طبقه بندی مبادلات گرما بر اساس رسانه: راهنمای مهندسی صنعتی

طبقه بندی مبدل های حرارتی بر اساس محیط، تجهیزات را بر اساس وضعیت فیزیکی (فاز) سیالات مبادله کننده انرژی حرارتی طبقه بندی می کند. ظرفیت گرمایی ویژه (c_p) و هدایت حرارتی (k) رسانه مستقیماً ضریب انتقال حرارت کلی (U) و ردپای فیزیکی تجهیزات را دیکته می کند. چهار طبقه بندی صنعتی اولیه مبدل های حرارتی مایع به مایع، گاز به مایع، گاز به گاز و تغییر فاز (دو فاز) هستند.

سیستم های مایع به مایع به دلیل هدایت حرارتی و چگالی طبیعی مایعات (مانند آب، روغن و مواد شیمیایی مایع) بسیار کارآمد هستند.

از آنجایی که مایعات ضرایب انتقال حرارت همرفتی عالی را ارائه می‌کنند، این مبدل‌ها به سطح قابل توجهی کمتری (A) برای انتقال مقدار معینی از گرما (Q) در مقایسه با سیستم‌های گازی نیاز دارند.

• رسانه های رایج: آب به آب، روغن به آب، مواد شیمیایی به آب.

• تجهیزات معمولی: مبدل های حرارتی صفحه و قاب، مبدل های حرارتی پوسته و لوله (بدون باله).

• کاربردهای اولیه: فرآوری دارویی، پاستوریزه کردن غذا و نوشیدنی، اختلاط شیمیایی و خنک‌سازی ماشین‌آلات حلقه بسته.

این طبقه بندی همه جا حاضر در صنایع سنگین و کاربردهای تجاری است. این سیستم ها فاصله بین یک محیط پربازده (مایع) و یک محیط کم بازده (گاز/هوا) را پر می کنند.

گازها رسانایی حرارتی بسیار پایینی دارند. برای جبران ریاضی ضریب انتقال حرارت ضعیف در سمت گاز، مهندسان باید به طور مصنوعی سطح در معرض گاز را افزایش دهند. این امر به طور جهانی با افزودن سطوح کشیده (باله ها) به بیرون لوله های حاوی مایع به دست می آید.

• رسانه های رایج: هوا به آب، هوا به مبرد، دودکش گاز به آب.

• تجهیزات معمولی: مبدل های حرارتی خنک شونده با هوا (کولرهای فین فن)، رادیاتورهای خودرو، کویل های چیلر HVAC.

• کاربردهای اولیه: تهویه مطبوع محیطی، خنک کننده خط لوله از راه دور، و خنک کننده آب ژاکت موتور.

مبدل های حرارتی گاز به گاز از نظر ساختاری عظیم هستند زیرا هر دو سیال خواص انتقال حرارت ضعیفی دارند. آنها برای دستیابی به راندمان حرارتی قابل قبول به ردپای حجمی عظیمی نیاز دارند.

این سیستم ها تقریباً به طور انحصاری برای بازیابی گرمای تلف شده از جریان اگزوز برای پیش گرم کردن هوای ورودی کار می کنند و بازده کلی ترمودینامیکی کارخانه را بهبود می بخشند.

• رسانه رایج: گاز خروجی داغ به هوای محیط.

• تجهیزات معمولی: چرخ‌های حرارتی دوار (بازسازنده)، مبدل‌های حرارتی باله‌های صفحه‌ای، پیش گرم‌کن‌های هوای لوله‌ای.

• کاربردهای اولیه: پیش گرم کردن هوای بویلر در نیروگاه ها، جداسازی هوای برودتی و بازیابی حرارت کوره های صنعتی.

در سیستم های تغییر فاز، یک یا هر دو سیال در طول تبادل حرارتی دچار تغییر حالت (جوش یا متراکم شدن) می شوند.

انتقال حرارت با تغییر فاز از گرمای نهان به جای گرمای محسوس استفاده می کند. از آنجایی که مقادیر گرمای نهان (h_{fg}) در مقایسه با ظرفیت‌های حرارتی خاص (c_p) بسیار زیاد است، این مبدل‌ها می‌توانند مقادیر بسیار زیادی انرژی را با حداقل گرادیان دما و نرخ جریان جرمی پایین انتقال دهند.

• رسانه های رایج: بخار به آب (تراکم)، مبرد به هوا (تبخیر)، تبخیر شیمیایی.

• تجهیزات معمولی: کندانسورها، اواپراتورها، بویلرها و مولدهای بخار.

• کاربردهای اولیه: سیکل های رانکین نیروگاه بخار، حلقه های تبرید و ستون های تقطیر شیمیایی.

فیزیک اساسی که طراحی این مبدل‌ها را دیکته می‌کند به وضعیت محیط متکی است.

برای انتقال تک فاز (حرارت محسوس) (مایع-مایع، گاز-گاز، گاز-مایع)

برای درک اینکه چرا اندازه تجهیزات به شدت متفاوت است، مهندسان به ضریب انتقال حرارت کلی (U) اشاره می کنند. مقادیر U بالاتر به معنای تجهیزات کوچکتر و کارآمدتر است.

س: چرا باله ها تقریباً هرگز در مبدل های حرارتی مایع به مایع استفاده نمی شوند؟

پاسخ: مایعات به طور طبیعی دارای هدایت حرارتی بالا و ضرایب انتقال حرارت همرفتی بالا هستند. افزودن پره ها سطح را به طور جزئی افزایش می دهد، اما به طور همزمان اصطکاک داخلی عظیمی ایجاد می کند و باعث افت فشار غیرقابل قبول (دلتا P) می شود که بدون ایجاد مزیت حرارتی معنی دار، سیستم پمپاژ را تحت الشعاع قرار می دهد.

س: مبدل «حرارت محسوس» در مقابل مبدل «حرارت نهفته» چیست؟

A: یک مبدل حرارتی معقول دمای محیط ها را بدون تغییر حالت فیزیکی آنها تغییر می دهد (مثلاً خنک کردن روغن داغ با آب سرد). یک مبدل حرارتی نهان با تغییر حالت محیط در دمای ثابت (مثلاً جوشاندن آب مایع به بخار) انرژی را منتقل می کند.

س: حفظ کدام طبقه بندی متوسط ​​دشوارتر است؟

پاسخ: سیستم‌های دو فاز (تغییر فاز)، به‌ویژه بویلرها و اواپراتورها، عموماً بیشترین تعمیر و نگهداری را دارند. فرآیند جوشاندن مایعات اغلب جامدات و مواد معدنی محلول غلیظ را به جا می گذارد که منجر به پوسته پوسته شدن و رسوب گیری سریع در سطوح انتقال حرارت می شود که در طول زمان به شدت U-value را کاهش می دهد.