بنية وأنواع المبادلات الحرارية الأنبوبية والقذيفة

يتكون المبادل الحراري القشري والأنبوبي من غلاف وحزمة أنابيب نقل الحرارة ولوحة أنابيب وحاجز (حاجز) وصندوق أنابيب. الغلاف أسطواني في الغالب، مع حزمة أنابيب في الداخل، ويتم تثبيت طرفي حزمة الأنابيب على لوحة الأنابيب.
يتم استخدام نوعين من السوائل، الساخنة والباردة، لتبادل الحرارة. يتدفق أحدهما داخل الأنبوب ويسمى سائل جانب الأنبوب؛ ويسمى نوع آخر من السوائل يتدفق خارج الأنبوب سائل جانب الغلاف. لتحسين معامل نقل الحرارة للسائل خارج الأنبوب، يتم عادةً تثبيت عدة حواجز داخل الغلاف.
يمكن للحاجز زيادة سرعة سائل جانب الغلاف، مما يجبر السائل على المرور عبر الحزمة جانبيًا عدة مرات وفقًا للمسار المحدد، وتعزيز درجة اضطراب السائل.
لذلك، عندما يتجاوز الفرق في درجة الحرارة بين حزمة الأنابيب والغلاف 50 درجة، يلزم اتخاذ تدابير تعويض مناسبة للقضاء على الإجهاد الحراري أو تقليله. وفقًا لتدابير التعويض المعتمدة، يمكن تقسيم المبادلات الحرارية القشرية والأنبوبية إلى الأنواع الرئيسية التالية:
① يتم دمج ألواح الأنابيب في كلا طرفي حزمة المبادل الحراري لألواح الأنابيب الثابتة مع الغلاف، مع بنية بسيطة، ولكنها مناسبة فقط لعمليات تبادل الحرارة عندما لا يكون الفرق في درجة الحرارة بين السوائل الباردة والساخنة كبيرًا ولا يتطلب جانب الغلاف التنظيف الميكانيكي. عندما يكون الفرق في درجة الحرارة كبيرًا قليلاً ولا يكون ضغط جانب الغلاف مرتفعًا جدًا، يمكن تركيب حلقة تعويض مرنة على الغلاف لتقليل الإجهاد الحراري.
② يمكن للوحة الأنبوب الموجودة في أحد طرفي حزمة المبادل الحراري ذات الرأس العائم أن تطفو بحرية، مما يزيل تمامًا الإجهاد الحراري؛ ويمكن استخراج الحزمة بالكامل من الغلاف لسهولة التنظيف والصيانة الميكانيكية. تتمتع المبادلات الحرارية ذات الرأس العائم بمجموعة واسعة من التطبيقات، ولكن هياكلها معقدة نسبيًا وتكلفتها مرتفعة.
③ يتم ثني كل أنبوب تبادل حراري في المبادل الحراري الأنبوبي على شكل حرف U على شكل حرف U، مع تثبيت كلا الطرفين في المناطق العلوية والسفلية من نفس لوحة الأنبوب، ويتم تقسيمهما إلى حجرات مدخل ومخرج بواسطة أقسام داخل صندوق الأنبوب. يزيل هذا النوع من المبادل الحراري الإجهاد الحراري تمامًا وله بنية أبسط من نوع الرأس العائم، ولكن ليس من السهل تنظيف جانب الأنبوب.
④ الميزة الهيكلية للمبادل الحراري ذي الصندوق المعبأ هي أن أحد طرفي لوحة الأنبوب متصل بشكل ثابت بالغلاف، والطرف الآخر مغلق بصندوق التعبئة. يمكن لحزمة الأنابيب التمدد والانكماش بحرية دون توليد إجهاد حراري ناتج عن فرق درجة الحرارة بين جدار الغلاف وجدار الأنبوب.
تتمثل مزايا المبادل الحراري ذي الصندوق المعبأ في أن بنيته أبسط من بنية المبادل الحراري ذي الرأس العائم، كما أنه أسهل في التصنيع، ويستهلك مواد أقل، كما أن تكلفته أقل؛ ويمكن استخراج حزمة الأنابيب من الغلاف، ويمكن تنظيف كل من الجزء الداخلي وما بين الأنابيب، مما يجعل الصيانة مريحة. عيبه هو أن مقاومة الضغط لصندوق الحشو ليست عالية، وعادة ما تكون أقل من 4.0 ميجا باسكال؛
قد يتسرب الوسط الموجود على جانب الغلاف عبر صندوق التعبئة ولا يصلح للوسائط القابلة للاشتعال والانفجار والسامة والقيمة. يعد المبادل الحراري الموجود على الصندوق المعبأ مناسبًا للمواقف التي يكون فيها فرق كبير في درجة الحرارة بين الأنبوب وجدران الغلاف أو حيث يكون الوسط عرضة للتقشر، مما يتطلب التنظيف المتكرر والضغط المنخفض.
⑤ الميزة الهيكلية للمبادل الحراري للغلاية هي توفير مساحة تبخر مناسبة في الجزء العلوي من الغلاف، بينما تعمل أيضًا كغرفة بخار.
يمكن أن تكون حزمة الأنابيب عبارة عن لوحة أنبوب ثابتة أو رأس عائم أو أنبوب على شكل حرف U. يعد المبادل الحراري من نوع الغلاية سهل التنظيف والصيانة، ويمكنه التعامل مع الوسائط غير النظيفة والمعرضة للتقشر، ويمكنه تحمل درجات الحرارة والضغوط العالية. إنه مناسب لتبادل الحرارة بالبخار السائل ويمكن استخدامه كأبسط هيكل لغلاية الحرارة العادمة.