المبادلات الحرارية ذات الصفائح المختومة مقابل المبادلات الحرارية ذات الصفائح الملحومة: ما الفرق بينهما؟

لتطبيق بحري أو صناعي يتطلب حلاً لإدارة الحرارة، يُعَدُّ اختيار نوع مبادل الحرارة اللوحي من بين النوعين: المزود بالجوانات أو الملحوم بالنحاس الأصفر، أحد أهم القرارات التي يجب على المهندس اتخاذها. وتستخدم كلا التقنيتين نفس مبادئ انتقال الحرارة: سلسلة من الصفائح المعدنية المموجة، حيث تمر سائلان بين هذه الصفائح في اتجاهين متعاكسين، ما يسمح بانتقال الحرارة بينهما. ومع ذلك، تختلف طريقة تصنيع كل منهما وفلسفته التصميمية وحدود تشغيله. وفي شركة «إس إم إي» (SME)، التي تنفِّذ أكثر من ٥٠٠ مشروع سنويًّا وتدعم أكثر من ١٠٠٠ سفينة بقطع الغيار والخدمات، تعاملنا مع النتائج المترتبة على تحديد خاطئ لنوع مبادل الحرارة اللوحي (PHE). ويهدف هذا الدليل إلى تبسيط الخيارات المتاحة، لضمان توافق التقنية المستخدمة مع الواقع التشغيلي لسفينتك.

التصنيع والسلامة الفيزيائية

مبادلات الحرارة اللوحية المزودة بالجوانات: تتكوّن هذه من هيكل (لوحات ثابتة وقابلة للحركة) يتم فيه ضغط مجموعة من الصفائح المموجة بواسطة براغي الضغط. وتَحمِل كل صفيحة حشوة مطاطية تفصل بين قنوات التدفق، وتوجّه السوائل عبر ممرات متناوبة. ويمكن إضافة الصفائح أو إزالتها بسهولة. وتُثبَّت الصفائح والحشوات وتُشدّ بعزم دوراني عالٍ.

مبادلات حرارية صفائحية ملحومة: لا تحتوي هذه على هيكل ولا براغي ولا حشوات قابلة للاستخراج. بل تُجمَع سلسلة من الصفائح ثم تُلحَم في بيئة فراغية باستخدام معدن حشو إما من النحاس أو النيكل، فيتجمّد هذا المعدن عند نقاط التلامس بين الصفائح. والنتيجة النهائية عبارة عن كتلة صلبة خالية تمامًا من الحشوات المطاطية، ومغلقة بإحكام تام من الخارج ضد الجو المحيط، وبالتالي فهي تتطلب مساحة ووزنًا أقل مقارنةً بالتصميم القائم على الحشوات لنفس التصنيف.

حدود التشغيل: الضغط ودرجة الحرارة

يمكن لوحدات اللحام النحاسي عادةً أن تتحمل ضغوطًا أعلى بكثير تتراوح بين ٣٠ و٤٥ بار، ودرجات حرارة تصل إلى ٢٠٠°م وما فوق، خاصة في النماذج الملحومة بالنحاس، حيث لا يوجد ختم مطاطي إلستومري قد يخرج أو ينكسر في أنظمة مثل دوائر المبردات، أو زيت الهيدروليك عالي الضغط، أو استعادة حرارة المحرك في السفن الجديدة.

تعتمد قيود الوحدات المزودة بالجوانات على نوع مادة الجوانة: غالبًا ما يوفّر فريق مهندسي الخبرة لدينا جوانات من مواد نتريل بوتادين مطاطي (NBR) وبوتا ديين مطاطي إيثيلين بروبيل (EPDM) وفلوروكربون مطاطي (FKM)، والتي تتراوح درجة حرارة تشغيلها بين -١٥°م وأكثر من ١٥٠°م، بينما تبلغ أقصى تصنيفات الضغط للتجهيزات البحرية المزودة بالجوانات حوالي ٢٥ بار أو أكثر. ويُعد هذا التصنيف مناسبًا لأي مهمة تبريد قياسية باستخدام ماء البحر، وفي معظم الحالات يكون كافيًا لمولدات المياه العذبة القياسية وأنظمة زيت التزييت في معظم السفن، مع العلم أنه لا يجوز تجاوز ضغط ٢٥ بار عند استخدام أي منتج بحري مزود بالجوانات.

الصيانة والتنظيف وسهولة الخدمة

هنا حيث تتباعد هاتان الطريقتان بشكل حاد جدًّا عن بعضهما البعض، وغالبًا ما تكون النقطة الحاسمة بالنسبة لمالك السفينة هي هذه النقطة بالذات.

مُبادِلات الحرارة المزودة بالحشوات قابلة للصيانة بتصميمها. فعندما يحدث الترسب (وفي المجال البحري، يحدث الترسب عند تراكم ماء البحر أو الرواسب الكلسية أو بقايا الزيوت الثقيلة على الأسطح؛ وليس مسألة «إذا» بل مسألة «متى»)، يُفكّ وحدة المبادل بالمسامير، وتُفصَل الصفائح عن بعضها، وتُستخرج الحشوة. ويمكن تنظيف الصفائح الفردية إما ميكانيكيًّا أو كيميائيًّا، ثم تُستبدل الحشوة. ولهذا السبب تمتلك شركة SME ورشة عمل وفريقًا ميدانيًّا، لتنفيذ عمليات استبدال الحشوات وتنظيف الصفائح والتركيب الكامل مجددًا، بحيث تعود الوحدة المزودة بالحشوات إلى أداءٍ يعادل ٩٥٪ فأكثر من تصنيفها الأصلي المصمَّم. علاوةً على ذلك، يمكن تغيير نوع الحشوة إذا تغيَّرت ظروف التشغيل أو نوع المادة التي تمرّ عبر المبادل.

مُبادلات الحرارة الملحومة قابلة للاستهلاك. ولا يمكن تفكيكها لتنظيف المجاري بين الصفائح. ولا يمكن تفكيك وحدات المبادلات الحرارية اللوحية الملحومة، وقد يُجرَّب تنظيفها من الداخل باستخدام مواد كيميائية تنظيفية تمرّ عبر الوحدة، لكن ذلك قد لا يزيل الترسبات أو الرواسب الكربونية بشكل كافٍ. أما العيب الرئيسي في وحدات المبادلات الحرارية اللوحية الملحومة فهو أنه إذا انسدّت الوحدة بالترسبات أو الأوساخ، أو تضرّرت إحدى القنوات بسبب دورات التمدد الحراري أو التآكل مع مرور الزمن، فإن الحل الوحيد هو شراء وحدة جديدة. وقد يكون ذلك مكلفًا جدًّا في حالة وحدة ملحومة كبيرة، أو بسبب أوقات الانتظار الطويلة لتجهيز وحدة جديدة إذا لم يُمكن صيانة السفينة بسرعة.

مخاطر التسرب والتلوث المتبادل

وبالنسبة لـ مبادلات حرارية لوحيّة ذات حشوات أي تسرب مبكر عادةً ما يكون نزيفًا صغيرًا إلى الخارج — ترى سائلًا يقطر من الإطار قبل أن تختلط تدفّقَان سائلَين معًا بشكل كارثي. ويعتبر التصميم ذا الحشية المزدوجة خيارًا آخر للتطبيقات الحرجة التي يجب فيها أن تبقى الوسائطان منفصلتين تمامًا (مثل الزيت والماء البحري). ويجب الاعتراف بأنَّه لكي تعمل الحشية «الثانية» فعليًّا، فلا ينبغي الانتظار حتى تنفجر الحشية بالكامل. فإذا فشلت الحشية، فيمكن استبدالها في الموقع.

في مجموعة واسعة مُبادل حراري ملحوم من النوع PHE أما التسرب الداخلي من داخل قناةٍ إلى أخرى (مثل ثقب دقيق ناتج عن التآكل أو شقٌّ) فيؤدي إلى تلوث تدفق عمليةٍ ما بتدفق العملية الأخرى دون أن يلاحظ المشغل أي تسربٍ في الوجه الخارجي للوحدة. وفي تطبيقات الزيت أو الماء، قد يتلوث أحد التدفّقين أو كلاهما فور تشغيل الوحدة تقريبًا؛ أما في تطبيقات التبريد فقد لا يُكتشف الأمر إلا عندما تتدهور الأداء بشكل كبير جدًّا. ويجب إخراج الوحدة من الخدمة واستبدالها.

ملاءمة التطبيق والتكلفة الإجمالية على مدى العمر الافتراضي

يختار مُبادلات حرارية ملحومة من النوع PHE لدوائر مغلقة من السوائل النظيفة، مثل مواد التبريد والسوائل الهيدروليكية والماء المُزَال الأيوني. وهي مناسبة أيضًا للتطبيقات التي تفتقر إلى المساحة، مثل غرف المحركات في السفن الصغيرة حيث قد تكون إمكانية التركيب والصيانة محدودة. وتجدر الإشارة إلى أن عمرها الافتراضي أقصر عمومًا، لكن تكلفة الشراء الأولية أقل.

لماذا يجب أن تختار المبادلات الحرارية ذات الحشوات؟ للاستخدام في الدوائر المفتوحة للمياه البحرية أو التطبيقات الملوثة أو زيوت الوقود الثقيلة أو وسائط المعالجة الأخرى المشابهة، حيث يُعد العمر الافتراضي والصيانة عاملين حاسمين جدًّا، استخدم المبادلات الحرارية ذات الحشوات. وعلى الرغم من أن التكلفة الأولية أعلى، فإن تكلفة استبدال الحشوات والألواح في هذه المبادلات ستكون أقل بكثير على مدى عمر خدمي يتراوح بين ١٥ و٢٠ سنة.

في آلاف الزيارات التي قمنا بها إلى شركة SME لسفن مختلفة، أصبح من ممارساتنا أن يُفضَّل عميلنا دائمًا المبادل الحراري ذا الحشية التقليدية نظرًا لوضوحه وسهولة صيانته في الخدمة اليومية ضمن السوق القياسي الرئيسي. وتغطي ضمانة الخدمة التي تقدِّمها شركة SME لمدة ١٢ شهرًا لهذه المشاريع، إلى جانب إجراءاتها المعتمدة وفق معايير الأيزو ٩٠٠١ و١٤٠٠١ و٤٥٠٠١، فريق الشركة التقني المكوَّن من أكثر من ١٠٠ موظف، ليكون جاهزًا لدعم أحواض بناء السفن حول العالم في اتخاذ تلك القرارات الحاسمة المتعلقة بأي جانب من جوانب نظام التبريد. سواء كنت بحاجة إلى استبدال الحشية في الصين أو إلى تقييم فني شامل، فإننا — بمساعدة الفريق الأوسع لشركة SME — نستطيع أن نتجاوز مع المبادلات الحرارية مجرد حل المشكلات الراهنة، ونضمن أن المبادل الذي نركِّبه اليوم سيستمر في أداء نفس المهمة غدًا.