كيفية السيطرة على درجة الحرارة في المبادلات الحرارية
تعد المبادلات الحرارية heat exchanger من أكثر المعدات أنتشاراً في المعامل والمصانع ووحدات إنتاج ومعالجة النفط والغاز الطبيعي ، كما أنها تعتبر الأصعب في السيطرة لصعوبة السيطرة على درجة الحرارة ، ومن الضروري التعرف على كيفية عمل المبادلات الحرارية ولو بشكل مبسط ، حيث أن مبدأ عملها هو وجود مائعين بدرجتي حرارة مختلفتين وحدوث تماس غير مباشر بينهما (دون أختلاطهما) لوجود عازل فيزياوي بينهما ، تميل درجة حرارة المائعين للتساوي.
ومن خلال ترتيب التدفق المتعاكس Counter Current Flow فأن من الممكن أن تكون درجة حرارة المائع الخارج لأحد المائعين قريبة من درجة حرارة المائع الداخل للمائع الآخر ، حيث يتم التبادل الحراري بينهما مع عدم حدوث زيادة أو نقصان في الطاقة.
بما أن المحتوى الحراري للمائعين غير ثابت ، لذا يجب مراعاة تصميم المبادل الحراري لأسوأ الحالات ، وأن يتم تحقيق درجات الحرارة المطلوبة لكلا المائعين من خلال السيطرة على هذه العملية ، كما يتم مراعاة جعل حجم المبادل الحراري أكبر من المطلوب ، لأن كفاءته ستقل بعد فترة معينة بسبب تزايد الرواسب داخله ، وعند صيانته وتنظيفه سترجع مساحة التبادل الحراري الى وضعها الأصلي.
ما الذي يتم قياسه في المبادل الحراري؟
أن الشيء الوحيد الذي يمكن السيطرة عليه هو كمية الحرارة التي يتم تبادلها ، حيث يتم السيطرة على درجة حرارة أحد المائعين ، ولا يمكن السيطرة على درجة حرارة المائعين ، لأن الحرارة تنتقل من أحدهما الى الآخر. لذا من المهم جداً أن يتم تحديد المكان الذي تكون فيه درجة الحرارة ثابتة ، من خلال وضع معدة معينة على خط خروج أحد المائعين ، كأن يكون صمام جانبي Bypass valve ومزج قسم من المائع الحار مع المائع البارد ويجب أن تكون وسيلة السيطرة في أقرب نقطة ممكنة من خط خروج المائع من المبادل الحراري لأن بعدها سيجعل عملية السيطرة صعبة .
ما هو المائع الذي يمكن التحكم به؟
وهو الأعتبار المهم الثاني ، حيث يحتوي المبادل الحراري من نوع Shell & Tube على أربع مداخل للمائعين ، أثنان منهما للدخول والأثنان الآخران للخروج ، مما يستوجب أختيار المائع المناسب للدخول في الأنابيب Tubes وأيهما في القشرة Shell لذا هناك العديد من الترتيبات كما موضح في الشكل أدناه ، على أفتراض أن المائع الموجود في القشرة هو الذي سيتم التحكم في درجة حرارته وسيتم تسمية هذا المائع ب Process ، والمائع الآخر سيشار أليه ب Medium وأدناه جميع الأحتمالات:
1. خنق خط خروج مائع Process .
2. خنق خط دخول مائع Process.
3. فتح الخط الجانبي لمائع Process مع تقليل خط الخروج.
4. فتح الخط الجانبي لمائع Process مع تقليل خط الدخول.
5. خنق خط خروج مائع Medium .
6. خنق خط دخول مائع Medium.
7. فتح الخط الجانبي لمائع Medium مع تقليل خط الخروج.
8. فتح الخط الجانبي لمائع Medium مع تقليل خط الدخول.
ورغم كثرة الأحتمالات ، فهناك قسم منها أفضل من الآخر، ويكون الأختيار الأفضل تبعاً للحالة المطلوبة. وفي أدناه سيتم تحليل كل هذه الأحتمالات وبيان الأفضل منها :
خنق مائع Process :
أن من غير المنطقي التحكم بدرجة حرارة مائع Process من خلال خنق خط الدخول أو الخروج ، ويمكن التحكم بكمية التدفق flowrate بواسطة معدات أخرى كمسيطر التدفق flowmeter ، مما سيؤدي الى تغير درجة الحرارة تبعاً لمعدل التدفق وذلك لتأثيره على زمن المكوث residence time وبالتالي ستكون درجة حرارة خروج مائع Process قريبة من درجة حرارة دخول مائع Medium . كما أن أية تغيرات في معدل التدفق لأي سبب كان ، قد تؤدي الى تغيرات كبيرة في درجة الحرارة ، لذا يجب علينا التفكير في الأحتمالات الأخرى.
فتح الصمام الجانبي Bypass لمائع Process :
حيث يمكن السيطرة على هذه الحرارة من خلال نصب صمام جانبي Bypass valve وكلما أرتفعت درجة الحرارة يمكن أن يفتح الصمام الجانبي لتجاوز المبادل الحراري والحيلولة دون المزيد من التسخين لهذا المائع ، ومع تحقيق المزيد من الخلط Mixing يتم تحقيق الحرارة المطلوبة.
ويبدو هذا الأحتمال جيداً لكن مع استعمال بعض الأضافات ، حيث يمكن نصب نوعين من صمامات السيطرة Control Valves ، كما يجب تقليل فرق الضغط Pressure Drop دائماً ومن ثم الحفاظ عليه ثابتاً . ويجب عدم تغيير معدل التدفق الكلي وللحفاظ على معدل التدفق يجب أستعمال صمام الفراشة Butterfly Valve .
أن فتح صمام الفراشة فتحة كاملة Fully Open سيؤدي الى زيادة فرق الضغط وقد يصل الى حد أكبر من معدل الضغط للمبادل الحراري نفسه ، مما يعني أنه مع فتح الصمام بشكل كامل فأن نصف معدل التدفق سيتجاوز المبادل من خلال الصمام الجانبي.
ولتحقيق التبادل الحراري الصحيح يجب وضع مسيطر تدفق flow control وتتم معايرته لكي يتلائم مع العملية ، ويمكن وضع صمام يدوي لهذا الغرض.
وبما أن مكان وجود هذه الصمامات يكون في أماكن يصعب الوصول أليها ، لذا يتوجب جعلها صمامات سيطرة ، حيث مع فتح الصمام الجانبي فتحة كاملة يتم غلق صمام السيطرة وبالعكس.
بهذه الطريقة يمكن التحكم بالصمامين من خلال معايرة Positioner الصمام بالشكل الذي يجعل صمام الخروج يفتح عن أشارة 0-50% ويغلق عند أشارة 50-100% وبهذا الترتيب يكون أحد الصمامين على الأقل مفتوحاً من 50-100% وبشكل دائم.
كما يمكن الحصول على ترتيب آخر وهو المحافظة على فرق الضغط ، ومن ثم معدل التدفق ثابتاً ، ويتحقق ذلك من خلال غلق صمام الخروج عند بدء الصمام الجانبي بالفتح. حيث سيصبح مغلقاً كلياً fully closed عندما يصبح الصمام الجانبي مفتوحاً كلياً fully open . ويمكن نصب صمام ثلاثي الأتجاه three-way valve لكي يقوم مقام صمامين في مكان واحد ، ويمكن في هذه الحالات نصب صمام فراشة Butterfly valve مع ربطه ب Actuator واحد مما سيؤدي الى فتح الأول وغلق الثاني ، كما أن من الممكن نصب I/P واحد للصمامين أو أثنين على التوالي للحصول على أشارتين منفصلتين.
خنق مائع Medium :
يجب عدم أستخدام صمام جانبي للموائع التي يتم تسخينها ولديها ميل (للتكسر أو التفكك) مثل بعض الصناعات الغذائية او البترولية او بعض المواد الكيمياوية التي قد تتبلمر في درجات حرارة عالية.
وفي هذه الحالات تكون المشكلة في أن درجة حرارة الخط الخارج مزيج من خط التجاوز (الخط الجانبي) والخد الخارج من المسخنة أو المبادل حيث يمكن أن تصل درجة الحرارة الى حدود عليا أي أنها لا تصل الى درجة حرارة المعدل (المطلوبة) .
وفي هذه الحالات يتم السيطرة على درجة حرارة مائع process من خلال خنق صمام خروج مائع Medium مما يسهّل التحكم بدرجة الحرارة.
وهذا المثال بسيط جداً حيث يتم تجهيز النفط الساخن لتسخين مائع Process ، والمطلوب هو الحفاظ على درجة حرارته ثابتة . حيث لا يوجد سبب منطقي للحفاظ على معدل تدفق التفط ويمكن خنقه للحفاظ على درجة الحرارة وكما مبين في المثال أعلاه. أن تأثير خنق خط الدخول أو الخروج هو نفسه ، لذا يجب أن نأخذ أموراً أخرى بنظر الأعتبار مثل الحفاظ على ضغط المائع الحار لتقليل أحتمالات تحرر الغازات المذابة.
ومن النادر جداً عدم أستخدام الصمام الجانبي في المبادلات الحرارية التي تقوم بتبريد مائع Process ، كما أن من غير المرغوب لخنق ماء التبريد لأنه يسبب التآكل. ولهذا الغرض يتم وضعه في الأنابيب لا في القشرة وذلك لتجنب تكون الترسبات وللحفاظ على معدل السرعة. وإذا كان من الضروري خنق سائل التبريد يجب الأخذ بنظر الأعتبار درجة غليان سائل التبريد ، ويجب الحفاظ على ضغط السائل. كما أن خنق الصمام الداخل حالة نادرة جداً.
التبادل التعاكسي Cross Exchangers :
عند أستخدام المبادلات من هذا النوع والتي كون فيها المائعان في حركة متعاكسة يجب عدم وضع أية مسيطرات حرارة تعرقل جريان اي منهما ، ومثال ذلك درجة حرارة أسفل برج التقطير التي يتم أدخالها في مبادل حراري بالتعاكس مع الداخل الى البرج ، ويتطلب البرج درجة حرارة عالية في الأسفل لكن الحرارة لا يتم أستهلاكها في العملية ولا نحتاج اليها ، حيث ترجع الى خط تغذية البرج ، وهي طريقة مناسبة للحفاظ على الطاقة دون التأثير على النظام مع عدم التأثير على السائلين أيضاً ويمكن التحكم بدرجة الحرارة من خلال وضع صمام جانبي أحد السائلين أو كليهما ، أن المبادل الحراري التعاكسي Counter- Current Cross Exchangers يتم استخدامه بشكل واسع للحيلولة دون فقدان الحرارة .
التبادل الحراري بأستخدام الهواء Aerial Coolers :
يعتبر هذا النوع من المبادلات نوع خاص من مبادلات Shell & Tube التي تكون فيها القشرة هي لوحدة التبريد ويتم أستخدام مروحة كبيرة للتبريد بأستخدام الهواء ، وعادةً يكون من الأسفل ليمر خلال الأنابيب وكما في الأنواع الأخرى من المبادلات الحرارية يمكن السيطرة على درجة الحرارة من خلال التحكم بتدفق اي من المائعين. كما توجد ثلاث طرق أخرى لهذا الغرض وهي: التحكم في فتحات التهوية Louver – التحكم في زاوية ميل الريش fan Pitch control – والتحكم بسرعة المروحة. وفيما يلي شرح لكل من هذه العوامل بالتفصيل:
التحكم في فتحات التهوية Louvers Control :
أن لهذه الطريقة بعض السلبيات حيث من الصعب الحفاظ على درجة حرارة ثابتة بسبب تجمع الأوساخ والعوالق بمرور الزمن ، وخاصة في البيئات المتربة والرملية. أما في البيئات التي يحصل فيها تغيرات مناخية كبيرة يمكن السيطرة على درجة حرارة الهواء ومنع الأنجماد ويتم تزويد هذه الوحدة بمسيطر لزاوية هذه الفتحات في الجزء العلوي ، حيث يتم تحسس درجة الحرارة بواسطة متحسس حرارة Temperature Sensor للهواء فوق المروحة ويسيطر على الحرارة من خلال تغيير فتحة التهوية وغلق مدخل الهواء . كما في الشكل:
التحكم في زاوية ميل الريش Fan Pitch Control :
وهي طريقة أخرى للسيطرة على درجة الحرارة وتساعد في التقليل من أستهلاك الطاقة ، وكما في طرق التبادل الحراري الأخرى فأن لهذه الطريقة بعض التحديدات حيث في البلدان الباردة يتم إطفاء بعض المراوح بسبب برودة الجو ، مع بقاء المراوح في العمل رغم نزول قياس الزاوية الى صفر ، مما قد يسبب زيادة في التبريد كما أن هذا النوع من المراوح بحاجة الى الكثير من الصيانة لذا يجب مراعاة جعلها سهلة التزييت والتصليح.
التحكم في سرعة المروحة Variable speed Fan Control :
وهي من أكثر المسيطرات شيوعاً ، وخاصة ً في المناطق التي تكون فيها تغييرات مناخية كبيرة حيث يمكن السيطرة على سرعة المروحة من خلال المحرك الكهربائي ، حيث أن تقليل سرعة المروحة الى النصف يقلل الطلب على الطاقة الى 85% (أن القدرة الكهربائية تتناسب مع مكعب سرعة المروحة) .
السيطرة المركبة Combination Control :
أن المبادل الحراري يستعمل عادة ً للتسخين أو التبريد لسائل معين يمكن التحكم بمعدل تدفقه. ويتم ذاك من خلال وضع صمام ثلاثي الأتجاه Three-way valve أو صمامين من نوع الفراشة Butterfly valve لغرض السيطرة على التبادل الحراري مع استخدام صمام آخر لغرض السيطرة على التدفق ويمكن وضعه قبل أو بعد المبادل الحراري يمكن السيطرة بصمامين في حال السيطرة على صمام الدخول والصمام الجانبي بشكل مستقل بحيث يتم التحكم بالمنظومة كلها بواسطة مسيطر تدفق أما الفرق بين صمامي السيطرة فيتم السيطرة عليها بواسطة مسيطر لدرجة الحرارة ، وتتم السيطرة الكاملة بواسطة صمامين.
ويمكن ملاحظة ذلك من خلال المخطط المقابل حيث يستخدم الماء المغذي للمسخنة boiler لتبريد الخط الخارج من مكثف الكبريت sulfur condenser في حين يتم تسخين الماء تسخيناً أبتدائياً . أن وجود بخار الكبريت في الأنابيب Tubes أمر مزعج في حين يكون الماء في القشرة Shell ولغرض التأكد من عدم غليان الماء سنقوم بوضع الصمامات في طرف الخروج.
أما الصمام الذي يسيطر على مخرج المبادل الحراري Heat Exchanger outlet يستلم أشارة مساوية لنصف مجموع خرج Output المسيطرين الآخرين ، أن الفرق بين التدفقين يعتمد على مسيطر معدل التدفق. وفي حال فشل الصمامين في الفتح فأن UY-A و UY-B سيقومان بإعطاء القيمة الصحيحة لنتيجة أفضل.
حماية المبادلات الحرارية :
أن المبادل من نوع الأنابيب والقشرة Shell & Tube لا يحتوي على أجزاء متحركة ، كما لا تدخل اليه أي من أنواع الطاقة الخارجية ، لذا فهو يحتوي على بعض معدات الحماية الميكانيكية ، وبعض المعدات الأخرى . فالمبادل الحراري يكون معرضاً الى التآكل الشديد ، لذلك يجب نصب متحسسات التآكل وتتألف من نفس مواد من نفس مادة المبادل الحراري ، لتقوم بقياس مستوى التآكل.
كما أن وحدات التبريد بالهواء Aerial Coolers يجب حمايتها من المحركات الكهربائية ، كما هناك خطورة محتملة من تطاير ريش مراوح التبريد في حال عدم تثبيتها بشكل صحيح ، أو بسبب أهتزازها Vibration والذي قد يؤدي الى تضررها بشكل كبير.
كما تحتوي المبادلات الحرارية على صمامات أمان Safety Relief Valves والتي تحميها من الضغط الزائد ، وتقوم بتصريفه.
