1. مقدمة

تعتبر الطاقة الكهرومائية مصدرًا مهمًا ومتجددًا للطاقة يلعب دورًا حاسمًا في مزيج الطاقة العالمي. تقوم محطات الطاقة الكهرومائية بتحويل طاقة المياه المتدفقة أو المتساقطة إلى طاقة كهربائية. أثناء تشغيل محطات الطاقة الكهرومائية، تولد المكونات المختلفة حرارة، ويعتبر الإدارة الفعالة للحرارة أمرًا ضروريًا لضمان التشغيل المستقر والموثوق به. ظهرت مبادلات الحرارة اللوحية كخيار شائع لتطبيقات نقل الحرارة في محطات الطاقة الكهرومائية نظرًا لخصائصها الفريدة.

2. مبدأ عمل مبادلات الحرارة اللوحية

يتكون مبادل الحرارة اللوحي من سلسلة من الألواح المعدنية الرقيقة والمموجة التي يتم تكديسها معًا. يتم فصل هذه الألواح بواسطة حشيات لإنشاء قنوات بديلة للسوائل الساخنة والباردة. عندما يتدفق السائل الساخن (مثل الماء الساخن أو الزيت) والسائل البارد (عادةً ماء التبريد) عبر القنوات الخاصة بهما، يتم نقل الحرارة من السائل الساخن إلى السائل البارد عبر جدران الألواح الرقيقة. يزيد التصميم المموج للألواح من مساحة السطح المتاحة لنقل الحرارة ويعزز الاضطراب في تدفق السائل، مما يعزز كفاءة نقل الحرارة.

من الناحية الرياضية، يمكن وصف معدل نقل الحرارة (Q) في مبادل الحرارة اللوحي بالصيغة:

Q=U*A*δTlm

حيث (U) هو معامل نقل الحرارة الكلي، و (A) هي مساحة نقل الحرارة، و δTlm  هو متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي بين السوائل الساخنة والباردة. تساهم البنية الفريدة لمبادل الحرارة اللوحي في الحصول على قيمة عالية نسبيًا لـ (U)، مما يتيح نقل الحرارة بكفاءة.3. تطبيقات مبادلات الحرارة اللوحية في محطات الطاقة الكهرومائية

3.1 تبريد زيت تشحيم التوربينات

تعتبر التوربينات في محطة الطاقة الكهرومائية مكونًا حاسمًا. يمكن أن يسخن زيت التشحيم المستخدم لتشحيم محامل التوربينات والأجزاء المتحركة الأخرى أثناء التشغيل بسبب الاحتكاك. يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور خصائص تشحيم الزيت وإتلاف مكونات التوربينات. تُستخدم مبادلات الحرارة اللوحية لتبريد زيت التشحيم. يتدفق زيت التشحيم الساخن عبر أحد جانبي مبادل الحرارة اللوحي، بينما يتدفق ماء التبريد من مصدر مناسب (مثل النهر أو البحيرة أو برج التبريد) عبر الجانب الآخر. يتم نقل الحرارة من الزيت الساخن إلى ماء التبريد، مما يقلل من درجة حرارة زيت التشحيم ويضمن عمله بشكل صحيح.

على سبيل المثال، في محطة طاقة كهرومائية واسعة النطاق ذات توربين عالي الطاقة، يمكن تركيب مبادل حرارة لوحي بمساحة نقل حرارة كبيرة. يمكن تعديل معدل تدفق ماء التبريد وفقًا لدرجة حرارة زيت التشحيم للحفاظ على درجة حرارة الزيت ضمن النطاق الأمثل، وعادةً ما يكون حوالي 40 - 50 درجة مئوية. يساعد هذا في إطالة عمر خدمة التوربينات وتحسين الكفاءة الإجمالية لعملية توليد الطاقة.

3.2 تبريد المولد

تنتج المولدات في محطات الطاقة الكهرومائية كمية كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل. لمنع ارتفاع درجة الحرارة وضمان التشغيل المستقر للمولد، يلزم التبريد الفعال. يمكن استخدام مبادلات الحرارة اللوحية في أنظمة تبريد المولدات. في بعض الحالات، يتم استخدام مولدات مبردة بالماء، حيث يتدفق المبرد الساخن (عادةً الماء منزوع الأيونات) الذي امتص الحرارة من مكونات المولد عبر مبادل الحرارة اللوحي. يتبادل الماء البارد من مصدر خارجي (مثل دائرة ماء التبريد) الحرارة مع المبرد الساخن، مما يؤدي إلى تبريده بحيث يمكن إعادة تدويره مرة أخرى إلى المولد لمزيد من امتصاص الحرارة.

بالإضافة إلى المولدات المبردة بالماء، هناك أيضًا مولدات مبردة بالهيدروجين. على الرغم من أن الهيدروجين يتمتع بخصائص ممتازة لنقل الحرارة، إلا أنه لا يزال من الممكن استخدام مبادلات الحرارة اللوحية في نظام تبريد الهيدروجين. على سبيل المثال، لتبريد غاز الهيدروجين بعد أن يمتص الحرارة من المولد، يمكن استخدام مبادل حرارة لوحي. يبرد السائل البارد (مثل الماء أو المبرد) في مبادل الحرارة غاز الهيدروجين الساخن، مما يحافظ على درجة الحرارة المناسبة للهيدروجين ويضمن التشغيل الفعال للمولد.

3.3 تبريد ماء الختم

في توربينات الطاقة الكهرومائية، يُستخدم ماء الختم لمنع تسرب المياه من دوار التوربينات. يمكن أن يسخن ماء الختم أثناء التشغيل، ويمكن أن تؤثر درجة حرارته المرتفعة على أداء الختم. يتم تركيب مبادلات الحرارة اللوحية لتبريد ماء الختم. يمر ماء الختم الساخن عبر أحد جانبي مبادل الحرارة، ويتبادل الماء البارد من مصدر تبريد الحرارة معه. من خلال الحفاظ على ماء الختم عند درجة حرارة مناسبة، يتم الحفاظ على سلامة الختم، مما يقلل من خطر تسرب المياه ويحسن كفاءة تشغيل التوربينات.

3.4 تبريد المعدات المساعدة

تحتوي محطات الطاقة الكهرومائية على مجموعة متنوعة من المعدات المساعدة، مثل المحولات والمضخات والضواغط. تولد هذه المكونات أيضًا حرارة أثناء التشغيل وتتطلب التبريد. يمكن تطبيق مبادلات الحرارة اللوحية لتبريد زيت التشحيم أو ماء التبريد لهذه الأجهزة المساعدة. على سبيل المثال، في المحول، يمكن أن يسخن الزيت العازل بسبب الخسائر في قلب المحول وملفاته. يمكن استخدام مبادل حرارة لوحي لتبريد الزيت العازل، مما يضمن التشغيل الآمن والمستقر للمحول. وبالمثل، بالنسبة للمضخات والضواغط، يمكن لمبادلات الحرارة اللوحية تبريد زيت التشحيم أو سائل التشغيل، مما يعزز الموثوقية والعمر الافتراضي لهذه المعدات المساعدة.

4. مزايا استخدام مبادلات الحرارة اللوحية في محطات الطاقة الكهرومائية

4.1 كفاءة نقل الحرارة العالية

كما ذكرنا سابقًا، يوفر تصميم اللوحة المموجة لمبادلات الحرارة اللوحية مساحة سطح كبيرة لنقل الحرارة. يؤدي الاضطراب الناتج عن التموجات أيضًا إلى تحسين معامل نقل الحرارة. بالمقارنة مع مبادلات الحرارة التقليدية ذات الغلاف والأنبوب، يمكن لمبادلات الحرارة اللوحية تحقيق معدلات نقل حرارة أعلى بكثير. في محطة الطاقة الكهرومائية، تعني هذه الكفاءة العالية أنه يلزم كمية أقل من ماء التبريد لتحقيق نفس مستوى تبديد الحرارة، مما يقلل من استهلاك المياه والطاقة اللازمة لضخ ماء التبريد.

على سبيل المثال، في تطبيق تبريد المولد، يمكن لمبادل الحرارة اللوحي نقل الحرارة بمعامل نقل حرارة كلي في نطاق 2000 - 5000 واط / (متر مربع · كلفن)، بينما قد يكون لمبادل الحرارة ذو الغلاف والأنبوب معامل 1000 - 2000 واط / (متر مربع · كلفن). تسمح هذه الكفاءة العالية بنظام تبريد أكثر إحكاما وكفاءة في استخدام الطاقة في محطة الطاقة الكهرومائية.

4.2 تصميم مضغوط

تعتبر مبادلات الحرارة اللوحية أكثر إحكاما من العديد من الأنواع الأخرى من مبادلات الحرارة. تشغل بنية اللوحة المكدسة مساحة أقل بكثير. في محطة الطاقة الكهرومائية، حيث قد تكون المساحة محدودة، خاصة في المناطق التي بها ترتيبات معدات معقدة، فإن التصميم المضغوط لمبادلات الحرارة اللوحية مفيد للغاية. يمكن تركيبها بسهولة في الأماكن الضيقة، مما يقلل من البصمة الإجمالية لنظام التبريد.

على سبيل المثال، عند تجديد محطة طاقة كهرومائية موجودة لتحسين قدرتها على التبريد، تسمح الطبيعة المدمجة لمبادلات الحرارة اللوحية بإضافة وحدات تبادل حراري جديدة دون إجراء تعديلات كبيرة على البنية التحتية الحالية، مما يوفر الوقت والتكلفة.

4.3 سهولة الصيانة

يجعل التصميم المعياري لمبادلات الحرارة اللوحية صيانتها سهلة نسبيًا. يمكن الوصول إلى الألواح وإزالتها بسهولة للتنظيف أو الاستبدال. في بيئة محطة الطاقة الكهرومائية، حيث قد يحتوي ماء التبريد على شوائب يمكن أن تسبب التلوث على أسطح نقل الحرارة، فإن القدرة على تنظيف الألواح بسرعة أمر بالغ الأهمية. إذا تعطلت حشية أو تضررت لوحة، فيمكن استبدالها بشكل فردي، مما يقلل من وقت تعطل المعدات.

تتضمن الصيانة الدورية لمبادلات الحرارة اللوحية في محطات الطاقة الكهرومائية عادةً فحص الألواح بصريًا بحثًا عن علامات التآكل أو التلوث، والتحقق من سلامة الحشيات، وتنظيف الألواح باستخدام عوامل التنظيف المناسبة. تساعد هذه الصيانة السهلة في ضمان التشغيل الموثوق به على المدى الطويل لمبادلات الحرارة ومحطة الطاقة الكهرومائية بشكل عام.

4.4 فعالية التكلفة

على الرغم من أن التكلفة الأولية لمبادل الحرارة اللوحي قد تكون أعلى قليلاً من بعض أنواع مبادلات الحرارة الأساسية، إلا أن فعاليتها من حيث التكلفة على المدى الطويل واضحة. تقلل كفاءة نقل الحرارة العالية من استهلاك الطاقة المرتبط بالتبريد، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف التشغيل. يقلل التصميم المضغوط أيضًا من تكاليف التركيب، حيث تتطلب مساحة أقل لتركيبها. بالإضافة إلى ذلك، تساهم سهولة الصيانة والعمر الطويل لمبادلات الحرارة اللوحية في توفير التكاليف الإجمالية في تشغيل محطة الطاقة الكهرومائية.

5. التحديات والحلول في تطبيق مبادلات الحرارة اللوحية في محطات الطاقة الكهرومائية

5.1 التلوث

التلوث مشكلة شائعة في مبادلات الحرارة، ومحطات الطاقة الكهرومائية ليست استثناءً. قد يحتوي ماء التبريد المستخدم في محطات الطاقة الكهرومائية على مواد صلبة معلقة وكائنات دقيقة وشوائب أخرى. يمكن أن تترسب هذه المواد على أسطح نقل الحرارة لمبادل الحرارة اللوحي، مما يقلل من كفاءة نقل الحرارة. لمعالجة هذه المشكلة، تعتبر المعالجة المسبقة لماء التبريد ضرورية. يمكن تركيب أنظمة الترشيح لإزالة المواد الصلبة العالقة، ويمكن استخدام المعالجة الكيميائية للتحكم في نمو الكائنات الدقيقة.

بالإضافة إلى ذلك، يلزم التنظيف المنتظم لمبادل الحرارة اللوحي. يمكن استخدام طرق التنظيف الميكانيكية، مثل استخدام الفرش أو نفاثات المياه عالية الضغط، لإزالة الرواسب من أسطح الألواح. يمكن أيضًا استخدام عوامل التنظيف الكيميائية، ولكن يجب توخي الحذر للتأكد من أنها لا تتلف الألواح أو الحشيات.

5.2 التآكل

قد يكون لماء التبريد في محطات الطاقة الكهرومائية درجة معينة من التآكل، خاصة إذا كان يحتوي على أملاح أو أحماض مذابة. يمكن أن يتلف التآكل مبادل الحرارة اللوحي بمرور الوقت، مما يقلل من عمره الافتراضي وأدائه. لمنع التآكل، يتم اختيار مواد مبادل الحرارة اللوحي بعناية. تُستخدم ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل شائع نظرًا لمقاومتها الجيدة للتآكل. في بعض الحالات، يمكن استخدام مواد أكثر مقاومة للتآكل مثل التيتانيوم، خاصة عندما يكون ماء التبريد شديد التآكل.

يمكن أيضًا تطبيق الطلاءات على أسطح الألواح لتوفير طبقة إضافية من الحماية ضد التآكل. يمكن تركيب أنظمة الحماية الكاثودية في دائرة ماء التبريد لتقليل خطر التآكل بشكل أكبر. من المهم المراقبة المنتظمة لمعدل تآكل مبادل الحرارة اللوحي للكشف عن أي علامات مبكرة للتآكل واتخاذ الإجراءات المناسبة.

5.3 انخفاض الضغط

يتسبب تدفق السوائل عبر مبادل الحرارة اللوحي في انخفاض الضغط. في محطة الطاقة الكهرومائية، إذا كان انخفاض الضغط مرتفعًا جدًا، فيمكنه زيادة استهلاك الطاقة للمضخات المستخدمة لتدوير السوائل. لتحسين انخفاض الضغط، يجب النظر بعناية في تصميم مبادل الحرارة اللوحي. يمكن أن يؤثر نمط التموج للألواح وعدد الألواح وترتيب التدفق (متوازي أو معاكس) على انخفاض الضغط.

يمكن استخدام محاكاة ديناميكيات الموائع الحاسوبية (CFD) أثناء مرحلة التصميم للتنبؤ بانخفاض الضغط وتحسين معلمات التصميم. أثناء التشغيل، يمكن تعديل معدلات تدفق السوائل الساخنة والباردة لتحقيق التوازن بين أداء نقل الحرارة وانخفاض الضغط. إذا لزم الأمر، يمكن تركيب مضخات إضافية للتعويض عن انخفاض الضغط، ولكن يجب القيام بذلك مع مراعاة الكفاءة الإجمالية للطاقة للنظام.

6. الخلاصة

تتمتع مبادلات الحرارة اللوحية بمجموعة واسعة من التطبيقات في محطات الطاقة الكهرومائية وتقدم العديد من المزايا مثل كفاءة نقل الحرارة العالية والتصميم المضغوط وسهولة الصيانة وفعالية التكلفة. إنها تلعب دورًا حيويًا في تبريد المكونات المختلفة في محطات الطاقة الكهرومائية، مما يضمن التشغيل المستقر والفعال لعملية توليد الطاقة. ومع ذلك، يجب معالجة التحديات مثل التلوث والتآكل وانخفاض الضغط من خلال التصميم المناسب ومعالجة المياه واستراتيجيات الصيانة. مع التقدم المستمر في تكنولوجيا مبادلات الحرارة والطلب المتزايد على الطاقة النظيفة والفعالة، من المتوقع أن تستمر مبادلات الحرارة اللوحية في لعب دور مهم في تطوير وتشغيل محطات الطاقة الكهرومائية في المستقبل.