كيفية تحديد حجم مبادل حراري من الغاز إلى الغاز لاستعادة حرارة غاز المداخن الصناعي

غالبًا ما يحمل غاز المداخن الصناعي كمية كبيرة من الحرارة القابلة للاسترداد، خاصة في الأفران والغلايات والأفران وأنظمة التجفيف والعمليات الكيميائية وعمليات النفط والغاز. بحجم مناسب يمكن للمبادل الحراري من الغاز إلى الغاز أن ينقل هذه الحرارة المهدرة من غاز العادم الساخن إلى تيار غاز أكثر برودة دون خلط الوسيطين. لا يقتصر تحديد الحجم الصحيح على حساب مساحة نقل الحرارة فحسب؛ كما يتطلب أيضًا التحقق من تكوين غاز المداخن، ومعدل التدفق، وتآكل نقطة الندى، وميل التلوث، وانخفاض الضغط، وقوة المادة، والتمدد الحراري، وقيود التثبيت.

الوجبات السريعة الرئيسية

●  أ يجب أن يتم تحديد حجم المبادل الحراري من الغاز إلى الغاز بناءً على معدل التدفق الفعلي، ودرجة الحرارة، وانخفاض الضغط، وتكوين الغاز، وهدف استرداد الحرارة.

●  إن واجب الحرارة، وLMTD، ومعامل نقل الحرارة الإجمالي، ومنطقة نقل الحرارة المطلوبة هي قيم الحجم الأساسية.

●  يجب تضمين تلوث غاز المداخن، وترسب الرماد، والتآكل عند نقطة الندى، والإجهاد الناتج عن درجات الحرارة العالية في مرحلة التصميم.

●  يمكن أن تؤدي الهياكل ذات التدفق المعاكس والممرات المتعددة المحسنة إلى تحسين كفاءة استرداد الحرارة في المعدات المدمجة.

● غالبًا ما يكون  التخصيص الغاز إلى الغاز مبادل حراري لوحي مطلوبًا لظروف غاز المداخن ذات درجة الحرارة العالية أو المسببة للتآكل أو الغبار أو كبيرة الحجم.

 

ما هو مبادل حراري من الغاز إلى الغاز؟

مبدأ العمل الأساسي

أ تم بناء المبادل الحراري من الغاز إلى الغاز بألواح معدنية ملحومة تشكل قنوات غاز مستطيلة ضيقة. يتدفق الغاز الساخن والغاز البارد عبر قنوات منفصلة، ​​وتمر الحرارة عبر جدار اللوحة من التيار الأكثر سخونة إلى التيار البارد. يظل تيارا الغاز معزولين، وهو أمر مهم عندما يحتوي غاز العادم على غبار أو رائحة أو مكونات مسببة للتآكل أو منتجات احتراق ثانوية.

الفرق من المبادلات الحرارية للغاز التقليدية

عادة ما يوفر المبادل الحراري الغازي الصفائحي بنية أكثر إحكاما من العديد من المبادلات الحرارية الغازية التقليدية ذات الغلاف والأنبوب. توفر قنوات التدفق من النوع اللوحي مساحة سطح عالية ضمن حجم محدود من المعدات، مما يحسن كثافة استرداد الحرارة. يدعم البناء الملحوم أيضًا التطبيقات التي يكون فيها التحكم في التسرب والسلامة الهيكلية أمرًا بالغ الأهمية.

لماذا يناسب التصميم الأسطواني استعادة حرارة غاز المداخن

يعد المبادل الحراري الصفائحي من الغاز إلى الغاز مناسبًا لاستعادة حرارة غاز المداخن لأن العادم الصناعي غالبًا ما يكون له حجم تدفق مرتفع ودرجة حرارة متوسطة إلى عالية. يمكن تخصيص ترتيب اللوحة في مسارات تدفق مختلفة لتتناسب مع مجاري الهواء في الموقع، وسرعة الغاز، وحدود انخفاض الضغط. تسمح هذه المرونة بتكييف المبادل مع عادم الغلاية، وعادم الفرن، وعادم التجفيف، والغازات الكيميائية المنبعثة، وتيارات معالجة النفط أو الغاز.

البيانات الأساسية مطلوبة قبل تغيير الحجم

معدل تدفق غاز المداخن

أول مدخلات تحجيم لمبادل حراري من الغاز إلى الغاز هو معدل تدفق غاز المداخن الفعلي أو الطبيعي. يحدد معدل التدفق السعة الحرارية المتاحة ويؤثر بشدة على حجم القناة وسرعة الغاز وانخفاض الضغط وإجمالي مساحة نقل الحرارة. بالنسبة للأنظمة الصناعية، يجب تأكيد التدفق في ظل ظروف التشغيل العادية والحد الأدنى والحد الأقصى وليس عند نقطة تصميم واحدة فقط.

مدخل ومخرج درجات الحرارة

تحدد بيانات درجة الحرارة هدف استعادة الحرارة للمبادل الحراري الصفائحي من الغاز إلى الغاز . توضح درجات حرارة مدخل ومخرج الغاز الساخن مقدار الحرارة التي يمكن إزالتها، بينما توضح درجات حرارة مدخل ومخرج الغاز البارد مقدار التسخين المفيد الذي يمكن تحقيقه. يجب أن تكون درجة حرارة المخرج المستهدفة واقعية، لأن التبريد المفرط قد يؤدي إلى التكثيف أو التآكل الناتج عن نقطة الندى الحمضية.

تكوين الغاز ونقطة الندى

يعد تكوين الغاز أمرًا ضروريًا عند تغيير حجم المبادل الحراري الصفائحي من غاز إلى غاز لخدمة غاز المداخن. تؤثر أكاسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين والكلوريدات والفلوريدات والرطوبة والأبخرة الحمضية على مخاطر التآكل واختيار المواد. يجب تقييم نقطة الندى بعناية لأن انخفاض درجة حرارة الجدار يمكن أن يتسبب في تكوين مكثفات شديدة على سطح نقل الحرارة.

انخفاض الضغط المسموح به

يعد انخفاض الضغط أحد حدود التصميم الرئيسية لكل مبادل حراري من الغاز إلى الغاز . يمكن لسطح نقل الحرارة الأكبر أن يزيد من استعادة الحرارة، لكن القنوات الضيقة وسرعة الغاز العالية قد تزيد من استهلاك طاقة المروحة. يجب أن يوازن التصميم النهائي بين كفاءة استرداد الحرارة ومقاومة التشغيل المقبولة.

 

خطوات التحجيم الأساسية لمبادل حراري من الغاز إلى الغاز

الخطوة 1: حساب واجب الحرارة

يمكن تقدير الواجب الحراري لمبادل حراري من الغاز إلى الغاز باستخدام المعادلة Q = m × Cp × ΔT. في هذه المعادلة، Q هو الحمل الحراري، m هو معدل تدفق الكتلة، Cp هو السعة الحرارية المحددة، وΔT هو التغير في درجة حرارة الغاز. نظرًا لأن تدفق الغاز الصناعي يُعطى غالبًا بـ Nm³/h، فإن التحويل إلى تدفق جماعي مطلوب عادةً قبل الحساب النهائي.

الخطوة 2: تحديد الفرق في درجة الحرارة

يتحكم فرق درجة الحرارة الفعال في القوة الدافعة لنقل الحرارة داخل مبادل حراري من الغاز إلى الغاز . غالبًا ما يستخدم المهندسون لوغاريتم متوسط ​​فرق درجة الحرارة، أو LMTD، لأن درجات حرارة الغاز تتغير باستمرار من خلال المبادل. يمكن للتدفق المعاكس أو التدفق متعدد التمريرات الأمثل أن يحافظ على متوسط ​​فرق درجة الحرارة أقوى من التدفق المتوازي البسيط.

الخطوة 3: تقدير معامل انتقال الحرارة الإجمالي

يعتمد معامل نقل الحرارة الإجمالي لمبادل حراري من الغاز إلى الغاز على سرعة الغاز، وسمك اللوحة، وموصلية المادة، وحالة السطح، ومساحة التلوث المسموح بها، وترتيب التدفق. في العديد من الحالات الصناعية لتحويل الغاز إلى غاز، قد يكون المعامل العملي في نطاق 30-40 واط/(م⊃2;·°م)، اعتمادًا على بيئة التشغيل. عادةً ما يتطلب الغاز القذر أو المترب أو منخفض السرعة معاملًا أكثر تحفظًا لتجنب تقليل الحجم.

الخطوة 4: حساب مساحة نقل الحرارة المطلوبة

مساحة نقل الحرارة لمبادل حراري من غاز إلى غاز من خلال A = Q / U × LMTD عندما يتم ترتيب الوحدات بشكل صحيح. يمكن تقدير سيؤدي ارتفاع الحرارة، أو انخفاض معامل نقل الحرارة، أو اختلاف درجة الحرارة الأصغر إلى زيادة المساحة المطلوبة. يجب أن يتضمن الاختيار النهائي للمنطقة هامش التلوث، وقيود التصنيع، وتوزيع التدفق، وتغير التشغيل في المستقبل.

 

عوامل التصميم لتطبيقات غاز المداخن الصناعية

القاذورات وترسب الرماد

يجب أن يأخذ المستخدم المبادل الحراري الصفائحي من الغاز إلى الغاز في خدمة غاز المداخن في الاعتبار الرماد والغبار والسخام والجسيمات اللزجة. يخلق التلوث مقاومة حرارية على سطح اللوحة ويقلل من أداء نقل الحرارة الفعلي بمرور الوقت. إذا كانت المسافة بين القنوات أو سرعة الغاز غير مناسبة، فقد يؤدي التلوث أيضًا إلى زيادة انخفاض الضغط والتسبب في التشغيل غير المستقر.

تآكل نقطة الندى

يعد التآكل عند نقطة الندى أحد أخطر المخاطر التي يتعرض لها المبادل الحراري الصفائحي من الغاز إلى الغاز الذي يتعامل مع العادم الصناعي. عندما تنخفض درجة حرارة الجدار المعدني إلى ما دون نقطة الندى الحمضية، يمكن أن تتشكل المكثفات الحمضية وتهاجم سطح نقل الحرارة. يجب تحديد درجة حرارة المخرج ومادة اللوحة ومسار التدفق للحفاظ على المبادل ضمن هامش آمن للتآكل.

التمدد الحراري والإجهاد الناتج عن درجات الحرارة العالية

يؤدي غاز المداخن ذو درجة الحرارة العالية إلى إنشاء تمدد حراري داخل مبادل حراري من الغاز إلى الغاز . إذا كان الهيكل جامدًا للغاية، فقد تؤدي دورات التسخين والتبريد المتكررة إلى حدوث تعب أو تشوه أو إجهاد اللحام. يعد التصميم الهيكلي المرن وبدل التوسع المناسب أمرًا مهمًا للتشغيل المستقر على المدى الطويل.

منع التسرب

يجب أن يحافظ المبادل الحراري من الغاز إلى الغاز على فصل تيارات الغاز الساخنة والباردة أثناء التشغيل المستمر. قد يؤدي التسرب إلى تقليل جودة استعادة الحرارة، أو تلويث جانب الغاز النظيف، أو خلق مشكلات تتعلق بالسلامة في ظروف العمليات الخاصة. لذلك يعد اللحام الكامل واختبار الضغط والتصميم الهيكلي المناسب أمرًا ضروريًا لأداء الختم الموثوق.

ترتيب التدفق والاختيار الهيكلي

ترتيب التدفق المعاكس

يرسل المبادل الحراري الغازي ذو التدفق المعاكس إلى الغاز الغاز الساخن والغاز البارد في اتجاهين متعاكسين. يوفر هذا الترتيب عادةً اختلافًا أعلى في متوسط ​​درجات الحرارة وكفاءة أفضل في استعادة الحرارة. غالبًا ما يُفضل ذلك عندما تتطلب العملية أقصى قدر من استعادة الطاقة ضمن مساحة صغيرة.

ترتيب التدفق المتقاطع

يسمح المبادل الحراري الغازي ذو التدفق المتقاطع للغاز بتدفق تياري الغاز عبر بعضهما البعض بزاوية. يمكن لهذا الترتيب أن يبسط توصيل مجاري الهواء ويناسب المواقع ذات مساحة التثبيت المحدودة. يمكن اختياره عندما تكون مرونة التخطيط أكثر أهمية من تحقيق أعلى درجة حرارة ممكنة.

الهياكل الصفائحية متعددة الممرات

يمكن أن يستخدم متعدد التمريرات المبادل الحراري الغازي من النوع U، أو النوع W، أو النوع S، أو النوع I، أو النوع L، أو تخطيطات القنوات المخصصة الأخرى. يمكن أن يؤدي التصميم متعدد الممرات إلى تحسين توزيع الغاز، وزيادة وقت الإقامة الفعال، ومطابقة اتجاهات مجاري الهواء الحالية. يعتمد الهيكل الأفضل على التحمل الحراري، وانخفاض الضغط، وحجم المعدات، والوصول إلى الصيانة، وظروف التثبيت الميداني.

 

الأخطاء الشائعة عند تغيير حجم المبادل الحراري من الغاز إلى الغاز

تجاهل تكوين الغاز

يعد تغيير حجم المبادل الحراري من الغاز إلى الغاز من معدل التدفق ودرجة الحرارة أمرًا محفوفًا بالمخاطر. يؤثر تكوين الغاز على التآكل والتلوث ونقطة الندى وتوافق المواد وعمر الخدمة. بدون بيانات التركيب، قد يحقق المبادل واجب الحرارة المحسوب ولكنه يفشل قبل الأوان في التشغيل الحقيقي.

الحجم الكبير دون التحكم في انخفاض الضغط

لا يعد المبادل الحراري الصفائحي من الغاز إلى الغاز حلاً أفضل دائمًا. يمكن أن تؤدي مساحة السطح الزائدة إلى زيادة تكلفة المعدات وصعوبة التركيب والوزن الهيكلي. قد تؤدي سرعة الغاز المنخفضة أيضًا إلى تشجيع استقرار الغبار، مما يقلل تدريجيًا من الكفاءة الحرارية.

ضبط درجة حرارة المخرج منخفضة جدًا

يمكن أن يؤدي خفض درجة حرارة غاز المداخن الخارج بقوة إلى إتلاف المبادل الحراري الغازي الصفائحي . قد تؤدي درجة حرارة المخرج المنخفضة إلى خفض درجة حرارة الجدار المعدني إلى ما دون نقطة الندى وإنشاء تكاثف حمضي. غالبًا ما يحافظ التصميم الآمن على درجة حرارة العادم أعلى من عتبة التآكل بدلاً من السعي لتحقيق أقصى قدر من الاسترداد النظري.

استخدام المعدات القياسية لغاز المداخن المعقد

غالبًا ما تتطلب ظروف غاز المداخن المعقدة وجود مبادل حراري من الغاز إلى الغاز . لا يمكن دائمًا التعامل مع درجات الحرارة المرتفعة والغازات المسببة للتآكل وتحميل الغبار العالي وتدفق الحجم الكبير من خلال التصميم القياسي. يسمح الحجم المخصص بمطابقة منطقة نقل الحرارة، وتباعد القنوات، والمواد، والهيكل، وانخفاض الضغط مع العملية الحقيقية.

 

متى يتم استخدام مبادل حراري مخصص من الغاز إلى الغاز

ارتفاع درجة حرارة غاز المداخن

المخصص عندما تكون درجة حرارة غاز المداخن مرتفعة جدًا. مبادل حراري من الغاز إلى الغاز يوصى باستخدام تتطلب الخدمة في درجات الحرارة المرتفعة قوة المواد المناسبة وتصميم التمدد الحراري والعزل وجودة اللحام. يجب تقييم نطاق درجة حرارة التشغيل مع تكوين الغاز لأن خطر التآكل يمكن أن يزيد عند درجات الحرارة المرتفعة.

حجم تدفق الغاز الكبير

غالبًا ما تحتاج تطبيقات غاز المداخن ذات الحجم الكبير إلى مبادل حراري صفائحي من الغاز إلى الغاز بدلاً من وحدة قياسية صغيرة. يتطلب التدفق الكبير توزيعًا دقيقًا للقناة لتجنب السرعة غير المتساوية، وارتفاع درجة الحرارة المحلية، وانخفاض الضغط العالي. يمكن استخدام الهياكل المعيارية أو الموسعة عندما يصل تدفق غاز المداخن إلى أحجام على نطاق صناعي.

الغاز المسبب للتآكل أو المحمل بالغبار

تتطلب عملية التآكل أو الغبار وجود مبادل حراري من الغاز إلى الغاز مع مادة مناسبة وتصميم قناة التدفق. يحتاج الغاز المحمل بالغبار إلى مسافة كافية بين القنوات، وسرعة يمكن التحكم فيها، ومراعاة الصيانة. يتطلب الغاز المسببة للتآكل تقييم نقطة الندى واختيار المواد بناءً على كيمياء الغاز الفعلية.

 

قائمة مرجعية للحجم العملي قبل عرض الأسعار

معلمات العملية

قبل اختيار مبادل حراري من الغاز إلى الغاز ، يجب إعداد معلمات العملية الكاملة. وتشمل هذه تدفق الغاز الساخن، وتدفق الغاز البارد، ودرجات حرارة الدخول، ودرجات حرارة المخرج المستهدفة، وضغط التشغيل، وحدود انخفاض الضغط. غالبًا ما تؤدي بيانات العملية المفقودة إلى مراجعات متكررة وحجم غير دقيق للمعدات.

معلمات جودة الغاز

إن بيانات جودة الغاز لا تقل أهمية عن البيانات الحرارية لمبادل حراري من الغاز إلى الغاز . تؤثر الرطوبة والكبريت والكلور وتركيز الغبار وخصائص الرماد والمركبات المسببة للتآكل على اختيار المواد والتخطيط الهيكلي. في حالة وجود مواد قابلة للتكثيف أو لزجة، يجب أن يتضمن التصميم اعتبارات إضافية للتلوث والتنظيف.

شروط الموقع والتثبيت

يجب أن يتناسب المبادل الحراري من الغاز إلى الغاز مع موقع التركيب الفعلي، وليس فقط الحساب الحراري. اتجاه مجرى الهواء، وشكل الحافة، ومساحة الصيانة، ودعم المعدات، وظروف الرفع، ومتطلبات العزل كلها تؤثر على التصميم النهائي. يمكن اختيار الواجهات الدائرية أو المربعة وفقًا لنظام غاز المداخن الموجود.

 

خاتمة

يتطلب تحديد حجم المبادل الحراري الصفائحي من الغاز إلى الغاز لاستعادة حرارة غاز المداخن الصناعي أكثر من مجرد حساب بسيط لمنطقة نقل الحرارة. معدل التدفق، واجب الحرارة، LMTD، معامل نقل الحرارة، عامل التلوث، انخفاض الضغط، تكوين الغاز، تآكل نقطة الندى، اختيار المواد، والتخطيط الهيكلي يجب أن تؤخذ في الاعتبار معًا. بالنسبة للمشاريع الصعبة التي تتضمن درجة حرارة عالية، أو حجم غاز كبير، أو مكونات قابلة للتآكل، أو عادم مملوء بالغبار، يمكن لشركة Nanjing Prandtl Heat Exchange Equipment Co.,Ltd توفير حلول مخصصة للمبادلات الحرارية من الغاز إلى الغاز بناءً على ظروف التشغيل الفعلية وأهداف استعادة الحرارة.

 

التعليمات

ما هي المعلومات اللازمة لتحديد حجم مبادل حراري من الغاز إلى الغاز؟

يتطلب المبادل الحراري من الغاز إلى الغاز معدلات تدفق الغاز الساخن والبارد، ودرجات حرارة المدخل، ودرجات حرارة المخرج المستهدفة، وضغط التشغيل، وحدود انخفاض الضغط. تعد معلومات تكوين الغاز ومحتوى الرطوبة وتركيز الغبار ونقطة الندى ضرورية أيضًا للتصميم الآمن. يجب تأكيد بيانات التثبيت مثل اتجاه القناة وحجم الحافة والمساحة المتاحة قبل الاختيار النهائي.

كيف يتم حساب مساحة انتقال الحرارة؟

مساحة نقل الحرارة لمبادل الحرارة الصفائحي من الغاز إلى الغاز عادةً من خلال واجب الحرارة، ومعامل نقل الحرارة الإجمالي، وLMTD. يتم تقدير المعادلة المبسطة هي A = Q / U × LMTD عندما تكون جميع الوحدات متسقة. يجب أن يتضمن الحجم النهائي السماح بالتلوث، والتحقق من انخفاض الضغط، وحدود المواد، وتصحيح توزيع التدفق.

هل يمكن لمبادل حراري من الغاز إلى الغاز التعامل مع غاز المداخن ذو درجة الحرارة العالية؟

يمكن مصمم بشكل صحيح لمبادل حراري من الغاز إلى الغاز التعامل مع غاز المداخن ذو درجة الحرارة العالية عند استخدام المواد والهياكل المناسبة. تتطلب الخدمة في درجات الحرارة المرتفعة الاهتمام بالتمدد الحراري وقوة اللحام والعزل واستقرار المعدن على المدى الطويل. تعتمد درجة الحرارة النهائية المسموح بها على تكوين الغاز، وإمكانية التآكل، ومواد التبادل الحراري المحددة.