كيف يعمل المبادل الحراري؟

تستخدم لنقل الحرارة بين سائل (إما سائل أو غاز) ومائع آخر (سائل أو غاز آخر) دون السماح للسائلين بالتلامس المباشر مع بعضهما البعض، وتستخدم المبادلات الحرارية في كل من عمليتي التدفئة والتبريد.

مبادلات حراريةتُستخدم في مجموعة من التطبيقات بما في ذلك تكييف الهواء، ومصانع الكيماويات، ومصانع البتروكيماويات، ومصافي البترول، ومحطات الطاقة، ومعالجة الغاز الطبيعي، والتبريد، ومعالجة مياه الصرف الصحي، وتدفئة الأماكن. يمكن العثور عليها أيضًا في محركات الاحتراق الداخلي، حيث تسمح لسائل تبريد المحرك بالتدفق عبر ملفات الرادياتير حيث يتدفق الهواء عبرها، مما يؤدي إلى تبريد سائل التبريد أثناء تسخين الهواء.

يعمل المبادل الحراري عن طريق السماح للحرارة من أحد السوائل بالمرور إلى سائل آخر أكثر برودة دون اختلاطهما أو ملامستهما بشكل مباشر.

على سبيل المثال، تخيل أنبوبًا حوله أنبوب آخر. يمكن للأنبوب الداخلي أن يسمح للسائل الساخن بالمرور من خلاله بينما يتم تمرير السائل البارد في نفس الوقت من خلال الأنبوب الخارجي. وهذا من شأنه أن يسمح للسائل البارد بتقليل درجة حرارة السائل الأكثر دفئًا، حيث يؤدي السائل الأكثر دفئًا في نفس الوقت إلى زيادة حرارة السائل البارد. بالطبع، هذا مثال أساسي جدًا للتبادل الحراري، وهناك عدد من العوامل الأخرى التي يجب مراعاتها عند فحص المبادلات الحرارية:

1. يمر

من خلال تقويس الأنابيب، على سبيل المثال إلى شكل "S"، يمكنك السماح للسوائل بإجراء أكثر من "تمرير" واحد قبل مغادرة المبادل الحراري. الممر الفردي عبارة عن أنبوب مستقيم، حيث يدخل السائل من أحد طرفيه ويخرج من الطرف الآخر للمبادل الحراري بسرعة كبيرة. يستخدم الممر المزدوج شكل -U، بحيث يدخل السائل ويخرج من المبادل الحراري في نفس النهاية، مما يؤدي إلى إطالة الوقت الذي تمر فيه الموائع ببعضها البعض-في المبادل الحراري. يستخدم التمرير الثلاثي تشكيلًا على شكل حرف "S" يسمح للسائل بالانتقال على طول المبادل الحراري ثلاث مرات قبل الخروج. كلما زاد عدد التمريرات، زادت كمية نقل الحرارة المتاحة - وذلك ببساطة لأن السوائل تبقى معًا في النظام لفترة أطول - على الرغم من أن هذا يمكن أن يؤدي أيضًا إلى انخفاض الضغط وفقدان السرعة.

2. درجة الحرارة المتقاطعة-أعلى

يحدث التقاطع في درجة الحرارة-عندما تبدأ حرارة سائل التبريد في التقاطع مع درجة حرارة السائل الساخن في المبادل الحراري. على سبيل المثال، الزيت الذي يدخل مبادل حراري عند درجة حرارة 80 درجة مئوية إلى جانب الماء عند درجة حرارة 30 درجة مئوية، يمكن أن تشهد درجات حرارة تتقاطع-في حالة انخفاض الزيت إلى 50 درجة مئوية مع وصول الماء إلى 51 درجة مئوية. عند هذه النقطة يصبح السائل المبرد (الماء) أكثر سخونة من الزيت. يمكن أن يؤدي تجاوز درجة الحرارة-إلى تقليل كفاءة المبادل الحراري بشكل كبير، خاصة عند التبريد. يمكن تجنب ذلك عن طريق زيادة معدل تدفق سائل التبريد (انظر "معدل التدفق" أدناه)، بحيث يكون هناك المزيد من سائل التبريد في النظام. عندما لا يمكن تجنب درجة الحرارة المتقاطعة-، فإن استخدام مبادل حراري لوحي (راجع "أنواع المبادلات الحرارية أدناه) هو الحل الأفضل.

3. فرق درجة الحرارة

يشير هذا إلى الفرق في درجة الحرارة بين سائل التبريد والسائل الساخن، وهو أمر مهم في المبادل الحراري، كما هو موضح بواسطة "درجة الحرارة المتقاطعة-" (أعلاه). يجب الحفاظ على درجة حرارة سائل التبريد أقل من درجة حرارة السائل الساخن، وكلما كان سائل التبريد أكثر برودة، زادت فعاليته في إخراج الحرارة من السائل الساخن.

4. معدل التدفق

هذه هي كمية السائل التي تمر عبر مقطع عرضي-من الأنبوب خلال فترة زمنية محددة. يتم حسابه على أنه حجم السائل في الوقت الذي يتدفق فيه السائل - مع معدل تدفق أكبر يحتمل أن يزيد من قدرة المبادل الحراري على نقل الحرارة. ومع ذلك، فإن المزيد من السوائل يعني أيضًا كتلة أكبر للنقل، بالإضافة إلى زيادة فقدان الضغط والسرعة.

يمكن تصنيف المبادلات الحرارية وفقًا لترتيب التدفق أو حسب تصميم المبادل الحراري نفسه.

التصنيفات الثلاثة الرئيسية لترتيب التدفق الموجودة في المبادلات الحرارية هي التدفق المتوازي-، والتدفق المعاكس، والتدفق- المتقاطع:

• التدفق الموازي:يدخل السائلان من نفس نهاية المبادل الحراري ويتحركان بالتوازي قبل الخروج معًا
• تدفق العداد:تدخل السوائل من الجانبين المتقابلين للمبادل الحراري وتنتقل عبر النظام في اتجاهين متعاكسين. وهذا هو ترتيب التدفق الأكثر كفاءة، حيث يظل متوسط ​​الفرق في درجة الحرارة بين السوائل أعلى في جميع أنحاء النظام
• التدفق المتقاطع-:في هذا النوع من المبادلات الحرارية، تتحرك السوائل بشكل متعامد (بزوايا قائمة) مع بعضها البعض

بالإضافة إلى ترتيب التدفق، يمكن تصنيف المبادلات الحرارية حسب النوع، وفقًا للتصميم المادي للمبادل الحراري:

• أنبوب مزدوج:هذا هو النوع الأكثر مباشرة من المبادلات الحرارية المستخدمة في الصناعة. كما يوحي الاسم، تتكون هذه الأنابيب من أنبوبين يمكن أن تتدفق من خلالهما السوائل. يمكن أن يكون تكوين التدفق متوازيًا أو تدفقًا مضادًا، حيث يكون التدفق المضاد أكثر كفاءة بينما يكون التدفق الموازي أفضل في حالة الحاجة إلى نقل السائلين إلى نفس درجة الحرارة. تتميز هذه المبادلات الحرارية بسهولة ورخيصة في التصميم والصيانة ولكنها تتمتع بمستوى منخفض نسبيًا من الكفاءة مقارنة بالتصميمات الأخرى
• شل وأنبوب:تستخدم المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب مجموعة من الأنابيب المعدنية التي يتدفق من خلالها سائل واحد، محاطة بقشرة محكمة الغلق يتدفق من خلالها السائل الثاني. يعمل هذا النوع من المبادلات الحرارية مع جميع أنواع التدفق - التدفق الموازي والمضاد والتدفق المتقاطع - ويمكن العثور عليه في القاطرات البخارية. تُستخدم الحواجز لتوجيه تدفق السوائل، وتحفيز الاهتزازات في السائل ودعم الأنابيب، بينما يمكن أيضًا استخدام الزعانف مع تقنيات تبريد الهواء-(مثل المبردات الداخلية-لمحركات الاحتراق) لزيادة مساحة نقل الحرارة
• لوحة / زعنفة:يستخدم هذا النوع من المبادلات الحرارية أكوامًا من الصفائح المعدنية الرقيقة التي يتم فصلها عن بعضها بواسطة زعانف لتكوين مستويات، تشبه إلى حد كبير أرضيات المبنى. ومع ذلك، فإن كل من هذه "الطوابق" -مستقل بذاته ومنفصل عن الطابق الموجود أعلى أو أسفل، مما يؤدي إلى إنشاء سلسلة محكمة الغلق من الأنابيب التي يمكن للسوائل أن تتدفق من خلالها. وهذا يخلق مساحة سطح كبيرة قادرة على تبادل الحرارة بسرعة مع ضمان تدفق السوائل عبر سطح نقل الحرارة بالكامل، مما يمنع ركود السوائل وتراكمها. يمكن إنشاء الألواح بأحجام وأعماق وأشكال مختلفة، بما في ذلك الألواح المموجة، واللوحة والإطار، واللوحة والقشرة، أو الألواح الحلزونية. يؤدي اضطراب التدفق العالي بين الصفائح إلى زيادة انتقال الحرارة وانخفاض الضغط. يستخدم هذا النوع من المبادلات الحرارية في تطبيقات مثل أفران الغاز والغلايات.
• تبريد الهواء:يوجد هذا النوع من المبادلات الحرارية بشكل شائع في المركبات والتطبيقات المتحركة الأخرى حيث لا يتوفر الماء البارد. بدلاً من وجود سائلين، تستخدم أنظمة تبريد الهواء الهواء البارد من المروحة أو تدفق الهواء الناتج عن حركة السيارة نفسها.
• المكثفات والغلايات والمبخرات:يستحق هذا النوع من التبادل الحراري إشارة خاصة لأنه يعمل بطريقة مختلفة قليلاً عن تلك الموصوفة بالفعل. بدلاً من إدخال سائلين (ساخن وبارد)، يستخدم هذان السائلان تبريد وتكثيف الغاز الساخن إلى شكل سائل (والعكس صحيح) لإنشاء دورة نقل الحرارة. هذه هي العملية التي تستخدمها التوربينات البخارية ومولدات البخار، والتي تستخدم دورة تبخير الماء إلى بخار ثم تبريده مرة أخرى إلى سائل.
• المستردات:المُستعاد هو عبارة عن مبادل حراري مصمم لالتقاط الحرارة التي قد يتم فقدانها، مثل الحرارة التي يتم تنفيسها من المبنى. يتم توجيه الهواء الدافئ من خلال قناة بجانب قناة منفصلة من السائل البارد لإنشاء تدفق مضاد. هذه هي الطريقة التي يعمل بها نظام تهوية استرداد الحرارة-، مما يسمح بتهوية المبنى بالهواء النقي دون فقدان كل حرارته من الهواء الدافئ الخارج
• المولدات:يسمح هذا النوع من المبادلات الحرارية لكل من السوائل الواردة والصادرة بالتحرك عبر نفس القناة في اتجاهين متعاكسين في أوقات مختلفة. عندما يتدفق السائل الدافئ إلى الخارج فإنه يتخلى عن بعض حرارته، وعندما يتدفق السائل البارد إلى الداخل، فإنه يلتقط بعض الحرارة المتبقية التي بقيت هناك. يتم استخدام هذا النوع من التبادل الحراري في محرك ستيرلينغ، الذي يستخدم مكبسًا لدفع الغاز المحبوس ذهابًا وإيابًا بين مصدر الحرارة (مثل النار) ومنطقة أكثر برودة، أو "الحوض"، حيث يتم فقدان الحرارة. هذا النوع من المبادلات الحرارية يقلل من فقدان الحرارة في النظام عن طريق "تجديد" الحرارة.

تُستخدم المبادلات الحرارية لمجموعة واسعة من التطبيقات في كل من الاستخدامات الصناعية واليومية.

في حين أن المبادلات الحرارية تأتي في مجموعة من التصاميم وأنظمة التدفق المختلفة، إلا أنها جميعها تعمل بطريقة مماثلة؛ السماح بالاتصال الحراري بين السائل الأكثر سخونة والسائل البارد (بدون الاختلاط فعليًا)، بحيث يقوم السائلان بتسخين أو تبريد أحدهما{0}}الآخر وفقًا لذلك.

يؤدي ذلك إلى تحسين كفاءة المركبات والوحدات الأخرى بالإضافة إلى توفير التكاليف وخفض استهلاك الطاقة (وأي تأثير بيئي مرتبط بها).

الوصول إلى خطط HX

تختلف سيناريوهات تطبيق المبادل الحراري (مثل معالجة الأغذية، وصناعة البتروكيماويات، وتبريد الطاقة) والخصائص المتوسطة (التآكل/اللزوجة/درجة الحرارة)، لذلك سيتم أيضًا تكييف خطة المواصفات بشكل حصري-يُرجى إخبارنا باحتياجاتك، وسنزودك بالمعلمات وعروض الأسعار المستهدفة.

بريد إلكتروني:global@gneesteels.com