مبدل حرارتی : چگونه می توانید گرما را از یک قسمت از دستگاه به قسمت دیگر تعویض کنید؟

مبدل حرارتی چیست

0

تا به حال دیده اید که دود از دود از دود دود می کند و فکر کرده اید که چقدر انرژی آنها بی فایده در هوا پمپ می کنند؟ شاید کمتر از آنچه فکر می کنید! صرفه جویی در مصرف انرژی یک مشکل بزرگ و پرهزینه برای کارفرمایان است و به همین دلیل است که آنها اغلب دستگاه هایی به نام مبدل های حرارتی را نصب می کنند تا هر چه بیشتر گرما از گازهای زباله صرفه جویی شود . مبدل های حرارتی کاربردهای آشنایی دیگری نیز دارند. موتورهای اتومبیل ، کشتی و هواپیما از مبدلهای حرارتی برای کارآمدتر استفاده می کنند ، دیگهای بخار گازی از آنها برای گرم کردن آب گرم استفاده می کنند و اگر در خانه خود یخچال یا کولر گازی دارید ، آنهایی که از مبدلهای حرارتی نیز استفاده می کنند. بنابراین مبدل های حرارتی دقیقاً چیست و چگونه کار می کنند؟ بیایید نگاه دقیق تری از این مقاله داشته باشیم!

مبدل حرارتی چیست؟

 

فرض کنید شما یک کوره گرمایش مرکزی (دیگ) دارید که رادیاتورهای آب گرم را در اتاق های مختلف خانه خود گرم می کند. این کار با سوزاندن گاز طبیعی ، ساختن یک خط یا شبکه از جت های گازی گرم که به سمت بالای آب در جریان می رود از طریق شبکه ای از لوله ها شلیک می شود . از آنجا که آب از طریق لوله ها پمپ می شود ، انرژی گرما را جذب می کند و گرم می شود. منظور از این ترتیب از مبدل حرارتی است: جت های گازی خنک می شوند و آب گرم می شود.

مبدل حرارتی دستگاهی است که اجازه می دهد تا حرارت از یک سیال (مایع یا گاز) برای تصویب به یک سیال دوم (یکی دیگر از گاز مایع و یا) بدون دو سیال نیاز به با هم مخلوط و یا در تماس مستقیم . اگر کاملاً مشخص نیست ، این را در نظر بگیرید. از نظر تئوری ، ما می توانستیم فقط با ریختن آب سرد بر روی آنها ، گرما را از جت های گازی بگیریم ، اما سپس شعله های آتش از بین می روند! اصل اساسی مبدل حرارتی این است که گرما را بدون انتقال مایعی که حامل گرما است منتقل می کند.

نمودار نشان می دهد که چگونه یک مبدل حرارتی پوسته و لوله ساده کار می کند.
عکس: چگونه یک مبدل حرارتی ساده کار می کند. یک مایع داغ (به رنگ قرمز نشان داده شده) از طریق یک لوله پیچیده شده درون یک پوسته بزرگتر جریان می یابد ، که از طریق آن مایع سردتر دیگری (به رنگ آبی نشان داده شده) در جهت مخالف در جریان است. گرما توسط مایعات رد و بدل می شود: مایع داغ سرد می شود و مایع سرد گرم می شود ، بدون اینکه آنها در واقع با هم تماس گرفته و مخلوط شوند. این یک نمونه ساده از مبدل پوسته و لوله است: به طور کلی مبدلهای حرارتی این طرح دارای لوله های نازک زیادی هستند که از طریق یک پوسته بزرگ در جریان هستند.

مبدل های حرارتی برای چه مواردی استفاده می شوند؟

 

شما می توانید مبدلهای حرارتی را در انواع مکان مشاهده کنید ، معمولاً برای گرم کردن یا خنک کردن ساختمانها یا کمک به موتورها و ماشینها برای کارآمدتر کار کردن. یخچال و فریزر و دستگاه های تهویه مطبوع ، برای مثال، مبدل های استفاده از حرارت در راه مخالف از سیستم های حرارت مرکزی: آنها گرما را از یک محفظه و یا اتاق که در آن می خواست نه و پمپ آن دور در یک سیال به یک جای دیگر که در آن می توان آن را ریخته بیرون از راه مایع خنک کننده کاملاً درون شبکه ای از لوله ها بسته می شود ، بنابراین در واقع با هوا تماس نمی گیرد: انرژی گرما را از هوای داخل می گیرد و آن را در هوای بیرون رها می کند ، اما هرگز مستقیماً با آن هوا مخلوط نمی شود.

مبدل حرارتی استخر زمین گرمایی.

عکس: یک پمپ حرارتی گرما را از چشمه گرم زمین گرمایی طبیعی ، که برای گرم کردن ساختمان ها در Hot Springs Lodge و استخر در گلن وود اسپرینگز ، کلرادو استفاده می شود ، استخراج می کند. مبدل صفحه پلاستیکی پوشیده از جلبک است که پر از لوله‌های مسی در مرکز آب است. 

در نیروگاهها یا موتورها ، گازهای اگزوز غالباً حاوی گرمای هوا هستند که به صورت بی فایده به هوای آزاد منتهی می شوند. این اتلاف انرژی است و چیزی که مبدل حرارتی مطمئناً می تواند کاهش دهد (اگرچه به طور کامل از بین نمی رود. بعضی از گرما همیشه از بین می رود). راه حل این مشکل این است که مبدلهای حرارتی در داخل لوله های اگزوز دم یا دودی قرار بگیرند. گازهای اگزوز داغ به سمت بالا می روند ، مس گذشته را مسواک می زنندباله هایی که آب از درون آنها جاری می شود. آب گرما را به دور از گیاه می کند. در آنجا ، می توان آن را به طور مستقیم بازیافت کرد ، ممکن است گازهای سرد را که به موتور یا کوره وارد می شوند ، گرم کنید و انرژی لازم را برای گرم کردن آنها صرفه جویی کنید. یا می توان آن را به برخی دیگر از موارد خوب ، برای مثال ، گرم کردن دفتر در نزدیکی دودکش استفاده کرد.

نمودار نشان می دهد که چگونه مبدل حرارتی / احیا کننده گرما عمل می کند.

عکس: چگونه یک مبدل حرارتی آب زباله دوش کار می کند. زباله های خروجی آب گرم ورودی آب سرد را گرم می کنند ، انرژی لازم برای گرم شدن آب را کاهش می دهند و کل کار را بیشتر می کنند.

در اتوبوس ها ، مایعات که برای خنک کردن موتور دیزل استفاده می شود ، غالباً از طریق مبدل حرارتی عبور می کنند و از گرمای مجدد آن ، برای گرم کردن هوای سرد از خارج که از کف محفظه مسافر پمپ می شود ، استفاده می شود. این امر نیاز به داشتن بخاری های برقی اضافی و بی مصرف را در داخل اتوبوس ایجاد می کند. رادیاتور اتومبیل نوع دیگری از مبدلهای حرارتی است. آبی که موتور را خنک می کند از طریق رادیاتور عبور می کند ، که دارای حفره های موازی آلومینیومی زیادی برای هوا است. در حالی که ماشین در امتداد حرکت است ، هوای سرد که از رادیاتور می وزد ، مقداری از گرما را برطرف می کند ، آب را خنک می کند و هوا را گرم می کند و موتور را به صورت کارآمد نگه می دارد. از گرمای ضایعات رادیاتور برای گرم کردن محفظه مسافر ، درست مثل اتوبوس استفاده می شود.

اگر یک دوش با انرژی دارید ، ممکن است مبدل حرارتی در محل خروجی فاضلاب نصب شود. همانطور که آب از بدن شما خارج شده و از برق وصل می شود ، از طریق سیم پیچ های مایع مبدل حرارتی عبور می کند. در همین حال ، آب سردی که برای گرم شدن در حمام قرار می گیرد ، در پمپ های مشابه قرار ندارد و با آب کثیف مخلوط نمی شود بلکه مقداری از گرمای زباله آن را می گیرد و کمی گرم می کند ، بنابراین حمام نیاز به گرم کردن آن ندارد.

 

انواع مبدلهای حرارتی

 

همه مبدل های حرارتی همان کار را انجام می دهند – انتقال گرما از یک سیال به مایعات دیگر – اما آنها به روش های مختلفی کار می کنند. دو رایج ترین مبدل حرارتی پوسته و لوله و صفحه / باله است. در مبدلهای حرارتی پوسته و لوله ، یک مایع از طریق لوله ای از فلز جریان می یابد در حالی که مایع دوم از طریق پوسته ای بسته شده که آنها را احاطه کرده است عبور می کند. این طرحی که در نمودار ما در بالا نشان داده شده است. این دو سیال می توانند در یک جهت (معروف به جریان موازی) ، در جهت های مخالف (جریان ضد یا جریان ضد جریان) یا در زاویه های راست (جریان متقابل) جریان داشته باشند. دیگهای بخار لوکوموتیو بخار از این طریق کار می کنند. مبدلهای حرارتی صفحه / بالهصفحات فلزی یا باله های نازک زیادی با مساحت سطح وسیع داشته باشید (زیرا این امر گرمای بیشتری را سریعتر تبادل می کند). مبدل های حرارتی در کوره های گازی (دیگهای بخار) از این طریق کار می کنند.

مبدل حرارتی از جنس استنلس استیل. روی مبدل حرارتی جریمه می شود.
عکس: دو نوع مبدل حرارتی. ۱) مبدل پوسته و لوله ای از نیروگاه هسته ای رودخانه ساوانا در کارولینای جنوبی ایالات متحده است. در این لوله تعداد زیادی لوله وجود دارد و به راحتی قابل مشاهده است.

مبدلهای حرارتی که برای به حداقل رساندن تلفات گرما از ساختمانها ، موتورها و ماشین آلات استفاده می شوند ، گاهی اوقات بازپرس یا بازدارنده نامیده می شوند. این دو مورد کاملاً متفاوت است. یک recuperator معمولاً برای گرفتن گرما که در غیر این صورت از بین می رود ، استفاده می شود ، به عنوان مثال ، با تهویه هوا از یک ساختمان: مایعات ورودی ، در جهت مخالف جهت گرم کردن و خروج مایعات جهت کاهش حرارت از بین می روند. دو سیال از طریق کانالهای جداگانه جریان می یابند ، جدا از هم باقی می مانند و مخلوط نمی شوند. از آنجا که مایعات ورودی و خروجی در جهات مخالف حرکت می کنند ، بازدارنده ها نمونه ای از مبدل های حرارتی ضد جریان هستند. مبدل حرارتی در سیستم تهویه بازیابی گرما (HRV) نمونه ای از روزگاری است.

نمودار ساده نشان دهنده تبادل گرمای اساسی در سیستم تهویه بازیابی گرما (HRV یا ERV).

آثار هنری: نمونه ای از مبدل حرارتی بازپرس که در سیستم تهویه بازیابی حرارت (HRV) کار می کند. هوای پر آب و هوای بیرون که از داخل ساختمان بیرون می آید (لوله نارنجی که از بالا به راست به پایین سمت چپ پایین می آید) ، گرمای خود را به سمت سرما و هوای تازه که از بیرون جاری می شود ، تسکین می دهد (لوله قهوه ای که از بالا سمت چپ به پایین و سمت راست به سمت پایین حرکت می کند).

تقویت کننده مشابه است، اما مایعات ورودی و خروجی از طریق همان کانال در جهت مخالف و در زمان های مختلف حرکت می کند. بنابراین مایع گرم از طریق بازسازی کننده جاری می شود و مقداری از گرمای خود را در راه خود رها می کند. بعداً ، مایع سرما از طریق همان کانال جریان پیدا می کند ، از طریق دستگاه بازسازی کننده ، دوباره بخشی از گرمای ذخیره شده در آنجا را برمی گرداند. ترمیم کننده یکی از بخش های اصلی در یک فرم بسیار کارآمد نیرو به نام موتور استرلینگ است که در آن یک پیستون گاز به دام افتاده را به جلو و عقب بین منبع گرما (مانند آتش سوزی) و مکانی که گرما از دست می رود فشار می دهد. ” یک سینک “). ترمیم کننده گرما را کاهش می دهد که در غیر اینصورت با چرخیدن موتور به عقب و جلو می رود.

 

بهترین مواد برای مبدل حرارتی کدامند؟

 

قطعات مبدل حرارتی پلاستیکی.

عکس: پلاستیک ها مواد کاملاً مناسب برای مبدلهای حرارتی با دمای پایین هستند.

ممکن است فکر کنید مبدل های حرارتی همیشه باید از فلزات ساخته شوند ، که گرما به سرعت جذب و هدایت می شوند – و بسیاری از آنها. اما مبدل های حرارتی همچنین می توانند از سرامیک ، کامپوزیت (بر اساس فلز یا سرامیک) و حتی پلاستیک (پلیمر) ساخته شوند.

تمام این مواد مزایای خود را دارند. سرامیک برای نوع کاربردهای درجه حرارت بالا (بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد یا ۲۰۰۰ درجه فارنهایت) که می تواند فلزات مانند مس ، آهن و فولاد را ذوب کند انتخابی مناسب است.، اگرچه آنها همچنین برای استفاده در مایعات خورنده و ساینده در دماهای بالا یا پایین محبوب هستند. پلاستیک ها به طور کلی وزن و هزینه کمتری نسبت به فلزات دارند ، در برابر خوردگی و رسوب مقاومت می کنند و می توانند برای داشتن هدایت حرارتی خوبی طراحی شوند ، گرچه تمایل دارند از نظر مکانیکی ضعیف باشند و با گذشت زمان ممکن است تخریب شوند. اگرچه به طور کلی برای برنامه های با درجه حرارت بالا مناسب نیست ، اما مبدل های پلاستیکی می توانند برای چیزی مانند استخر یا دوش ، که در هر روز و دمای اتاق کار می کند ، گزینه مناسبی باشند. مبدل های حرارتی کامپوزیت بهترین ویژگی های مواد اولیه والدین خود را ترکیب می کنند – به عنوان مثال ، هدایت حرارتی بالای فلز با کاهش وزن و مقاومت در برابر خوردگی بهتر یک پلاستیک.

در آینده ، به وضوح ممکن است که بتوانیم از مواد جالب تر در غرق کننده های گرما استفاده کنیم. به عنوان مثال ، نانولوله های کربنی (ورق های شش ضلعی نازک از کربن که برای ساختن “لوله” پیچیده شده اند) دارای خاصیت رسانایی گرما هستند و در حال حاضر در غرق کننده های گرما (دستگاه های حذف گرما که عمدتا در الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرند) استفاده می شوند. در حال حاضر تحقیقات زیادی انجام شده است تا ببینیم چگونه می توان آنها را در  Heat exchangers مبدل های حرارتی مستقر کرد.

 

مبدل حرارتی … یا نه؟

 

شما آن وب سایت را دیدید که داغ است یا نه؟ خوب در اینجا معادل من است: مبدل حرارتی یا نه.

اگر هنوز در مورد اینکه مبدل حرارتی چیست اشتباه گرفته اید ، شاید فکر کنید که می توانید در مورد دو نمونه از وسایل حرارتی روزمره که گرما را انتقال می دهند فکر کنید ، اما در واقع مبدل حرارتی نیستند.

فن استخراج گرین وود بر روی دیوار آشپزخانه سوار شده است.رادیاتور گرمایش مرکزی از بالا عکس می گیرد.

یک فن استخراج کننده آشپزخانه یا حمام (سمت چپ) به گونه ای طراحی شده است که هوای گرم و مرطوب را از خانه شما بیرون می کشد و آن را در بیرون می ریزد. از آنجا که یک مایع (هوای گرم خانه شما) را به خود می گیرد و آن را با دیگری (هوای سرد در خارج) مخلوط می کند ، مبدل حرارتی نیست. این فقط یک استخراج گرما است.

یک رادیاتور با آب گرم (سمت راست) پیچیده تر است. آب داغ از طریق یک دیگ بخار گرمایش مرکزی از طریق آن لوله کشی می شود و مقداری از گرمای آن را به هوا موجود در اتاق تسلیم می کند و برای بیشتر به دیگ باز می گردد. این نوعی مبدل حرارتی است زیرا گرمای حاصل از یک مایع (آب گرم در لوله) به مایعات دیگری (هوای سرد در اتاق) داده می شود بدون اینکه دو مایعات مخلوط شوند. بعضی ها می گویند که این مبدل حرارتی نیست زیرا مایع دوم (هوای سرد) موجود نیست و از طریق اولین کانال به روش سیستماتیک کانال منتقل یا پمپ نمی شود. سپس دوباره، با این حال شما به آن نگاه کنید، گرما است حال رد و بدل!

به هر حال ، بیش از حد به کلمات آویزان نشوید. فقط به این فکر کنید که انرژی گرما به کجا می رود ، چگونه مایعات رفتار می کنند ، چه مواد داغ تر یا سردتر می شوند و چرا ، و مواردی را از آنجا پیدا کنید.

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.