January 2, 2026
تخيل مصفاة نفط ضخمة، حيث تتقاطع شبكات معقدة من الأنابيب مثل الأوعية الدموية في كائن حي. وفي قلب هذه الأنظمة المعقدة، تعمل المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب بمثابة "مراكز للدورة الدموية"، مما يسهل بصمت نقل الطاقة وتحويلها. تلعب هذه الأجهزة المنتشرة في كل مكان أدوارًا لا غنى عنها في تطبيقات الضغط العالي مثل معالجة البتروكيماويات. ولكن كيف تعمل بالضبط، وما هي اعتبارات التصميم التي تحكم تنفيذها؟ يكشف هذا الاستكشاف الشامل عن الطبيعة المتعددة الأوجه للمبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب.
كما يوحي الاسم، تتكون هذه المبادلات الحرارية من مكونين أساسيين: غلاف خارجي يحتوي على حزمة أنابيب داخلية. تعمل القشرة الأسطوانية بمثابة وعاء ضغط يحتوي على العديد من الأنابيب التي تتدفق من خلالها السوائل. يحدث التبادل الحراري عبر جدران الأنابيب التي تفصل بين تيارين من السوائل التي تنظم درجة حرارتها. تختلف تكوينات الأنابيب من التصميمات ذات الجدران الملساء إلى التصميمات ذات الزعانف الطولية، حيث يخدم كل منها متطلبات مختلفة لنقل الحرارة.
ينبع انتشارها الصناعي من البناء المدمج، وتحمل الضغط العالي، وتعدد الاستخدامات التشغيلية. تتعامل هذه الوحدات بكفاءة مع عمليات السائل والسائل والغاز والغاز والتبخير والتكثيف عبر تطبيقات متنوعة.
تعتمد آلية العمل الأساسية على الفروق في درجات الحرارة بين السوائل المفصولة بجدران أنبوبية موصلة. عادةً، يتدفق وسط عبر الأنابيب (سائل جانب الأنبوب) بينما يدور وسط آخر خارجها داخل الصدفة (سائل جانب الصدفة). لتعزيز الكفاءة، غالبًا ما يعتمد التدفق على جانب الغلاف أنماط التيار المتقاطع المتعامدة مع حزم الأنابيب. تعمل الحواجز الموضوعة بشكل استراتيجي على إعادة توجيه سائل جانب الغلاف عبر الأنابيب عدة مرات، مما يزيد من الاضطراب ويحسن معاملات نقل الحرارة.
تنتقل الحرارة من السوائل الأكثر دفئًا إلى السوائل الأكثر برودة، ويعتمد الاتجاه على متطلبات العملية. على سبيل المثال، قد تستخدم تطبيقات التدفئة البخار باعتباره الوسيط الساخن بينما يمكن لعمليات التبريد استخدام الماء المبرد. ويتوقف الأداء على متغيرات متعددة بما في ذلك خصائص السوائل، وسرعات التدفق، والمواد الأنبوبية، والهندسة الإنشائية.
تستخدم محطات الطاقة النووية مولدات بخارية متخصصة على شكل أنبوب على شكل حرف U، وهي مبادلات ثنائية الطور تعمل على غلي المياه المعاد تدويرها وتحويلها إلى بخار يحرك التوربينات. تتميز معظم الوحدات بوجود 1، 2، أو 4 ممرات على جانب الأنبوب (عبور السوائل عبر الأصداف). عادةً ما تستخدم المكثفات السطحية لمحطات الطاقة تصميمات الأنابيب المستقيمة أحادية المسار.
تشمل المواد الشائعة سبائك النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والبوليمرات المتخصصة مثل PFA لدرجات الحرارة القصوى. يؤدي الاختيار غير الصحيح إلى مخاطر التسرب أو التلوث أو فقدان الضغط بين جوانب الغلاف والأنبوب.
تشمل تدابير السلامة الهامة أجهزة تخفيف الضغط (أقراص أو صمامات التمزق) التي تحمي من الضغط الزائد الناتج عن فشل الأنبوب. يلتزم التصميم والتصنيع بمعايير صارمة مثل TEMA، وASME Boiler Code، وEN 13445-3، مما يضمن الموثوقية في البيئات الصعبة.
بالمقارنة مع المبادلات الحرارية اللوحية، توفر تصميمات الغلاف والأنبوب إمكانية صيانة فائقة (خاصة نماذج الرأس العائمة) وتحمل استثنائي للضغط بسبب البناء الأسطواني.
