مبادل حراري لوحي

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

المبادل الحراري ذو الألواح هو نوع من المبادلات الحرارية يستخدم ألواحًا معدنية لنقل الحرارة بين سائلين . يتميز هذا النوع بميزة رئيسية مقارنةً بالمبادلات الحرارية التقليدية، وهي أن السوائل تتعرض لمساحة سطح أكبر بكثير نظرًا لتوزيعها على الألواح. هذا يُسهّل نقل الحرارة، ويزيد بشكل كبير من سرعة تغير درجة الحرارة . كما يُعتبر هذا النوع أسهل في التنظيف والصيانة مقارنةً بالمبادلات الحرارية الأنبوبية . [ 1 ]

أصبحت المبادلات الحرارية ذات الألواح شائعة الاستخدام، وتُستخدم نسخ صغيرة ملحومة منها في أقسام الماء الساخن لملايين الغلايات المدمجة . وقد ساهمت كفاءة نقل الحرارة العالية، رغم صغر حجمها، في زيادة معدل تدفق الماء الساخن المنزلي في هذه الغلايات. كان للمبادلات الحرارية ذات الألواح الصغيرة أثر كبير في مجال التدفئة المنزلية وتوفير الماء الساخن. تستخدم النسخ التجارية الأكبر حجماً حشوات بين الألواح، بينما تُلحم النسخ الأصغر حجماً عادةً.

تعتمد فكرة المبادل الحراري على استخدام الأنابيب أو الأوعية الأخرى لتسخين أو تبريد سائل ما عن طريق نقل الحرارة بينه وبين سائل آخر. في معظم الحالات، يتكون المبادل من أنبوب حلزوني يحتوي على سائل يمر عبر حجرة تحتوي على سائل آخر. عادةً ما تُصنع جدران الأنبوب من المعدن ، أو من مادة أخرى ذات موصلية حرارية عالية ، لتسهيل عملية التبادل الحراري، بينما يُصنع الغلاف الخارجي للحجرة الأكبر من البلاستيك أو يُغطى بعازل حراري ، لمنع تسرب الحرارة من المبادل.

اخترع الدكتور ريتشارد سيليغمان أول مبادل حراري لوحي قابل للتطبيق تجاريًا في العالم عام 1923، مما أحدث ثورة في أساليب التسخين والتبريد غير المباشر للسوائل. أسس الدكتور ريتشارد سيليغمان شركة APV عام 1910 تحت اسم شركة مصانع وأوعية الألمنيوم المحدودة، وهي شركة متخصصة في تصنيع وتوريد الأوعية الملحومة لقطاعي صناعة الجعة وزيوت الخضراوات. كما أرست هذه الشركة معيارًا للمبادلات الحرارية ذات الألواح المعدنية الرقيقة المصممة بواسطة الحاسوب والمستخدمة اليوم في جميع أنحاء العالم. [ 2 ]

تصميم المبادلات الحرارية ذات الألواح والإطارات

مخطط مفاهيمي تخطيطي لمبادل حراري ذي صفائح وإطارات.
لوحة فردية لمبادل حراري

يُعدّ المبادل الحراري ذو الألواح تصميمًا متخصصًا مناسبًا لنقل الحرارة بين السوائل ذات الضغط المتوسط ​​والمنخفض. أما المبادلات الحرارية الملحومة، وشبه الملحومة، والملحومة بالنحاس، فتُستخدم لتبادل الحرارة بين السوائل ذات الضغط العالي، أو عند الحاجة إلى منتج أكثر إحكامًا. فبدلًا من أنبوب يمر عبر حجرة، توجد حجرتان متناوبتان، عادةً ما تكونان رقيقتين، تفصل بينهما صفيحة معدنية مموجة عند أكبر مساحة سطحية. تُصنع الألواح المستخدمة في المبادل الحراري ذي الألواح والإطارات عن طريق ضغط قطعة واحدة من الألواح المعدنية. ويُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ من المعادن الشائعة الاستخدام في صناعة الألواح نظرًا لقدرته على تحمل درجات الحرارة العالية، وقوته، ومقاومته للتآكل.

تُفصل الصفائح عادةً بحشوات مطاطية مانعة للتسرب، تُثبّت في قسم حول حوافها. تُضغط الصفائح لتشكيل قنوات متعامدة مع اتجاه تدفق السائل المار عبر قنوات المبادل الحراري. تُرتّب هذه القنوات بحيث تتشابك مع الصفائح الأخرى لتشكيل القناة، بمسافات تتراوح بين 1.3 و1.5  مم بين الصفائح. تُضغط الصفائح معًا في إطار صلب لتشكيل شبكة من قنوات التدفق المتوازية، تتناوب فيها السوائل الساخنة والباردة. تُنتج الصفائح مساحة سطحية كبيرة للغاية، مما يسمح بأقصى سرعة ممكنة لنقل الحرارة. يضمن ترقق كل حجرة ملامسة معظم حجم السائل للصفيحة، مما يُعزز التبادل الحراري. كما تُولّد القنوات وتحافظ على تدفق مضطرب في السائل لزيادة نقل الحرارة في المبادل إلى أقصى حد. يمكن الحصول على درجة عالية من الاضطراب عند معدلات تدفق منخفضة، وبالتالي يمكن تحقيق معامل نقل حرارة عالٍ.

بالمقارنة مع المبادلات الحرارية الأنبوبية، قد يصل فرق درجة الحرارة (أصغر فرق بين درجتي حرارة التيارين البارد والساخن) في المبادلات الحرارية الصفيحية إلى  درجة مئوية واحدة فقط، بينما تتطلب المبادلات الأنبوبية فرقًا يصل إلى 5  درجات مئوية أو أكثر. وللحصول على نفس كمية الحرارة المتبادلة، يكون حجم المبادل الحراري الصفيحي أصغر، نظرًا لكبر مساحة نقل الحرارة التي توفرها الصفائح (المساحة الكبيرة التي تنتقل الحرارة عبرها). ويمكن زيادة أو تقليل مساحة نقل الحرارة في المبادل الحراري الصفيحي بسهولة، وذلك بإضافة أو إزالة صفائح من المجموعة.

تقييم المبادلات الحرارية ذات الألواح

مبادل حراري مفكك جزئياً، مع وجود ألواح وحشيات ظاهرة

تبدو جميع المبادلات الحرارية ذات الألواح متشابهة ظاهريًا، لكن الاختلاف يكمن في تصميمها الداخلي، وتحديدًا في تفاصيل تصميم الألواح وتقنيات منع التسرب المستخدمة. لذا، عند تقييم أي مبادل حراري ذي ألواح، من المهم جدًا ليس فقط دراسة تفاصيل المنتج المُورّد، بل أيضًا تحليل مستوى البحث والتطوير الذي أجرته الشركة المصنّعة، بالإضافة إلى خدمات ما بعد التشغيل وتوافر قطع الغيار.

من الجوانب المهمة التي يجب مراعاتها عند تقييم المبادل الحراري أشكال التموجات داخله. يوجد نوعان: التموجات المتداخلة والتموجات المتعرجة . بشكل عام، تُحقق التموجات المتعرجة تحسينًا أكبر في نقل الحرارة عند زيادة معينة في انخفاض الضغط، وهي أكثر شيوعًا من التموجات المتداخلة. [ 3 ] توجد طرق عديدة لتعديل المبادلات الحرارية لزيادة كفاءتها، ما يجعل من المستبعد جدًا أن يدعم أي برنامج محاكاة تجاري أيًا منها. إضافةً إلى ذلك، لا يمكن الكشف عن بعض البيانات الخاصة من قِبل الشركات المصنعة لتقنيات تحسين نقل الحرارة. مع ذلك، لا يعني هذا أن المهندسين لا يقومون بأي قياسات مسبقة للتقنيات الناشئة. ترد أدناه معلومات أساسية حول عدة أشكال مختلفة من التعديلات على المبادلات الحرارية. يجب أن يُحقق تحسين المبادل الحراري الهدف الرئيسي المتمثل في الحصول على مبادل حراري ذي تكلفة أقل مقارنةً بالمبادلات الحرارية التقليدية. كما يجب مراعاة عوامل أخرى مثل مقاومة الترسبات، والموثوقية، والسلامة.

أولاً، التنظيف الدوري. يُعد التنظيف الدوري (التنظيف في الموقع) الطريقة الأكثر فعالية لإزالة جميع الرواسب والأوساخ التي تُقلل من كفاءة المبادل الحراري بمرور الوقت. تتطلب هذه الطريقة تفريغ جانبي المبادل الحراري ذي الألواح، ثم عزله عن السائل الموجود في النظام. يجب شطف كلا الجانبين بالماء حتى يصبح صافيًا تمامًا. وللحصول على أفضل النتائج، يُفضل إجراء الشطف في الاتجاه المعاكس للعمليات الاعتيادية. بعد ذلك، يُستخدم مضخة دائرية وخزان محلول لضخ عامل التنظيف مع التأكد من توافقه مع حشيات وألواح المبادل الحراري ذي الألواح. أخيرًا، يُشطف النظام بالماء مرة أخرى حتى يصبح تيار التصريف صافيًا.

تحسين المبادلات الحرارية الصفيحية

لتحسين أداء المبادلات الحرارية ذات الألواح، يجب مراعاة عاملين أساسيين، هما كمية انتقال الحرارة وانخفاض الضغط، بحيث يلزم زيادة كمية انتقال الحرارة وتقليل انخفاض الضغط. في هذه المبادلات، ونظرًا لوجود الألواح المموجة، توجد مقاومة كبيرة للتدفق مع فقدان احتكاك عالٍ . لذا، عند تصميم المبادلات الحرارية ذات الألواح، ينبغي مراعاة كلا العاملين.

تتوفر العديد من العلاقات وزوايا التشكيل للمبادلات الحرارية الصفيحية ضمن نطاقات مختلفة من أرقام رينولدز. يُعد شكل الصفيحة أحد أهم العوامل المؤثرة في انتقال الحرارة وانخفاض الضغط في هذه المبادلات، إلا أن هذه الخاصية لا تُحدد بدقة. في المبادلات الحرارية الصفيحية المموجة، ونظرًا لضيق المسارات بين الصفائح، ترتفع سعة الضغط ويصبح التدفق مضطربًا على طول المسار. لذلك، تتطلب هذه المبادلات طاقة ضخ أكبر من الأنواع الأخرى. لذا، يُستهدف تحقيق معدل انتقال حرارة أعلى وانخفاض أقل في الضغط. يُعد شكل المبادل الحراري الصفيحي بالغ الأهمية للتطبيقات الصناعية التي تتأثر بانخفاض الضغط.

معادلة توزيع التدفق وانتقال الحرارة

تشمل حسابات تصميم المبادل الحراري ذي الألواح توزيع التدفق وانخفاض الضغط وانتقال الحرارة. يُعدّ توزيع التدفق في المشعبات مسألةً أساسيةً في هذا السياق . [ 4 ] يمكن عادةً تبسيط تصميم المبادل الحراري ذي الألواح إلى نظام مشعب ذي رأسين لتقسيم ودمج السوائل، ويمكن تصنيفهما إلى نوعين: U وZ، وذلك وفقًا لاتجاه التدفق في الرأسين، كما هو موضح في مخطط المشعب. وقد طوّر بسيوني ومارتن النظرية السابقة للتصميم. [ 5 ] [ 6 ] وفي السنوات الأخيرة، قام وانغ [ 7 ] [ 8 ] بتوحيد جميع النماذج الرئيسية الموجودة، وطوّر نظريةً وأداة تصميم متكاملة.

يمكن التعبير عن معدل انتقال الحرارة الكلي بين السوائل الساخنة والباردة المارة عبر مبادل حراري صفيحي بالمعادلة التالية: Q = UA∆Tm، حيث U هو معامل انتقال الحرارة الكلي ، وA هي مساحة الصفيحة الكلية، و∆Tm هو متوسط ​​فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي . يعتمد U على معاملات انتقال الحرارة في التيارين الساخن والبارد. [ 3 ]

ترتيب متعدد المنافذ لتوزيع التدفق

تساعد عملية التنظيف على تجنب الترسبات والرواسب دون الحاجة إلى إيقاف تشغيل المبادل الحراري أو تعطيل العمليات. ولتجنب انخفاض أداء المبادل الحراري وتقصير عمر أنابيب التمديد، يمكن استخدام التنظيف أثناء التشغيل (OnC) كطريقة مستقلة أو بالتزامن مع المعالجة الكيميائية. ومن تقنيات التنظيف أثناء التشغيل نظام الكرة المعاد تدويرها ونظام الفرشاة والسلة. أما التنظيف خارج التشغيل (OfC) فهو طريقة تنظيف فعالة أخرى تزيد من أداء المبادلات الحرارية وتقلل من تكاليف التشغيل. وتُعرف هذه الطريقة أيضًا باسم "التنظيف بالرش"، حيث تُستخدم أداة على شكل رصاصة تُدخل في كل أنبوب، ويتم استخدام ضغط هواء عالٍ لدفعها إلى أسفل الأنبوب. ومن الطرق الأخرى الشائعة الاستخدام إلى جانب التنظيف خارج التشغيل: الغسيل الكيميائي، والتنظيف بالضغط المائي، والتنظيف بالرش المائي. وعند استخدام هاتين التقنيتين بشكل متكرر، تُعيدان المبادل إلى كفاءته المثلى حتى تبدأ الترسبات والرواسب بالتراكم تدريجيًا، مما يؤثر سلبًا على كفاءة المبادل الحراري.

تُعدّ تكاليف التشغيل والصيانة ضرورية للمبادلات الحرارية، ولكن توجد طرق مختلفة لتقليل هذه التكاليف. أولًا، يمكن تقليل التكاليف عن طريق الحدّ من تكوّن الترسّبات على سطح المبادل، مما يُقلّل من معامل انتقال الحرارة الكلي. تشير التقديرات إلى أن تأثير تكوّن الترسّبات يُسبّب خسائر تشغيلية باهظة تتجاوز 4 مليارات دولار. تشمل التكلفة الإجمالية للترسّب التكاليف الرأسمالية ، وتكاليف الطاقة، وتكاليف الصيانة، وتكاليف خسارة الأرباح. تُعدّ مثبطات الترسّبات الكيميائية إحدى طرق مكافحة الترسّبات. على سبيل المثال، يمكن استخدام بوليمرات حمض الأكريليك/هيدروكسي بروبيل أكريلات (AA/HPA) وحمض الأكريليك/حمض السلفونيك (AA/SA) لمنع الترسّبات عن طريق ترسيب فوسفات الكالسيوم. ثانيًا، يمكن أيضًا تقليل ترسبات الترسّبات عن طريق تركيب المبادل الحراري عموديًا، حيث تعمل قوة الجاذبية على سحب أي جزيئات بعيدًا عن سطح انتقال الحرارة. ثالثًا، يمكن تقليل تكاليف التشغيل عند استخدام البخار المشبع بدلًا من البخار المحمص. يعمل البخار المحمص للغاية كعازل وموصل ضعيف للحرارة، وهو غير مناسب لتطبيقات الحرارة مثل المبادلات الحرارية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "مقارنة بين المبادلات الحرارية: المبادلات ذات الألواح والإطارات مقابل المبادلات ذات الأنابيب والأغطية" . www.tranter.com . 2025-10-08 . تاريخ الاطلاع: 2025-11-19 .
  2. ↑ "مبادلات حرارية لوحية" . مهندسو تيكترانس . 19 فبراير 2022.
  3. 1 2 هيويت، جي (1994). انتقال الحرارة في العمليات . مطبعة سي آر سي.
  4. ↑ وانغ، جيه واي (2011). "نظرية توزيع التدفق في المشعبات". مجلة الهندسة الكيميائية . 168 (3): 1331-1345 . doi : 10.1016/j.cej.2011.02.050 .
  5. ↑ بسيوني، م.ك.؛ مارتن، هـ. (1984). "توزيع التدفق وانخفاض الضغط في المبادلات الحرارية الصفيحية. الجزء الأول: ترتيب من النوع U". مجلة علوم الهندسة الكيميائية 39 (4): 693-700 . doi : 10.1016/0009-2509(84)80176-1 .
  6. ↑ بسيوني، م.ك.؛ مارتن، هـ. (1984). "توزيع التدفق وانخفاض الضغط في المبادلات الحرارية الصفيحية. الجزء الثاني. ترتيب من النوع Z". مجلة علوم الهندسة الكيميائية 39 (4): 701-704 . doi : 10.1016/0009-2509(84)80177-3 .
  7. ↑ وانغ، جيه واي (2008). "انخفاض الضغط وتوزيع التدفق في تكوينات القنوات المتوازية لمجموعات خلايا الوقود: ترتيب على شكل حرف U". المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين . 33 (21): 6339-6350 . doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.08.020 .
  8. ↑ وانغ، جيه واي (2010). "انخفاض الضغط وتوزيع التدفق في تكوينات القنوات المتوازية لمجموعات خلايا الوقود: ترتيب من النوع Z". المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين . 35 (11): 5498-5509 . doi : 10.1016/j.ijhydene.2010.02.131 .

فهرس

  • صادق كاكاج وهونغتان ليو (مارس 2002). المبادلات الحرارية: الاختيار والتقييم والتصميم الحراري (  الطبعة الثانية). دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-0902-1.
  • تي. كوبان (فبراير 2000). دليل تصميم المبادلات الحرارية (الطبعة الأولى  ). مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8247-9787-4.
  • جيه إم كولسون وجيه إف ريتشاردسون (1999). هندسة كولسون وريتشاردسون الكيميائية، المجلد 1 (الطبعة السادسة  ). باتروورث هاينمان. ISBN 978-0-7506-4444-0.