المبادل الحراري ذو الرأس العائم هو أحد أنواع المبادلات الحرارية والمعدات الكيميائية الشائعة. لفهم حالة عملها، من الضروري فهم مبدأها وخصائصها الأساسية في البداية، ثم فهم ظروف التشغيل الخاصة بها.

نظرة عامة على معدات التبادل الحراري

معدات التبادل الحراري هي جهاز يستخدم لنقل الحرارة أو المحتوى الحراري بين اثنين أو أكثر من السوائل، بين سائل وصلب واحد، بين الجسيمات الصلبة أو الاتصال الحراري، أو بين نفس السائل عند درجات حرارة مختلفة.

وفقًا لمبدأ نقل الحرارة أو طرق نقل الحرارة، يمكن تصنيفها إلى مبادلات حرارية مباشرة، ومبادلات حرارية متجددة، ومبادلات حرارية سطحية، ومبادلات حرارية متوسطة. تنقسم المبادلات الحرارية السطحية أيضًا إلى مبادلات حرارية من النوع الأنبوبي، ومبادلات حرارية من النوع اللوحي، وأشكال أخرى من المبادلات الحرارية. ينتمي المبادل الحراري ذو الرأس العائم إلى نوع من المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب.

المبادل الحراري ذو الرأس العائم: يتم تثبيت طرف واحد فقط من صفائح الأنبوب في كلا الطرفين على الغلاف، ويمكن للطرف الآخر أن يتحرك بحرية بالنسبة للقشرة، وهو ما يسمى بالرأس العائم. يتكون رأس الطفو من عائم ورقة الأنبوب، وحلقة دعم القص المقسمة، وغطاء الرأس العائم، وهي عبارة عن وصلات قابلة للفصل، ويمكن استخراج حزمة الأنبوب من الغلاف. لا يتم تقييد التشوه الحراري لحزمة الأنبوب والقشرة بشكل متبادل، وبالتالي لا يتم توليد أي إجهاد حراري. ميزته هي التنظيف المريح بين الأنابيب وداخلها، دون توليد إجهاد حراري. لكن هيكلها معقد، والتكلفة أعلى من تكلفة المبادلات الحرارية ذات الألواح الأنبوبية الثابتة، والمعدات ضخمة، واستهلاك المواد مرتفع، ولا يمكن فحص الغطاء الصغير عند طرف الرأس العائم أثناء التشغيل، مما يؤدي إلى متطلبات إغلاق عالية أثناء التصنيع. مناسب للحالات التي يكون فيها الفرق في درجة حرارة الجدار بين الغلاف وحزمة الأنبوب كبيرًا أو يكون الوسط الجانبي للقشرة عرضة للتحجيم.

هيكل المبادل الحراري ذو الرأس العائم

في كل مرة يمر فيها السائل عبر القشرة تسمى جانب الصدفة. ويسمى كل مرور عبر الحزمة جانب الأنبوب.

1. جانب الصدفة

1.1 جسم الاسطوانة

توفر الأسطوانة مساحة الضغط المطلوبة للعملية وهي أحد مكونات الضغط الرئيسية لأوعية الضغط. الأسطوانة الأسطوانية هي هيكل الأسطوانة الأكثر استخدامًا في الهندسة. يمكن أن يكون تصميم القشرة مصنوعًا من أنابيب فولاذية غير ملحومة أو ملفوفة من ألواح فولاذية. في الإنتاج الفعلي، يتم استخدام شكل لحام لفائف الصفائح الفولاذية على نطاق واسع. أثناء المعالجة، ينبغي إيلاء الاهتمام لتجنب تقاطع اللحامات المحيطية والطولية.

هناك أشكال مختلفة من المواد المستخدمة لمعالجة أجسام الأسطوانات، من بينها الفولاذ منخفض السبائك يمثل نسبة كبيرة في الإنتاج بسبب أدائه الممتاز. Q345R عبارة عن صفيحة فولاذية متخصصة لأوعية الضغط بقوة إنتاج تبلغ 340MPa. إنها اللوحة الفولاذية الأكثر استخدامًا والأكثر خبرة في صناعة أوعية الضغط في الصين، وتستخدم بشكل رئيسي في تصنيع أوعية الضغط المتوسطة والمنخفضة. اللوح الفولاذي Q345R، كمواد معالجة للأجزاء الأخرى مثل أسطوانة المبادل الحراري، لا يضمن المتطلبات الهيكلية فحسب، بل يقلل أيضًا من تكاليف التصنيع.

يوجد أنبوب توصيل ملحوم على جدار الأسطوانة لمدخل ومخرج سائل جانب الغلاف. لمنع التأثير المباشر للسائل المستورد على حزمة الأنبوب، والذي قد يسبب تآكل واهتزاز الأنبوب، غالبًا ما يتم تركيب حواجز مضادة للصدمات عند وصلة المدخل من جانب الغلاف.

1.2 غطاء الصدفة

يقع غطاء الغلاف في الطرف الخلفي للمبادل الحراري، أي ما يعادل القناة الخلفية. يستخدم رأسًا عائمًا لفصل السائل على جانب الأنبوب وجانب الصدفة. يغير الجزء الخارجي من الرأس العائم اتجاه تدفق السائل على جانب الصدفة، بينما يغير الجزء الداخلي اتجاه تدفق السائل على جانب الأنبوب. عادةً ما تكون أسطوانة غطاء الغلاف أكبر بمقدار 100 مم من القطر الداخلي لأسطوانة المبادل الحراري.

يتم توصيل غطاء الغلاف بالمبادل الحراري من خلال مسامير الشفة، ولكن نظرًا لاختلاف الأقطار الداخلية للأسطوانتين، لا يمكن استخدام الفلنجة القياسية إلا على الجانب ذي القطر الداخلي الأكبر، في حين يمكن استخدام الفلنجة المطابقة غير القياسية تستخدم على الجانب الآخر. يتم ذلك لضمان قوة وصلابة الاتصال.

1.3 يحير

الغرض من الإعداد لوحات يربك هو زيادة سرعة تدفق مائع جانب الصدفة، وزيادة الاضطراب، وجعل مائع جانب الصدفة يتدفق عموديًا على حزمة الأنبوب لتحسين نقل الحرارة، وزيادة معامل نقل الحرارة لسائل جانب الصدفة، وتقليل التحجيم. في المبادل الحراري الأفقي، تعمل اللوحة الحاجزة أيضًا كدعم لحزمة الأنبوب. ينقسم الحاجز الشائع الاستخدام إلى شكلين: شكل القوس وشكل القرص. تكون الحواجز بشكل عام متباعدة بشكل متساوٍ، ويجب أن تكون الصفائح الحاجزة عند طرفي حزمة الأنبوب قريبة قدر الإمكان من وصلات المدخل والمخرج للوسط الجانبي للصدفة.

2. أنبوب الجانب

2.1 القناة

يقع في الطرف الأمامي للمبادل الحراري، ويقوم بتوزيع السائل المنقول من خط الأنابيب بالتساوي إلى كل أنبوب تبادل حراري، ويجمع السائل داخل الأنبوب ويرسله خارج المبادل الحراري. القطر الداخلي لأسطوانة قناة الرأس الأمامية هو نفس القطر الداخلي لأسطوانة المبادل الحراري، والضغط التصميمي هو الضغط التصميمي لجانب الأنبوب. يتم تثبيت أقسام الطبقات الأفقية داخل القناة.

2.2 ورقة الأنبوب

أحد أهم مكونات المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب. تستخدم لترتيب أنابيب التبادل الحراري، يفصل السائل بين جانب الأنبوب وجانب الصدفة، بينما يتأثر بالضغط ودرجة الحرارة المشتركين لجانب الأنبوب وجانب الصدفة. بالنسبة للمبادلات الحرارية ذات الرأس العائم، يتم تثبيت صفيحة الأنبوب الثابتة في الطرف الأمامي بواسطة قناة الرأس الأمامية والأسطوانة، ويتم تثبيتها بواسطة البراغي. يتم تثبيت صفيحة الأنبوب العائمة في الخلف بواسطة رأس عائم وحلقة دعم قص مقسمة ويتم تثبيتها بواسطة براغي شفة. بهذه الطريقة، عندما يتشوه أنبوب التبادل الحراري بسبب التمدد الحراري، يمكن أن يتحرك جانب واحد من لوح الأنبوب العائم بحرية داخل القناة الخلفية دون توليد إجهاد حراري.

2.3 أنابيب التبادل الحراري

جدار فاصل يستخدم لفصل السوائل وتبادل الحرارة. تشمل المواد شائعة الاستخدام لأنابيب التبادل الحراري الفولاذ الكربوني، والفولاذ منخفض السبائك، والفولاذ المقاوم للصدأ، والنحاس، وسبائك الألومنيوم، وما إلى ذلك.

يعد الاتصال بين أنابيب التبادل الحراري وألواح الأنابيب أحد أهم التقنيات في تصميم وتصنيع المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب، وهو الموقع الذي يحتوي على أعلى معدل للحوادث. تتضمن طريقة الاتصال بشكل أساسي مزيجًا من وصلات التمدد واللحام والملحومة والموسعة. (معرفة المزيد الرجاء الضغط هنا طريقة توصيل أنبوب التبادل الحراري وصفيحة الأنبوب)

2.4 رأس عائم وحلقة دعم للقص

الميزة الأكثر تميزًا للمبادل الحراري ذو الرأس العائم تنعكس في الرأس العائم. يعمل الرأس العائم على تحفيز التمدد والانكماش الحر لأنبوب التبادل الحراري، وبالتالي القضاء على الإجهاد الحراري. يتطابق الرأس العائم مع غطاء رأس عائم وحلقة دعم "لتثبيت" ورقة الأنبوب العائمة وإكمال العمل.

يتكون غطاء الرأس العائم من شفة رأس عائمة ورأس كروي على شكل تاج.

تلعب الحلقة الداعمة دورًا مهمًا في ضمان إغلاق الرأس العائم ومنع التسرب بين الوسائط. تكون الحلقة الداعمة عمومًا من هيكل من النوع المنفصل، وتتطلب ختمًا موثوقًا به، وهيكلًا بسيطًا ومدمجًا، وسهولة التصنيع والتفكيك.

3. مزايا المبادلات الحرارية ذات الرأس العائم

3.1 يمكن سحب أنبوب المبادل الحراري ذو الرأس العائم للخارج لتنظيف مريح وسريع للأنبوب وجانب الصدفة.

3.2 الفرق في درجة الحرارة بين وسائط المبادل الحراري ذو الرأس العائم غير محدود.

3.3 يمكن للمبادلات الحرارية ذات الرأس العائم أن تعمل تحت درجة حرارة عالية مستمرة وضغط عالي جدًا. بشكل عام، يجب أن تكون درجة الحرارة المحيطة أقل من أو تساوي 450 درجة، ويجب أن يكون ضغط العمل أقل من أو يساوي 6.4Mpa.

3.4 يمكن استخدام المبادلات الحرارية ذات الرأس العائم في الأماكن التي بها قشور شديدة.

3.5 يمكن استخدام المبادلات الحرارية ذات الرأس العائم في المناطق التي يكون فيها جانب الأنبوب عرضة للتآكل.