تُستخدم المبادلات الحرارية في نطاق واسع من التطبيقات، تشمل أنظمة التبريد، والمكثفات، وصناعات صهر المعادن، ومحطات توليد الطاقة، وغيرها. المبادل الحراري هو جهاز يُستخدم لنقل الحرارة من تيار ذي درجة حرارة عالية إلى تيار ذي درجة حرارة منخفضة. تتم عملية نقل الحرارة في كل مبادل حراري بثلاث طرق، تبعًا لدرجة حرارة السائل، وهي: التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع.
تُصنّف المبادلات الحرارية وفقًا لجوانب متعددة. تشمل أكثر أنواعها شيوعًا المبادلات الحرارية الأنبوبية، والمبادلات الحرارية الصفيحية، والمبادلات الحرارية الصفيحية الحلزونية أو الملفوفة، والمبادلات الحرارية المبردة بالهواء. على الرغم من صغر حجمها وقلة أهميتها الظاهرية، إلا أن للمبادلات الحرارية دورًا بالغ الأهمية في جعل عملية الإنتاج مربحة واقتصادية. ترتبط كمية الطاقة المستهلكة، والتي تُستمد من الوقود وتشكل جزءًا كبيرًا من تكاليف المبنى أو المصنع، ارتباطًا مباشرًا بكفاءة وأداء نظام التدفئة.
مبادل حراري ذو صفائح:
يتكون المبادل الحراري ذو الألواح من عدد من الألواح المضغوطة ذات الأشكال المختلفة التي توضع بين لوحين فولاذيين ثابتين ومتحركين (إطارات) ويتم محاذاتها بواسطة قضيبين علوي وسفلي.
تُضغط مجموعة الصفائح الموجودة بين الإطارين الثابت والمتحرك معًا بواسطة عدد من البراغي. يوجد بين كل صفيحة وأخرى حشية خاصة تعمل كحاجز مانع للتسرب، وتُشكل قناة لتدفق السوائل. تُشكل مجموعة الصفائح، عند ضغطها معًا، أربع قنوات لدخول وخروج السوائل الساخنة والباردة. تتحرك هذه السوائل بالتناوب في القنوات التي تُشكلها الصفائح، مما يُؤدي إلى انتقال الحرارة بكفاءة عالية.
- مبادلات حرارية ذات صفائح محكمة الإغلاق
يُعدّ المبادل الحراري ذو الألواح المُحكمة الإغلاق جهازًا عالي الكفاءة والفعالية لتبادل الحرارة، ويتكون من عدد من الألواح الفولاذية الرقيقة المموجة وحشيات. توضع حشية مصنوعة من مادة مناسبة (بحسب نوع السائل ودرجة حرارته) بين كل لوحين لإحكام الإغلاق وتوفير ممر للسوائل، بحيث يتدفق السائل الساخن والبارد بشكل مستقل في قنوات التدفق على جانبي كل لوح. معامل انتقال الحرارة في هذا النوع من المبادلات أعلى من 3 إلى 5 مرات من معامل انتقال الحرارة في المبادل الحراري الأنبوبي، وذلك لأن السوائل الساخنة والباردة تصل إلى درجة عالية من الاضطراب عند تدفقها عبر قنوات الألواح ذات الشكل المتموج الخاص على سطحها.
- كيف يعمل المبادل الحراري ذو الألواح المزودة بحشية؟
في المبادل الحراري ذي الألواح المزودة بحشوات، تحتوي كل لوحة، المصنوعة عادةً من الفولاذ، على حشوة مطاطية تتناسب مع الأخاديد الموجودة في الألواح وتُحكم إغلاق قنوات التدفق. ومن خلال تكديس العدد المناسب من الحشوات والألواح، تتشكل قنوات لمرور السائل. يدخل السائلان الساخن والبارد إلى المبادل عبر مدخلين منفصلين، ويحدث تبادل درجة الحرارة من خلال ملامسة السائلين الساخن والبارد للسطحين الخلفي والعلوي للألواح.
تُجمّع الصفائح بين إطارين فولاذيين باستخدام ضغط مناسب وربط البراغي. تُعلّق صفائح القناة والإطارات من قضيب حامل علوي وتُثبّت بواسطة قضيب توجيه سفلي. يتميز التصميم الهندسي للمبادل الحراري ذي الصفائح المُحكمة الإغلاق بسهولة تنظيفه وتغيير سعته الحرارية بإضافة أو إزالة الصفائح.
مزايا مقارنة بالمبادلات الحرارية الأنبوبية
- كفاءة عالية في تبادل الحرارة وتكلفة تشغيل منخفضة، مقارنة بالمبادل الحراري الأنبوبي، وسعة تبادل حراري أعلى بمقدار 3-5 مرات.
- تصميم مضغوط، وبصمة صغيرة، وسهولة التركيب، ويشغل مساحة تتراوح من 1.5 إلى 1.8 ضعف حجم المبادل الحراري الأنبوبي.
- صيانة مريحة، سهولة الفك والتنظيف.
- تغيير السعة بسهولة، عن طريق فتح المحول وزيادة أو تقليل عدد الألواح.
- كمية NTU كبيرة ويمكن أن يكون الحد الأدنى لفرق درجة الحرارة درجة واحدة.
-
- مبادلات حرارية من نوع الأنبوب والصدفة
تُعدّ المبادلات الحرارية الأنبوبية ذات الغلاف أكثر أنواع المبادلات الحرارية استخدامًا في الصناعة، وهي الأنسب لتطبيقات الضغط العالي ودرجات الحرارة المرتفعة. تتكون هذه المبادلات من سلسلة من الأنابيب المغلفة بغلاف أسطواني. يتدفق سائل عبر الأنابيب، بينما يتدفق سائل آخر حولها (داخل الغلاف)، وتنتقل الحرارة من أحد السائلين إلى الآخر عبر جدران الأنابيب نتيجةً لاختلاف درجة الحرارة بينهما.
- كيف يعمل المبادل الحراري ذو الأنابيب والغطاء؟
تعتمد الفكرة الأساسية للمبادلات الحرارية الأنبوبية على تمرير سائل ساخن عبر سائل بارد دون اختلاطهما، بحيث تنتقل حرارتهما فقط. يوضح الرسم التخطيطي أعلاه مدخلين ومخرجين، حيث يدخل كل سائل من مدخله الخاص ويخرج من مخرجه الخاص. يمر السائل الساخن عبر حزمة الأنابيب (المحمية بألواح معدنية تُعرف بألواح الأنابيب) ويخرج من مخرج الأنابيب. وبالمثل، يبدأ السائل البارد من مدخل الغلاف، ويمر عبر الأنابيب، ويخرج من مخرج الغلاف. تُشكل المنافذ على جانبي حزمة الأنابيب خزانات للسائل البارد، ويمكن تقسيمها إلى عدة أقسام حسب نوع المبادل الحراري.
يحتوي كل أنبوب على مُحسِّن للتدفق يُولِّد تدفقًا مضطربًا داخل الأنابيب، مما يمنع الترسيب ويزيد من قدرة المبادل الحراري على نقل الحرارة. كما يستخدم المصممون عوائق تُسمى “حواجز” لإحداث اضطراب في الغلاف، مما يزيد من كمية التبادل الحراري بين سائل الغلاف وأنابيب التبريد. يجب أن يتحرك سائل الغلاف حول هذه الحواجز، مما يجعل التدفق يمر فوق حزمة الأنابيب بشكل متكرر، وبالتالي نقل الطاقة والحفاظ على درجة حرارة المبادل الحراري منخفضة.
- مزايا المبادل الحراري الأنبوبي
1. القدرة على تحمل أعلى درجات الحرارة وضغوط السوائل بفضل بنيتها المتينة.
2. زيادة مساحة نقل الحرارة إلى أقصى حد في حيز محدود باستخدام مجموعة من الأنابيب المتقاربة.
3. سعر ابتدائي أقل (مقارنةً بالتبريد الهوائي، والصفائح، وما إلى ذلك).
4. إمكانية إزالة الترسبات على المدى القصير والطويل فيزيائيًا وكيميائيًا (مصمم لسهولة التركيب والتفكيك).
5. إمكانية التصميم والتصنيع باستخدام مواد خام خاصة (مثل الفولاذ) في تطبيقات خاصة حيث تكون السوائل ذات خصائص أكالة.
6. في حالة حدوث تسرب في الأنابيب، يمكن تحديد التسرب وإصلاحه بسهولة.
