القشرة ومبادل الحرارة الأنابيب، درجات الحرارة العالية والضغط العالي، STHE مقابل PHE

في الإدارة الحرارية الصناعية ، فإن اختيار الأجهزة المناسبة هو مسألة توازن بين فعالية نقل الحرارة ، وقوة الأجهزة ، وتكلفة دورة الحياة. يمكن لمبادلات الحرارة اللوحية توفير نقل حرارة فعال جدا في شكل مدمج ولكن تقتصر على نطاقات ضيقة نسبيا من التسامح الميكانيكي، وبالتالي الحد من تطبيقها. في تطبيقات العمليات ذات العواقب العالية ، وخاصة في درجات الحرارة العالية والضغط العالي ، لا تزال STHEs تحتفظ بموقع المعيار الذهبي بين مبادلات الحرارة العملية. ينظر التحليل التالي في كل من الأسس الميكانيكية وخبرة التشغيل الفعلية التي تفسر هيمنة STHEs في تطبيقات الخدمة الشديدة، استنادا إلى Grano’ الكفاءة في التصميم الهندسي للعمليات الحرارية.

1. السلامة الميكانيكية واحتواء الضغط

ويكمن التمييز الأساسي بين تصاميم STHE و PHE في استجابتهم للتوتر الداخلي. يستخدم STHE هندسة أسطوانية ، والتي هي متفوقة بطبيعتها لتصميم وعاء الضغط.

• توزيع الإجهاد الحلقة:تتيح هندسة القشرة والأنابيب الأسطوانية توزيعًا موحدًا لضغط الحلقة ، مما يتيح للمعدات تحمل الضغوط الداخلية التي تتجاوز 600 بار - الحدود التي لا يمكن تحقيقها من خلال الهندسة المستطيلة لحزم الألواح ، والتي تعتمد على ضغط الإطار.
• إدارة التوسع الحراري:في تطبيقات درجات الحرارة العالية ، فإن التوسع الحراري التفاضلي بين القشرة وحزمة الأنبوب هو وضع فشل حرج. تصاميم STHE تخفف من هذا عن طريق تكوينات TEMA القياسية. على سبيل المثال، أنبوب U (نوع U) و رأس عائم (نوع S / T) تسمح التصاميم لحزمة الأنبوب بتوسيع وتقلص بشكل مستقل عن القشرة ، مما يزيل تركيزات الإجهاد الحراري التي من شأنها أن تضر بالسلامة الهيكلية. وعلى العكس من ذلك ، فإن PHEs هي مجموعات جامدة حيث تؤدي الدراجات الحرارية الشديدة في كثير من الأحيان إلى استرخاء التثبيت والتسرب.

معايير التصميم المقارنة:

2. الأداء المحدد للتطبيق في بيئات HTHP

صلابة تصميم STHE تجعله الخيار المطلوب لسيناريوهات عملية محددة عالية الطلب حيث تكون PHEs عرضة للفشل الكارثي.

ألف - تغيير المرحلة وتكثيف البخار

تتضمن تطبيقات البخار تغييرات كبيرة في حجم محدد وحمولات حرارية كامنة عالية. تم تصميم STHEs لتلبية السرعات العالية وتقلبات الضغط المرتبطة بدخول البخار. لوحات الاصطدام والمفاصل القوية من الأنبوب إلى الأنبوب تمنع التآكل والتلف بالاهتزاز الذي غالبا ما يحدث في لوحات رقيقة من PHE. علاوة على ذلك، STHEs القضاء على خطر فشل الطقق بسبب انتقالات الضغط السريعة (مطرقة البخار).

باء - الزيت الحراري وسوائل نقل الحرارة

في الأنظمة التي تستخدم سوائل نقل الحرارة العضوية في درجات حرارة تتجاوز 300 درجة مئوية ، فإن منع التسرب أمر أساسي بسبب مخاطر الحريق. تعتمد PHEs المغطاة على الإلاستومرات (فيتون / EPDM) التي تتدهور بسرعة في هذه درجات الحرارة. يضمن البناء الملحوم بالكامل أو قدرات الختم من المعدن إلى المعدن لـ STHE سلامة الاحتواء أثناء الدورة الحرارية.

ج. وسائل الإعلام عالية اللزوجة والفولينج

من منظور هيدروليكي، تعتمد PHEs على القنوات الضيقة والاضطرابات العالية لتحقيق الكفاءة. ومع ذلك ، يخلق هذا عرضة عالية للتوصيل عند معالجة السوائل اللزجة أو الوسائط ذات محتوى الجسيمات. تقدم STHEs قطر هيدروليكي أكبر (جانب الأنبوب) ومساحات مشوشة قابلة للتخصيص (جانب القشرة) ، مما يقلل بشكل كبير من عامل التلوث ($ R_f $) ويستوعب السوائل ذات الأحمال الجسيمية العالية دون انسداد فوري.

3. الصيانة والموثوقية: تحليل دورة الحياة

تتأثر النفقات التشغيلية (OPEX) بشكل كبير بتكرار الصيانة وتعقيد التنظيف.

• تخفيف الخطأ:STHEs أكثر تسامحا مع جودة المياه المنخفضة (على سبيل المثال، مياه برج التبريد مع TDS عالية). يسمح التصميم ببدلات تلوث أعلى خلال مرحلة القياس.
• قابلية الخدمة:تصاميم TEMA (مثل AES أو BEU) تسهل إزالة حزمة الأنبوب. هذا يسمح للتنظيف الميكانيكي لمعرفة الأنبوب (عن طريق التفجير المائي أو العصا) وجانب القشرة. على عكس PHEs ، والتي تتطلب استبدال يدوي لمئات الطوابق أثناء الإصلاح - عملية كثيفة العمالة ومكلفة - فإن صيانة STHE هي في المقام الأول التنظيف الميكانيكي والاختبار غير المدمر (NDT).

4. دراسة الحالة: مصفاة معالجة المياه

السياق: شهدت منشأة بيتروكيماوية في جنوب شرق آسيا فشلا متكررا في قطار ما قبل التسخين يعمل عند 280 درجة مئوية / 45 بار. عانت وحدات PHE القائمة من طرد الطقق بسبب ارتفاعات الضغط.

الحل الهندسي: غرانو صممت بديلا باستخدام مبادلات TEMA Type BEU (U-Tube) المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L. تم القضاء على تصميم أنبوب U الحاجة إلى ورقة أنبوب خلفية أو مفصل توسع ، ومعالجة مباشرة مشاكل التوسع الحراري.

النتائج التشغيلية:

• موثوقية:وحققت الوحدة 24 شهرا من التشغيل المستمر مع عدم وجود تسرب.
• عائد الاستثمار:انخفضت ساعات العمل في الصيانة بنسبة 65%. وأدى القضاء على توقف الإنتاج إلى فترة استرداد رأس المال لمدة 14 شهرا.

5. الاختيار والمواصفات

في حين تعترف غرانو بفائدة PHEs في تكييف الهواء والتبريد والواجبات المنخفضة الشدة ، فإن سلامة العمليات الصناعية تملي استخدام مبادلات الأنابيب للخدمة الشديدة.

لدينا الهندسة يعطي النهج الأولوية للامتثال للقسم الثامن من ASME Div 1 وتسميات TEMA الدقيقة. نقوم بتقييم خصائص السوائل، بما في ذلك التآكل واللزوجة، لاختيار المعادن المناسبة (مزدوجة، سوبر مزدوجة، التيتانيوم) وترتيبات التشويش. بالنسبة للعمليات التي تتجاوز 200°C كيف تختار مختلف الصناعات المواد؟ 20 بار، أو تتضمن وسائل إعلام خطيرة ، تكوين قشرة وأنبوب يوفر عامل السلامة الضروري والموثوقية الميكانيكية.

أسئلة متكررة

س: كيف يتم إدارة التآكل في STHEs مقارنة بـ PHEs؟

رصد درجات حرارة المدخل يكتشف المشاكل في وقت مبكر توفر STHEs مرونة أكبر في اختيار المواد. يمكننا استخدام الأنابيب المغطاة والأنابيب الصلبة من سبيكة غريبة (التيتانيوم ، Hastelloy ، Inconel) للتعامل مع السوائل شديدة التآكل. في حين يمكن لـ PHEs استخدام لوحات غريبة ، إلا أن مواد التثبيت تظل الرابط الضعيف فيما يتعلق بالتوافق الكيميائي.

س: فيما يتعلق بانخفاض الضغط ($ دلتا P $) ، كيف يمكن مقارنة التصاميمين؟

رصد درجات حرارة المدخل يكتشف المشاكل في وقت مبكر تظهر STHEs عادة انخفاضات ضغط أقل بسبب مساحات تدفق أكبر ومسارات تدفق خطية من خلال الأنابيب. تحفز الـ PHEs الاضطرابات العالية من خلال الألواح المموجة ، مما يزيد من نقل الحرارة ولكن يؤدي إلى انخفاض ضغط أعلى بكثير ، مما يزيد من متطلبات طاقة الضخ.

س: ما هي معايير العتبة للانتقال من PHE إلى STHE؟

رصد درجات حرارة المدخل يكتشف المشاكل في وقت مبكر ينصح بالانتقال إلى STHE عندما:

1. تصميم درجة الحرارة تتجاوز 180 درجة مئوية.
2. ضغط التصميم يتجاوز 25 بار.
3. تحتوي السوائل على مواد صلبة معلقة كبيرة ( > 2 ملم) أو لزوجة للغاية.
4. ينطوي التطبيق على صدمة حرارية كبيرة أو تحميل دوري.