قسم الحمل الحراري في السخانات التي تعمل بالنار: التصميم والكفاءة والصيانة

قسم الحمل الحراري للسخان الذي يعمل بالنار هو المكان الذي يتم فيه اكتساب أو فقدان الكفاءة الحرارية. يترك غاز المداخن القسم المشع عند درجة حرارة 400-650 درجة مئوية، ويحمل ما يصل إلى 35% من حرارة الوقود المنطلقة. يستعيد قسم الحمل الحراري المصمم بشكل صحيح معظم تلك الحرارة ويعيدها إلى العملية؛ يؤدي التصميم السيئ أو الفاسد إلى تضخيم فواتير الوقود طوال عمر الوحدة. الخلاصة مقدمًا: يقرر قسم الحمل الحراري ما إذا كان السخان يعمل بكفاءة 65% أو 90%، وهو يستحق نفس الاهتمام بالتصميم مثل الصندوق المشع.

تشرح هذه المقالة ماهية قسم الحمل الحراري، وكيفية عمل نقل الحرارة داخله، ومعلمات التصميم المهمة، والكفاءة التي يشتريها، وأنماط الفشل التي تعاقب الإهمال، وما الذي يجب مراعاته عند شراء وحدة حمل حراري جديدة أو بديلة.

ما هو قسم الحمل الحراري في سخان النار؟

قسم الحمل الحراري هو بنك أنابيب نقل الحرارة الموجودة أعلى أو أسفل القسم المشع، داخل الجزء العلوي من هيكل السخان. في السخانات الأسطوانية العمودية يتم وضعها أعلى القسم المشع. وفي السخانات الصندوقية من نوع المقصورة، فإنها تشغل المقصورة العلوية، حيث يتدفق غاز المداخن عبر صفوف الأنابيب. غالبًا ما يطلق عليه المهندسون اسم صندوق الحمل الحراري.

لا يزال غاز المداخن الذي يغادر القسم المشع ساخنًا، ولكن درجة حرارته منخفضة جدًا بحيث لا يمكن نقل الحرارة الإشعاعية بشكل فعال. في قسم الحمل الحراري، تتحرك الحرارة بشكل رئيسي عن طريق الحمل القسري: يتدفق غاز الاحتراق الساخن عبر الأنابيب. تعمل الأسطح الممتدة مثل الزعانف أو المسامير على مضاعفة المساحة الخارجية بعامل 5-10، مما يعوض انخفاض معامل نقل الحرارة لتدفق الغاز الحملي.

عادةً ما يكون بنك الحمل الحراري عبارة عن مجموعة متعددة الدوائر بدلاً من مبادل واحد. قد يقوم بالتسخين المسبق وتبخير تغذية العملية، وتسخين البخار بشكل مفرط، وتوليد البخار، وفي أجهزة إصلاح البخار وأفران الإيثيلين، وتسخين بخار التخفيف - كل ذلك في صندوق واحد مدمج.

Ethylene Cracking Furnace for High-Yield Pyrolysis

فرن تكسير الإيثيلين للتحلل الحراري عالي الإنتاجية يوفر هذا الفرن حرارة دقيقة وموحدة وعالية الحرارة لتكسير الهيدروكربون، مما يدعم إنتاج الإيثيلين بكفاءة من خلال التعامل المرن مع المواد الخام وتصميم قوي للتشغيل المستمر. عرض المنتج →

يعد تكسير الإيثيلين مثالاً جيدًا على مدى تطلب هذه الخدمة. يجب أن يتم تبخير مادة التغذية بالكامل وإحمائها قبل دخولها إلى الملفات المشعة، كما أن الإفراط في الطهي الموضعي في أي دائرة حمل حراري يغير توزيع التدفق ويفرض إيقاف التشغيل قبل الأوان.

كيف يلتقط قسم الحمل الحراري حرارة غاز المداخن

في ظروف التصميم، يدخل غاز المداخن إلى قسم الحمل الحراري عند درجة حرارة 500-700 درجة مئوية تقريبًا ويخرج عند درجة حرارة 150-250 درجة مئوية. عادةً ما يمثل الواجب الممتص في قسم الحمل الحراري 20-30٪ من إجمالي الحرارة الممتصة. في السخان الذي يعمل بكفاءة 88%، يمتص القسم المشع حوالي 58% من مدخلات الوقود، وقسم الحمل الحراري حوالي 29%، ويتم فقدان الباقي كخسائر في المكدس والغلاف.

واجب مشع 58%
رسوم الحمل الحراري 29%
خسارة المكدس 9٪
خسارة الغلاف 4%

الأنابيب ذات السطح الممتد تجعل عملية الاسترداد هذه اقتصادية. تعمل الزعنفة المسننة الملحومة بأنبوب من الصلب الكربوني على مضاعفة السطح الخارجي لكل وحدة طول بتكلفة إضافية متواضعة. يتم استخدام الأنابيب العارية فقط في صفوف المداخل الساخنة، حيث تكون درجة حرارة الغاز مرتفعة بدرجة كافية بحيث لا تضيف الزعانف فائدة تذكر، أو في الخدمات عالية القاذورات حيث لا يمكن الحفاظ على مسافة تنظيف الزعانف.

الاختلافات الرئيسية بين القسم المشع وقسم الحمل الحراري للسخان الذي يعمل بالنار.
المعلمة	قسم مشع	قسم الحمل الحراري
وضع نقل الحرارة السائد	الإشعاع الحراري	الحمل القسري
درجة حرارة غاز المداخن النموذجية	750-1250 درجة مئوية	150-700 درجة مئوية
السطح الخارجي للأنبوب	عارية	عارية, finned, or studded
حصة من الرسوم المستوعبة	55-70%	20-35%
حساسية للقاذورات	منخفض	متوسطة إلى عالية
الوصول للتنظيف	فتحات الأبواب	الألواح القابلة للإزالة، ومنفاخ السخام

معلمات تصميم قسم الحمل الحراري المهمة

يعتمد الحصول على قسم الحمل الحراري بشكل صحيح على العديد من المعلمات التي يجب موازنتها مع بعضها البعض ومراجعتها من قبل مهندسين ذوي خبرة.

سرعة غاز المداخن وانخفاض الضغط

عادةً ما يتم الاحتفاظ بسرعة كتلة جانب الغاز بين 3 و6 كجم/م²·ث. تعمل السرعة الأعلى على تحسين نقل الحرارة ولكنها تزيد من انخفاض الضغط، مما يحد من عملية السحب الطبيعية. قد يؤدي قسم الحمل الحراري الذي يستهلك أكثر من حوالي 25-40 مم من عمود الماء إلى دفع مروحة ذات سحب مستحث - وهو ما يمثل تكلفة رأسمالية وتشغيلية كبيرة.

تصميم الزعانف وبدلات القاذورات

بالنسبة لوقود الغاز النظيف، تعتبر الزعانف الصلبة عالية الكثافة اقتصادية. بالنسبة للوقود المتسخ مثل بقايا الفراغ أو زيت غاز كوكر الثقيل، استخدم تباعدًا أوسع للزعانف أو زعانف مسننة أو أنابيب عارية، وقم بتوفير ممرات نافخة السخام. تحدد كثافة الزعانف بشكل مباشر المدة التي يمكن أن يعمل فيها السخان بين عمليات التنظيف.

درجة حرارة المعدن واختيار المواد

تشهد صفوف المدخل الأكثر سخونة درجات حرارة معدنية للأنبوب أعلى من 540 درجة مئوية وعادة ما تستخدم سبائك Cr-Mo مثل T11 أو T22، أو درجات الفولاذ المقاوم للصدأ إذا كان من المتوقع وجود رواسب قابلة للتآكل. يمكن لصفوف المخرج الأكثر برودة استخدام الفولاذ الكربوني إذا ظلت درجة حرارة الجلد أعلى من نقطة ندى حمض الكبريتيك، والتي تتراوح عادة بين 120-150 درجة مئوية.

العزل وضيق الغلاف

سمك العزل وضيق الغلاف يتحكم في فقدان الحرارة ودرجة حرارة الجلد الخارجي. يؤدي دخول هواء الغلاف إلى إنشاء تبريد موضعي، مما يؤدي إلى انخفاض درجات حرارة المعدن إلى ما دون نقطة الندى وإنتاج تآكل باهظ الثمن.

عند مراجعة تصميم البائع، اطلب: مبرر كثافة الزعانف مقابل الوقود المحدد، وميزانية انخفاض ضغط غاز المداخن، وحسابات درجة حرارة المعدن لكل ملف، وبدل تآكل موثق لكل صف.

الكفاءة والأثر الاقتصادي لقسم الحمل الحراري

تتحسن كفاءة السخان بنسبة 1% تقريبًا لكل انخفاض بمقدار 20-25 درجة مئوية في درجة حرارة المكدس. يؤدي استرداد الحرارة بالإشعاع فقط إلى كفاءة السخان بنسبة 65% تقريبًا. وبإضافة قسم الحمل الحراري يصل هذا الرقم إلى 82-87%؛ إن إضافة جهاز التسخين المسبق لهواء الاحتراق يدفعه إلى ما يزيد عن 90٪.

بالنسبة لمدفأة تعمل بقدرة 50 ميجاوات، فإن الفرق بين كفاءة 65% و87% هو حوالي 16 ميجاوات من الوقود - بأسعار الغاز النموذجية، أكثر من مليون دولار سنويًا. تعد سخانات النفط الخام والفراغ من أكثر المرشحين التحديثيين شيوعًا لأن درجات حرارة مداخنها غالبًا ما تكون الأعلى في المصفاة.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation Units

سخان يعمل بالنار لوحدات التقطير الجوي والفراغي تم تصميم هذا السخان لتسخين الزيت الخام في ADU وVDU، ويوفر كفاءة حرارية عالية وتسخينًا موحدًا متعدد المناطق لتحسين التجزئة مع تقليل تكاليف الوقود والانبعاثات. عرض المنتج →

تعمل الكفاءة الأفضل أيضًا على تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بما يتناسب بشكل مباشر مع الوقود المحترق، مما يجعل قسم الحمل الحراري واحدًا من أرخص مشاريع خفض الانبعاثات المتاحة على أساس كل طن.

القاذورات والتآكل والصيانة في العالم الحقيقي

تتسخ بنوك الحمل الحراري ذات الزعانف بشكل أسرع من أسطح الأنابيب العارية، ويؤدي التلوث إلى تغيير سلوك السخان قبل فترة طويلة من الإغلاق القسري. تتمثل الأعراض في ارتفاع درجة حرارة مخرج غاز المداخن، وفقدان أكبر للسحب، وانخفاض التسخين المسبق للعملية - يمكن للسخان المصمم لتحقيق كفاءة بنسبة 85% أن ينجرف إلى 78% في غضون أشهر عند استخدام الوقود السائل الثقيل.

آليات القاذورات المشتركة

السخام الناتج عن الاحتراق غير الكامل للوقود السائل.
رواسب الرماد من الفاناديوم والصوديوم في زيت الوقود.
ترسيب ثنائي كبريتات الأمونيوم عندما يحتوي غاز المداخن على الأمونيا من الاختزال الحفزي الانتقائي.
تتراكم منتجات التآكل على الأسطح الباردة.

منع التآكل

يعد التآكل البارد هو السبب الرئيسي لاستبدال قسم الحمل الحراري القسري. يتكثف حمض الكبريتيك عندما تنخفض درجة حرارة جلد الأنبوب عن نقطة الندى الحمضية. تتمثل استراتيجية الوقاية في الحفاظ على درجات حرارة المعدن أعلى من نقطة الندى، واختيار السبائك المناسبة للبيئة، والحفاظ على غلاف محكم.

التنظيف والتفتيش

تشتمل أدوات التنظيف عبر الإنترنت على منافيخ البخار والسخام الهوائي، والأبواق الصوتية، والغسيل بالماء أثناء عمليات إيقاف التشغيل. يجب أن يغطي نطاق فحص التحول سمك جدار الأنبوب، وارتفاع الزعانف وحالتها، وفحم الكوك الداخلي، وضيق الغلاف، وسلامة الدعم. تقود النتائج إلى اتخاذ القرار بين الإصلاح الموضعي واستبدال الوحدة بالكامل.

أقسام الحمل الحراري المعيارية: استراتيجية التصنيع والاستبدال

إن إعادة بناء قسم الحمل الحراري في الحقل أمر بطيء ومكلف. يتجنب القسم المعياري الذي يتم تجميعه في المتجر معظم هذه المخاطر: تصل الأنابيب ملحومة ومختبرة، ويتم تركيب الزعانف، وتطبيق المواد المقاومة للحرارة، وعروات الرفع جاهزة.

مدة إغلاق أقصر، لأنه تم بناء البنك الجديد بينما لا يزال المدفأة القديمة قيد التشغيل.
جودة لحام أعلى من تصنيع الورشة الخاضعة للرقابة واللحام الآلي.
انخفاض إجمالي تكلفة التركيب، مع تقليل ساعات العمل الميداني والسقالات.
إعادة استخدام الصندوق والهيكل المشع الحاليين، وهو الطريق الأكثر اقتصادا للتجديد.

Shop-Assembled Convection Section Module for Furnaces

وحدة قسم الحمل الحراري المجمعة في المتجر للأفران وحدة حمل حراري مسبقة الصنع مع أنابيب ملحومة وزعانف ومواد حرارية، مصممة للتركيب السريع وتقليل وقت التوقف عن العمل مع تحسين نقل الحرارة وكفاءة الطاقة في الأفران الصناعية. عرض المنتج →

عند شراء وحدة بديلة، قم بتزويد البائع بتحليل الوقود الفعلي، وعامل التلوث، وقيود المسودة والمكدس. الموافقة على رمز التصميم — API 560 هو المرجع الشائع لسخانات المصفاة — وتأكيد نقاط الفحص: الاختبار الهيدروستاتيكي، وأبعاد التجهيز، وجفاف المواد المقاومة للحرارة، ومواقع الربط.

يؤثر اختيار نوع السخان وتكوين الحمل الحراري على الوحدة بأكملها. للحصول على نظرة عامة على التكوينات عبر خدمات التكرير والبتروكيماويات، راجع دليلنا الخاص اختيار سخان النار والتطبيقات الهندسية في صناعة البتروكيماويات .

للحصول على عروض أسعار خاصة بالمشروع أو زيارة تفقدية للمتجر، اتصل بفريقنا الهندسي من خلال صفحة الاتصال .

الأسئلة المتداولة حول قسم الحمل الحراري

ما هو الغرض الرئيسي من قسم الحمل الحراري؟

لاستعادة الحرارة من غاز المداخن الخارج من القسم المشع عن طريق التسخين المسبق وتبخير تغذية العملية أو التسخين الزائد للبخار، مما يؤدي إلى رفع كفاءة السخان الإجمالية من حوالي 65% إلى 85% أو أكثر.

لماذا تستخدم الزعانف في أنابيب الحمل الحراري؟

تضاعف الزعانف مساحة سطح جانب الغاز بعامل 5-10، مما يعوض معامل نقل الحرارة المنخفض لتدفق غاز المداخن الحراري ويحافظ على الحزمة مضغوطة.

ما هو انخفاض درجة الحرارة النموذجي عبر القسم؟

يدخل غاز المداخن عادة عند درجة حرارة 500-650 درجة مئوية ويخرج عند درجة حرارة 150-250 درجة مئوية. مع التسخين المسبق للهواء، يمكن أن تنخفض درجة حرارة المكدس إلى أقل من 130 درجة مئوية ويمكن أن تتجاوز كفاءة السخان 92%.

ما الذي يسبب التآكل في قسم الحمل الحراري؟

السبب السائد هو تكثيف حمض الكبريتيك على أسطح الأنابيب تحت نقطة الندى الحمضية، عادة 120-150 درجة مئوية. الوقاية تعني الحفاظ على درجات حرارة المعدن أعلى من نقطة الندى والحفاظ على غلاف محكم لتجنب البقع الباردة.

إرسال ردود الفعل