مبادله گرما چگونه کار می کند؟

در هسته آن، الفمبدل حرارتیبا انتقال انرژی حرارتی (گرما) از یک سیال گرم به یک سیال سرد بدون اجازه دادن به دو سیال به صورت فیزیکی با هم مخلوط می شود.

به نحوه عملکرد رادیاتور خودرو فکر کنید: موتور مایع خنک کننده داغ را به داخل رادیاتور پمپ می کند و هوای بیرون از پره های فلزی رادیاتور عبور می کند. گرما از مایع، از طریق فلز و به هوا حرکت می کند. موتور خنک می شود و هوا گرم می شود - با این حال هوا و مایع خنک کننده هرگز با هم تماس ندارند.

مبدل های حرارتی کاملاً بر اساس قوانین اساسی ترمودینامیک کار می کنند.

1. گرما همیشه به دنبال تعادل است:گرما به طور طبیعی از یک منبع با دمای بالا به یک سینک با دمای پایین جریان می یابد. هرگز به سمت دیگری جریان نمی یابد مگر اینکه مجبور شود (که به کمپرسور نیاز دارد، مانند یخچال).

2. همرفت و هدایت:انتقال حرارت در سه مرحله متمایز انجام می شود:

   • همرفت:گرما از سیال داغ حجیم به دیواره داخلی مانع فلزی حرکت می کند.

   • هدایت:گرما از دیواره فلزی جامد عبور می کند.

   • همرفت:گرما از دیواره بیرونی مانع فلزی به داخل سیال سرد حجیم حرکت می کند.

برای محاسبه دقیق نحوه عملکرد مبدل حرارتی و اندازه آن، مهندسان از دو فرمول اولیه استفاده می کنند.

ابتدا برای تعیینوظیفه حرارتی(مقدار کل انرژی در حال حرکت)، به خواص سیال نگاه می کنیم:

نحوه هدایت مایعات از طریق دستگاه به شدت عملکرد آن را تغییر می دهد. دو راه اصلی برای هدایت جریان وجود دارد:

هر دو سیال سرد و گرم از یک انتها وارد می شوند و در یک جهت حرکت می کنند.

• نتیجه:اختلاف دما در ورودی بسیار زیاد است، اما با حرکت آنها به دمای تعادل مشترک نزدیک می شوند. مایع سرد می تواندهرگزمبدل را گرمتر از سیال داغ خارج کنید.

سیال داغ در یک انتها وارد می شود و سیال سرد در انتهای مخالف وارد می شود و در جهت مخالف از کنار یکدیگر می گذرد.

• نتیجه:این کارآمدترین طراحی است. از آنجایی که سیال سرد همیشه در حین حرکت با سیال داغتر برخورد می کند، سیال سرد می تواند در واقع از مبدل حرارتی خارج شود.بالاتردما نسبت به دمای خروجی سیال داغ

از شبیه ساز تعاملی زیر استفاده کنید تا ببینید دقیقاً چگونه این دو پیکربندی جریان، مشخصات دمای داخل دستگاه را تغییر می دهند.

مهندسان این اصول ترمودینامیکی را به اشکال فیزیکی مختلف دستکاری می کنند تا نیازهای صنعتی مختلف را برآورده کنند:

س: آیا اندازه مبدل حرارتی مهم است؟

ج: قطعا. طبق فرمول$Q = UA Delta T_{lm}$، کل گرمای منتقل شده ($Q$) با مساحت (دلار A$). یک مبدل حرارتی بزرگتر دارای سطح فلز بیشتری است، که اجازه می دهد گرمای بیشتری در مدت زمان معینی از آن عبور کند.

س: چه چیزی باعث می شود یک مبدل حرارتی به طور موثر کار نکند؟

پاسخ: رایج ترین مسئله این استرسوب کردن. با گذشت زمان، مواد معدنی از آب (مانند رسوب کلسیم)، زنگ زدگی یا لجن بیولوژیکی دیواره های فلزی را می پوشانند. این به عنوان عایق عمل می کند و ضریب انتقال حرارت را به شدت کاهش می دهد.$U$) و سیستم را مجبور می کند تا برای رسیدن به دماهای یکسان بیشتر کار کند.

س: آیا می توان از مبدل های حرارتی برای خنک سازی استفاده کرد؟

ج: بله. اصطلاح مبدل حرارتی به انتقال گرما بدون توجه به نتیجه مطلوب اشاره دارد. اگر هدف شما خنک کردن موتور داغ است، مبدل حرارتی (رادیاتور) گرما را از بین می برد. اگر هدف شما جوشاندن آب است، مبدل حرارتی (دیگ بخار) گرما را اضافه می کند. فیزیک یکسان است.