ما هي فكرة التبادل الحراري خلال المبادلات الحرارية؟
تنتقل الحرارة عادة ً من المواد الحارة الى المواد الباردة ويؤدي ذلك الى أنخفاض درجة حرارة المواد الحارة وارتفاع درجة حرارة المواد الباردة ويكون مقدار الحرارة المفقودة مساوياً للحرارة المكتسبة مضافاً أليه الحرارة المتسربة الى الجو. وكالآتي:
الحرارة المفقودة = الحرارة المكتسبة + الحرارة المتسربة الى الجو
ويتم أنتقال الحرارة في المبادل الحراري بصورة رئيسية بطريقتي التوصيل Conduction والحمل Radiation حيث أن حرارة المادة تنتقل الى جدران حزمة الأنابيب بواسطة الحمل وخلال جدران حزمة الأنابيب الى الجهة الثانية بواسطة التوصيل وعن طريق جزيئات المعدن ومن ثم من الجدار الخارجي لحزمة الأنابيب الى المادة التي تجري خلال القشرة الخارجية للمبادل الحراري بواسطة الحمل مرة ثانية.
ما هو الغرض من المبادلات الحرارية؟
أن الغرض الأساسي من أستعمال المبادلات الحرارية هو الأقتصاد في النفقات ، حيث أن تكاليف تسخين النفط الخام على سبيل المثال يحتاج الى الكثير من الوقود والطاقة ، في حين تجد في نفس الوحدة منتجات نفطية بحاجة الى تبريد قبل أرساله الى الخزانات لذا يمكن أداء الوظيفتين في مبادل حراري واحد أو مجموعة من المبادلات الحرارية.
أن بخار الماء يعتبر من أوساط التسخين الشائعة في الصناعة النفطية ، وخاصة الغلايات Reboilers حيث أنه يعطي حرارته الى المنتج النفطي ويتحول بدوره الى ماء. أن البخار المتكثف من عمليات التسخين هذه يتم إعادته الى (منظومة مغلقة) ليُعاد أستعماله كماء مغذي للمرجل لأنتاج البخار. علماً أن البخار ليس مسخناً رئيساً في تكرير النفط الخام أذ أن النفط الخام يُسخّن بشكل أساسي في الأفران.
حالات جريان الموائع في المبادلات الحرارية :
هناك حالتان لأتجاه جريان الموائع في المبادلات الحرارية وهي:
- الجريان الموازي Parallel Flow يكون أتجاه جريان الموائع في هذه الحالة متشابهاً ، أي أن المائعين يسيران بنفس الأتجاه. كما في الشكل:
- الجريان المعاكس Counter-Current Flow يكون أتجاه جريان المائعين متعاكساً أي أن المادتين تسيران بأتجاهين متعاكسين وكما في الشكل:
أن المحور الأفقي X-Axis في الشكلين أعلاه يمثلان طول المبادل ويلاحظ في الجريان المتعاكس ثبوت فرق درجات الحرارة تقريباً على طول المبادل الحراري بينما في الجريان المتوازي يلاحظ أن الفرق كبير جداً في دخول المبادل ويقل على أمتداد طوله. وأثبتت التطبيقات العملية أن الجريان المتعاكس كفاءته أكثر من الجريان المتوازي.
أنواع المبادلات الحرارية (تبعاً لطبيعة عملها):
يستعمل المبادل الحراري عادة ً للأغراض التالية:
- تسخين سائل أو غاز.
- تبريد سائل أو غاز.
- تكثيف بخار.
- تبخير سائل.
تسمى المبادلات الحرارية حسب عملها ووظيفتها كما يلي
- المسخنات Heaters : وهي المبادلات التي تستعمل سائلاً ساخناً لتسخين مائع.
- المبردات Coolers : وهي المبادلات الحرارية التي لتبريد الموائع بواسطة سائل آخر ويستعمل الماء عادة ً لهذا الغرض ويسمى ماء التبريد Cooling Water وفي حالة
أستعمال الهواء تسمى المبردات الهوائية Air Coolers. - المكثفات Condensers: وهي المبادلات الحرارية التي تستخدم لتكثيف البخار أو مزيج أبخرة أو بوجود غازات قابلة للتكثيف (كوجود الهواء مع بخار الماء) وعملها
الرئيس هو إزالة أو أمتصاص الحرارة الكامنة للتبخير Latent Heat ويستعمل الماء لهذا الغرض عادة ً . - المبخرات Evaporators : تستخدم لتبخير سائل مذيب من محلول معين وتستخدم عادة لتركيز المحاليل بواسطة تبخير الماء (من هذه المحاليل المائية).
- الغلايات Reboilers: وهي المبادلات الحرارية التي تستعمل عادة لتسخين قعور أبراج التقطير لفصل المشتقات عن بعضها أو لأبراج التجزئة (لفصل بعض الغازات عن
السوائل) ويستعمل بخار الماء بشكل واسع في الصناعة النفطية.
كما يمكن تصنيف المبادلات الحرارية تبعاً لعدد الأطوار. وكالآتي:
- مبادلات أحادية الطور : وهي المبادلات الحرارية التي يتم فيها التبادل الحراري بين مائعين (بنفس الطور) ولا يحدث تغير في حالة (طور) أحد هذين المائعين.
- مبادلات متعددة الأطوار: وهي المبادلات الحرارية التي يتم فيها التبادل الحراري مع حدوث تغير في حالة (طور) أحد هذين المائعين ، فمثلاً يتبخر أحدهما أو يتكثف أثناء
التبادل الحراري.
كما يمكن تصنيف المبادلات الحرارية تبعاً لتصميمها. وكالآتي:
- المبادلات ذات الرأس ذكون هناك فرق كبير في درجات حرارتها ولك لكون طرفي الحزمة ثابتين ولا توجد حماية أو أحتياطات للتمدد الحراري الكبير وكذلك يستعمل للضغوط الواطئة
للموائع. ويستعمل للموائع بحيث لا تتجاوز أقصى حرارة لها 150 °م. - المبادلات ذات الرأس السائب Floating Head Exchangers: في هذا النوع من المبادلات تثبت أحدى صفيحتي الأنابيب من طرف وتترك سائبة من الطرف الآخر وذلك لكي تسمح
بتمدد حزمة الأنابيب نتيجة التمدد الحراري وخاصة إذا كانت الفروق الحرارية كبيرة بين المائعين ويستعمل هذا النوع على نطاق واسع جدا في الصناعة النفطية ويكون سهل
التنظيف عند أجراء أعمال الصيانة. - المبادل الحراري ذو شكل حرف يو U-Type Exchengers: في هذا النوع من المبادلات تكون حزمة الأنابيب على شكل حرف U ومثبتة على صحيفة واحدة للأنابيب وفي هذا النوع
تتمدد الأنابيب بحرية تامة. كذلك يكون عدد نقاط الأتصال أو الربط للأنابيب مع صفيحة الأنابيب أقل منه في المبادلات الأخرى (لوجود صفيحة أنابيب واحدة) ويستعمل عادة في
الغلايات وخاصة التي تسخن البخار ويستعمل لدرجات الحرارة والضغوط العالية إلا أنه صعب التظيف بالوسائل العادية مقارنة بالأنواع الأخرى. وتستعمل لتنظيفه وسائل ميكانيكية
حديثة كأستعمال الماء ذو الضغط العالي أو فرش دقيقة وخراطيم مرنة. وهذا النوع شائع الأستعمال في الصناعة النفطية. - المبادل الحراري ذو الأنبوب المزدوج Double Pipe heat Exchanger : وهو المبادل الحراري الذي هو عبارة عن أنبوب خارجي وانبوب داخلي آخر أقصر وتمر المادة خلال
الانبوب الخارجي والمادة الاخرى المراد تبريدها او تسخينها خلال الانبوب الداخلي.
a suivre