الأنابيب القطرية والدائرية: مقارنة انتقال الحرارة

الأنبوب الدائري شكل ضعيف للجريان خارجه

الأنبوب الدائري سهل التصنيع وسهل التنظيف ويتحمل الضغط جيداً. لكنه للمائع الذي يعبره عرضياً شكل ضعيف. يتبع الجريان النصف الأمامي من الأسطوانة، ثم ينفصل بعد أعرض نقطة بقليل ويترك أثراً عريضاً بطيئاً. هذا الأثر مقاومة تدفع ثمنها عند المروحة أو المضخة، والسطح الواقع تحته ينقل الحرارة بضعف. وفي حزمة الأنابيب تتكرر هذه الخسارة في كل صف.

الأنبوب القطري الشكل يطرح السؤال البديهي: أبقِ المقدمة مستديرة ودقّق المؤخرة، وانظر كم يُستعاد من تلك الخسارة. ذهب جزء كبير من أبحاثي إلى هذا السؤال. يلخص هذا المقال ما تبيّنه تلك الأعمال وأين تبلغ الفكرة حدودها.

ما الذي يتغير حين يصبح الأنبوب انسيابياً؟

• يتراجع الانفصال إلى الخلف. على الذيل المدبب يستعيد الضغط قيمته بلطف أكبر، فتبقى الطبقة الحدّية ملتصقة على جزء أكبر من السطح.
• يضيق الأثر. منطقة أصغر من المائع البطيء المعاد دورانه خلف كل أنبوب تعني مقاومة شكل أقل، ومقاومة الشكل هي معظم هبوط الضغط في الجريان العرضي.
• يعمل جزء أكبر من السطح. ظهر الأنبوب الدائري يقع في أثره هو. أما ذيل الأنبوب القطري فما زال ملامساً لمائع متحرك.

كيف تقارن شكلين للأنابيب مقارنة عادلة؟

الحصول على انتقال حرارة أعلى سهل بدفع المائع أسرع، ولذلك لا تكفي مقارنة أعداد نسلت وحدها. المقارنة التي تهم من يدفع كلفة المروحة هي الحرارة المنقولة عند قدرة ضخ معينة. ومن المقاييس الشائعة مقياس يضع الزيادة في عدد نسلت مقابل الزيادة في معامل الاحتكاك، مع رفع نسبة الاحتكاك إلى الأس ثلث.

بهذا المقياس يفوز الشكل إذا تنازل عن قليل من انتقال الحرارة ووفّر كثيراً من هبوط الضغط، وهذا ما يفعله الشكل الانسيابي عادة.

ما وجدناه للأنابيب المنفردة

درستُ مع د. ف. سيدنكوف أنابيب منفردة في جريان عرضي دراسة عددية، عند أعداد رينولدز من 1.5 × 10³ إلى 26.5 × 10³. تراوحت نسبة المحاور L/D من 1، أي أنبوب دائري، إلى 4 بخطوة 0.5. عرضنا توزيع المعاملات الموضعية لانتقال الحرارة والضغط والاحتكاك على السطح وقارنّا النتائج بالبيانات المنشورة.

احتاجت الأنابيب القطرية قدرة ضخ أقل من الأنبوب الدائري لتحقيق انتقال الحرارة نفسه عند شروط التشغيل نفسها. وأظهر الشكل الأكثر استطالة، عند L/D = 4، أفضل الخصائص الحرارية الهيدروديناميكية بين الأشكال المدروسة. وقدّم العمل أيضاً علاقات لمتوسط عدد نسلت ومعامل الاحتكاك بدلالة عدد رينولدز ونسبة المحاور.

الحزمة أكثر من مجموعة أنابيب منفردة

في الحزمة يقع كل صف في أثر الصف الذي أمامه، فأفضل أنبوب منفرد لا يعطي بالضرورة أفضل حزمة. في دراسة لاحقة قارنتُ حزماً متخالفة من ستة صفوف عند أعداد رينولدز من 1.78 × 10³ إلى 18.72 × 10³: حزمة من أنابيب دائرية، وحزمة من أنابيب قطرية، وستة ترتيبات مختلطة.

الحزمة القطرية الخالصة قليلة المقاومة، لكنها تخسر من انتقال الحرارة أيضاً. والمزج بين الشكلين يستعيده. تبادل الصفوف، بأنابيب دائرية في الصفوف 1 و3 و5 وأنابيب قطرية في الصفوف 2 و4 و6، رفع متوسط عدد نسلت بنحو 1 إلى 8% عن الحزمة الدائرية وبنحو 48 إلى 49% عن الحزمة القطرية.

وفي الأداء الحراري الهيدروليكي تفوقت أفضل الترتيبات المختلطة على الحزمة القطرية الخالصة بنحو 14.5% عند أدنى عدد رينولدز وبنحو 2 إلى 4.5% عند القيم الأعلى. موضع كل شكل داخل الحزمة مهم بقدر أهمية الشكل نفسه. والفكرة ذاتها، حزمة تجمع أنابيب دائرية وقطرية، هي موضوع براءة الاختراع RU-2848594.

أين تبلغ الفكرة حدودها

• زاوية الهجوم. الأنبوب الدائري لا يبالي باتجاه قدوم الجريان. أما القطري فيبالي: أدره جانبياً فيصبح جسماً غير انسيابي بأثر كبير. الفائدة المقيسة في جريان عرضي مثالي حدّ أعلى، فتحقق من اتجاه الجريان الفعلي عبر الحزمة.
• تحمّل الضغط. الدائرة هي الشكل الطبيعي للضغط الداخلي. الأنبوب غير الدائري تحت الضغط يميل إلى الاستدارة، فتنشأ إجهادات انحناء في الجدار ويتغير الشكل الخارجي الذي كنت تعوّل عليه. الفحص الإنشائي جزء من التصميم.
• التصنيع والتنظيف. ألواح الأنابيب وأدوات التوسيع ومعدات التنظيف مصممة للأنابيب الدائرية.

لا شيء من ذلك يلغي الفكرة. بل يحدد أين تكون مجدية: استرجاع الحرارة في جهة الغاز عند ضغط داخلي منخفض وكلفة عالية لقدرة المروحة أنسب لها من خدمة سائلة عالية الضغط.

ما معنى ذلك لمن يصمم المبادلات الحرارية

إذا كان قيدك هو قدرة المروحة أو المضخة وكانت الخدمة تسمح بأنبوب غير دائري، فالنتائج المنشورة تبيّن توفيراً حقيقياً. ثلاثة أسئلة تحدد هل يبقى هذا التوفير في وحدتك: ما زاوية الجريان الفعلية عبر الحزمة، وماذا يفعل ترتيب الأنابيب صفاً صفاً، وهل يحافظ الأنبوب على شكله تحت الضغط. يمكن الإجابة عن الثلاثة بالمحاكاة قبل بناء نموذج أولي، وينبغي تأكيد الأخير باختبار.