مبادل حراري لمحطات الطاقة

أنواع مبادلات الحرارة لمحطات الطاقة

مُبادل الحرارة لمحطات الطاقة هو جهاز ينقل الحرارة بين سائلين أو أكثر. توجد أنواع مختلفة من مُبادلات الحرارة لمحطات الطاقة، والتي لها تطبيقات تتراوح من الطاقة النووية إلى الطاقة الشمسية. من أهم الأنواع الشائعة ما يلي:

• مُبادل الحرارة ذو القشرة والأنابيب/ مكثف البخار السطحي

  يتكون هذا النوع من مُبادل الحرارة من قشرة كبيرة تحتوي على مجموعة من الأنابيب الداخلية. تحتوي مجموعة الأنابيب على السائل الذي يطلق الحرارة. يساعد التصميم على نقل الحرارة من السائل الموجود داخل الأنابيب إلى سائل آخر في القشرة. في محطات الطاقة، تُستخدم مُبادلات الحرارة ذوات القشرة والأنابيب لأغراض عديدة. يمكن أن تكون أجهزة تبريد تزيل الحرارة الزائدة من المرجل، أو مكثفات تُحوّل البخار إلى ماء مرة أخرى في المكثف السطحي.

• مُبادلات الحرارة الحلزونية

  يتكون مُبادل الحرارة الحلزوني من قناتين حلزونيتين متحدة المركز، واحدة لكل سائل. يتم نقل الحرارة من خلال جدران القناة حيث تتدفق السوائل في اتجاهات متعاكسة. يسمح التصميم بنقل حرارة كثيف في منطقة مضغوطة. عادةً ما تعمل مُبادلات الحرارة الحلزونية لمحطات الطاقة كأجهزة تبريد في نظام الغاز المنطلق.

• مُبادلات الحرارة اللوحية

  تتكون مُبادلات الحرارة اللوحية من صفائح رقيقة. تخلق الصفائح قنوات متعددة لمرور سائلين من خلالها بالتناوب. يُؤدي سمك الصفائح ورسمها المموج إلى زيادة مساحة السطح. لهذا السبب، يتم نقل الحرارة بكفاءة أكبر. غالبًا ما يستخدم مالكو محطات الطاقة مُبادلات الحرارة اللوحية ذات الحشوات أو مُبادلات الحرارة اللوحية المُلحمة. تحتوي مُبادلات الحرارة اللوحية ذات الحشوات على أجزاء قابلة للإزالة والصيانة. هذا يجعلها مناسبة لمحطات الطاقة الصغيرة. من ناحية أخرى، لا يمكن صيانة وحدات مُبادلات الحرارة المُلحمة بالكامل. وهي مثالية للحالات الأكثر تقلبًا.

• مُبادلات الحرارة المُبردة بالهواء

  تُعرف مُبادلات الحرارة المُبردة بالهواء أيضًا باسم مُبادلات الحرارة ذات الأنابيب المُزعنفة. تستخدم مراوح لضخ الهواء المحيط فوق أنابيب مُزعنفة. يمتص الهواء المحيط الحرارة من المبرد الموجود في الأنابيب. تحتوي الأنابيب على زعانف ممتدة تُزيد من مساحة السطح لنقل المزيد من الحرارة. تُعد مُبادلات الحرارة المُبردة بالهواء شائعة في محطات الطاقة الحرارية. وذلك لأنها تُعد طريقة فعالة من حيث التكلفة لتبريد سائل العمل.

• مُبادلات الحرارة ذات الأنبوبين

  تمتلك مُبادلات الحرارة ذات الأنبوبين تكوينًا بسيطًا. تتكون من أنبوبين - أحدهما مُدخل داخل الآخر. تتدفق السوائل في اتجاهات متعاكسة في الأنبوبين. يوفر هذا طريقة بسيطة ولكنها فعالة لنقل الحرارة من سائل إلى آخر. على الرغم من عدم شيوع مُبادلات الحرارة ذات الأنبوبين في محطات الطاقة الكبيرة، إلا أنها موجودة في المحطات الصغيرة. يمكن استخدامها أيضًا لتسخين المياه المُغذية للغلايات مسبقًا.

المواصفات والصيانة

تعتمد مواصفات أنظمة مُبادلات الحرارة على النوع والتطبيق. فيما يلي مواصفات بعض أنواع مُبادلات الحرارة لمحطات الطاقة.

• تصنيفات درجة الحرارة والضغط

  تُصنّف مُبادلات الحرارة وفقًا لدرجات حرارة وضغوط مختلفة بناءً على تطبيقها. تمتلك مُبادلات الحرارة لمحطات الطاقة تصنيفات عالية لدرجة الحرارة والضغط لنقل الحرارة في بيئات قاسية.

• بناء المواد

  تتطلب مُبادلات الحرارة مواد قوية قادرة على تحمل الحرارة والتآكل. لهذا السبب، تُصنع مُبادلات الحرارة لمحطات الطاقة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الكربوني. تستخدم بعض الموديلات سبائك التيتانيوم أو سبائك النيكل والنحاس إذا تطلب نقل الحرارة ذلك.

• تحليل العناصر المحدودة (FEA)

  يُعد FEA طريقة شائعة تستخدمها الشركات المصنعة لتحديد ما إذا كان مُبادل الحرارة قادرًا على تحمل الضغط ودرجة الحرارة والإجهاد. تحتاج مُبادلات الحرارة لمحطات الطاقة إلى درجة حرارة وضغط مناسبين للأداء الفعال. لذلك، تُجري شركات تصنيع مُبادلات الحرارة تحليل FEA. يُظهر التحليل النماذج التي يمكنها تحمل تبادل الحرارة والضغط دون فشل. كما تُنتج المنشآت وحدات ذات قوة ومتانة مثالية.

• مُبادل الحرارة المكثف

  ينقل هذا الجهاز الحرارة من البخار الموجود داخل الأنابيب إلى ماء التبريد الموجود خارج الأنابيب. المواصفات الموصى بها لمُبادل حرارة مُكثّف نموذجي هي كما يلي: درجة حرارة 110-130 درجة مئوية، ضغط يصل إلى 30 بار، ومادة من الفولاذ المقاوم للصدأ.

• مُبادل حرارة الفحم

  تستخدم محطة الطاقة التي تعمل بالفحم مُبادل حرارة مُبرد للفحم لخفض درجة حرارة الفحم قبل تخزينه. المواصفات الشائعة لهذا المُبرد هي درجة حرارة 30-70 درجة مئوية، ضغط يصل إلى 10 بار، ومادة من الفولاذ الكربوني.

• مُبادل حرارة غازات المداخن

  هناك العديد من مُبادلات الحرارة لمعالجة غازات المداخن. وظيفتها هي استرداد الحرارة منها. تستخدم بعض محطات الطاقة هذه الحرارة لتدفئة الماء للغلاية. يمكن أن تكون مُبادلات الحرارة هواء-هواء، هواء-ماء، أو مُختزلة. فيما يلي بعض المواصفات المحتملة: درجة حرارة 150-350 درجة مئوية، ضغط يصل إلى 20 بار، مع مادة من الفولاذ الكربوني أو الفولاذ المقاوم للصدأ.

الصيانة

تحتاج مُبادلات الحرارة في محطات توليد الطاقة إلى صيانة منتظمة لتجنب التوقف عن العمل وضمان الأداء. فيما يلي بعض نصائح الصيانة المهمة.

• التفتيش البصري الأسبوعي

  تحقق مما إذا كانت الوحدة بها أي تسريبات خارجية أو براغي فضفاضة أو أجزاء تالفة. ثم قم بإجراء تعديلات طفيفة لإصلاح المشكلات.

• الصيانة الشهرية

  افحص الدعامات ونقاط الرفع والمفاصل المُبرشمة. استبدل الحشوات البالية أو التالفة. شد البراغي الفضفاضة إلى عزم الدوران الموصى به.

• الصيانة الفصلية

  أجرِ تحليلًا حراريًا وافحص المعدات بحثًا عن الاهتزاز. افحص وحدات القشرة والأنابيب بحثًا عن التآكل أو التلوث. قم بتنظيف أو شطف الوحدات إذا كان هناك أي ترسبات في الأنابيب.

سيناريوهات مُبادل الحرارة لمحطات الطاقة

• محطات الطاقة البخارية:

  في محطات الطاقة التقليدية التي تعمل بالتوربينات البخارية، تلعب مُبادلات الحرارة، مثل المُكثّفات، دورًا مهمًا في تبريد وتكثيف البخار المُولّد من غليان الماء. يتم نقل الحرارة إلى نظام تبريد خارجي، مثل برج تبريد أو جسم مائي.

• محطات الطاقة ذات الدورة المُدمجة:

  تستخدم محطات الطاقة ذات الدورة المُدمجة كل من التوربينات الغازية والبخارية لتوليد الطاقة. تُستخدم مُبادلات الحرارة لاسترداد الحرارة من عادم التوربينات الغازية. ثم تُستخدم هذه الحرارة المُسترددة لتوليد البخار للتوربينات البخارية. تُعرف هذه العملية باسم استعادة حرارة غازات العادم.

• محطات الطاقة الحرارية الأرضية:

  تستخدم محطات الطاقة الحرارية الأرضية الحرارة من باطن الأرض لتوليد الكهرباء. تنقل مُبادلات الحرارة الحرارة من الآبار الحرارية الأرضية إلى سائل العمل. ثم يتم تبخير سائل العمل واستخدامه لتشغيل توربين لتوليد الكهرباء.

• محطات الطاقة الشمسية الحرارية:

  في محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، تنقل مُبادلات الحرارة الحرارة من المُستقبل الشمسي إلى سائل العمل، وعادةً ما يكون الماء أو الملح المُنصهر. قد يُستخدم سائل العمل المُسخّن لتوليد البخار لتوربين أو يتم تخزينه للاستخدام في وقت لاحق.

• محطات الطاقة النووية:

  في محطات الطاقة النووية، تنقل مُبادلات الحرارة الحرارة المُولدة من الانشطار النووي في المفاعل إلى حلقة ثانوية. تقوم الحلقة الثانوية بعد ذلك بتوليد البخار الذي يُشغّل التوربينات لإنتاج الكهرباء.

• أنظمة التدفئة المركزية:

  تُزوّد أنظمة التدفئة المركزية الحرارة المركزية لمباني ومنشآت متعددة. تستخدم أنظمة التدفئة المركزية مُبادلات الحرارة لنقل الحرارة المُولدة من محطات الطاقة أو محطات الاحتراق إلى الماء الساخن المُستخدم في شبكات أنابيب التدفئة المركزية.

كيفية اختيار مُبادل حرارة لمحطات الطاقة

يُفترض مراعاة العديد من العوامل عند اختيار مُبادلات الحرارة لتطبيقات محطات الطاقة، مثل السعة والمادة والتصميم والتكلفة والمزيد.

• السعة:

  تُصمم مُبادلات الحرارة لمحطات الطاقة لتحمل سعات محددة. يجب اختيار استهلاك مُبادل حرارة مناسب لضمان قدرته على تلبية متطلبات نقل الحرارة لمحطة الطاقة.

• مُخصّصة للتطبيق:

  تُستخدم مُبادلات الحرارة لأغراض مختلفة داخل محطة الطاقة. على سبيل المثال، سيختلف تسخين الماء المُغذّي في محطة الطاقة الحرارية عن المُكثّف المُستخدم في محطة الطاقة التي تعمل بالتوربينات الغازية.

• المادة:

  ستؤثر مواد بناء مُبادل الحرارة على أدائه وعمره التشغيلي. يمكن اختيار السبائك المقاومة للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الكربوني لملاءمتها مع سوائل العمل.

• التصميم:

  تتوفر مُبادلات الحرارة بتصميمات متنوعة، لكل منها مزايا وعيوب. على سبيل المثال، تُستخدم مُبادلات الحرارة ذوات القشرة والأنابيب على نطاق واسع في محطات الطاقة بسبب مرونتها وقدرتها على تحمل الضغوط ودرجات الحرارة العالية. تُعد مُبادلات الحرارة اللوحية، التي تُعد أكثر إحكامًا وكفاءة، بديلًا في بعض سيناريوهات التطبيقات.

• الكفاءة:

  تُعد كفاءة مُبادل الحرارة، التي تُشير إليها عادةً فعاليتها، عاملًا مهمًا يجب مراعاته عند اختيار مُبادل حرارة. يمكن لمُبادل حرارة ذو كفاءة عالية الاستفادة الكاملة من الطاقة من مصدر الحرارة وتحسين استخدام الطاقة الكلي لمحطة الطاقة.

• التكلفة:

  من المهم تحقيق توازن بين الأداء والكفاءة والتكلفة من خلال اختيار مُبادل حرارة يُناسب قيود ميزانية المشروع مع تلبية المتطلبات الفنية، بما في ذلك تكاليف الشراء والتركيب، بالإضافة إلى تكاليف الصيانة والتشغيل.

الأسئلة والأجوبة

س1: لماذا يُطلَب مُبادل حرارة صناعي؟

ج1: يُطلَب مُبادل حرارة صناعي في منشأة صناعية لتسهيل نقل الحرارة من سائل إلى آخر دون مزج السائلين معًا. سيساعد ذلك على تحسين كفاءة الطاقة وخفض التكاليف وتحسين العمليات الصناعية.

س2: ما هي علامات عطل مُبادل الحرارة؟

ج2: بعض العلامات الشائعة لعطل مُبادل الحرارة تشمل انخفاض كفاءة محطة الطاقة، وزيادة استهلاك الطاقة، وارتفاع درجة حرارة المعدات المُتصلة بمُبادل الحرارة، وجود ضجيج غير عادي، وانخفاض مفاجئ في درجة الحرارة أو الضغط.

س3: كم مدة عمر مُبادل الحرارة؟

ج3: يمكن أن تستمر مدة عمر مُبادل الحرارة المُحافظ عليه جيدًا من 10 إلى 20 عامًا أو أكثر. ومع ذلك، ستعتمد مدة عمر مُبادل الحرارة على العديد من العوامل، بما في ذلك جودة المادة، وممارسات الصيانة، وظروف التشغيل، ونوع مُبادل الحرارة.

س4: ما هي تكلفة مُبادل الحرارة؟

ج4: تختلف تكلفة مُبادل الحرارة بناءً على نوعه وحجمه ومادته. تُعد مُبادلات الحرارة المُدمجة بشكل عام أكثر بأسعار معقولة من مُبادلات الحرارة الصناعية الكبيرة. على سبيل المثال، قد تكلف مُبادلات الحرارة اللوحية بضعة آلاف من الدولارات، في حين أن مُبادلات الحرارة الصناعية الكبيرة قد تكلف عشرات إلى مئات الآلاف من الدولارات.