هل يمكن تشغيل المبادل الحراري اللوحي بالبخار؟ حدود الحرارة وتصريف المتكثفات وظاهرة التوقف
نعم، يمكن تسخين المبادل الحراري اللوحي بالبخار. فالمبادلات اللوحية بين البخار والماء شائعة في محطات التدفئة المركزية الفرعية وأنظمة الماء الساخن ومصانع الأغذية والمشروبات وكثير من عمليات التسخين الصناعية. لكن البخار أقل تسامحًا من التطبيق بين ماء وماء. وثلاثة أسئلة تحدد ما إذا كان المبادل اللوحي هو الخيار الصحيح: هل يتحمل نظام الإحكام درجة حرارة البخار؟ وهل تستطيع المتكثفات مغادرة الألواح بحرية عند كل الأحمال؟ وكم مرة يتغير الحمل؟
هذا الدليل موجّه إلى المشترين والمهندسين الذين يفكرون في استخدام مبادل حراري لوحي مع البخار ويريدون طرح الأسئلة الصحيحة على الموردين. ويضم كتالوج المنتجات في هذا الموقع المبادلات اللوحية ذات الحشيات والمبادلات اللوحية الملحومة والمبادلات ذات الألواح والغلاف والمبادلات ذات الغلاف والأنابيب. ولمشروع محدد، أرسل بيانات البخار والمتكثفات عبر نموذج طلب عرض السعر.
1. ابدأ بدرجة حرارة البخار
ترتفع درجة حرارة البخار المشبع بارتفاع ضغطه، ولذلك قد يكون حتى البخار «منخفض الضغط» قريبًا من حد الحشية. ويعرض الجدول درجات حرارة التشبع من جداول البخار IAPWS-IF97. والضغط المقيس (gauge) أقل من الضغط المطلق بنحو 1 bar.
| ضغط البخار، bar(a) | ما يعادله تقريبًا bar(g) | درجة حرارة التشبع |
|---|---|---|
| 2 | 1 | 120.2 °C |
| 4 | 3 | 143.6 °C |
| 6 | 5 | 158.8 °C |
| 8 | 7 | 170.4 °C |
| 10 | 9 | 179.9 °C |
البخار المحمص أسخن من درجة حرارة التشبع عند ضغطه، لذا اذكر درجة حرارة البخار الفعلية إلى جانب الضغط. واذكر أيضًا أعلى ضغط يمكن أن يتعرض له جانب البخار، مثلًا إذا تعطل صمام التحكم وبقي مفتوحًا، وليس ضغط التشغيل العادي فقط.
2. في المبادل ذي الحشيات، الحشية هي التي تضع الحد
ألواح المبادل الحراري اللوحي ذي الحشيات تكون عادة من الفولاذ المقاوم للصدأ، ونادرًا ما تكون هي القيد في تطبيقات البخار. القيد هو الحشية. ويذكر دليل للحشيات نشرته مجلة Heat Exchanger World أن نطاق حشيات NBR (النتريل) يقارب -10 °C إلى 110 °C، ويقدّم EPDM على أنه المادة المناسبة للماء الساخن والبخار بنطاق يقارب -10 °C إلى 150 °C. وتذهب درجات EPDM المقاومة للبخار أبعد من ذلك: ففي عام 2006 قالت Alfa Laval إن مادة الحشيات EPDMP التي طورتها تسمح لمبادلاتها اللوحية بالعمل حتى 180 °C، أي بزيادة 20 °C على حشياتها السابقة. وعلى هذا الموقع، يذكر المبادل اللوحي ذو الحشيات من Shanghai Heat Transfer Equipment درجة حرارة تصميم تصل إلى 180 °C، مع حشيات من NBR وHNBR وEPDM وH-EPDM وFKM.
ويترتب على ذلك أمران عمليان. أولًا، الحشية التي تعمل قرب درجة حرارتها القصوى تتقادم أسرع من حشية تعمل بهامش أمان، لذا اطلب العمر المتوقع للحشية عند درجة حرارة التشغيل لديك، وليس قيمتها القصوى فقط. ثانيًا، تعتمد القيم على التركيبة المطاطية بالتحديد وعلى المورد، ولذلك يجب أن يذكر العرض اسم التركيبة المقترحة لجانب البخار وحد درجة حرارتها في البخار.
3. يجب أن تتمكن المتكثفات من مغادرة الألواح
في المبادل اللوحي الذي يُسخَّن بالبخار، يدخل البخار من فتحة علوية ويتكثف على الألواح، ثم تخرج المتكثفات من فتحة سفلية. وأي شيء يحبس المتكثفات يغمر جزءًا من حزمة الألواح بالماء. وتذكر Spirax Sarco سببين رئيسيين لهذا الغمر: اختيار نوع غير مناسب من مصائد البخار، وظاهرة التوقف (stall). والمبادل المغمور يفقد جزءًا من مساحة التبادل الحراري، ويصبح التحكم في درجة حرارة خروجه صعبًا، وقد تتبع ذلك المطرقة المائية والتآكل.
الممارسات الجيدة في جانب المتكثفات:
- استخدم مصيدة تصرّف المتكثفات فور تكوّنها. والترتيبات التي تصفها Spirax Sarco للمبادلات الحرارية تستخدم المصائد العوامة.
- ركّب المصيدة أسفل مخرج المتكثفات حتى تصل إليها المتكثفات بالجاذبية.
- لا ترفع المتكثفات مباشرة بعد المصيدة إذا كان ضغط البخار داخل المبادل قد ينخفض كثيرًا.
- صمّم مخرج المتكثفات وأنابيبها لأعلى كمية من المتكثفات، وليس للكمية العادية فقط.
4. ظاهرة التوقف: لماذا يُغمر مسخن البخار عند الحمل الجزئي
تتحكم معظم مبادلات البخار في درجة حرارة الخروج بصمام على مدخل البخار. وعندما ينخفض الحمل يغلق الصمام جزئيًا وينخفض الضغط داخل المبادل. وتعرّف Spirax Sarco التوقف بأنه انخفاض تدفق المتكثفات أو انقطاعه، ويحدث عندما يكون الضغط داخل المبادل مساويًا للضغط الخلفي الكلي الواقع على مصيدة البخار أو أقل منه. عندها ترتد المتكثفات إلى داخل المبادل.
ويزداد احتمال التوقف عندما:
- ترتفع درجة حرارة دخول المائع الثانوي، أو ينخفض تدفقه، مع انخفاض الحمل؛
- تُخفَّض نقطة ضبط درجة حرارة الخروج؛
- يجب رفع المتكثفات أو إعادتها إلى شبكة متكثفات مضغوطة؛
- تكون مساحة المبادل أكبر مما يحتاجه التطبيق. وتشير Spirax Sarco إلى أن المبادلات، بسبب معاملات الأمان والمقاسات القياسية، كثيرًا ما تكون مساحة التسخين فيها أكبر من المطلوب، مما يدفع ضغط البخار إلى الانخفاض أكثر عند الحمل الجزئي.
وتصف Spirax Sarco ثلاث طرق أساسية للتعامل مع التوقف:
| الطريقة | كيف تعمل | متى تناسب |
|---|---|---|
| كاسر الفراغ والتصريف بالجاذبية | يسمح كاسر فراغ بعد صمام التحكم بدخول الهواء، فتنساب المتكثفات بالجاذبية إلى مصيدة عوامة مركّبة على بعد 0.5 إلى 1 m أسفل المخرج، وتصرّف إلى الضغط الجوي أو إلى خزان مفتوح على الجو | عندما تستطيع المتكثفات النزول بحرية إلى مصرف مفتوح أو خزان مفتوح على الجو |
| المصيدة المضخة | مضخة تعمل بالضغط مع مصيدة عوامة تخرج المتكثفات حتى عندما يكون ضغط البخار أقل من الضغط الخلفي | عندما يجب رفع المتكثفات أو إعادتها إلى شبكة مضغوطة |
| ضغط بخار مستقر | يُتحكم في درجة الحرارة من الجانب الثانوي، فيبقى ضغط حيز البخار دائمًا أعلى من الضغط الخلفي | عندما تسمح العملية بالتحكم من جانب الماء أو المنتج |
وتنطبق القواعد نفسها على المبادلات اللوحية والأنبوبية. وعند الشراء، حدّد من يصمم ويورّد صمام التحكم ومجموعة المصيدة وخط إعادة المتكثفات: مورد المبادل، أو مُجمِّع الوحدات المركّبة على هيكل (skid)، أو مقاولك. فكثير من العروض لا يشمل إلا المبادل نفسه.
5. الدورات الحرارية وبدء التشغيل
يسخّن البخار حزمة الألواح الباردة بسرعة كبيرة. والتغيرات الكبيرة والمتكررة في درجة الحرارة تُجهد الحشيات، وفي المبادلات اللوحية الملحومة بالنحاس قد تؤدي مع الوقت إلى كلال وصلات اللحام بالنحاس. وحيثما تسمح العملية، افتح صمام البخار ببطء عند بدء التشغيل، وتجنب التحكم بأسلوب التشغيل والإيقاف في إمداد البخار، واسأل المورد هل يضع حدودًا لسرعة بدء التشغيل أو لعدد الدورات. وأخبر المورد كم مرة يبدأ المبادل ويتوقف: فنظام ماء ساخن يدور مرات كثيرة في اليوم تطبيق مختلف تمامًا عن مسخن عملية يعمل باستمرار.
6. أي تصميم يناسب أي تطبيق بخار
| التصميم | أين يناسب | ما الذي يجب التحقق منه |
|---|---|---|
| المبادل اللوحي ذو الحشيات | بخار مشبع منخفض الضغط يسخّن الماء أو سوائل نظيفة، مع بقاء حرارة البخار ضمن حد الحشية | تركيبة الحشية وعمرها، ومقاس فتحة البخار، وتصريف المتكثفات |
| المبادل اللوحي الملحوم بالنحاس | مسخنات البخار الصغيرة والوحدات المدمجة على هيكل | لا يمكن فتحه للتنظيف؛ الدورات الحرارية؛ توافق مادة اللحام بالنحاس مع المائعين |
| المبادل اللوحي الملحوم (نوع الكتلة) | درجات حرارة وضغوط أعلى عندما لا تكون الحشيات مقبولة | إمكانية التنظيف، وضغط التصميم ودرجة حرارة التصميم، والفحص |
| المبادل ذو الألواح والغلاف | ضغط مرتفع أو حرارة مرتفعة في وحدة مدمجة | أي مائع يمر في جانب الغلاف، وطريقة التنظيف |
| المبادل ذو الغلاف والأنابيب | بخار عالي الضغط أو محمص، وأحمال كبيرة، وتقلبات واسعة في الحمل أو متكثفات متسخة | مساحة ووزن أكبر؛ وفرق الحرارة الأدنى عادة أكبر منه في المبادلات اللوحية |
وللمرجع، تذكر بيانات الكتالوج في هذا الموقع حتى 4.0 MPa و400 °C للمبادل اللوحي الملحوم HT-BLOC، وحتى 6.0 MPa و580 °C للمبادل ذي الألواح والغلاف من Lanshi. هذه حدود سلسلة المنتجات، أما مواصفات وحدة بعينها فتتوقف على تصميمها ومواده.
7. ما الذي ترسله مع طلب عرض سعر لتطبيق بخار
| البند | ما يجب ذكره |
|---|---|
| ضغط البخار عند مدخل المبادل | الأدنى والعادي والأقصى، بعد صمام التحكم |
| حالة البخار | مشبع، أو محمص مع درجة حرارته |
| الحمل الحراري أو تدفق البخار | عند حمل التصميم وعند الحمل الأدنى |
| المائع الثانوي | نوع المائع والتدفق ودرجتا حرارة الدخول والخروج |
| مخرج المتكثفات | الضغط الخلفي، وأي رفع بعد المصيدة، ونوع نظام الإعادة |
| طريقة التحكم | صمام على جانب البخار، أو تحكم من الجانب الثانوي |
| نمط التشغيل | مستمر، أو عدد مرات البدء والإيقاف في اليوم |
| بيانات التصميم | ضغط التصميم ودرجة حرارة التصميم، والكود، مثل PED أو ASME |
| نطاق التوريد | المبادل وحده، أو مع صمام التحكم ومجموعة المصيدة والهيكل |
الحمل الأدنى مهم بقدر حمل التصميم. فالوحدة المصممة للذروة فقط قد تقضي معظم عمرها قريبة من التوقف.
8. ماذا يعني هذا للمشترين
يكون المبادل الحراري اللوحي مسخن بخار جيدًا عندما تبقى حرارة البخار ضمن حد الحشية مع هامش أمان، وتستطيع المتكثفات التصريف عند كل الأحمال، ولا يتكرر تشغيل الحمل وإيقافه مرات كثيرة في اليوم. وعندما يكون ضغط البخار أعلى، أو يكون البخار محمصًا، أو لا يمكن تصميم نظام المتكثفات لتجنب التوقف، يكون المبادل اللوحي الملحوم أو ذو الألواح والغلاف أو ذو الغلاف والأنابيب في الغالب الخيار الأكثر أمانًا. واطلب من الموردين ذكر حدود جانب البخار في الوحدة المعروضة، وشرح كيف عالجوا تصريف المتكثفات في مشاريع مشابهة. وللتحضير لطلب العرض، راجع البيانات المطلوبة قبل طلب عرض سعر لمبادل حراري ودليل الاختيار بين المبادل اللوحي والمبادل ذي الغلاف والأنابيب.
المصادر والصفحات ذات الصلة
- Spirax Sarco، المبادلات الحرارية وظاهرة التوقف: https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/heat-exchangers-and-stall
- Spirax Sarco، طرق عملية لمنع التوقف: https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/condensate-removal/practical-methods-of-preventing-stall
- جداول البخار من Spirax Sarco، خط البخار المشبع الجاف: https://www.spiraxsarco.com/resources-and-design-tools/steam-tables/dry-saturated-steam-line
- Heat Exchanger World، دليل حشيات المبادلات اللوحية: https://heat-exchanger-world.com/?p=69916
- Process Engineering (2006)، حشيات EPDMP من Alfa Laval حتى 180 °C: https://processengineering.co.uk/article/1294851/enhanced-temperature-performance-takes-gaskets-to-new-levels
- المبادلات اللوحية ذات الحشيات على HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ar/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/gasketed-plate-heat-exchanger
- المبادلات اللوحية الملحومة HT-BLOC على HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ar/products/shanghai-heat-transfer-equipment-co-ltd/ht-bloc-welded-plate-heat-exchanger
- المبادلات ذات الغلاف والأنابيب على HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ar/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger