دور اتصالات القضبان في مبادلات الحرارة

تعتبر مبادلات الحرارة اللوحية (PHEs) مكونات حاسمة في مختلف التطبيقات الصناعية والتجارية والسكنية نظرًا لكفاءتها الحرارية العالية وتصميمها المدمج ومرونتها. العنصر الأساسي الذي يضمن السلامة الهيكلية وإحكام التسرب والموثوقية التشغيلية لـ PHE هو نظام التثبيت، الذي يتم تنفيذه في الغالب من خلال وصلات المسامير. تتعمق هذه المقالة في الوظيفة واعتبارات التصميم والأهمية التشغيلية لوصلات المسامير في مبادلات الحرارة اللوحية المحشوة.

يتكون PHE المحشو من ألواح معدنية مموجة متعددة مضغوطة بين لوحين إطاريين: رأس ثابت ولوح ضغط متحرك. يتم تجميع مجموعة الألواح معًا بواسطة مجموعة من قضبان الربط الطولية، والتي يتم تأمينها باستخدام المسامير والصواميل والغسالات. يتم شد هذه المثبتات بدقة لتطبيق قوة ضغط موحدة عبر مجموعة الألواح بأكملها، مما يضمن الإغلاق المناسب والاستقرار الميكانيكي.

الدور الأبرز للمسامير (قضبان الربط) والصواميل المرتبطة بها هو توليد والحفاظ على حمل ضغط معين على مجموعة الألواح. يخدم هذا الضغط غرضين حيويين:

• الإغلاق: يضغط الحشيات المرنة الجالسة في أخاديد كل لوحة، مما يخلق أختامًا محكمة الإغلاق تمنع اختلاط السوائل والتسرب الخارجي. يضمن الضغط الصحيح أن تملأ الحشيات فجوات الإغلاق بالكامل دون أن يتم ضغطها بشكل مفرط، مما قد يؤدي إلى تلف الحشية أو البثق.
• نقاط الاتصال: يضمن بقاء نقاط الاتصال بين الألواح المتجاورة مضغوطة بإحكام معًا. تعتبر نقاط الاتصال هذه، التي تتشكل بواسطة النمط المموج، ضرورية للحفاظ على الاستقرار الهيكلي لمجموعة الألواح ومقاومة الضغط الداخلي للسوائل.

أثناء التشغيل، تكون السوائل الموجودة داخل قنوات PHE تحت الضغط. يخلق هذا الضغط قوة فصل تحاول دفع لوحة الضغط بعيدًا عن الإطار الثابت. تخضع وصلات المسامير لإجهاد الشد ومصممة لمواجهة هذه القوة. إنها تعمل كأوتار عالية القوة تحافظ على التجميع بأكمله سليمًا ضد الضغط التشغيلي، مما يمنع مجموعة الألواح من الانفجار.

ميزة مهمة لـ PHEs المحشوة هي قابليتها للخدمة. تم تصميم نظام توصيل المسامير للسماح بسهولة الفك وإعادة التجميع.

• فك: عن طريق فك الصواميل الموجودة على المسامير، يتم تحرير قوة الضغط. بعد ذلك، يمكن تحريك لوحة الضغط للخلف، مما يوفر وصولاً كاملاً إلى مجموعة الألواح للفحص أو التنظيف أو استبدال الألواح والحشيات.
• إعادة التجميع: تتضمن عملية إعادة التجميع إعادة إحكام الصواميل في تسلسل معين وإلى عزم دوران أو شد محدد مسبقًا. يضمن هذا إعادة تطبيق قوة ضغط موحدة ومضبوطة عبر مجموعة الألواح، واستعادة إحكامها الهوائي وسلامتها الهيكلية.

تم تصميم عدد المسامير وقطرها وموضعها بعناية لتوزيع الحمل المضغوط بالتساوي عبر السطح بأكمله لمجموعة الألواح. يمكن أن يؤدي الحمل غير المتكافئ إلى ضغط مفرط موضعي (إتلاف الحشيات والألواح) أو ضغط منخفض (مما يتسبب في تسرب). غالبًا ما تستخدم PHEs الحديثة الكبيرة عددًا كبيرًا من المسامير (على سبيل المثال، 10 أو أكثر) موضوعة حول المحيط لتحقيق هذه التوحيد والتعامل مع ضغوط التصميم العالية جدًا.

عادة ما يتم تصنيع المسامير من الفولاذ الكربوني عالي القوة أو الفولاذ السبائكي (على سبيل المثال، ASTM A193 B7) وغالبًا ما يتم طلاؤها أو طلاؤها (على سبيل المثال، الزنك أو الكروم) لتعزيز مقاومة التآكل. بالنسبة للبيئات شديدة التآكل، يمكن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ (على سبيل المثال، ASTM A193 B8M) أو حتى سبائك أكثر غرابة. يجب أن تمتلك المادة قوة شد عالية ومقاومة جيدة للإجهاد لتحمل التحميل الدوري أثناء التمدد والانكماش الحراري.

يعد الشد الأولي المطبق على المسامير، والمعروف باسم التحميل المسبق، أمرًا بالغ الأهمية. يجب أن يكون كافيًا للحفاظ على إغلاق مجموعة الألواح تحت أقصى ضغط ودرجة حرارة التشغيل، مع الأخذ في الاعتبار استرخاء الحشيات بمرور الوقت.

• عزم الدوران مقابل الشد: تقليديًا، كانت الصواميل تُشد باستخدام مفتاح عزم الدوران. ومع ذلك، فإن عزم الدوران هو مقياس غير مباشر وغير دقيق في كثير من الأحيان للتحميل المسبق للشد الفعلي في المسمار بسبب اختلافات الاحتكاك.
• الأساليب المتقدمة: بالنسبة للتطبيقات الحرجة، يتم استخدام طرق أكثر دقة مثل الشد الهيدروليكي. يتضمن هذا استخدام أدوات هيدروليكية لتمديد المسامير بدقة إلى استطالة محددة مسبقًا قبل إحكام الصامولة. تضمن هذه الطريقة تحميلًا مسبقًا دقيقًا وموحدًا للغاية عبر جميع المسامير، وهو أمر بالغ الأهمية للمبادلات الكبيرة.

غالبًا ما تكون الألواح الإطارية والمسامير ومجموعة الألواح مصنوعة من مواد ذات معاملات تمدد حراري مختلفة (على سبيل المثال، ألواح التيتانيوم مقابل إطار الفولاذ الكربوني). أثناء بدء التشغيل أو الإغلاق أو التحولات الحرارية، تتمدد هذه المكونات وتنكمش بمعدلات مختلفة. يجب تصميم نظام توصيل المسامير لاستيعاب هذه الحركات التفاضلية دون فقدان قوة التثبيت الحرجة أو التسبب في إجهاد مفرط قد يؤدي إلى تعطل المسمار.

تخضع المسامير لإجهادات دورية من الضغوط النابضة والاهتزازات والدورات الحرارية. يجب أن يضمن التصميم الهندسي أن سعة الإجهاد في المسامير تظل أقل من حد التحمل للمادة لمنع فشل الإجهاد على مدى العمر الافتراضي المقصود للمبادل.

أثناء التجميع، يجب إحكام الصواميل الموجودة على المسامير في تسلسل نمط متقاطع معين، تمامًا مثل إحكام صواميل العروة على عجلة السيارة. هذه الممارسة غير قابلة للتفاوض لتحقيق ضغط موحد للألواح وتجنب تشوه لوحة الضغط، مما قد يؤدي إلى تسرب.

بعد التجميع الأولي وعند الوصول إلى درجة حرارة التشغيل، غالبًا ما يكون من الضروري إعادة فحص شد المسمار. يمكن أن يتسبب زحف الحشية والاستقرار الحراري في فقدان طفيف في التحميل المسبق. يعد الشد المتابع بعد دورة التسخين الأولى ممارسة قياسية لضمان السلامة على المدى الطويل.

يعد الفحص المنتظم للمسامير والصواميل جزءًا من الصيانة الوقائية. يجب على الفنيين البحث عن علامات التآكل أو تلف الخيوط أو التمدد أو التشقق السطحي. يجب استبدال المثبتات التالفة بمكونات تتوافق مع مواصفات الشركة المصنعة للمعدات الأصلية للحفاظ على سلامة التصميم.

باختصار، وصلات المسامير في مبادلات الحرارة اللوحية أبعد ما تكون عن البراغي البسيطة. إنها مكونات مصممة بدقة تؤدي الوظائف الهامة المتمثلة في إنشاء ختم، ومقاومة الضغط، وتمكين الصيانة، وضمان توحيد الحمل. تصميمها المناسب واختيار المواد والتركيب والصيانة ضرورية لسلامة وكفاءة وطول عمر نظام مبادل الحرارة بأكمله. يمكن أن يؤدي إهمال أهمية هذه التوصيلات إلى حدوث أعطال كارثية، بما في ذلك التسربات، وانخفاض الأداء الحراري، وحتى الانهيار الميكانيكي. لذلك، فإن الفهم العميق والاهتمام الدقيق بنظام توصيل المسامير أمر لا غنى عنه للمهندسين والفنيين الذين يعملون مع هذا النوع عالي الكفاءة من معدات نقل الحرارة.