المبادل الحراري الأكثر استخدامًا على نطاق واسع: المبادل الحراري للهيكل والأنبوب

مقدمة

مبادلات حرارية تعتبر مكونات أساسية في العديد من العمليات الصناعية والتجارية، حيث تسمح بانتقال الحرارة من وسط إلى آخر دون اتصال مباشر. من بين الأنواع العديدة المتاحة - بما في ذلك المبادلات الحرارية ذات الألواح والأنابيب ذات الزعانف والمبادلات الحرارية الحلزونية والمزدوجة الأنابيب - يبرز المبادل الحراري ذو الغلاف والأنبوب (STHE) باعتباره الأكثر استخدامًا على مستوى العالم. إن تعدد استخداماته ومتانته وكفاءته يجعله حجر الزاوية في الإدارة الحرارية في قطاعات مثل توليد الطاقة والنفط والغاز والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والمعالجة الكيميائية والمزيد.

ما هو مبادل حراري شل وأنبوب؟

يتكون المبادل الحراري ذو الغلاف والأنبوب من سلسلة من الأنابيب المغلقة داخل غلاف أسطواني. يتدفق أحد السوائل عبر الأنابيب، بينما يتدفق سائل آخر فوق الأنابيب (داخل الغلاف) لتبادل الحرارة. يضمن هذا الاتصال غير المباشر النقل الحراري دون خلط السوائل.

الهيكل الأساسي:
الأنابيب: يتم ترتيبها عادة في حزم ويمكن أن تكون مستقيمة أو على شكل حرف U.

الصدفة: وعاء أسطواني يحيط بالأنابيب ويحتوي على السائل الثاني.

صفائح الأنبوب: الصفائح التي تثبت الأنابيب في مكانها وتعزل السوائل.

الحواجز: قم بتوجيه السائل الموجود على جانب الصدفة لزيادة الاضطراب وانتقال الحرارة.

الرؤوس أو أغطية النهاية: توجيه السائل داخل وخارج الأنابيب.

مبدأ العمل

مبدأ العمل الأساسي للمبادل الحراري للهيكل والأنبوب هو نقل الحرارة القائم على الحمل الحراري بين سائلين في درجات حرارة مختلفة. تتدفق الحرارة من السائل الأكثر سخونة إلى السائل البارد عبر جدار الأنبوب.

هناك ثلاثة تكوينات التدفق الرئيسية:

التدفق المتوازي – يتحرك كلا السائلين في نفس الاتجاه.

التدفق المعاكس - تتحرك السوائل في اتجاهين متعاكسين لزيادة الكفاءة.

التدفق المتقاطع - تتدفق السوائل بشكل متعامد مع بعضها البعض.

متغيرات التصميم

لتناسب التطبيقات المختلفة، تم تصميم المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب بتكوينات مختلفة:

تمريرة واحدة أو تمريرات متعددة (يقوم السائل بتمرير واحد أو عدة تمريرات عبر الأنابيب)

صفيحة أنبوبية ثابتة – بسيطة واقتصادية؛ يقتصر على التمدد الحراري المنخفض.

رأس عائم أو أنبوب على شكل حرف U - يستوعب التمدد الحراري؛ سهولة التنظيف والصيانة.

معايير TEMA – تقوم جمعية مصنعي المبادلات الأنبوبية (TEMA) بتوحيد معايير STHEs ​​في فئات (R، C، B) للاستخدام في المصافي والاستخدام التجاري والكيميائي.

لماذا هو الأكثر استخداما على نطاق واسع؟

1. براعة
يمكن للمبادلات ذات الغلاف والأنبوب التعامل مع نطاق واسع من درجات الحرارة (حتى 1000 درجة مئوية) والضغوط (حتى 500 بار). وهي قابلة للتخصيص لتناسب العديد من متطلبات العمليات والسوائل وبيئات التثبيت.

2. المتانة والموثوقية
تم تصميم هذه المبادلات باستخدام مواد قوية مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم أو الإنكونيل، وهي مناسبة للبيئات المسببة للتآكل وعالية الضغط. لديهم عمر تشغيلي طويل مع الصيانة المناسبة.

3. قابلية التوسع
وهي متوفرة في مجموعة واسعة من الأحجام - بدءًا من الوحدات الصغيرة للمختبرات وحتى المنشآت الصناعية الضخمة.

4. سهولة الصيانة
تسمح النماذج مثل تصميمات الأنبوب U أو الرأس العائم بالتنظيف واستبدال الأنبوب دون تفكيك النظام بأكمله.

5. الكفاءة الحرارية
من خلال التصميم المناسب (على سبيل المثال، الحواجز، والتمريرات المتعددة)، يمكن لـ STHEs تحقيق نقل الحرارة بكفاءة عالية، خاصة في ترتيبات التدفق المعاكس.

التطبيقات المشتركة

1. صناعة النفط والغاز
مواد تشحيم التبريد والسوائل الهيدروليكية

استعادة الحرارة من غازات المداخن

تكثيف البخار والأبخرة

2. توليد الطاقة
سخانات مياه التغذية

مكثفات البخار في محطات الطاقة الحرارية

3. المعالجة الكيميائية
التحكم في درجة حرارة المفاعلات

تسخين المنتج وتبريده

4. التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد
أنظمة المياه المبردة

المكثفات والمبخرات

5. البحرية والفضائية
أنظمة تبريد المحرك

استعادة الحرارة المفقودة

مواد البناء
يعد اختيار المواد أمرًا بالغ الأهمية ويعتمد على درجة الحرارة والضغط ومقاومة التآكل:

الفولاذ الكربوني – شائع للتطبيقات منخفضة التكلفة.

الفولاذ المقاوم للصدأ - مقاومة عالية للتآكل.

سبائك النحاس - الموصلية الحرارية الممتازة.

التيتانيوم - يستخدم لمياه البحر أو السوائل شديدة التآكل.

سبائك النيكل (إنكونيل، هاستيلوي) – للبيئات القاسية.