التأثير العام للتغيرات المتوسطة على ظروف التصميم في تصميم المبادلات الحرارية للوحة

الملخص: تستخدم المبادلات الحرارية اللوحية (PHEs) على نطاق واسع في المجالات الصناعية مثل الهندسة الكيميائية، وتجهيز الأغذية، والتكييف، والبتروكيماويات بسبب هيكلها المدمج، وكفاءة نقل الحرارة العالية، وقابلية التوسع المرنة. يرتبط تصميم PHEs ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الفيزيائية والكيميائية والحرارية لوسط التبادل الحراري. أي تغيير في الوسط (بما في ذلك التغييرات في النوع والتركيب ومعلمات الحالة) سيؤثر بشكل مباشر على ظروف التصميم الأساسية للـ PHEs، مثل كفاءة نقل الحرارة، وانخفاض الضغط، واختيار المواد، وهيكل اللوحة، واستقرار التشغيل. تحلل هذه الورقة بشكل منهجي أنواع التغييرات المتوسطة في تصميم PHE، وتستكشف آلية التغييرات المتوسطة التي تؤثر على معلمات التصميم الرئيسية، وتجمع بين الحالات الهندسية العملية للتحقق من قانون التأثير، وتطرح استراتيجيات تعديل التصميم المقابلة. يظهر البحث أن التغيرات المتوسطة سوف تسبب تفاعلات متسلسلة في نظام تصميم PHEs: التغيرات في الخواص الفيزيائية (اللزوجة والكثافة والتوصيل الحراري) تؤثر على معامل نقل الحرارة وانخفاض الضغط؛ التغييرات في الخواص الكيميائية (التآكل، التفاعل) تحدد اختيار مواد اللوحة والحشية؛ تؤثر التغييرات في معلمات الحالة (درجة الحرارة، الضغط، الطور) على اختيار نوع اللوحة وتصميم قناة التدفق؛ والتغيرات في التركيبة المتوسطة (الشوائب والمكونات المختلطة) تزيد من خطر التلوث وتؤثر على كفاءة التشغيل على المدى الطويل. توفر هذه الدراسة الأساس النظري والتوجيه العملي لتحسين التصميم، وتعديل التشغيل، وصيانة PHEs في ظل ظروف التغيير المتوسطة، مما يساعد على تحسين القدرة على التكيف وموثوقية PHEs في البيئات الصناعية المعقدة.

الكلمات الرئيسية: لوحة مبادل حراري. تغيير متوسط؛ شروط التصميم أداء نقل الحرارة. انخفاض الضغط اختيار المواد

المبادلات الحرارية اللوحية هي نوع من معدات نقل الحرارة عالية الكفاءة التي تتكون من سلسلة من الألواح المموجة، والحشيات، وألواح الإطار، وقضبان الربط. يتم تحقيق عملية التبادل الحراري من خلال التدفق المتناوب للوسائط الساخنة والباردة على جانبي الصفائح، ويعزز الهيكل المموج للألواح اضطراب الوسط، وبالتالي تحسين كفاءة نقل الحرارة. بالمقارنة مع المبادلات الحرارية ذات القشرة والأنبوب التقليدية، تتمتع المبادلات الحرارية PHEs بمزايا معامل نقل الحرارة العالي (3000–7000 واط/م² · كلفن للتطبيقات السائلة والسائلة)، والهيكل المدمج (كثافة مساحة السطح 100–200 متر مربع/م3، 4-5 أضعاف المبادلات الحرارية ذات القشرة والأنبوب)، وسهولة التفكيك والصيانة، والضبط المرن لمنطقة نقل الحرارة عن طريق زيادة أو تقليل الألواح. هذه المزايا تجعل PHEs تستخدم على نطاق واسع في مختلف المجالات الصناعية، ويحدد عقلانية تصميمها بشكل مباشر كفاءة التشغيل واستهلاك الطاقة وعمر الخدمة لنظام التبادل الحراري بأكمله.

في الإنتاج الصناعي، غالبًا ما يتأثر وسط التبادل الحراري بعوامل مثل استبدال المواد الخام، وتعديل العملية، وتعديل صيغة المنتج، والتغيرات البيئية، مما يؤدي إلى تغييرات في نوعه، وتكوينه، وخصائصه الفيزيائية والكيميائية، ومعلمات الحالة. على سبيل المثال، في صناعة البتروكيماويات، قد يزيد محتوى الماء في النفط الخام بسبب التغيرات في ظروف استغلال حقول النفط؛ في صناعة تجهيز الأغذية، قد تتغير لزوجة الحليب أو الشراب بسبب الاختلافات في مصادر المواد الخام؛ وفي الصناعة الكيميائية، قد تزداد تآكل الوسط بسبب إضافة مكونات جديدة. بمجرد تغير الوسط، فإن معلمات التصميم الأصلية لـ PHE (مثل منطقة نقل الحرارة ونوع اللوحة والمواد ومعدل التدفق) لن تتطابق مع ظروف التشغيل الفعلية، مما يؤدي إلى مشاكل مثل انخفاض كفاءة نقل الحرارة، وانخفاض الضغط المفرط، وزيادة استهلاك الطاقة، وتآكل المواد، وحتى فشل المعدات.

في الوقت الحاضر، تركز معظم الأبحاث الحالية حول تصميم PHE على تحسين هيكل اللوحة، وحساب نقل الحرارة، والتحكم في التلوث، ولكن هناك نقص في التحليل المنهجي حول التأثير الإجمالي للتغيرات المتوسطة على ظروف التصميم. في الهندسة العملية، غالبًا ما تتجاهل العديد من المؤسسات تأثير التغيرات المتوسطة، مما يؤدي إلى عدم قدرة هيئة الصحة العامة على القيام بأدائها الواجب، وحتى التسبب في خسائر اقتصادية. على سبيل المثال، عندما يزيد انقطاع المياه في النفط الخام، ستنخفض درجة حرارة مخرج الوسط، وإذا لم يتم إعادة تصميم PHE، فمن الضروري إضافة محارق للتسخين المسبق، مما يزيد من تكلفة التشغيل السنوية بمقدار 390.000 يورو؛ في حين أن تمديد حزمة لوحة PHE يمكن أن يستعيد درجة حرارة المخرج ويحقق انتعاش الاستثمار في أقل من ثلاثة أشهر. ولذلك، فمن الأهمية النظرية والعملية الكبيرة لدراسة تأثير التغيرات المتوسطة على شروط تصميم PHEs، وتوضيح آلية التأثير، واقتراح استراتيجيات التعديل.

تصنف هذه الورقة أولاً أنواع التغييرات المتوسطة في تصميم PHE، ثم تحلل تأثير الأنواع المختلفة من التغييرات المتوسطة على ظروف التصميم الرئيسية (أداء نقل الحرارة، وانخفاض الضغط، واختيار المواد، وهيكل اللوحة، وما إلى ذلك) من الآلية، وتجمع بين الحالات العملية للتحقق، وأخيراً تطرح طرق تعديل التصميم واقتراحات التحسين، مما يوفر الدعم للتصميم العقلاني والتشغيل المستقر لـ PHEs في ظل ظروف التغيير المتوسطة.

يشير الوسط الموجود في PHEs إلى السوائل الساخنة والباردة المشاركة في التبادل الحراري، وتتنوع تغيراته، لكن يمكن تقسيمها إلى أربع فئات حسب طبيعة التغير: تغيرات في الخواص الفيزيائية، وتغيرات في الخواص الكيميائية، وتغيرات في بارامترات الحالة، وتغيرات في تركيب الوسط. هذه الأنواع الأربعة من التغيرات ليست معزولة، وقد يكون هناك تأثير متبادل (على سبيل المثال، التغيرات في درجة الحرارة قد تؤدي إلى تغيرات في اللزوجة والكثافة، والتغيرات في التركيب قد تؤدي إلى تغيرات في التآكل).

تشمل الخصائص الفيزيائية للوسط التي تؤثر على تصميم PHE بشكل أساسي اللزوجة والكثافة والتوصيل الحراري والسعة الحرارية المحددة والتوتر السطحي. ستؤثر التغييرات في هذه الخصائص الفيزيائية بشكل مباشر على حالة تدفق الوسط في قناة التدفق وعملية نقل الحرارة. تشمل التغيرات الشائعة في الخواص الفيزيائية: زيادة أو نقصان اللزوجة (مثل زيادة لزوجة زيت التشحيم بعد التعتيق، وانخفاض لزوجة الشراب بعد التسخين)، وزيادة أو نقصان الكثافة (مثل خلط الزيوت الخفيفة والثقيلة)، والتغيرات في التوصيل الحراري (مثل إضافة إضافات نقل الحرارة إلى الوسط). من بينها، اللزوجة والتوصيل الحراري هما الخواص الفيزيائية الأكثر أهمية، والتي لها التأثير الأكبر على كفاءة نقل الحرارة وانخفاض الضغط.

تؤثر الخواص الكيميائية للوسط بشكل رئيسي على اختيار المواد من PHEs، بما في ذلك التآكل، والتفاعل، والأكسدة، والاختزال. غالبًا ما تحدث التغيرات في الخواص الكيميائية بسبب استبدال المواد الخام أو إضافة مكونات جديدة أو التفاعلات الكيميائية أثناء عملية التبادل الحراري. على سبيل المثال، في الصناعة الكيميائية، قد يتغير الوسط من محايد إلى حمضي أو قلوي بسبب تعديل العملية؛ في صناعة المواد الغذائية، قد ينتج الوسط مواد حمضية بسبب التخمير، مما يزيد من التآكل؛ وفي صناعة البتروكيماويات، قد يزيد محتوى الكبريت في الوسط، مما يؤدي إلى تعزيز تآكل المواد المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، قد تتفاعل بعض الوسائط مع بعضها البعض أو مع مواد اللوحة/الحشية، مما يؤدي إلى تلف المواد وتعطل المعدات.

تشير معلمات حالة الوسط إلى درجة الحرارة والضغط وحالة الطور (السائل والغاز والخليط الصلب والسائل) أثناء التبادل الحراري. تعد التغييرات في معلمات الحالة شائعة في الإنتاج الصناعي، مثل التغيرات في درجة حرارة مدخل / مخرج الوسط بسبب تعديل حمل العملية، والتغيرات في ضغط تشغيل النظام بسبب انسداد خط الأنابيب أو فشل المضخة، وتغيرات الطور للوسط أثناء التبادل الحراري (مثل تكثيف البخار، وتبخير السائل). من بينها، يكون لتغيرات الطور التأثير الأكثر أهمية على تصميم PHE، حيث إنها ستغير آلية نقل الحرارة وتتطلب تصميمًا خاصًا لنوع اللوحة وقناة التدفق.

تشير التغييرات في تكوين الوسط إلى إضافة الشوائب أو المكونات المختلطة أو التغييرات في نسبة المكونات في الوسط الأصلي. على سبيل المثال، قد يحتوي الوسط على جسيمات صلبة (مثل الرواسب في الماء، وجزيئات المحفز في التفاعلات الكيميائية) بسبب تلوث المواد الخام؛ يؤدي خلط وسطين أو أكثر (مثل خلط الماء والزيت) إلى تغيير الخصائص العامة للوسط؛ تتغير نسبة المكونات في الوسط (مثل التغير في قطع الماء من النفط الخام). لن تؤثر التغييرات في تركيبة الوسط على الخواص الفيزيائية والكيميائية للوسط فحسب، بل ستزيد أيضًا من خطر التلوث وانسداد قناة التدفق، مما يؤثر على تشغيل PHE على المدى الطويل.

يعتمد تصميم PHEs على معلمات الوسط الأصلية، وأي تغيير في الوسط سيؤدي إلى تفاعل متسلسل في نظام التصميم. سيتم تحليل ما يلي تأثير التغييرات المتوسطة على ظروف التصميم الرئيسية من خمسة جوانب: أداء نقل الحرارة، وانخفاض الضغط، واختيار المواد، وهيكل اللوحة وتصميم قناة التدفق، والقاذورات واستقرار التشغيل.

أداء نقل الحرارة هو المؤشر الأساسي لتصميم PHE، والذي يتم قياسه بشكل أساسي من خلال معامل نقل الحرارة (U) ومعدل نقل الحرارة (Q). تشتمل عملية نقل الحرارة في PHEs على ثلاث وصلات: نقل الحرارة بالحمل من الوسط الساخن إلى جدار اللوحة، ونقل الحرارة بالتوصيل عبر جدار اللوحة، ونقل الحرارة بالحمل من جدار اللوحة إلى الوسط البارد. تؤثر التغيرات المتوسطة على أداء نقل الحرارة عن طريق تغيير كفاءة نقل الحرارة بالحمل الحراري والمقاومة الحرارية للوسط.

اللزوجة هي العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري. كلما زادت لزوجة الوسط، زادت مقاومة التدفق، وزادت صعوبة تكوين الاضطراب، وانخفض معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري. على سبيل المثال، عندما تزيد لزوجة الوسط الساخن بنسبة 50%، فإن رقم رينولدز (Re) للوسط في قناة التدفق سوف ينخفض ​​بشكل ملحوظ (Re يتناسب عكسيا مع اللزوجة)، وسوف تتغير حالة التدفق من التدفق المضطرب إلى التدفق الصفحي. في هذا الوقت، سينخفض ​​معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري بنسبة 30% إلى 50%، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في معدل نقل الحرارة. على العكس من ذلك، فإن انخفاض اللزوجة سيؤدي إلى زيادة رقم رينولدز، وتعزيز الاضطراب، وتحسين معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري.

تؤثر الموصلية الحرارية بشكل مباشر على قدرة نقل الحرارة للوسط. كلما زادت الموصلية الحرارية للوسط، زادت سرعة انتقال الحرارة بين الوسط وجدار اللوحة، وارتفع معامل نقل الحرارة. على سبيل المثال، عند تغيير الوسط من الماء (الموصلية الحرارية 0.6 واط/(م·ك)) إلى زيت المحرك (الموصلية الحرارية 0.14 واط/(م·ك)))، تنخفض الموصلية الحرارية بنسبة 77%، وسيتم تقليل معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري بشكل كبير، مما يتطلب زيادة في مساحة نقل الحرارة لتلبية متطلبات نقل الحرارة التصميمية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التغيرات في الكثافة والسعة الحرارية النوعية ستؤثر على معدل تدفق السعة الحرارية (m·cp) للوسط، وبالتالي تؤثر على فرق درجة الحرارة بين مدخل ومخرج الوسط ومعدل نقل الحرارة.

تؤثر التغيرات في درجات الحرارة على أداء نقل الحرارة بطريقتين: من ناحية، ستؤدي التغيرات في درجة الحرارة إلى تغيرات في الخواص الفيزيائية للوسط (مثل اللزوجة، والتوصيل الحراري)، مما يؤثر على معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري؛ من ناحية أخرى، فإن التغيرات في درجة حرارة مدخل/مخرج الوسط سوف تغير سجل متوسط ​​فرق درجة الحرارة (LMTD)، وهو القوة الدافعة لنقل الحرارة. على سبيل المثال، إذا انخفضت درجة حرارة مدخل الوسط الساخن بمقدار 20 درجة مئوية، فسوف ينخفض ​​LMTD، وسوف ينخفض ​​معدل نقل الحرارة وفقًا لذلك. للحفاظ على متطلبات نقل الحرارة الأصلية، من الضروري زيادة مساحة نقل الحرارة أو ضبط معدل تدفق الوسط.

ستؤدي تغييرات الطور (مثل تكثيف البخار وتبخير السائل) إلى تغيير آلية نقل الحرارة بشكل كبير. عندما يخضع الوسط لتغيير الطور، سيتم إطلاق أو امتصاص الحرارة الكامنة لتغير الطور، مما يمكن أن يحسن بشكل كبير معدل نقل الحرارة. على سبيل المثال، عند تغيير الوسط الساخن من الماء المشبع (انتقال الحرارة المعقول) إلى البخار المشبع (نقل الحرارة الكامن)، يمكن زيادة معامل نقل الحرارة بمقدار 2-3 مرات. ومع ذلك، فإن تغييرات الطور تطرح أيضًا متطلبات أعلى لنوع اللوحة وتصميم قناة التدفق. على سبيل المثال، يتطلب تكثيف البخار نوع لوحة ذو أداء جيد لفصل الغاز عن السائل لتجنب تراكم الغشاء السائل الذي يؤثر على نقل الحرارة؛ يتطلب تبخير السائل قناة تدفق ذات توزيع موحد لضمان تسخين الوسط بالتساوي.

عندما يحتوي الوسط على جزيئات صلبة أو شوائب، ستشكل الجزيئات طبقة قاذورات على سطح اللوحة، مما يزيد من المقاومة الحرارية لطبقة القاذورات، وبالتالي تقليل معامل نقل الحرارة الإجمالي. كلما زاد محتوى الجزيئات، زاد معدل التلوث، وكلما زاد انخفاض كفاءة نقل الحرارة. على سبيل المثال، عندما يحتوي الماء المستخدم كوسيط بارد على كمية كبيرة من أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم، سيحدث التقشر على سطح اللوحة بعد التشغيل على المدى الطويل، وتكون الموصلية الحرارية لطبقة التحجيم 1/10-1/5 فقط من تلك الموجودة في اللوحة المعدنية، مما يقلل من معامل نقل الحرارة بنسبة 20%-40% بعد التحجيم. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي خلط الوسائط المختلفة إلى انحلال أو تقسيم متبادل، مما يؤدي إلى تغيير الخصائص الفيزيائية العامة للوسط والتأثير بشكل أكبر على أداء نقل الحرارة.

انخفاض الضغط هو شرط تصميم رئيسي آخر لـ PHEs، والذي يشير إلى فقدان الضغط للوسيط عند التدفق عبر قناة التدفق لـ PHE. يؤثر انخفاض الضغط بشكل مباشر على استهلاك الطاقة للمضخة (أو المروحة) واستقرار تشغيل النظام. يتم تحديد انخفاض الضغط في PHEs بشكل أساسي من خلال مقاومة تدفق الوسط في قناة التدفق، والتي ترتبط بالخصائص الفيزيائية للوسط ومعدل التدفق وهيكل قناة التدفق وعوامل أخرى. سوف تؤثر التغييرات المتوسطة على انخفاض الضغط عن طريق تغيير مقاومة التدفق للوسط.

اللزوجة هي العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على انخفاض الضغط. كلما زادت لزوجة الوسط، زادت مقاومة التدفق، وزاد انخفاض الضغط. وفقا لصيغة ميكانيكا الموائع، فإن انخفاض الضغط يتناسب مع لزوجة الوسط تحت نفس معدل التدفق وبنية قناة التدفق. على سبيل المثال، عندما تزيد لزوجة الوسط بنسبة 100%، فإن انخفاض الضغط سيزيد بحوالي 80%-100% تحت نفس معدل التدفق. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر كثافة الوسط أيضًا على انخفاض الضغط: فكلما زادت كثافة الوسط، زادت قوة القصور الذاتي للسائل، وكلما زاد انخفاض الضغط تحت نفس معدل التدفق.

تؤثر التغيرات في درجة الحرارة على انخفاض الضغط عن طريق تغيير لزوجة الوسط وكثافته. على سبيل المثال، عندما ترتفع درجة حرارة الوسط، تنخفض اللزوجة، وينخفض ​​الضغط تبعاً لذلك؛ على العكس من ذلك، عندما تنخفض درجة الحرارة، تزداد اللزوجة، ويزداد انخفاض الضغط. سوف تؤثر التغيرات في الضغط على كثافة وحالة الطور للوسط. على سبيل المثال، عندما يكون ضغط التشغيل أقل من ضغط التشبع للوسط، سوف يتبخر الوسط، ويشكل تدفقًا ثنائي الطور للغاز والسائل، مما سيزيد بشكل كبير من مقاومة التدفق وانخفاض الضغط. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط انخفاض ضغط PHE أيضًا بمعدل تدفق الوسط. إذا زاد معدل التدفق المتوسط ​​بسبب تعديل العملية، فإن انخفاض الضغط سيزيد بشكل حاد (انخفاض الضغط يتناسب مع مربع معدل التدفق).

عندما يحتوي الوسط على جزيئات صلبة أو شوائب، فإن الجزيئات سوف تصطدم بجدار اللوحة وبعضها البعض أثناء عملية التدفق، مما يزيد من مقاومة التدفق وانخفاض الضغط. بالإضافة إلى ذلك، سوف تتراكم الجزيئات في قناة التدفق، مما يؤدي إلى تضييق المقطع العرضي لقناة التدفق، مما يزيد من معدل التدفق وانخفاض الضغط. على سبيل المثال، عندما يحتوي الوسط على 5%-10% من الجسيمات الصلبة (حجم الجسيمات 10-50 ميكرومتر)، فإن انخفاض الضغط سيزيد بنسبة 30%-50% مقارنة بالوسط النظيف. إذا كانت الجزيئات كبيرة جدًا (أكثر من 100 ميكرومتر)، فقد تسد قناة التدفق، مما يؤدي إلى فشل PHE في العمل بشكل طبيعي.

يتم تحديد اختيار المواد من PHEs (بما في ذلك مادة اللوحة والمواد الحشية) بشكل أساسي من خلال الخواص الكيميائية ومعلمات الحالة للوسط. الشرط الأساسي لاختيار المواد هو مقاومة التآكل، تليها التوصيل الحراري، والقوة الميكانيكية، وفعالية التكلفة. ستؤدي تغييرات الوسط بشكل مباشر إلى عدم التطابق بين المادة الأصلية والوسط الجديد، مما يؤدي إلى تآكل المواد وشيخوخة الحشية ومشاكل أخرى، مما يؤثر على عمر خدمة PHE.

التآكل هو العامل الرئيسي الذي يحدد مادة اللوحة. تشتمل مواد الألواح الشائعة على الفولاذ المقاوم للصدأ (304، 316L)، والتيتانيوم، والهاستيلوي، وسبائك النحاس. يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ 316L على نطاق واسع في الوسائط المحايدة والتآكل الضعيف (مثل الماء وزيت الطعام)، ولكنه ليس مقاومًا للأحماض القوية والقلويات القوية والوسائط التي تحتوي على الكلوريد؛ التيتانيوم مقاوم للتآكل القوي (مثل مياه البحر وحمض الهيدروكلوريك) ومناسب لظروف العمل القاسية؛ يعتبر Hastelloy مقاومًا لمعظم الأحماض والقلويات القوية ويستخدم في الصناعات الكيميائية ذات الوسائط القوية المسببة للتآكل. إذا تغير الوسط من محايد إلى حمضي (مثل قيمة الرقم الهيدروجيني من 7 إلى 3)، فسوف تتآكل لوحة الفولاذ المقاوم للصدأ 304 الأصلية، مما يؤدي إلى ثقب اللوحة وتسربها. في هذا الوقت، من الضروري استبدال اللوحة بالتيتانيوم أو Hastelloy.

تتأثر مادة الحشية أيضًا بالخصائص الكيميائية للوسط. تشمل مواد الحشية الشائعة مطاط النتريل (NBR)، ومونومر إيثيلين بروبيلين ديين (EPDM)، ومطاط الفلور (فيتون). NBR مناسب للوسائط الزيتية ولكنه غير مقاوم للأحماض والقلويات القوية. EPDM مناسب للوسائط المحايدة والتآكل الضعيف وله مقاومة جيدة لدرجات الحرارة العالية. الفيتون مقاوم للأحماض القوية والقلويات القوية والمذيبات العضوية، لكن تكلفته مرتفعة. إذا تم تغيير الوسط من زيت إلى حمض قوي، فإن حشية NBR الأصلية سوف تتآكل وتتقادم، مما يؤدي إلى تسرب الوسط، ومن الضروري استبدالها بحشية فيتون.

تؤثر تغيرات درجة الحرارة والضغط على اختيار المادة عن طريق تغيير معدل تآكل الوسط والخواص الميكانيكية للمادة. ستعمل درجة الحرارة المرتفعة على تسريع معدل تآكل الوسط وتقليل القوة الميكانيكية وعمر الخدمة للمادة. على سبيل المثال، عندما تزيد درجة حرارة التشغيل من 100 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية، فإن معدل تآكل الوسط إلى لوحة الفولاذ المقاوم للصدأ سيزيد بمقدار 2-3 مرات، ومن الضروري اختيار مادة ذات مقاومة أفضل للتآكل عند درجات الحرارة العالية (مثل Hastelloy). يتطلب الضغط العالي أن تتمتع المادة بقوة ميكانيكية أعلى لتجنب تشوه اللوحة أو تلفها. على سبيل المثال، عندما يزيد ضغط التشغيل من 1.6 ميجا باسكال إلى 4.0 ميجا باسكال، فإن لوحة الفولاذ المقاوم للصدأ العادية الأصلية (سمك 0.5 مم) لا يمكنها تحمل الضغط العالي، ومن الضروري زيادة سمك اللوحة أو اختيار مادة ذات قوة أعلى.

عندما يحتوي الوسط على أيونات الكلوريد، أو أيونات الكبريت، أو أيونات أخرى مسببة للتآكل، فسوف يؤدي ذلك إلى تسريع تآكل مادة اللوحة. على سبيل المثال، حتى كمية صغيرة من أيونات الكلوريد (أكثر من 200 جزء في المليون) سوف تتسبب في تآكل ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يؤدي إلى تلف اللوحة. في هذا الوقت، من الضروري اختيار مواد مقاومة للكلوريد (مثل التيتانيوم). بالإضافة إلى ذلك، إذا كان الوسط يحتوي على مذيبات عضوية، فسوف يؤدي إلى إذابة مادة الحشية، مما يؤدي إلى فشل الحشية. على سبيل المثال، الوسط الذي يحتوي على الأسيتون سوف يذيب حشية NBR، ومن الضروري استبدالها بحشية فيتون.

تم تصميم هيكل اللوحة (نوع اللوحة، زاوية التموج، سمك اللوحة) وتصميم قناة التدفق (عرض قناة التدفق، اتجاه التدفق، عدد التمريرات) لـ PHEs وفقًا لحالة التدفق ومتطلبات نقل الحرارة للوسيط الأصلي. سوف تؤثر التغييرات المتوسطة على حالة التدفق ومتطلبات نقل الحرارة للوسط، وبالتالي تتطلب تعديلات على هيكل اللوحة وتصميم قناة التدفق.

بالنسبة للوسائط عالية اللزوجة، فإن قناة التدفق الضيقة الأصلية ستؤدي إلى انخفاض مفرط في الضغط وسوء نقل الحرارة. من الضروري تحديد نوع لوحة بقناة تدفق أوسع (مثل لوحة بزاوية تمويج تبلغ 30 درجة) لتقليل مقاومة التدفق وتحسين حالة تدفق الوسط. على سبيل المثال، عند تغيير الوسط من الماء (اللزوجة المنخفضة) إلى الزيت الثقيل (اللزوجة العالية)، يجب زيادة عرض قناة التدفق من 2-3 مم إلى 4-5 مم لتقليل انخفاض الضغط. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب الوسائط عالية اللزوجة نوع لوحة ذو تأثير اضطراب أقوى (مثل الألواح المموجة المتعرجة) لتعزيز نقل الحرارة بالحمل الحراري.

بالنسبة للوسائط ذات الموصلية الحرارية المنخفضة، من الضروري زيادة مساحة نقل الحرارة عن طريق زيادة عدد الألواح أو اختيار الألواح ذات مساحة سطح محددة أكبر. على سبيل المثال، عند تغيير الوسط من الماء إلى زيت المحرك (توصيل حراري منخفض)، يجب زيادة عدد الألواح بنسبة 30%-50% لتلبية متطلبات نقل الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر زاوية تمويج اللوحة أيضًا على نقل الحرارة وانخفاض الضغط: يمكن لزاوية تمويج أكبر (60 درجة) تحسين معامل نقل الحرارة، ولكن انخفاض الضغط أكبر؛ يمكن لزاوية تمويج أصغر (30 درجة) أن تقلل من انخفاض الضغط، ولكن معامل نقل الحرارة أقل. تحتاج التغييرات المتوسطة إلى تحقيق التوازن بين نقل الحرارة وانخفاض الضغط عن طريق ضبط زاوية التموج.

عندما يخضع الوسط لتغير الطور (مثل تكثيف البخار)، فمن الضروري تحديد نوع اللوحة المناسب لنقل الحرارة بتغير الطور. على سبيل المثال، يتطلب نقل الحرارة بالتكثيف لوحة ذات سطح أملس وقناة تدفق كبيرة لتسهيل تفريغ السائل المكثف وتجنب تراكم الغشاء السائل. يتطلب نقل الحرارة بالتبخير لوحة ذات قناة تدفق موحدة لضمان تسخين الوسط بالتساوي ومنع ارتفاع درجة الحرارة المحلية. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب وسائط تغيير الطور تصميم قناة تدفق متعدد التمريرات لتمديد وقت بقاء الوسط في PHE وتحسين كفاءة تغيير الطور.

تؤثر التغيرات في درجة الحرارة والضغط أيضًا على سمك اللوحة. تتطلب درجات الحرارة المرتفعة والضغط العالي ألواحًا أكثر سمكًا لضمان القوة الميكانيكية. على سبيل المثال، عندما يزيد ضغط التشغيل من 1.6 ميجا باسكال إلى 4.0 ميجا باسكال، يجب زيادة سمك اللوحة من 0.5 مم إلى 0.8-1.0 مم. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب الوسائط عالية الحرارة ألواحًا ذات موصلية حرارية جيدة لتقليل الإجهاد الحراري، مثل ألواح سبائك النحاس أو ألواح التيتانيوم.

عندما يحتوي الوسط على جزيئات صلبة أو شوائب، فمن الضروري اختيار نوع اللوحة بقناة تدفق واسعة وسهلة التنظيف لتجنب انسداد قناة التدفق. على سبيل المثال، يجب أن يختار الوسط الذي يحتوي على جزيئات صلبة لوحة بعرض قناة تدفق يزيد عن 4 مم، ويجب أن يكون سطح اللوحة سلسًا لتقليل تراكم الجسيمات. بالإضافة إلى ذلك، يجب تصميم اتجاه تدفق الوسط كتدفق معاكس لتحسين كفاءة نقل الحرارة وتقليل تراكم الجزيئات. بالنسبة للوسائط ذات الميل الخطير للتلوث، من الضروري تصميم PHE قابل للفصل لتسهيل التنظيف والصيانة المنتظمة.

يعد التلوث مشكلة شائعة في عملية PHE، والتي تشير إلى تراكم الشوائب والحجم والمواد الأخرى على سطح اللوحة، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة نقل الحرارة، وزيادة انخفاض الضغط، وتقصير عمر الخدمة. التغييرات المتوسطة هي أحد الأسباب الرئيسية للقاذورات. بالإضافة إلى ذلك، ستؤثر التغييرات المتوسطة أيضًا على استقرار تشغيل PHE، مما يؤدي إلى مشاكل مثل تسرب الوسط، وتشوه اللوحة، وتقلب النظام.

التغييرات في تكوين الوسط هي العامل الرئيسي الذي يؤدي إلى التلوث. على سبيل المثال، الزيادة في أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم في الوسط سوف تؤدي إلى التحجيم؛ الزيادة في الجزيئات الصلبة سوف تؤدي إلى تلوث الترسيب. ستؤدي الزيادة في المواد العضوية إلى تلوث بيولوجي أو تلوث كيميائي. بالإضافة إلى ذلك، فإن التغيرات في درجة الحرارة والضغط ستؤدي أيضًا إلى تسريع معدل التلوث. على سبيل المثال، ستؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى تسريع تبلور أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم، مما يؤدي إلى ظهور القشور؛ ستؤدي التغيرات في الضغط إلى ترسيب الغازات الذائبة في الوسط، وتشكيل قاذورات فيلم الغاز. لا يقلل التلوث من كفاءة نقل الحرارة فحسب، بل يزيد أيضًا من انخفاض الضغط، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة وحتى انسداد قناة التدفق.

قد تؤدي التغييرات المتوسطة إلى تسرب متوسط. على سبيل المثال، قد تؤدي التغيرات في الخواص الكيميائية للوسط إلى تآكل الحشية أو اللوحة، مما يؤدي إلى التسرب؛ قد تؤدي التغيرات في الضغط إلى تشوه الحشية أو سقوطها، مما يؤدي إلى التسرب. بالإضافة إلى ذلك، فإن الانخفاض المفرط في الضغط الناتج عن التغيرات المتوسطة قد يؤدي إلى التحميل الزائد للمضخة، مما يؤثر على التشغيل المستقر للنظام. على سبيل المثال، عندما يتجاوز انخفاض الضغط الحد التصميمي، ستعمل المضخة تحت الحمل الزائد، مما يؤدي إلى تلف المضخة أو إيقاف تشغيل النظام. بالإضافة إلى ذلك، قد تؤدي التغيرات في حالة تدفق الوسط إلى توزيع غير متساوٍ لدرجة حرارة اللوحة، مما يؤدي إلى الإجهاد الحراري وتشوه اللوحة.

لمزيد من التحقق من تأثير التغييرات المتوسطة على ظروف تصميم PHEs، تحلل هذه الورقة حالتين هندسيتين عمليتين، بما في ذلك تأثير التغييرات في تكوين الوسط في صناعة البتروكيماويات وتأثير التغيرات في الخصائص الفيزيائية في صناعة تجهيز الأغذية، وتطرح تدابير التعديل المقابلة.

تستخدم إحدى شركات البتروكيماويات PHE لتسخين النفط الخام. وسيط التصميم الأصلي هو النفط الخام مع قطع مياه بنسبة 5% (جزء من الكتلة)، ودرجة حرارة مدخل الزيت الخام 70 درجة مئوية، ودرجة حرارة المخرج 101 درجة مئوية، ومنطقة نقل الحرارة لـ PHE هي 120 مترًا مربعًا. مادة اللوحة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، ومواد الحشية هي NBR. بسبب التغيرات في ظروف استغلال حقول النفط، يزيد قطع المياه من النفط الخام إلى 20%، مما يؤدي إلى تغيرات في الخصائص الفيزيائية للوسط: تزداد اللزوجة بنسبة 30%، وتنخفض الموصلية الحرارية بنسبة 15%، وتزيد الكثافة بنسبة 8%.

بعد زيادة انقطاع المياه، تكون مشاكل تشغيل PHE كما يلي: (1) تنخفض كفاءة نقل الحرارة بشكل كبير، وتنخفض درجة حرارة مخرج الزيت الخام إلى 99 درجة مئوية، وهو ما لا يمكنه تلبية متطلبات العملية اللاحقة؛ (2) يزداد انخفاض الضغط بنسبة 40%، مما يؤدي إلى التحميل الزائد على مضخة الزيت الخام وزيادة استهلاك الطاقة؛ (3) يتسبب الماء الموجود في الزيت الخام في تآكل طفيف للوحة، كما أن الحشية تقادم وتشوه، مع احتمالية حدوث مخاطر تسرب.

وفقًا للتغيرات المتوسطة، تم اعتماد تدابير تعديل التصميم التالية: (1) ضبط هيكل اللوحة: زيادة عدد الألواح، وتوسيع مساحة نقل الحرارة إلى 150 مترًا مربعًا، واختيار نوع اللوحة بزاوية تمويج تبلغ 30 درجة لتقليل انخفاض الضغط؛ (2) تحسين تصميم قناة التدفق: زيادة عرض قناة التدفق من 2.5 مم إلى 3.5 مم للتكيف مع الوسط عالي اللزوجة وتقليل تراكم الجسيمات؛ (3) استبدال مادة الحشية: استبدل حشية NBR بحشية EPDM لتحسين مقاومة التآكل للنفط الخام المحتوي على الماء؛ (4) إضافة جهاز معالجة مسبقة: قم بتركيب جهاز فصل الماء عن الزيت عند مدخل PHE لتقليل قطع الماء من النفط الخام إلى 10% وتقليل تأثير الماء على PHE. بعد التعديل، تتم استعادة درجة حرارة مخرج الزيت الخام إلى 101 درجة مئوية، ويتم تقليل انخفاض الضغط إلى مستوى التصميم، ويتم تحسين استقرار تشغيل PHE بشكل كبير. يتم استرداد الاستثمار في تدابير التعديل في أقل من ثلاثة أشهر من خلال توفير الطاقة وخفض تكاليف الصيانة.

تستخدم إحدى شركات تصنيع الأغذية PHE لتبريد الحليب. إن وسيط التصميم الأصلي هو الحليب الطازج بلزوجة تبلغ 1.2 مللي باسكال · ثانية، ودرجة حرارة المدخل 60 درجة مئوية، ودرجة حرارة المخرج 4 درجات مئوية، ومساحة نقل الحرارة 80 مترًا مربعًا. مادة اللوحة مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، ومواد الحشية هي EPDM. بسبب استبدال مصادر الحليب الخام، تزداد لزوجة الحليب إلى 2.5 مللي باسكال (بسبب زيادة محتوى الدهون)، وتزداد الكثافة بنسبة 5%.

بعد زيادة اللزوجة، تكون مشاكل تشغيل PHE كما يلي: (1) تتغير حالة تدفق الحليب في قناة التدفق من التدفق المضطرب إلى التدفق الصفحي، وينخفض ​​معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري بنسبة 45%، ويطول وقت التبريد، وهو ما لا يمكنه تلبية إيقاع الإنتاج؛ (2) يزداد انخفاض الضغط بنسبة 50%، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة لمضخة مياه التبريد؛ (3) من السهل التصاق الحليب عالي اللزوجة بسطح اللوحة، مما يؤدي إلى تلوث وتقليل كفاءة نقل الحرارة بعد التشغيل طويل الأمد.

تدابير تعديل التصميم هي كما يلي: (1) استبدال نوع اللوحة: حدد الألواح المموجة المتعرجة بزاوية تمويج تبلغ 60 درجة لتعزيز الاضطراب وتحسين معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري؛ (2) ضبط معدل التدفق: زيادة معدل تدفق الحليب بنسبة 30% لزيادة رقم رينولدز واستعادة حالة التدفق المضطرب؛ (3) تحسين تصميم قناة التدفق: اعتماد تصميم قناة تدفق متعدد الممرات لإطالة فترة بقاء الحليب في PHE وتحسين تأثير التبريد؛ (4) تعزيز التنظيف: زيادة وتيرة تنظيف CIP (التنظيف في المكان) لتجنب تراكم الأوساخ. بعد التعديل، يتم استعادة وقت تبريد الحليب إلى المستوى الأصلي، ويتم تقليل انخفاض الضغط بنسبة 20%، ويتم التحكم في مشكلة القاذورات بشكل فعال، مما يضمن التشغيل المستقر لخط الإنتاج.

للتعامل مع تأثير التغيرات المتوسطة على ظروف تصميم PHEs، من الضروري صياغة استراتيجيات تعديل التصميم العلمية والمعقولة على أساس نوع ودرجة التغيرات المتوسطة، جنبا إلى جنب مع متطلبات التشغيل الفعلية للنظام. فيما يلي استراتيجيات التكيف الرئيسية من خمسة جوانب:

عندما تؤدي تغيرات الوسط إلى انخفاض معامل انتقال الحرارة، يمكن زيادة مساحة نقل الحرارة عن طريق زيادة عدد الألواح أو اختيار ألواح ذات مساحة سطح محددة أكبر لضمان معدل نقل الحرارة. بالنسبة للوسائط ذات تغيرات الطور، يجب تعديل نموذج حساب نقل الحرارة، وينبغي مراعاة الحرارة الكامنة لتغير الطور لحساب منطقة نقل الحرارة بدقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل معدل تدفق الوسط لتغيير رقم رينولدز، وتعزيز الاضطراب، وتحسين معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري. بالنسبة للوسائط عالية اللزوجة، ينبغي زيادة معدل التدفق بشكل مناسب؛ بالنسبة للوسائط منخفضة اللزوجة، ينبغي تعديل معدل التدفق لتجنب انخفاض الضغط المفرط.

عندما تؤدي تغييرات الوسط إلى انخفاض مفرط في الضغط، يمكن زيادة عرض قناة التدفق عن طريق اختيار نوع لوحة بقناة تدفق أوسع لتقليل مقاومة التدفق. يمكن تعديل زاوية تمويج اللوحة: يتم اختيار زاوية تمويج أصغر لتقليل انخفاض الضغط، ويتم تحقيق التوازن بين كفاءة نقل الحرارة وانخفاض الضغط. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تقليل عدد تمريرات قناة التدفق لتقصير مسار تدفق الوسط وتقليل انخفاض الضغط. بالنسبة للوسائط التي تحتوي على جزيئات صلبة، يجب إضافة جهاز معالجة مسبقة (مثل المرشح والفاصل) لإزالة الشوائب وتقليل خطر انخفاض الضغط والتلوث.

وفقًا للتغيرات في الخواص الكيميائية للوسط، يجب استبدال مواد اللوحة والحشية في الوقت المناسب. بالنسبة للوسائط المسببة للتآكل، يجب اختيار المواد ذات المقاومة القوية للتآكل (مثل التيتانيوم، Hastelloy)؛ بالنسبة للوسائط التي تحتوي على مذيبات عضوية، يجب اختيار مواد الحشية ذات المقاومة الجيدة للمذيبات (مثل الفيتون). بالنسبة للوسائط ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي، يجب اختيار المواد ذات القوة الميكانيكية العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية، ويجب زيادة سمك اللوحة لضمان الاستقرار الهيكلي. قبل استبدال المواد، يجب إجراء اختبارات التآكل للتحقق من قدرة المادة على التكيف مع الوسط الجديد.

بالنسبة للوسائط عالية اللزوجة، حدد نوع اللوحة بقناة تدفق أوسع وتأثير اضطراب أقوى؛ بالنسبة للوسائط ذات تغيرات الطور، حدد نوع اللوحة المناسب لنقل الحرارة بتغير الطور؛ بالنسبة للوسائط التي تحتوي على جزيئات صلبة، حدد نوع اللوحة بسطح أملس وسهل التنظيف. اضبط عرض قناة التدفق واتجاه التدفق وعدد التمريرات وفقًا لحالة التدفق ومتطلبات نقل الحرارة للوسط الجديد لضمان تدفق الوسيط بالتساوي وكفاءة نقل الحرارة. بالنسبة لـ PHEs القابلة للفصل، يمكن تعديل ترتيب اللوحة لتغيير هيكل قناة التدفق والتكيف مع التغييرات المتوسطة.

بالنسبة للوسائط ذات القابلية الشديدة للتلوث، يجب إضافة جهاز معالجة مسبقة لإزالة الشوائب وتقليل مصادر التلوث. تحسين معلمات التشغيل (مثل درجة الحرارة ومعدل التدفق) لإبطاء معدل التلوث. قم بصياغة خطة تنظيف منتظمة، واعتمد تنظيف CIP أو التنظيف اليدوي لإزالة طبقة القاذورات في الوقت المناسب واستعادة كفاءة نقل الحرارة. تعزيز الفحص والصيانة اليومية لـ PHE، والتحقق من سطح اللوحة وحشية التآكل والشيخوخة والتلف، واستبدالها في الوقت المناسب لضمان استقرار التشغيل.

تعد التغييرات المتوسطة مشكلة حتمية في تصميم وتشغيل المبادلات الحرارية اللوحية، ولها تأثير شامل وبعيد المدى على ظروف تصميم المبادلات الحرارية. ستؤثر التغييرات في الخواص الفيزيائية، والخواص الكيميائية، ومعلمات الحالة، وتكوين الوسط بشكل مباشر على أداء نقل الحرارة، وانخفاض الضغط، واختيار المواد، وهيكل اللوحة، واستقرار تشغيل PHEs، مما يؤدي إلى سلسلة من المشاكل مثل انخفاض كفاءة نقل الحرارة، وزيادة استهلاك الطاقة، وتآكل المواد، وفشل المعدات.

من خلال التحليل المنهجي، وجد أن تأثير التغيرات المتوسطة على تصميم PHE هو تفاعل متسلسل: التغيرات في الخواص الفيزيائية (خاصة اللزوجة والتوصيل الحراري) هي العوامل الأساسية التي تؤثر على كفاءة نقل الحرارة وانخفاض الضغط؛ تحدد التغييرات في الخواص الكيميائية اختيار المواد للألواح والحشيات؛ تؤثر التغييرات في معلمات الحالة (خاصة تغييرات الطور) على نوع اللوحة وتصميم قناة التدفق؛ تؤدي التغييرات في التركيبة المتوسطة إلى زيادة خطر التلوث وتؤثر على كفاءة التشغيل على المدى الطويل. تظهر الحالات الهندسية أن تعديلات التصميم العلمية والمعقولة (مثل ضبط منطقة نقل الحرارة، واستبدال المواد، وتحسين هيكل اللوحة، وتعزيز التحكم في القاذورات) يمكن أن تتأقلم بشكل فعال مع تأثير التغيرات المتوسطة وتضمن التشغيل المستقر والفعال للـ PHEs.

في التصميم الهندسي العملي، من الضروري النظر بشكل كامل في إمكانية إجراء تغييرات على الوسط، وإجراء تحليل متعمق لخصائص الوسط الجديد، وصياغة استراتيجيات تعديل التصميم المستهدفة. وفي الوقت نفسه، تعزيز مراقبة المعلمات المتوسطة أثناء التشغيل، والعثور على تأثير التغيرات المتوسطة والتعامل معها في الوقت المناسب، وذلك لإفساح المجال كاملاً لمزايا PHEs، وتقليل استهلاك الطاقة، وتحسين الفوائد الاقتصادية والاجتماعية للنظام. في المستقبل، مع تطور التكنولوجيا الصناعية، ستصبح أنواع وسائط التبادل الحراري أكثر تعقيدًا، وسيكون البحث حول تأثير التغيرات المتوسطة على تصميم PHEs أكثر تعمقًا، مما سيوفر المزيد من الدعم النظري والتوجيه الفني لتحسين وتحديث PHEs.