لماذا تقوم المبادلات الحرارية PTFE بتطوير تسرب جانبي وكيف يتم تصحيحه؟

لا يعد التسرب الالتفافي تسربًا إلى البيئة الخارجية، ولكنه عبارة عن سائل جانبي داخلي قصير-قطع-صدفة-يتدفق حول حزمة الأنبوب بدلاً من التدفق من خلالها. هذا الالتفاف الداخلي هو فقدان لسطح نقل الحرارة وانخفاض في كفاءة المبادل ولكنه غير مرئي من الخارج. من المهم معرفة طرق وأسباب مشاكل المبادل الحراري PTFE للتسرب الالتفافي لتشخيص فقدان الأداء والتخطيط للإصلاحات الناجحة. تتناول هذه المقالة قنوات التسرب الشائعة وأسباب التسرب وخطوات الإصلاح لاستعادة الأداء الحراري.

تجاوز التسرب: ما هو ولماذا يهم؟
في غلاف المبادل الحراري-و-الأنبوب، من المفترض أن يتدفق السائل الجانبي للغلاف-عبر حزمة الأنبوب، ويتم توجيهه عن طريق الحواجز. يحدث التسرب الالتفافي عندما لا يلامس بعض هذا السائل الأنابيب، لأنه يتدفق عبر مسار أقصر وأقل مقاومة. يغادر السائل المبادل مع تغير بسيط في درجة الحرارة أو صفر، مما يقلل من معدل نقل الحرارة الإجمالي.

يعد التسرب الالتفافي ضارًا، خاصة بالنسبة للمبادلات الحرارية PTFE التي تتمتع بالفعل بموصلية حرارية أقل من الوحدات المعدنية. يمكن أن يؤدي التدفق الالتفافي بنسبة 20% إلى تقليل معامل نقل الحرارة الفعال بنسبة 25-35% لأن السائل الالتفافي لا يشارك في التبادل الحراري. المشكلة داخلية ولا يمكن اكتشافها عن طريق الفحص البصري الخارجي أو اختبار الضغط، بل فقط عن طريق مراقبة الأداء الحراري أو الفحص الداخلي.

مسارات التسرب الأساسية للمبادل الحراري PTFE
يستطيع السائل الجانبي للقشرة- تجاوز حزمة الأنبوب بثلاث طرق مختلفة.

1. الحزمة-إلى-إزالة القشرة (التجاوز الحلقي)
توجد دائمًا مسافة بين الأنابيب الخارجية والجدار الداخلي للصدفة. هذه الفجوة الحلقية مطلوبة لإدخال حزمة الأنبوب وإزالتها. يتم ملء هذه الفجوة في مبادل جيد البناء بشرائط مانعة للتسرب (تسمى أحيانًا موانع التسرب) أو أنابيب وهمية تحد من التدفق. غالبًا ما تكون شرائط الختم عبارة عن قضبان فولاذية مسطحة أو شرائح مملوءة بـ PTFE- مثبتة على الحواجز، وتبرز للخارج وتلامس جدار الصدفة.

عندما تكون شرائط الختم مفقودة أو متآكلة أو ممزقة، يتدفق السائل الموجود على جانب الغلاف بسهولة عبر الفجوة الحلقية دون الدخول إلى حزمة الأنبوب. هذا هو الطريق الالتفافي الرئيسي.

2. يربك لإزالة القشرة
لا تتناسب الحواجز بإحكام مع القشرة. يتم توفير مساحة صغيرة من الخلوص (عادةً 1-3 مم) لتمكين التجميع والتمدد الحراري. قد يجري السائل على حواف كل حاجز، خاصة الجزء العلوي والسفلي حيث يحدث قطع الحاجز. التسرب في المبادلات الجديدة متواضع (2-5٪ من إجمالي التدفق). إذا أصبحت الحواجز تالفة أو ملتوية أو متآكلة أو متآكلة، فسوف تزداد الخلوص وسيزداد التدفق الالتفافي بشكل كبير.

يمكن أن تتسبب المطرقة المائية (المطرقة البخارية)، والأشياء الغريبة المنقولة في سائل جانب الغلاف، وتآكل مكونات الحاجز المعدني في إتلاف حواجز المبادل الحراري PTFE (لا تتآكل أنابيب PTFE نفسها، ولكن قد تتآكل الحواجز المعدنية وألواح الدعم).

3. المسافة من الأنبوب إلى الحاجز
يحتوي كل حاجز على فتحة يتدفق من خلالها أنبوب PTFE. للسماح بحركة أنبوب PTFE المرن ومنع الارتباط أثناء التمدد الحراري، يلزم وجود مساحة تتراوح من 0.2 إلى 0.5 مم. قد تسمح هذه الثقوب الحلقية الصغيرة بخروج السوائل. يعد التسرب من الأنبوب إلى الحاجز بشكل عام مساهمًا بسيطًا في التجاوز في معظم التصميمات (عادةً<5% of total bypass) due of the pressure drop across each baffle forcing flow down the many tube holes. However, the cumulative effect can be significant in exchangers with many baffles and low-viscosity fluids.

أسباب تجاوز المبادلات الحرارية لتسرب PTFE
عادةً ما يكشف الفحص الداخلي عن واحد أو أكثر من الحالات التالية:

تجريد الطقس البالية أو المفقودة
يتم تثبيت شرائط الختم على الحواجز باستخدام البراغي أو المشابك أو اللحام. يمكن أن تتفكك البراغي بمرور الوقت، أو يمكن أن تفشل المشابك، أو يمكن أن تتآكل الشرائط نفسها أو تتحلل. في بعض الحقول-الحزم التي تم إصلاحها، ربما لم تتم إعادة تثبيت شرائط الختم-بعد إعادة-الأنابيب. إنه اكتشاف منتظم أن شرائط الختم موجودة فقط على عدد قليل من الحواجز، أو غائبة تمامًا.

الحواجز التالفة،
يمكن كسر الحواجز عن طريق:

المطرقة البخارية - يمكن لموجات الصدمة المتكررة أن تنحني أو تحطم الحواجز المعدنية بالقرب من فتحات الأنبوب.

التآكل - يمكن أن تصبح الحواجز الفولاذية أقل سمكًا وتفقد شكلها عند الاستخدام المسبب للتآكل (حتى مع أنابيب PTFE).

التأثير الميكانيكي - يمكن ثني الحواجز أثناء إدخال الحزمة أو إزالتها إذا لم تتم محاذاتها بشكل صحيح.

لم يعد يتلاءم بشكل مريح مع الصدفة، فالحاجز المنحني يخلق خلوصًا كبيرًا. قد يكون للحاجز المكسور أجزاء مفقودة تسمح بالتدفق.

إزالة القشرة الكبيرة من التصميم الأصلي
يتم إنشاء بعض المبادلات الحرارية PTFE-منخفضة التكلفة مع خلوص زائد من الحزمة-إلى-القشرة لتسهيل عملية التصنيع. يمكن أن تكون هناك فجوة بمقدار 10 ملم أو أكثر. شرائط الختم مفقودة أو صغيرة جدًا. في هذه الحالات، يعد التسرب الالتفافي أحد ميزات التصميم ولا يمكن التخلص منه بالكامل دون إعادة تصميم كبيرة.

كيفية تشخيص التسرب الالتفافي دون فتح المبادل
في حالة الاشتباه في تسرب الالتفافية:

معدل نقل الحرارة، المحسوب من درجات حرارة المدخل/المخرج ومعدلات التدفق، أقل بكثير من الرقم التصميمي، على الرغم من أن الأنابيب نظيفة ولا توجد أي تسربات خارجية.

يكون انخفاض الضغط الجانبي للقذيفة أصغر من القراءات التاريخية عند نفس معدل التدفق. انخفاض الضغط الأقل يعني أن السائل يتدفق عبر قناة ذات مقاومة أقل (تجاوز).

إن التغير في درجة حرارة السائل الجانبي - للغلاف (ΔT) ليس كما هو متوقع كما أن درجة حرارة مخرج جانب الأنبوب - خارج الهدف بالمثل.

أولاً، من الضروري استبعاد التفسيرات البديلة للأداء الضعيف: التلوث، أو احتجاز المواد غير المكثفة-، أو انخفاض معدلات التدفق. إذا اختفت تلك الأشياء فمن المحتمل أن يكون هناك تسرب جانبي.

تجاوز الإجراءات التصحيحية للتسرب
يعتمد الإصلاح المناسب على شدة حزمة الأنابيب وإمكانية الوصول إليها.

1. استبدال شرائط الختم (الإصلاح الأكثر شيوعًا)
بالنسبة للمبادلات ذات حزم الأنابيب القابلة للإزالة، يمكن إدخال شرائط الختم أو إزالتها أثناء إيقاف التشغيل المخطط له. العملية هي:

تتم إزالة غطاء القشرة وسحب حزمة الأنبوب للخارج.

يتم فحص الحواجز. تنظيف الحطام والتآكل من أخاديد شريط الختم الموجود.

يتم قطع شرائط الختم الجديدة (غالبًا ما تكون قماشًا مشربًا بـ PTFE أو شرائط زنبركية معدنية أو قضبان PTFE الصلبة) إلى الطول المطلوب ويتم تركيبها في الفتحات الموجودة على كل حاجز. يجب أن يتم عرض الشرائط لتلامس الجدار الداخلي للقشرة مع تداخل صغير (ضغط 0.2-0.5 مم).

يتم تثبيت الشرائط في مكانها بواسطة براغي أو عن طريق تثبيت حواف الحاجز (للشرائط المعدنية). تحمل بعض التصميمات الشرائط عن طريق ضغط القشرة على الحاجز.

تمت إعادة تثبيت الحزمة واختبار المبادل.

يقوم هذا الإصلاح عادةً باسترداد 90-100% من الأداء المفقود في حالة عدم تلف الحواجز.

2. إصلاح أو استبدال يربك
لا يمكن لشرائط الختم وحدها إصلاح الحواجز المنحنية أو المكسورة أو المتآكلة. يجب إصلاح الحواجز التالفة أو استبدالها. بالنسبة للمبادلات الحرارية PTFE، تُصنع الحواجز عمومًا من المعدن (الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الكربوني) والذي يمكن أن يكون:

مستقيم - يمكن دفع الانحناءات الصغيرة بشكل مسطح باستخدام مكبس هيدروليكي.

يتم لحام الشقوق - الملحومة لأعلى وتكون الأرض ناعمة. يتم الحرص على عدم تشويه يربك.

تم الاستبدال - يتم قطع الحواجز التالفة بشدة من الحزمة ويتم ربط الحواجز الجديدة بأنابيب PTFE. هذه عملية تتطلب عمالة-مكثفة، وغالبًا ما يتم إجراؤها أثناء عملية إعادة الأنابيب الكاملة.

بعد إصلاح الحاجز، يتم تثبيت شرائط منع التسرب الجديدة.

3. شل - تعديل التدفق الجانبي (التخفيف المؤقت)
في الحالات التي لا يكون فيها التفكيك الفوري ممكنًا، يمكن لتعديلات التشغيل أن تعوض جزئيًا عن التسرب الالتفافي. تؤدي زيادة معدل التدفق الجانبي للغلاف- إلى زيادة السرعة عبر كل من حزمة الأنبوب والفجوات الالتفافية. ونظرًا لأن انخفاض الضغط يزداد مع مربع السرعة، فإن معدل التدفق الأعلى قد يؤدي إلى تحسين نسبة السائل الذي يعبر الأنابيب فعليًا. ومع ذلك، فإن هذا لا يعالج السبب الجذري ويزيد من ضخ الطاقة. ويعتبر تدبيرا مؤقتا فقط.

4. إعادة التصميم لمشكلات التخليص الشديدة
في المبادلات ذات خلوص القشرة كبير الحجم بطبيعتها (التصميم الأصلي السيئ)، قد تتم محاولة التعديل التحديثي باستخدام شرائط مانعة للتسرب أكثر سمكًا أو تركيب أنابيب وهمية في المساحة الحلقية. الأنابيب الوهمية عبارة عن أطوال قصيرة من أنابيب PTFE التي يتم وضعها في فتحات الأنبوب الخارجية ولكنها مغلقة عند نهايات صفائح الأنابيب بحيث لا يتدفق السائل عبرها. إنهم يشغلون مساحة ويمنعون الالتفافية. يتطلب هذا الأسلوب حفر ثقوب إضافية في الحواجز وألواح الأنابيب ويتم ذلك عادةً بواسطة ورشة إصلاح متخصصة.

وصف المخطط المقطعي -المتقاطع (تمثيل النص)
يوضح الوصف التالي المسارات الالتفافية في غلاف PTFE النموذجي-و-المبادل الحراري للأنبوب كما هو معروض في مقطع عرضي-:

تمثل الدائرة الخارجية الجدار الداخلي للصدفة.

في الداخل، مجموعة دائرية من الدوائر الصغيرة تمثل أنابيب PTFE.

الفجوة بين دوائر الأنبوب الخارجية والجدار الداخلي للغلاف هي إزالة الحزمة -إلى-القذيفة (مسار الالتفافية الحلقي). في المبادل - المصمم جيدًا، تبرز شرائط الغلق (الموضحة على شكل مستطيلات صغيرة متصلة بالحاجز) في هذه الفجوة، وتكاد تلامس جدار الصدفة.

يظهر الحاجز كخط أفقي يعبر الجزء الداخلي من الصدفة، مع وجود قواطع (نافذة الحاجز) في الأعلى والأسفل. يظهر السائل الذي يتدفق حول حواف الحاجز-من خلال الحاجز-إلى-خلوص القشرة-كأسهم تمر بين طرف الحاجز وجدار الصدفة.

تمثل الأسهم الصغيرة الموجودة بين الأنابيب الفردية والحاجز تسربًا من الأنبوب-إلى-الحاجز.

شرائط الختم تمنع المجازة الحلقية. عند فقدانها، تشير الأسهم الكبيرة إلى التدفق دون عائق عبر الفجوة الحلقية.

منع التسرب الالتفافية
من الأفضل منع التسرب الالتفافي أثناء التصميم والتجميع الأولي:

تحديد بنية فئة TEMA R أو B - تحدد هذه المعايير الحد الأقصى للخلوصات وتتطلب شرائط مانعة للتسرب لأقطار الصدفة التي تزيد عن حجم معين.

استخدم شرائط الختم المزدوجة - يوفر صفان من شرائط الختم لكل حاجز التكرار.

فحص شرائط الختم أثناء إعادة الأنابيب - يتم استبدال أي شرائط مفقودة أو تالفة قبل إعادة التجميع.

تجنب المطرقة المائية - كما تمت مناقشته في الأدلة ذات الصلة، فإن المطرقة البخارية تلحق الضرر بالحواجز وتفكك ملحقات شريط الختم.

يجب أن يشمل الفحص الداخلي الدوري (كل 3-5 سنوات) التحقق من مدى إحكام شرائط الختم وحالة الحواجز. إذا تم الاشتباه في حدوث تسرب جانبي في وقت سابق، فيمكن مقارنة اختبار انخفاض الضغط بمعدل تدفق معروف ببيانات خط الأساس.

خاتمة
يعد التسرب الجانبي مشكلة في التصميم والصيانة تؤدي إلى تدهور أداء المبادل الحراري PTFE بصمت. المسارات الأساسية هي الحزمة-إلى-خلوص الصدفة (التجاوز الحلقي) والحاجز-إلى-خلوص الصدفة. تعد شرائط الختم المفقودة أو البالية والحواجز التالفة من الأسباب الأكثر شيوعًا. غالبًا ما يكشف الفحص الداخلي عن هذه المشكلات. تتضمن الإجراءات التصحيحية استبدال شرائط الغلق، وإصلاح أو استبدال الحواجز التالفة، وكإجراء مؤقت، زيادة التدفق الجانبي للغلاف-. بالنسبة لمشاكل التخليص الشديدة، قد تكون هناك حاجة إلى أنابيب وهمية أو إعادة تصميم. يمكن أن تؤدي مشكلة تسرب المبادل الحراري PTFE إلى تقليل نقل الحرارة بنسبة 10-30%، ولكن معظم الحالات قابلة للتصحيح بالكامل أثناء انقطاع التيار المخطط له. إن التصنيع المناسب باستخدام شرائط الختم الكافية والفحص الداخلي الدوري يحافظ على الكفاءة الحرارية ويطيل عمر الخدمة.