انتقال حرارت
مبدل حرارتی
مبدل حرارتی
مبدلهای حرارتی برای گرمایش، سرمایش، تبخیر و چگالش یک بستر، در دماهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. کار اصلی مبدلهای حرارتی، انتقال انرژی گرمایی یک بستر با سطح دمای بالاتر به بستری با سطح دمای پایینتر است.
بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، گرما همواره از محیط با دمای بالاتر به محیط با دمای پایینتر منتقل میشود.
مبدلهای حرارتی در مهندسی انرژی، صنایع شیمیایی و صنایع غذایی استفاده میشود، ولی مبدلهای حرارتی در تکنولوژی کامپیوتر و بخشهای خودروسازی نیز بسیار حائز اهمیت هستند. انتقال حرارت میتواند به عنوان فرآیند اصلی یا کمکی در یک مجموعه مطرح باشد. تفاوتی بین مبدلهای حرارتی مستقیم و غیر مستقیم، بسته به این که دو بستر در تماس مستقیم با یک دیگر قرار میگیرند یا نه، وجود دارد.
مبدلهای حرارتی غیر مستقیم
- مبدلهای حرارتی لولهای
- مبدلهای حرارتی پوسته و لوله
- مبدلهای حرارتی صفحهای
در این مبدلها دو بستر در حالت پایا به طور همزمان در جریانند. این جریانها میتوانند همسو، ناهمسو و متقاطع باشند. دیوارهی جداکنندهای مابین جریانهای دو بستر وجود دارد، که نقش سطوح انتقال را ایفا میکند. حرارت به صورت غیر مستقیم، ابتدا از بستر گرم به دیواره، سپس از دیواره به بستر سرد، بدون تأخیر زمانی منتقل میشود.
توضیح شکل - مبدل حرارتی دولولهای در حالت عملیاتی جریان موازی؛ 1 لوله بیرونی (سیال سرد)، 2 لوله درونی (سیال گرم)
مبدلهای حرارتی مستقیم
- برج خنک کننده مرطوب
- سرمایش درونی در دستگاههای غلتکرانی
مبدلهای حرارتی تماس مستقیم، بین دو بستر با دماهای مختلف تماس ایجاد کرده و با یک دیگر مخلوط میکند. انتقالهای حرارت و جرم مستقیماً اتفاق میافتند.
توضیح شکل - برج خنک کننده مرطوب؛ 1 اسپری اتمایزر آب گرم، 2 ورودی هوا، 3 آب خنک شده، 4 هوای مرطوب
عموماً مایعات و گازها، و در موارد خاص مایع در حال تبخیر و بخار در حال میعان، به عنوان بسترهای گرم و سرد به کار میروند.
انواع مبدلهای حرارتی
بنابر وسعت کاربردهای مختلف مبدلها، طراحیهای گوناگونی برای مبدلهای غیر مستقیم توسعه داده شده که برخی از آنها مکانیزمهای بسیار متفاوتی دارند.
انتقال حرارت
کل شار حرارت منتقل شده مستقیماً تابع سطح انتقال است. علت آن که از هندسههای مختلف (مثلا پرهها) برای دیوارهها استفاده میشود، افزایش همین سطح انتقال است. انتقال حرارت در این مبدلها به سه مرحله تقسیم میشود: انتقال حرارت جابهجایی از بستر گرم به دیواره، هدایت گرما درون دیوار و انتقال حرارت جابهجایی از دیوار به بستر سرد.
انتقال حرارت از بستر به دیواره یا از دیواره به بستر، وابسته به نوع ماده و شرایط جریانی آن است. هدایت گرما درون دیوار نیز تابع ضخامت و جنس دیوار است. این انتقال حرارت بین دو بستر به کمک ضرایب کلی انتقال توصیف میشود.
توضیح شکل – 1 پروفایل دما، 2 شار حرارت نتیجه شده، T دما، L طول، d ضخامت دیوار
شرایط جریان در مبدل حرارتی
شرایط جریان در تجهیزات با توجه به طراحی مبدل حرارتی تغییر میکند. به هر حال دو بستر هرگز مخلوط نشده و تنها حرارت است که بین آنها منتقل میشود. شرایط جریانی ممکن عبارت اند از جریان ناهمسو، جریان موازی و جریان متقاطع یا ترکیبی از آنها.
توضیح شکل – پروفایل دمای عملیات ناهمسو در یک مبدل حرارتی لولهای
در عملیات ناهمسو، دو بستر در خلاف جهت یکدیگر جریان دارند. نقطه ورودی یک بستر، نقطهي خروج بستر دیگر که در جهت مقابل حرکت میکند، است. اگر مبدل حرارتی به خوبی طراحی شده باشد، دمای خروجی بخش سرد میتواند حتی بالاتر از دمای خروجی سیال گرم باشد.
توضیح شکل – پروفایل دمای عملیات همسو در یک مبدل حرارتی لولهای
در مبدلی که به صورت همسو عمل میکند، هر دو بستر در یک جهت حرکت میکنند و از یک نقطه وارد مبدل میشوند. ماکسیمم دمای خروجی بخش سرد میتواند برابر با دمای خروجی سیال گرم باشد.
توضیح شکل – پروفایل دما برای یک ردیف از لولهها همراه با جریان متقاطع جانبی
در عملیات جریان متقاطع، جهت حرکت بسترها یکدیگر را قطع میکند. جریان متقاطع به صورت خاص برای کنترل دقیق دمای مواد با حساسیت دمایی به کار میرود.
به منظور بهره مندی از تمام مزیتهای این شرایط عملیاتی استفاده از ترکیب فرمهای اصلی رایج است. برای مثال، یک مبدل حرارتی پوسته-لوله چندکاناله میتوان تحت شرایط عملیاتی جریان متقاطع برای کنترل دمای ایمن و سریع مقادیر زیادی از مواد شیمیایی فعال به کار رود. مبدلهای صفحهای با جریان ناهمسو اغلب برای طراحیهای حفظ فضا استفاده میشوند.