راندمان باز کردن قفل: نقش حیاتی کانال های مبدل حرارتی در صنعت مدرن

سر کانال یک مبدل حرارتی پوسته و لوله اغلب به عنوان یک جزء جزئی-در انتهای پوسته در نظر گرفته می شود که سیال را به داخل بسته لوله هدایت می کند. این دیدگاه ناقص است. راسر کانال مبدل حرارتینحوه ورود و خروج سیال به مبدل را تعیین می کند. هندسه آن بر توزیع جریان، افت فشار و عملکرد حرارتی تأثیر می گذارد. جنس و ضخامت آن بر یکپارچگی سازه و عمر مفید آن تأثیر می گذارد. هنگامی که یک هد کانال از کار می افتد، مبدل متوقف می شود. بقیه طرح ها بی ربط است.

این مقاله به بررسی هد کانال از منظر تصمیمات طراحی می پردازد که پیامدهای عملی دارند. بررسی جامعی نیست. روی موضوعاتی تمرکز می کند که معمولاً اشتباه گرفته می شوند یا نادیده گرفته می شوند.

توزیع جریان

اولین نیاز طراحی برای سر کانال توزیع جریان است. سیال ورودی به کانال باید به طور یکنواخت به تمام لوله ها هدایت شود. اگر توزیع ناهموار باشد، برخی از لوله ها جریان بیشتری نسبت به سایرین دارند. لوله های با جریان بالاتر ضریب انتقال حرارت بالاتری دارند. لوله هایی که دبی کمتری دارند ضریب کمتری دارند. انتقال حرارت کلی با کمترین عملکرد لوله ها تعیین می شود، نه میانگین.

علت اصلی توزیع نامناسب محل نازل ورودی و وجود پارتیشن های داخلی است. اگر نازل ورودی خیلی نزدیک به یک طرف کانال قرار گیرد، جریان ممکن است به طور یکنواخت پخش نشود. اگر کانال دارای یک پارتیشن برای آرایش چند گذر- باشد، پارتیشن ممکن است عدم تعادل فشار بین پاس ها ایجاد کند.

روش استاندارد طراحی این است که نازل ورودی را در مرکز کانال قرار داده و حجم کافی کانال را فراهم کند تا جریان قبل از ورود به لوله ها ایجاد شود. حجم کانال باید به اندازه ای باشد که سرعت را کاهش دهد و جریان را توزیع کند، اما نه آنقدر زیاد که هزینه را بی دلیل افزایش دهد.

در ترتیبات چند گذر{0}، پارتیشن ها باید مهر و موم شوند تا از نشتی بین پاس ها جلوگیری شود. نشتی در پارتیشن تعداد پاس های موثر را کاهش می دهد و انتقال حرارت را کاهش می دهد. مهر و موم پارتیشن می تواند یک واشر یا یک اتصال جوش داده شده باشد. مهر و موم باید در طول تعمیر و نگهداری بازرسی شود.

افت فشار

سر کانال نیز بر افت فشار تأثیر می گذارد. سیالی که از کانال عبور می کند با کاهش فشار از نازل ورودی به ورق لوله مواجه می شود. تلفات ناشی از تغییر سرعت، اصطکاک در برابر دیواره کانال و تلاطم در ورودی لوله است.

افت فشار در سر کانال معمولاً در مقایسه با افت فشار در لوله ها کم است. معمولاً 5 تا 15 درصد افت فشار جانبی لوله است. با این حال، در برخی از برنامه‌ها-مانند سیستم‌های فشار کم-یا سیستم‌هایی با سر پمپ محدود{7}}افت فشار هد کانال ممکن است قابل توجه باشد.

افت فشار را می توان با افزایش قطر کانال یا با ساده کردن هندسه داخلی کاهش داد. هر دو گزینه هزینه اضافه می کنند. طراحی باید افت فشار را در مقابل هزینه متعادل کند.

افت فشار نیز تحت تأثیر اندازه نازل است. یک نازل کوچک سرعت سیال و افت فشار را افزایش می دهد. یک نازل بزرگ سرعت و افت فشار را کاهش می دهد اما هزینه و فضا را افزایش می دهد. اندازه نازل با افت فشار مجاز، سرعت سیال و طرح لوله تعیین می شود.

درجه بندی ضخامت و فشار

سر کانال یک مخزن تحت فشار است. ضخامت آن باید برای فشار داخلی و دما مناسب باشد. کدهای طراحی -ASME Section VIII، EN 13445 و GB 150 روش‌هایی را برای محاسبه ضخامت ارائه می‌دهند.

محاسبه بر اساس قطر داخلی، فشار طراحی و تنش مجاز ماده است. تنش مجاز بستگی به دما دارد. در دماهای بالا تنش مجاز کمتر است. ضخامت باید برای حداکثر دما و حداکثر فشاری که به طور همزمان اتفاق می افتد کافی باشد.

کدها همچنین به یک امتیاز خوردگی نیاز دارند. کمک هزینه به ضخامت محاسبه شده اضافه می شود تا از دست دادن مواد در طول عمر استفاده شود. میزان مجاز معمولاً 3 میلی متر برای سرویس متوسط ​​و 6 میلی متر برای سرویس خورنده است. کمک هزینه باید بر اساس نرخ خوردگی مورد انتظار و طول عمر مورد نیاز باشد.

سرهای صاف به ضخامت بیشتری نسبت به سرهای بشقاب نیاز دارند. یک سر صاف فقط در لبه ها پشتیبانی می شود. یک سر بشقاب در برابر فشار توسط عملکرد غشا مقاومت می کند. شکل سر بر اساس فشار، هزینه و فضای موجود انتخاب می شود. ساخت یک سر ظرف ممکن است گران‌تر باشد اما از مواد کمتری استفاده می‌کند. انتخاب باید بر اساس هزینه کل باشد، نه صرف هزینه مواد.

انتخاب مواد

جنس سر کانال باید با سیال، دما و فشار سازگار باشد. رایج ترین ماده فولاد کربنی است. مقرون به صرفه است و برای اکثر برنامه ها از قدرت کافی برخوردار است. محدودیت مقاومت در برابر خوردگی است. فولاد کربنی برای سیالات خورنده مناسب نیست.

در مواقعی که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی باشد از فولاد ضد زنگ استفاده می شود. رایج ترین گریدها عبارتند از 304L و 316L. 316L مقاومت بهتری در برابر حفره های کلرید ارائه می دهد. ضریب انبساط حرارتی فولاد ضد زنگ بیشتر از فولاد کربنی است. انبساط باید در طراحی لوله کشی و تکیه گاه ها در نظر گرفته شود.

فولادهای آلیاژی برای سرویس{0}در دمای بالا استفاده می‌شوند. ساخت نیاز به پیش گرم کردن و{2}}عملیات حرارتی پس از جوشکاری دارد. هزینه بالاتر از فولاد کربنی است.

زمانی که سیال خورنده و فشار زیاد باشد از مواد روکش دار استفاده می شود. فولاد کربن استحکام را فراهم می کند. روکش فلزی مقاومت در برابر خوردگی را فراهم می کند. روکش معمولاً 3 تا 5 میلی متر ضخامت دارد و با جوشکاری یا اتصال انفجاری اعمال می شود. مواد روکش دار ارزان تر از مواد آلیاژی جامد هستند.

پوشش کانال و اتصالات واشر

پوشش کانال به کانال پیچ شده است. واشر بین پوشش و کانال آب بندی را فراهم می کند. واشر باید مهر و موم را در فشار و دمای عملیاتی حفظ کند. مواد واشر باید با سیال سازگار باشد.

رایج ترین انواع واشر عبارتند از واشرهای مارپیچی، واشرهای مفصل حلقه و واشرهای ورق. واشرهای مارپیچی برای فشار و دمای بالا استفاده می شود. واشر حلقه ای برای فشار بسیار بالا استفاده می شود. واشر ورق برای فشار و دمای پایین استفاده می شود.

پیچ و مهره باید پیش بار کافی را برای فشرده سازی واشر فراهم کند. پیش بار باید بر اساس تنش واشر و بار فشار محاسبه شود. پیچ و مهره باید بر اساس تنش مجاز و عمر خستگی انتخاب شود.

شایع ترین خرابی در اتصالات واشر، از دست دادن پیش بار است. پیش بار ممکن است به دلیل شل شدن پیچ ها، انبساط حرارتی کانال یا خوردگی پیچ و مهره از بین برود. از دست دادن پیش بار باعث نشتی می شود. پیچ و مهره باید در حین تعمیر و نگهداری بررسی و برگشت داده شود.

بازرسی و آزمایش

هد کانال باید در حین ساخت و در هنگام خاموشی تعمیر و نگهداری بازرسی شود. بازرسی باید شامل بررسی ابعادی، تأیید مواد و آزمایش غیرمخرب- باشد.

بررسی های ابعادی ضخامت، صافی سطح واشر و محل نازل را تأیید می کند. تأیید مواد، ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی را تأیید می کند. آزمایش غیرمخرب هد کانال را از نظر ترک و نقص بررسی می کند.

آزمایش هیدرواستاتیک توسط کدها الزامی است. فشار تست 1.5 برابر فشار طراحی است. آزمایش باید پس از ساخت و پس از نصب انجام شود. اتصالات واشر دار باید در طول آزمایش از نظر نشتی بررسی شوند.

در{0}}بازرسی باید شامل تمیز کردن سطح داخلی، بازرسی سطوح واشر و اندازه‌گیری ضخامت باقیمانده باشد. اندازه‌گیری‌های ضخامت برای تأیید اینکه میزان خوردگی مصرف نشده است مورد نیاز است.

مسائل رایج

رایج ترین مشکلات سر کانال مربوط به توزیع جریان، نشت واشر و خوردگی است.

توزیع نادرست جریان، انتقال حرارت را کاهش می دهد و ممکن است باعث ایجاد تنش حرارتی در لوله ها شود. نشتی واشر به دلیل از بین رفتن پیش بار یا تخریب واشر ایجاد می شود. خوردگی در اثر سیال یا اثر گالوانیکی بین مواد غیر مشابه ایجاد می شود.

با طراحی مناسب، انتخاب مواد و نگهداری می توان از این مسائل جلوگیری کرد. طراحی باید شامل تجزیه و تحلیل جریان برای تأیید توزیع باشد. واشرها باید برای شرایط سرویس انتخاب شوند. میزان خوردگی باید برای طول عمر مورد انتظار کافی باشد.

سر کانال یک مخزن تحت فشار و یک توزیع کننده جریان است. طراحی آن بر عملکرد، قابلیت اطمینان و هزینه مبدل تأثیر می گذارد. تصمیمات طراحی باید بر اساس شرایط سرویس، الزامات کد و عمر مورد انتظار باشد. یک کانال خوب-طراحی شده عمر مبدل را دوام می آورد. طراحی نامناسب هد کانال باعث ایجاد مشکل می شود. تفاوت در توجه به جزئیات است.