الديناميكا الحرارية

المبادلات الحرارية غلاف وأنبوب

قد لا تخلو عملية كيميائية أو صناعية أو إنتاجية من عمليات نقل وانتقال الحرارة، من خلال مجموعة واسعة من الأجهزة والمعدات، مثل: الأفران والمبخرات ووحدات التقطير والمجففات والمفاعلات وأجهزة التبريد والتكييف وغيرها الكثير، وتكون إحدى المشكلات الأساسية لعمل هذه الأجهزة وفق الهدف المطلوب منها، هي نقل الحرارة بالمعدل المطلوب(لهذا يستخدم المبادل الحراري)، أو تأمين العزل الجيد لمنع انتقال الحرارة من أو إلى الجهاز أو العملية، ويشكل التحكم في التدفق الحراري أحد أهم مجالات الهندسة الكيميائية، ويُعتبَر الفرق في درجات الحرارة بين جسمين هو القوة المحركة لانتقال الحرارة بينهما، وعند وجوده ستنتقل الحرارة بواحدة أو أكثر من ثلاث طرق مختلفة لانتقال الحرارة؛ وهي: التوصيل Conduction، والحمل Convection، والإشعاع Radiation [1] .

نقل الحرارة الهندسي Engineering Heat Transfer:

يتعامل علم الديناميكا الحرارية Thermodynamics مع مقدار انتقال الحرارة، ويخضع النظام لعملية انتقال من حالة توازن إلى أخرى، ولكنه لا يشير إلى المدة الزمنية التي ستستغرقها العملية، فهو لا يهتم بالطريق المسلوك، وإنما فقط بالحالة الأولية والنهائية للتحول، وفي الهندسة، نهتم في أغلب الأحيان بمعدل انتقال الحرارة، والذي هو موضوع علم انتقال الحرارة Heat Transfer.

صُمِّمَّت معدات نقل الحرارة مثل: المبادلات exchangers والغلايات boilers والمكثفات condensers والمُسخِّنات heaters والأفران furnaces وغيرها، بشكل رئيسي على أساس تحليل عملية انتقال الحرارة، وإن مشاكل انتقال الحرارة التي تواجه عمليات التصميم يمكن أن تُصنَّف في مجموعتين عامتين، مشاكل معدل انتقال الحرارة heat rate problems، التي تتعامل مع أمور تتعلق بتحديد معدل انتقال الحرارة لنظام حراري معين عند فرق محدد في درجات الحرارة، ومساحة سطح التبادل الحراري heat transfer surface، والذي يتعامل مع الأمور المتعلقة بتحديد المساحة اللازمة لنقل الحرارة بمعدل محدد عند فرق محدد لدرجات الحرارة، ويمكن دراسة عملية انتقال الحرارة أو معداتها ذات الصلة بطريقتين؛ إما تجريبيًا عن طريق التجارب وأخذ القياسات، أو تحليليًا عن طريق التحليل الرياضي والحسابات، يتميز النهج التجريبي بأنه يتعامل مع النظام المادي الفعلي، وتُحدَّد الكمية المدروسة عن طريق القياس التجريبي ضمن حدود خطأ معين، ولكن من سلبياته أنه باهظ التكلفة ويستغرق وقتًا طويلًا وغير قابل للتطبيق الفعلي في كثير من الأحيان، وإلى جانب ذلك، قد لا يكون النظام الحراري المدروس موجودًا على الواقع، فمثلًا: يُحدَّد حجم نظام التدفئة للمبنى قبل بنائه فعليًا، وذلك على أساس الأبعاد والمواصفات المُعتمَدة، أما النهج التحليلي، فيتميز بأنه سريع وغير مكلف، لكن تخضع النتائج التي يتم الحصول عليها لدقة الافتراضات المُقترَحة عند إجراء التحليل، وبشكل عام، في دراسات انتقال الحرارة الهندسية، غالبًا ما يتم التوصل إلى حل جيد عن طريق تقليل الخيارات إلى عدد قليل بإجراء تصفية مناسبة لجميع الخيارات الممكنة باستعمال المنهج التحليلي، ومن ثم التحقق من النتائج باستعمال المنهج التجريبي. [2]

إقرأ أيضا:مهندس العمليات: الوصف الوظيفي

المبادلات الحرارية Heat Exchangers:

المبادلات الحرارية هي أجهزة خاصة تسهل تبادل الحرارة بين مائعين مختلفين في درجات الحرارة بدون أن يختلطا مع بعضهما، وتُستعمَل المبادلات الحرارية عمليًا ضمن مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والإنتاجية والخدمية، من أنظمة التدفئة وتكييف الهواء إلى المعالجة الكيميائية وإنتاج الطاقة في المحطات الكبيرة، وتختلف المبادلات الحرارية عن أجهزة الخلط والمزج في أنها لا تسمح بحصول تماس مادي بين الموائع، إذ تنتقل الحرارة عن طريق الحمل الحراري الطبيعي أو القسري ضمن المائع الواحد، وعن طريق التوصيل عبر الجدار الفاصل بين المائعين، وعادة في تحليل المبادلات الحرارية؛ تُحدَّد قيمة مُعامل انتقال الحرارة الكلي overall heat transfer coefficient (U) ، الذي يفسر مساهمات عوامل انتقال الحرارة، ويعتمد معدل انتقال الحرارة بين الموائع في موقع ما على مقدار اختلاف درجة الحرارة في ذلك الموقع، والذي يختلف على طول المبادل، وأيضًا عند تحليل المبادلات الحرارية؛ يكون ملائمًا التعامل مع متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي the logarithmic mean temperature difference (LMTD) ، والذي هو متوسط فرق درجة الحرارة بأكمله. [3]

أنواع المبادلات الحرارية Types of Heat Exchangers:

تتطلب تطبيقات نقل الحرارة المختلفة أنواعًا كثيرة من الأجهزة والتصاميم والتقنيات المبتكرة لمعدات نقل الحرارة، وقد أسفرت محاولات ملاءمة هذه المعدات للعمليات الحرارية ضمن القيود والشروط المحددة إلى أنواع عديدة من تصاميم المبادلات، وإن أبسط نوع منها يتكون من اثنين من الأنابيب متحدة المركز ومختلفة الأقطار، والذي يُسمَّى المبادل الأنبوبي المزدوج Double-Pipe Heat Exchanger ، والذي يتدفق فيه أحد المائعين في الأنبوب المركزي، ويتدفق المائع الآخر في الفراغ الحلقي المحيط، وبناءً على ذلك، يوجد نوعان من الجريان، الجريان المتوازي parallel flow أو الجريان المتعاكس counter flow .

إقرأ أيضا:الكيميائي والمهندس الكيميائي: الفروقات ومجالات العمل

ومن الأنواع الأخرى للمبادلات؛ المبادل الحراري المُدمَج Compact Heat Exchanger ، والذي صُمِّم خصيصًا لتأمين مساحة تبادل حراري كبيرة بالنسبة لوحدة الحجم، إذ تُسمَّى نسبة مساحة سطح انتقال الحرارة إلى حجم المبادل كثافة المساحة area density وتقاس بوحدة m2/m3 .

ومن أكثر أنواع المبادلات الحرارية انتشارًا في التطبيقات الصناعية؛ مبادلات غلاف وأنبوب Shell and Tube Heat Exchangers ، تحتوي هذه المبادلات على عدد كبير من الأنابيب قد تصل إلى عدة مئات، مُثبتة ومُرتبة ضمن الغلاف بشكل مواز لمحور الغلاف، ويجري أحد المائعين داخل الأنابيب، والمائع الآخر خارج الأنابيب في الغلاف، وعادة توجد مُعترضات baffles في الغلاف لتوجيه المائع وإجباره على الجريان وفق مسار محدد في الغلاف، من أجل تحسين معدل انتقال الحرارة بين المائعين، وعلى الرغم من انتشار مبادلات غلاف وأنبوب بشكل كبير في المجال الصناعي؛ إلا أنها غير مناسبة لتطبيقات السيارات والطائرات بسبب وزنها وحجمها الكبيرين نسبيًا، وعادة تُصنَّف هذه المبادلات وفقًا لعدد ممرات الغلاف وعدد الأنابيب، فمثلًا: المبادل الذي لا يحتوي في غلافه على أية مُعترضة؛ يُسمى: أحادي الممر في الغلاف وثنائي الممر في الأنبوب one-shell-pass and tow-tube-passes heat exchanger .

ومن الأنواع المُبتكرة التي لاقت استعمالًا واسع النطاق؛ المبادل الحراري صفيحة وإطار Plate and Frame Heat Exchanger ، والذي يتكون من سلسلة من الصفائح ذوات ممرات تدفق مسطحة مُموجة، تتدفق فيها الموائع الساخنة والباردة في ممرات متناوبة، فيكون كل تيار بارد مُحاط به اثنين من تيارات المائع الساخن، مما يؤدي إلى نقل حرارة فعال للغاية، وهذا النوع مناسب لتطبيقات نقل الحرارة بين سائلين، بشرط أن يكون كلا التيارين عند نفس الضغط تقريبًا.

إقرأ أيضا:مهندس العمليات: الوصف الوظيفي

ومن المبادلات الحرارية المُصمَّمة وفق طريقة الممرات المتناوبة أيضًا؛ المبادلات المتجددة Regenerative Heat Exchangers ، والتي لها نوعان؛ نوع ساكن ونوع متحرك، في النوع الساكن يوجد كتلة مسامية لها سعة تخزين حرارية كبيرة، مثل شبكة سلكية من السيراميك، تتدفق الموائع الساخنة والباردة عبر هذه الكتلة بالتناوب، وتنتقل الحرارة من السائل الساخن أثناء تدفقه إلى الكتلة المسامية، ومن الكتلة إلى السائل البارد أثناء تدفقه عبرها أيضًا، فتعمل هذه الكتلة عمل وسيط مؤقت لتخزين الحرارة، أما المبادل المتجدد الحركي، فيشتمل على أسطوانة دوارة وتدفق مستمر للمائع الساخن والبارد عبر أجزاء مختلفة من الأسطوانة، فتمثل الأسطوانة وسيط نقل الحرارة بين التيارين.

غالبًا تُطلق مُسمَّيات محددة للمبادلات الحرارية لتشير إلى عملها والتطبيق المُستعملة لأجله، على سبيل المثال: المُكثف condenser عبارة عن مبادل حراري يتم فيه تبريد أحد الموائع فيتكثف أثناء عبوره في المبادل، المرجل boiler هو مبادل حراري يُسخَّن فيه السائل فيتبخر. [2]

المبادلات الحرارية غلاف وأنبوب Shell and Tube Heat Exchangers :

المبادلات الحرارية غلاف وأنبوب هي أكثر أنواع المبادلات شيوعًا المستعملة في الصناعات الكيميائية والصناعات المُرتبطة بها، ويوفر هذا النوع مزايا عديدة؛ من أهمها: تأمين مساحة سطح كبيرة لتبادل الحرارة في حجم صغير، والتصميم الميكانيكي الجيد المناسب لضغوط التشغيل المختلفة، وتُعتبر نتائج هذه المبادلات موثوقًا بها، كما يمكن إنشاؤها من مجموعة واسعة من المواد، وهي سهلة التنظيف والتشغيل.

يتكون المبادل الحراري غلاف وأنبوب بشكل أساسي من حزمة أنابيب مُثبَّتة ضمن غلاف أسطواني، وتُثبَّت نهايات الأنابيب عن طريق صفائح تثبيت tube sheets والتي تفصل الأنابيب وتُبعدها عن بعضها وعن الغلاف مسافات محددة، ويُزوَّد المبادل في غلافه بمُعترضات baffles لتوجيه تيار التدفق وتأمين دعم للأنابيب، وتُثبَّت مجموعة المعترضات والأنابيب مع بعضها عن طريق قضبان تثبيت rods ومُفسِحات spacers.

إن أرخص وأبسط أنواع المبادلات غلاف وأنبوب هي المبادلات ثابتة الرأس fixed tube sheet، وتتمثَّل العيوب الرئيسية لهذا النوع في أنه لا يمكن إزالة حزمة الأنابيب للتنظيف، ولا توجد إمكانية للتمدد التفاضلي للغلاف والأنابيب، ونظرًا لكون الغلاف والأنابيب عند درجات حرارة مختلفة، فضلًا عن كونها مصنوعة من مواد مختلفة في كثير من الأحيان؛ فإن التمدد الحراري سيكون كبيرًا، لذلك يقتصر استعمال هذا النوع على فروق في درجات الحرارة حتى حوالي 80 °C، ويمكن إضافة حلقة تمدد في الغلاف expansion loop للمساعدة على احتواء التمدد الحراري، ولكن يقتصر استعمالها على ضغوط منخفضة في الغلاف التي تصل إلى حوالي 8 bar.

وفي أنواع المبادلات غلاف وأنبوب الأخرى، يتم تعديل طرف واحد فقط للأنابيب للتمكن الحزمة أن تتوسع بحرية لتجنب حدوث إجهادات ميكانيكية، وهي المبادلات التي تكون فيها الأنابيب مُلتفَّة على شكل حرف U، والتي تُسمَّى: U-tube or U-bundle heat exchangers، ويتطلب هذا النوع صفيحة تثبيت واحدة للأنابيب من أحد الطرفين، وهذا النوع هو أرخص من أنواع الرأس الحر floating-head types، ولكنها تقتصر على تطبيقات الموائع النظيفة نسبيًا، لأنه يصعب تنظيف الأنابيب والحزمة، كما أنه يصعب أيضًا استبدال الأنابيب في هذا النوع.

المبادلات ذوات الرأس الحر الداخلي internal floating-head exchangers هي أكثر تنوعًا بالاستعمالات من المبادلات ثابتة الرأس fixed-head والمبادلات ذوات الأنابيب المُلتفَّة على شكل حرف U U-tube، فهي مناسبة لفروق درجات الحرارة المرتفعة، كما أنها سهلة التنظيف، لذلك يمكن استعمالها في السوائل المسببة للتوسيخ، لكن عيب هذا التصميم هو أن الخلوص بين طرف الأنابيب الأقصى للحزمة والغلاف يجب أن يكون أكبر مما هو عليه في تصاميم المبادلات المذكورة سابقًا، وذلك لاستيعاب شفة الرأس الحرة، وهذا يسمح للموائع أن تسلك طريقًا جانبيًا bypass بعيدًا عن الأنابيب، فيؤدي ذلك إلى تقليل تماس المائعين في الأنابيب والغلاف، فيقل معدل انتقال الحرارة، لذلك قد توضع حلقة تثبيت clamp ring وفق تصميم الشفة المنقسمة spilt flange لتقليل الخلوص المطلوب، وفي هذا النوع من المبادلات هناك دائمًا خطر حدوث تسريب من الحواف الداخلية، أما في تصاميم الرأس الحر الخارجي؛ يقع مفصل الرأس الحر خارج الغلاف، ويُحكَم إغلاقه بالغلاف بوصلة مُنزلقة sliding gland joint عن طريق حشوة stuffing box، ونظرًا لوجود خطر تسريب عبر السدادة المُنزلقة، فإن الضغط في الغلاف في هذا النوع من المبادلات يقتصر عادة
على حوالي 20 bar، ولا ينبغي استعمال المواد السامة أو القابلة للاشتعال في الغلاف. [4]

تخصيص تيار التدفق في الغلاف أو في الأنبوب Fluid Allocation: Shell or Tube:

إن اختيار المكان الصحيح لتدفق المائع من الأمور التشغيلية المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالتصميم، إذ يجب مراعاة درجة الحرارة لكلا المائعين والخصائص الفيزيائية والكيميائية وسرعات التدفق والضغوط التشغيلية وأمور أخرى من أجل التخصيص المناسب لمكان جريان المائع، وإن الاختيار الخاطئ يقود إلى انخفاض كفاءة المبادل، أو قد يؤدي إلى حدوث أضرار بالغة فيه.

في حال عدم حدوث تغيير في الطور؛ ستحدد العوامل التالية مكان جريان الموائع في المبادلات الحرارية غلاف وأنبوب:  [4]

  • التآكل Corrosion:

يجب تخصيص المائع الأكثر تآكلًا إلى الأنابيب، لأنه سيؤدي ذلك إلى تقليل تكلفة استعمال سبائك خاصة، والتي قد تكون باهظة الثمن، أو يُغني عن استعمال طلاءات الحماية من التآكل.

  • التوسيخ Fouling:

يجب أن يجري المائع الذي له ميول أكبر لتشكيل الترسبات والأوساخ على سطوح التبادل الحراري في الأنابيب، هذا سيعطي تحكمًا أفضل في السرعة التصميمية للمائع، وستؤدي السرعة الأعلى المسموح بها في الأنابيب إلى تقليل التلوث، وأيضًا الأنابيب هي أسهل في التنظيف من الغلاف.

  • درجات حرارة الموائع Fluid Temperatures:

إذا كانت درجات الحرارة عالية بما يكفي لتفرض استعمال سبائك خاصة، فإن وضع المائع ذو درجة الحرارة العالية في الأنابيب سيقلل من التكلفة الإجمالية، لأنه يؤدي ذلك إلى تقليل درجة حرارة سطح الغلاف، فلا يتطلب تطبيق عزل حراري له، بالإضافة إلى أسباب أخرى تتعلق بالسلامة.

  • ضغوط التشغيل Operating Pressures:

يجب تخصيص تيار الضغط العالي ليجري في الأنابيب، لأن تكلفة أنابيب الضغط العالي أرخص من الغلاف المُخصص للضغوط العالية.

  • هبوط الضغط Pressure Drop:

بالنسبة لنفس هبوط الضغط؛ سيتم الحصول على معاملات انتقال حرارة أعلى للأنابيب مقارنة بالغلاف، ويجب تخصيص المائع الذي له أقل انخفاض ضغط مسموح به ليجري في الأنابيب.

  • اللزوجة Viscosity:

بشكل عام، سيتم الحصول على معاملات انتقال حرارة أعلى عن طريق تخصيص المادة الأكثر لزوجة إلى الغلاف، لأن ذلك يوفر تشكيل تدفق مضطرب، وتجدر الإشارة إلى أن عدد رينولدز الحدي للتدفق المضطرب في الغلاف يساوي 200، أما إذا تعذَّر تحقيق التدفق المضطرب في الغلاف؛ فمن الأفضل وضع المائع الأكثر لزوجة في الأنابيب، لأنه بهذه الحالة يمكن التنبؤ بمعامل انتقال الحرارة بدقة أكبر.

  • سرعة تدفق التيار Stream Flow Rate:

إن تخصيص الموائع ذوات سرعات الجريان الأدنى إلى الغلاف سيعطي تصميمًا أكثر اقتصادًا.

سرعات التدفق في الغلاف والأنابيب Shell and Tube Fluid Velocities:

تعطي سرعات التدفق العالية معاملات انتقال حرارة كبيرة، ولكن أيضًا ينتج عنها هبوط ضغط مرتفع، لذلك يجي أن تكون السرعة كبيرة بما يكفي لمنع استقرار أو ترسب أية مواد صلبة في الغلاف والأنابيب من جهة، ومن جهة أخرى يجب ألا تكون كبيرة جدًا فتسبب حدوث هبوط ضغط غير مقبول أو حدوث تآكل وحت. وبشكل عام، تكون السرعات التصميمية النموذجية وفق التالي: [4]

السوائل Liquids:

سرعة السوائل المعالجة في الأنابيب: (1-2) m/s ، والقصوى: 4 m/s إذا كان مطلوبًا تطبيق السرعة القصوى لتقليل التوسيخ. وبالنسبة لسرعة الماء: (1.5-2.5) m/s.

الأبخرة Vapours:

تعتمد السرعة المستعملة للأبخرة على ضغط التشغيل وكثافة الموائع، وتكون السرعات وفق التالي؛ إذ تُطبَّق القيم الدنيا من أجل المواد مرتفعة الوزن الجزيئي:

ضغط التخلخل: (50-70) m/s

الضغط الجوي: (10-30) m/s

الضغط العالي: (5-10) m/s

 

درجة حرارة التيار Stream Temperature:

كلما كان الفرق بين درجة حرارة التيار الخارج ودرجة حرارة التيار الداخل أصغر؛ كان مطلوبًا مساحة سطح تبادل حراري أكبر ليعمل المبادل جيدًا، وتعتمد القيمة الأنسب على نوع التطبيق، ويمكن تحديدها فقط من خلال إجراء تحليل اقتصادي للتصاميم الممكنة، وبشكل عام، ينبغي أن يكون فرق درجات الحرارة الأكبر 20 °C على الأقل، وأقل فرق 5-7 °C للمبردات التي تستعمل مياه التبريد، و 3-5 °C عند استعمال المحاليل الملحية المُبرِّدة، أما في حالة استعمال مياه التبريد المُعاد تدويرها؛ فإن الحد الأقصى لارتفاع درجة الحرارة يقتصر على حوالي 30 °C ، ويجب دومًا توخي الحذر لضمان الحفاظ على درجة حرارة وسيط التبريد أعلى بكثير من نقطة تجمده العملية، وعند استعمال المبادل الحراري لاستعادة الحرارة heat recovery، فإن فرق درجات الحرارة الأمثل يجب ألا يقل عن 20 °C. [4]

 

المراجع References:

  1. Coulson, J., Richardson, J. and Coulson, J., 1999. Coulson & Richardson’s Chemical Engineering, V.1. 6th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, p. Gamblers spend money for entertainment, and USA states are beginning to realize that https://parkirpintar.com/epic-buffet-at-hollywood-casino-baton-rouge-baton-rouge-la/ the tax revenue generated from online gaming can be huge. 381.
  2. Cengel, Y. (2002). Heat Transfer: A Practical Approach(2nd ed., p. 4). McGraw-Hill.
  3. Cengel, Y. (2002). Heat Transfer: A Practical Approach(2nd ed., p. 667-671). McGraw-Hill.
  4. Sinnott, R., Coulson, J., & Richardson, J. (2005). Chemical engineering design(4th ed., pp. 636-661). Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann.

 

 

 

 

السابق
صمام المكبس Piston Valve
اعلان

تعليقان

أضف تعليقا

    1. وبكم مهندسنا الغالي

اترك تعليقاً