|
كيف يعمل المبادل الحراري؟
مبدأ عمل المبادل الحراري
,دليل وظيفة المبادل الحراري
,شرح تشغيل المبادل الحراري
في جوهرها،مبادلة الحرارةتعمل عن طريق نقل الطاقة الحرارية (الحرارة) من سائل ساخن إلى سائل بارد دون السماح للسائلين بالخلط جسديًا.
فكر في كيفية عمل مشعّلات السيارات: يضخ المحرك سائل تبريد ساخن إلى المشعّل، ويتمّ تنفّس الهواء الخارجي عبر الزعانف المعدنية للمشعّل.و في الهواءيبرد المحرك، ويتسخن الهواء لكن الهواء و سائل التبريد لا يتلامسان أبداً
المبادلات الحرارية تعمل بالكامل على القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية.
-
الحرارة تبحث دائماً عن التوازنتتدفق الحرارة بشكل طبيعي من مصدر ذو درجة حرارة عالية إلى حوض ذو درجة حرارة منخفضة. لن تتدفق أبدا في الاتجاه الآخر إلا إذا أجبرت (والذي يتطلب ضاغطًا ، مثل الثلاجة).
-
الحمل والإدارة:تحويل الحرارة يحدث في ثلاث خطوات متميزة:
-
الحمل:الحرارة تنتقل من السائل الساخن إلى الجدار الداخلي للحاجز المعدني.
-
القيادة:الحرارة تنتقل عبر الجدار المعدني الصلب
-
الحمل:الحرارة تنتقل من الجدار الخارجي للحاجز المعدني إلى السائل البارد الكلي.
-
لحساب كيفية عمل مُبادل الحرارة بالضبط وكم يجب أن يكون ضخماً، يستخدم المهندسون صيغتين أساسيتين.
أولاً، لتحديدواجب الحرارة(كمية الطاقة التي تتحرك) ، ننظر إلى خصائص السائل:
كيفية توجيه السوائل عبر الآلة تغير بشكل كبير كيفية عملها هناك طريقتان رئيسيتان لتوجيه التدفق:
كل من السوائل الساخنة والباردة تدخل من نفس الطرف وتسافر في نفس الاتجاه.
-
النتيجة:الاختلاف في درجة الحرارة هائل في المدخل، ولكن كما أنها تسافر، فإنها تقترب من درجة حرارة التوازن المشتركة.أبداًترك المبادل أكثر سخونة من السائل الساخن يتركها.
السائل الساخن يدخل من نهاية واحدة، والسائل البارد يدخل من الطرف الآخر، يتدفق على بعضها البعض في اتجاهات معاكسة.
-
النتيجة:هذا هو التصميم الأكثر كفاءة. لأن السائل البارد يلتقي دائما السائل الساخن كما انه يسافر، السائل البارد يمكن أن يخرج في الواقع المبادل الحراري فيأعلىدرجة حرارة أقل من درجة خروج السائل الساخن.
استخدم المحاكي التفاعلي أدناه لمعرفة كيفية تغيير تكوينات التدفق هذه في ملف درجة الحرارة داخل الآلة.
المهندسون يتلاعبون بمبادئ الديناميكا الحرارية هذه في أشكال مادية مختلفة لتتناسب مع الاحتياجات الصناعية المختلفة:
| نوع المبادل الحراري | كيف يتم بناؤه | الميزة الرئيسية | الاستخدامات الشائعة |
|---|---|---|---|
| القشرة والأنابيب | مجموعة من الأنابيب الصغيرة تجلس داخل وعاء ضغط خارجي كبير (القشرة). | يمكنها تحمل الضغوط الشديدة والصدمات الحرارية | مصافي النفط، مولدات البخار، محطات كيميائية. |
| اللوحة والإطار | أكوام من الألواح المعدنية المموجة المضغوطة معاً. السوائل تتناوب بين الألواح. | مساحة السطح الضخمة تجعلها فعالة للغاية ومدمجة. | مصانع البيرة، تصفية الألبان، أنظمة التكييف. |
| مبردة بالهواء | السائل الساخن يتدفق من خلال أنابيب ذات أجنحة بينما ينفخ مروحة عملاقة الهواء المحيط عبرها. | لا يتطلب مصدر مياه تبريد محلي. | مرافق الصحراء، مشعلات السيارات، مكثفات التيار المتردد |
س: هل حجم المبادل الحراري مهم؟
ج: بالتأكيد، وفقاً للصيغة$Q = U A دلتا T_{lm}$، الحرارة الإجمالية المنقولة$Q$) يتناسب مباشرة مع المساحة ($A$المبادل الحراري الأكبر لديه مساحة سطحية معدنية أكبر ، مما يسمح لزيادة درجة الحرارة بالمرور خلال فترة زمنية معينة.
س: ما الذي يسبب توقف مبادل الحرارة عن العمل بفعالية؟
الجواب: المشكلة الأكثر شيوعاً هيالتلوثمع مرور الوقت ، تغطي المعادن من الماء (مثل قاعدة الكالسيوم) أو الصدأ أو الوحل البيولوجي الجدران المعدنية. وهذا يعمل كعزل ، مما يقلل بشكل كبير من معامل نقل الحرارة ($U$) وإجبار النظام على العمل بجد لتحقيق نفس درجات الحرارة.
س: هل يمكن استخدام مبادلات الحرارة للتبريد؟
ج: نعم. يشير مصطلح "مبادل الحرارة" إلى نقل الحرارة، بغض النظر عن النتيجة المرجوة. إذا كان هدفك هو تبريد محرك ساخن، فإن المبادل الحراري (المبرد) يزيل الحرارة.إذا كان هدفك هو غلي الماء، المبادل الحراري (المرجل) يضيف الحرارة. الفيزياء متطابقة.
فيديو
فيديو
