في مجال العمليات الحرارية الصناعية المعقدة، وخاصة في مجال الصناعات الصحية مثل منتجات الألبان والمنتجات الصيدلانية والمواد الكيميائية الدقيقة، غالبا ما تكون مبادلات الحرارة التقليدية ذات الممر الواحد غير كافية لتلبية متطلبات العمليات المعقدة متعددة المتغيرات. عندما تحتاج العملية إلى مراحل مختلفة للتدفئة والتبريد والتجديد في مساحة محدودة ، فإن مبادل الحرارة الصفيحي متعدد الأقسام (متعدد المراحل) هو الحل الهندسي القياسي.
تحدد هذه الملاحظة العامة للهندسة الجوانب الهيكلية والميكانيكية والهيدروليكية والاعتبارات التصميمية المتعلقة بتنفيذ وحدات متعددة الأقسام ، تتجاوز الأساسيات لمعالجة القضايا الهندسية.
الميكانيكا الهيكلية وتكوين التدفق
على عكس وحدات المرور الواحد ، يدمج PHE متعدد الأقسام واجبات حرارية متعددة في إطار واحد. العنصر المحدد هو لوحة القسم المتوسطة (يشار إليه أيضا باسم شبكة الموصل أو لوحة المقسمة).
دور شبكة الموصل
وظائف لوحة القسم كحدود ميكانيكية وهيدروليكية داخل حزمة لوحة. تخدم وظيفتين هندسيتين أساسيتين:
- تحويل التدفق:يستخدم النقل الداخلي (الزوايا) لتوجيه السوائل إلى كتل لوحات محددة (مراحل) أو تحويله إلى الأنابيب الخارجية للحلقات المساعدة (على سبيل المثال ، عقد الأنابيب أو التجانس أو الفاصلين).
- عزل الضغط التفاضلي:فإنه يفصل ماديا مراحل العملية (على سبيل المثال، فصل قسم التبريد عن قسم التدفئة) ، مما يسمح لملفات الضغط المستقلة داخل نفس الإطار.
منطق التدفق
من خلال الترتيب الاستراتيجي لألواح القسم وتكوينات المرور ، يسمح PHE بما يلي:
- تجديد:نقل الحرارة من منتج إلى منتج حيث السائل الساخن الخارجي يسخن السائل البارد الوارد مسبقاً.
- معالجة متعددة المناطق:المعالجة المتسلسلة (على سبيل المثال، المنطقة 1: التبريد المسبق؛ المنطقة 2: التبريد العميق بالغليكول) بدون أنابيب خارجية بين المراحل.
مزايا الهندسة في تكامل العمليات
1. التجديد الحراري وكفاءة NTU
في المعالجة الكبيرة الحجم، الهدف الرئيسي من التصميم هو تعظيم الكفاءة التجديدية (غالبا ما تتجاوز 90-95٪ في حلقات HTST الحديثة). التصميم متعدد الأقسام يسمح بتدفق التيار المضاد للمنتج الخام والبستري داخل قسم مخصص. هذا يقلل بشكل كبير من حمولة بخار الغلاية ووسط التبريد المطلوبة لأقسام التدفئة والتبريد اللاحقة.
2. تقليل البصمة الهيدروليكية
توحيد ثلاث أو أربع عمليات وحدة في إطار واحد يقلل من بصمة الانزلاق. والأهم من ذلك ، أنه يقلل من حجم الاحتفاظ ويقلل من طول معادل الأنابيب المترابطة ، وبالتالي تقليل إجمالي فقدان رأس النظام ومتطلبات طاقة المضخة بالنسبة إلى تثبيت مبادلات منفصلة.
اعتبارات التصميم الحرجة
تصميم قسم متعدد تتطلب الوحدة معالجة قيود هيدروليكية وميكانيكية محددة أقل انتشاراً في وحدات المرور الواحد.
1. سوء توزيع التدفق وسرعة الميناء
في وحدات متعددة الأقسام ، غالبا ما تدخل السوائل وتخرج من حزمة اللوحة من خلال شبكات الموصلات بدلا من موانئ الإطار الرئيسية. إذا كان قطر الميناء لشبكة الموصل أقل حجماً بالنسبة لمعدل التدفق ، فإنه يحفز على انخفاض ضغط الميناء المفرط. هذا يؤدي إلى سوء التوزيع عبر عرض اللوحة ، مما يقلل من معامل نقل الحرارة الفعال (قيمة U) ويخلق مناطق تلوث محتملة بسبب ضغط القص المنخفض.
2. الضغط التفاضلي واللوحة المرنة
تخضع لوحة القسم للضغط من كلا الجانبين. يحدث وضع الفشل الحرج عندما يكون هناك دلتا ضغط كبير بين الأقسام المجاورة (على سبيل المثال ، قسم تسخين عالي الضغط بجانب قسم تبريد منخفض الضغط).
- التحكم الهندسي:يجب حساب سمك لوحة القسم لتتحمل أقصى ضغط تفاضلي لمنع الانحناء.
- اختيار المواد:غرانو عادة ما يحدد كتل الصلبة من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 أو 316L (غالبا ما تكون سميكة 40mm-60mm حسب حجم الإطار) لضمان الصلابة الميكانيكية.
3. إجمالي انخفاض ضغط النظام (ΔP)
في حين توفر وحدات متعددة الأقسام المساحة ، فإن ترتيب سلسلة الممرات المتعددة يزيد بشكل كبير من المقاومة الهيدروليكية الكلية. يجب على المهندسين حساب الرأس الديناميكي الكلي (TDH) بدقة. يجب ألا يتجاوز مجموع انخفاضات الضغط عبر أقسام التجديد والتدفئة والتبريد بالإضافة إلى حلقات خارجية (أنابيب عقد) المضخة ’ منحنى الأداء أو حد الضغط تصميم لوحة.
دراسة حالة: التكامل الصحي HTST
التطبيق: البستنة المستمرة للحليب
تكوين التصميم: إطار 3 مراحل (التجديد / التدفئة / التبريد)
المرحلة الأولى (التجديد): يتم تسخين الحليب الخام الوارد (4 درجة مئوية) مسبقا في مبادل حراري عن طريق الحليب البستري الخارجي (72 درجة مئوية).
ملاحظة تقنية: تم تصميم هذا القسم مع NTU عالية (عدد وحدات النقل) لتحقيق أقصى قدر من استرداد الطاقة.
المرحلة الثانية (التدفئة):يتم جلب الحليب المسخن مسبقاً إلى نقطة التطهير الباسترية 72.5 درجة مئوية باستخدام الماء الساخن أو البخار.
المرحلة 3 (التبريد):يتم تبريد المنتج إلى درجة حرارة التخزين 4 درجة مئوية باستخدام الماء المبرد أو الجليكول.
النتيجة: حقق التكامل توفير طاقة متجددة بنسبة 85 ٪. باستخدام إطار واحد، قضى المرفق على الحاجة إلى خزانين متوسطين للتوازن ومضخات النقل المرتبطة به.
بروتوكولات الصيانة والتجميع
لـ مهندسي الصيانةتعقيد PHE متعدد الأقسام يملي الالتزام الصارم ببروتوكولات التجميع.
- تسلسل لوحات (الخريطة المعلقة):على عكس الوحدات البسيطة ، غالبا ما تستخدم مبادلات الأقسام المتعددة تموجات لوحات مختلفة (ثيتا-عالية مقابل ثيتا-منخفضة) أو مواد في أقسام مختلفة. إعادة تجميع حزمة اللوحة خارج التسلسل يغير هندسة القناة ، مما يغير كل من الأداء الحراري وانخفاض الضغط.
- مواصفات البعد:يجب أن يتم تشديد حزمة الصفيحة إلى المحدد الأبعاد (المسافة بين لوحات الضغط) المقدمة في الرسم GA. التشديد الزائد يمكن أن يسحق طواقم شبكة الموصل. عدم التشديد يسبب التلوث المتقاطع بين القطع.
- التوافق مع الطقم:قد تستخدم أقسام مختلفة مواد مختلفة (على سبيل المثال ، EPDM للتدفئة بالبخار ، NBR للتبريد). التحقق من توافق المواد أثناء التغييرات إلزامي.
أسئلة متكررة
س: هل يمكن توسيع وحدة متعددة الأقسام بعد التشغيل؟
رصد درجات حرارة المدخل يكتشف المشاكل في وقت مبكر نعم ، بشرط أن يكون طول السكك الحديدية الإطارية (شريط حمل) لديه قدرة متاحة. يتضمن التوسع إضافة كاسيتات لوحات إلى أقسام محددة. ومع ذلك ، فإن هذا يغير المقاومة الهيدروليكية والواجب الحراري. يلزم إعادة حساب سرعات الميناء وانخفاض الضغط لضمان بقاء المضخات الموجودة كافية.
س: لماذا حساب انخفاض الضغط مهم في تصاميم متعددة الأقسام؟
رصد درجات حرارة المدخل يكتشف المشاكل في وقت مبكر تتضمن وحدات متعددة الأقسام بطبيعتها مسارات تدفق أطول وتحويلات تدفق متعددة (خسائر التحول) في شبكات الموصلات. سيؤدي تقليل ΔP إلى انخفاض معدلات التدفق، والفشل في تحقيق تدفق مضطرب (عدد رينولدز المنخفض)، وزيادة معدلات التلوث.
س: كيف يتم الكشف عن التلوث المتقاطع بين الأقسام؟
رصد درجات حرارة المدخل يكتشف المشاكل في وقت مبكر غالبا ما يكون التسرب بين القسم خفيفًا. يتم الكشف عنها عن طريق:
- الشذوذ الحراري:تحولات درجة الحرارة غير المبررة في وسيط التبريد أو المنتج.
- اختبار الضغط التفاضلي:أثناء الصيانة ، مطلوب اختبار هيدروستاتيك مستقل لكل قسم (في حين أن الأقسام المجاورة تحت ضغط الغلاف الجوي) لتحديد فشل ختم لوحة القسم.
