقدم البائعون خرائط الأداء لتسريع هذه العملية.

7. قائمة التحقق من التطبيقات والاختيار للمشترين

تشمل قطاعات التطبيقات الشائعة المبردات الداخلية الفضائية ورفض الحرارة، والتبريد، ومعالجة الغاز، وقطارات تبريد النفط والغاز، وموفرات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء المدمجة. استخدم قائمة التحقق هذه لتحديد مورد أو منتج:

• تأكيد الواجب الحراري، ΔP المسموح به، ودرجات حرارة السوائل القصوى/الدنيا.
• طلب شهادات المواد واللحام وتقارير الاختبار (اختبارات الضغط/التسرب، منحنيات اختبار الأداء).
• اطلب التحقق من طرف ثالث للتطبيقات المهمة (الفضاء، وعلم التبريد، والتطبيقات النووية المجاورة).
• قم بتقييم إمكانية الوصول إلى الصيانة وخيارات الوحدة الاحتياطية لضمان التشغيل على المدى الطويل.

8. المقارنة: الزعانف اللوحية مقابل المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب واللوحة

يلخص الجدول أدناه المقايضات العملية للمساعدة في تحديد متى يكون مبادل الزعانف اللوحية هو الاختيار الصحيح.

9. معايير الاختبار وإصدار الشهادات والقبول

حدد اختبارات القبول في أمر الشراء: اختبار الضغط الهيدروستاتيكي، واختبار تسرب الهيليوم (للوحدات الفراغية/المبردة)، والتحقق من صحة منحنى الأداء (الواجب المقاس مقابل المتوقع)، والفحص غير المدمر للمفاصل النحاسية عند الحاجة. بالنسبة للأنظمة الحرجة للسلامة، تشمل اختبارات التعب والدورة الحرارية. اطلب وثائق ضمان الجودة المقدمة من البائع، مثل إمكانية تتبع المواد وتقارير تعبئة اللحام بالنحاس.

10. مرجع سريع – نصائح عملية للمهندسين

• إذا كان الوزن والاكتناز من القيود الأساسية (الطائرات والمعدات المتنقلة)، فعادة ما يتم تفضيل الزعانف اللوحية.
• بالنسبة للسوائل القذرة أو المحملة بالجسيمات، يفضل استخدام الغلاف والأنبوب أو توفير ترشيح مسبق قوي.
• عند التصميم لخدمة درجات الحرارة المنخفضة جدًا (المبردة)، تكون تصميمات زعانف صفائح الألمنيوم الملحومة بالنحاس معيارًا صناعيًا - انتبه جيدًا للانكماش التفاضلي والأختام.
• اطلب دائمًا خرائط أداء البائع (الواجب مقابل ΔP) وشهادات الاختبار قبل الاختيار النهائي.