جانب الأنابيب أم جانب الغلاف؟ كيف توزَّع الموائع في المبادل الحراري ذي الغلاف والأنابيب

تحديد المائع الذي يمر داخل الأنابيب والمائع الذي يجري في جانب الغلاف من أول القرارات في تصميم المبادل الحراري ذي الغلاف والأنابيب. فهو يؤثر في السعر والمواد وطريقة تنظيف الوحدة وعمرها. وكثيرًا ما يترك المشترون هذا القرار للمورد، لكن المشتري يعرف عادة أشياء لا يعرفها المورد: أي المائعين يسبب الترسبات، وأيهما مسبب للتآكل، وكيف ينظف المصنع معداته، وماذا يحدث إذا تسرب أحد المائعين إلى الآخر.

يلخص هذا المقال القواعد العملية التي يستخدمها المهندسون، ويبين أين تتعارض، ويسرد ما يجب أن تخبر به المورد حتى يكون التوزيع في العرض مناسبًا لمصنعك. ويضم كتالوج المنتجات في هذا الموقع مبادلات حرارية ذات غلاف وأنابيب بتصاميم لوح الأنابيب الثابت والأنابيب على شكل حرف U والرأس العائم وصندوق الحشو. ولتطبيق محدد، أرسل بيانات المائعين عبر نموذج طلب عرض السعر.

1. القواعد المعتادة باختصار

يجمع الجدول بين مرجعين واسعي الاستخدام: قواعد توزيع الموائع في كتاب Sinnott ‏Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6، وعمود Andrew Sloley عن اختيار الجانب الصحيح في مجلة Chemical Processing. ويؤكد كلاهما أن هذه إرشادات وليست قوانين.

ماء التبريد هو المثال الكلاسيكي. فهو يسبب الترسبات وقد يسبب التآكل، ولذلك يمر عادة في الأنابيب، حيث يمكن تنظيفها وصنعها من مادة أفضل من دون أن يصبح المبادل كله غالي الثمن.

2. هبوط الضغط: حيث يختلف المرجعان

في مسألة هبوط الضغط يشير المرجعان إلى اتجاهين مختلفين. يكتب Sinnott أن جانب الأنابيب يعطي، عند هبوط الضغط نفسه، معامل انتقال حرارة أعلى، ولذلك يجب أن يمر في الأنابيب المائع الذي يُسمح له بأقل هبوط ضغط. ويكتب Sloley أن المائع ذا هبوط الضغط المسموح المنخفض يجب أن يمر في جانب الغلاف، لأن مقطع الحواجز والمسافة بينها ونوعها يمكن اختيارها لتلبية أي حد لهبوط الضغط تقريبًا، وأن التطبيقات تحت الفراغ تكون دائمًا تقريبًا في جانب الغلاف.

الدرس العملي: عندما يكون هبوط الضغط المسموح هو ما يحكم التصميم، لا توجد قاعدة تحسم المسألة. اطلب من المورد حساب التوزيعين ومقارنة المساحة وهبوط الضغط والسعر.

3. نوع البناء يغيّر الجواب

تفترض القواعد السابقة أن الجانبين قابلان للتنظيف. وهذا يتوقف على طريقة بناء المبادل.

لذلك يجب أن يُقرَّر التوزيع ونوع البناء معًا. وإذا كان مصنعك لا يستطيع التنظيف إلا بتدوير المواد الكيميائية، فاذكر ذلك؛ وإذا كان يستطيع تنظيف الأنابيب بالماء عالي الضغط لكن لا توجد مساحة لسحب الحزمة، فاذكر ذلك أيضًا.

4. عندما تتعارض القواعد

في التطبيقات الفعلية كثيرًا ما تدفع قاعدتان في اتجاهين متعاكسين. ومن الحالات الشائعة:

• مائع نظيف عالي الضغط مقابل ماء منخفض الضغط يسبب الترسبات. الضغط يقول إن المائع النظيف يمر في الأنابيب؛ والترسبات تقول إن الماء هو الذي يمر فيها. والجواب يتوقف على مقدار الضغط، وسرعة تكوّن الترسبات من الماء، وطريقة تنظيف الوحدة.
• مائع لزج يسبب الترسبات أيضًا. جانب الغلاف يعطي انتقال حرارة أفضل، لكن تنظيفه يحتاج إلى حزمة قابلة للسحب وترتيب أنابيب يترك ممرات للتنظيف. ويحذر Sloley أيضًا من أن هبوط الضغط المرتفع في جانب الغلاف قد يسبب تجاوز الجريان حول الحواجز واهتزاز الأنابيب.
• مائع قد يتصلب. ينصح Sloley بتجنب المبادل ذي الغلاف والأنابيب إذا كان خطر التصلب مرتفعًا. وإذا كان لا بد منه، فإن تمرير هذا المائع في الأنابيب يعني أنه يمكن سحب الحزمة المسدودة واستبدالها.

وعندما لا تكون الحالة واضحة، اطلب من المورد تسعير التوزيعين وحسابهما. فالفرق في المساحة والتكلفة كثيرًا ما يكون أصغر مما يُتوقع، ورؤية الخيارين معًا توضح المفاضلة.

5. حالتان شائعتان

مسخنات البخار. يمر البخار المتكثف عادة في جانب الغلاف، ومائع العملية في الأنابيب. ويحتاج جانب الغلاف عندئذ إلى تصريف جيد للمتكثفات وإلى منفذ لتنفيس الغازات غير القابلة للتكثف. ولمشكلات المتكثفات وظاهرة التوقف التي تخص كل مسخنات البخار، راجع دليلنا عن المبادلات الحرارية اللوحية في تطبيقات البخار.

المبردات بالماء. يمر ماء التبريد في الأنابيب ومائع العملية في جانب الغلاف. ومع ماء البحر تصبح مادة الأنابيب هي القرار الرئيسي؛ راجع قائمة التحقق للمبادلات الحرارية البحرية ومبادلات ماء البحر.

6. إذا كان يجب ألا يختلط المائعان أبدًا

التوزيع وحده لا يمنع التسرب. فإذا كان يجب ألا يدخل أحد المائعين في الآخر أبدًا، مثلًا لأنهما يتفاعلان أو لأن المنتج يجب ألا يتلوث، فناقش ذلك مع المورد من البداية. ومن الإجراءات الشائعة لوح الأنابيب المزدوج وقاعدة للضغط. فلوح الأنابيب المزدوج يسمح للتسرب عند وصلات الأنابيب بلوح الأنابيب بالخروج إلى الخارج بدلًا من دخوله في المائع الآخر؛ لكنه لا يفيد إذا تلف جدار الأنبوب نفسه، لذا اسأل المورد أيضًا كيف يتعامل مع هذه الحالة، مثلًا من خلال مادة الأنابيب وسماكة جدارها واختبار التسرب والفحص. أما إبقاء المائع الأكثر حساسية عند ضغط أعلى فيعني أن أي تسرب، بما في ذلك التسرب عبر جدار أنبوب، يتجه بعيدًا عنه.

7. ماذا تخبر المورد

اطلب من المورد أن يذكر في ورقة البيانات أي مائع يمر في أي جانب ولماذا، وأن يشير إلى أي قاعدة قرر عدم اتباعها. وراجع أيضًا البيانات المطلوبة قبل طلب عرض سعر لمبادل حراري وقائمة التحقق من مصنعي المبادلات ذات الغلاف والأنابيب.

8. ماذا يعني هذا للمشترين

معظم قرارات التوزيع تتبع بضع قواعد بسيطة: الضغط والتآكل والترسبات تدفع المائع عادة إلى الأنابيب، بينما تمر الأبخرة والموائع المتكثفة والسوائل اللزجة والتدفقات المنخفضة عادة في جانب الغلاف. وقد يغيّر نوع البناء وطرق التنظيف المتاحة في الموقع هذا الجواب، وبعض القواعد، مثل قاعدة هبوط الضغط، تتوقف على التصميم المحدد. والمورد الذي يشرح كتابةً سبب التوزيع الذي اختاره، ويحسب البديل عندما تكون الحالة متقاربة، أسهل في التعامل من مورد يكتفي بملء ورقة بيانات.

المصادر والصفحات ذات الصلة

• Andrew Sloley، «Shell-and-Tube Heat Exchanger: Pick the Right Side»، مجلة Chemical Processing، 2013: https://www.chemicalprocessing.com/processing-equipment/fluid-handling/article/11340603/shell-and-tube-heat-exchanger-pick-the-right-side-chemical-processing
• R. K. Sinnott، ‏Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6: Chemical Engineering Design، قسم توزيع الموائع (الغلاف أو الأنابيب)
• المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنابيب على HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ar/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger
• دليل الاختيار بين المبادل اللوحي والمبادل ذي الغلاف والأنابيب على HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ar/industry-news/posts/plate-heat-exchanger-vs-shell-and-tube-selection-guide