المبادل الحراري هو جهاز يستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل المواد الكيميائية والبترول والطاقة. المبادل الحراري هو جهاز للتبادل الحراري يستخدم للسوائل ذات الاختلافات في درجات الحرارة. هناك نوعان على الأقل من السوائل في المبادل الحراري، حيث تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى إطلاق الحرارة والعكس الذي يمتص الحرارة. ولذلك، فإن نمط الأنبوب ورقة الأنبوب وهو أمر مهم بشكل خاص، حيث أن ترتيب حزم الأنابيب يؤثر بشكل مباشر على أداء وكفاءة المبادلات الحرارية. فيما يلي مقدمة تفصيلية لنمط الأنبوب من صفائح الأنبوب:

1. مثلث 30 درجة

المثلث هو ترتيب شائع لحزم الأنابيب. يشكل الخط المركزي لكل أنبوب مثلثًا متساوي الأضلاع مع خط الوسط لأنبوبين متجاورين، ويكون أحد جانبي المثلث متعامدًا مع اتجاه التدفق. هذا الترتيب له المزايا التالية:

منطقة نقل الحرارة الكبيرة: بالمقارنة مع النمط المربع، فإن المسافة بين أنابيب التبادل الحراري في ترتيب مثلث منتظم متساوية، لذلك يمكن ترتيب عدد كبير من الأنابيب على نفس مساحة صفائح الأنبوب، مما يؤدي إلى معامل نقل حرارة أعلى ومعدل نقل حرارة محسّن.

مقاومة منخفضة للسوائل: بسبب الفجوة الصغيرة بين الأنابيب، تقل مقاومة تدفق السوائل بين حزم الأنابيب، وهو أمر مفيد لتدفق السوائل.

بنية بسيطة: ترتيب المثلث متساوي الأضلاع بسيط، والذي يمكن أن يوفر حوالي 15% من مساحة صفائح الأنبوب، وهو مناسب لوضع علامات وحفر صفائح الأنبوب لمبادل الحرارة العمودي، مما يجعل من السهل التصنيع والتركيب.

ومع ذلك، فإن هذا الترتيب يجعل من الصعب تنظيف أنابيب التبادل الحراري، مما يجعلها مناسبة للظروف التي لا يوجد فيها قاذورات أو يمكن استخدام الطرق الكيميائية لتنظيف القاذورات، فضلا عن السماح بهبوط الضغط العالي. تجدر الإشارة إلى أنه عند الحاجة إلى التنظيف الميكانيكي لجانب الصدفة، لا ينبغي استخدام الترتيب الثلاثي.

2. مثلث مستدير بزاوية 60 درجة

المثلثات المدورة هي ترتيب محسّن للمثلثات المنتظمة. يشكل الخط المركزي لكل أنبوب مثلثًا مع خط الوسط لأنبوبين متجاورين، بحيث يكون أحد جانبي المثلث موازيًا لاتجاه التدفق. هذا الترتيب له المزايا التالية:

كفاءة نقل الحرارة العالية: بسبب الاتجاه المعاكس لمدخل ومخرج الأنبوب، يتم إطالة وقت تدفق السائل داخل الأنبوب، وبالتالي تحسين كفاءة نقل الحرارة.

التوزيع الموحد للسائل الساخن: بسبب الاتجاه المعاكس لمدخل ومخرج الأنبوب، يمكن خلط السائل الساخن بالكامل داخل الأنبوب، مما يجعل توزيع السائل الساخن أكثر اتساقًا.

تكمن خصائصه بين ترتيب المثلثات والمربعات متساوية الأضلاع. بسبب غشاء المكثفات السميك تدريجيًا المتكون على السطح الخارجي لأنبوب التبادل الحراري السفلي، يضعف نقل الحرارة. ولذلك فهو غير مناسب للمكثفات الأفقية، ولكن من السهل تنظيفه ميكانيكيا. يتم استخدامه بشكل شائع في المبادلات الحرارية ذات الرأس العائم حيث يكون الوسط الجانبي للصدفة عرضة للتلوث. يجب أن تكون القناة البينية مستمرة على طول حزمة الأنبوب بالكامل وتضمن وجود قناة تنظيف مقاس 6 مم. في الوقت نفسه، في المبادلات الحرارية ذات التدفق الطولي المدعومة بالقضبان، غالبًا ما يستخدم هذا الترتيب لتسهيل تفريغ القضبان الحاجزة.

3. 90 درجة مربع

مربع 90 درجة هو ترتيب الأنابيب على شكل مربع على صفيحة الأنابيب، مما يشكل ترتيبًا متوازيًا مع إحداثيات الأنابيب. وميزة هذا الترتيب هو أنه من الواضح والسهل تحديد موقع خطوط الأنابيب وصيانتها، مما يجعله أكثر ملاءمة للمعدات التي تتطلب التنظيف والصيانة المتكررة. بالإضافة إلى ذلك، نظراً للمسافة الكبيرة بين خطوط الأنابيب، سيتم أيضاً تقليل فقدان الضغط بشكل مماثل، وسيكون استقرار ومتانة المعدات أعلى. ومع ذلك، بالمقارنة مع الترتيب الثلاثي، فإن الكثافة وكفاءة نقل الحرارة لشبكة الأنابيب التي شكلها الترتيب المربع منخفضة نسبيًا.

4. 45 درجة استدارة مربع

المربع المستدير بزاوية 45 درجة هو ترتيب أقل استخدامًا نسبيًا لأنابيب التبادل الحراري. وتتمثل خصائصها في ترتيب الأنابيب في شبكة ماسية، بحيث تظهر الوسائط الباردة والساخنة بالتناوب في الزوايا الأربع للماس. وتتمثل ميزة هذا الترتيب في أن تخطيط خط الأنابيب مضغوط، ويحتل مساحة صغيرة جدًا من لوحة الأنبوب، مما يجعله مناسبًا للمعدات ذات مناطق الأجهزة الأصغر. بالإضافة إلى ذلك، يساعد الترتيب الماسي أيضًا على تحسين كفاءة نقل الحرارة للمعدات ويمكن أن يقلل بشكل فعال من اختلاف درجة الحرارة للوسط. العيب هو أنه بالنسبة للمعدات التي تستخدم هذه الطريقة، تكون الصيانة والتنظيف صعبة نسبيًا، مما قد يؤدي بسهولة إلى انسداد خطوط الأنابيب وتلفها.

تجدر الإشارة إلى أن (1) ترتيب المثلثات متساوية الأضلاع والمربعات الزاوية يسمى الترتيب المتدرج في نقل الحرارة، والذي يمكن أن يشكل اضطرابًا عندما يتدفق الوسط ويكون مفيدًا لنقل الحرارة؛ يسمى ترتيب المثلثات والمربعات الزاوية في نقل الحرارة بالخط المستقيم، وجزء من التدفق المتوسط يكون صفحيًا، مما له تأثير سلبي على انتقال الحرارة. لذلك، بالنسبة للمبادلات الحرارية دون تغيير الطور، فمن المستحسن استخدام مثلث منتظم أو ترتيب مربع الزاوية؛ بالنسبة للمكثفات ذات الطور المتغير، يمكن استخدام ترتيبات المثلث والمربع بشكل عام. (2) بالنسبة للمبادلات الحرارية متعددة الأنابيب، يمكن استخدام طريقة الترتيب المركب. يتم ترتيب كل قسم على شكل مثلث منتظم، ويتم ترتيب الأقسام على شكل مربع لتسهيل ترتيب أقسام التقسيم.