فرآیندهای انتقال در مبدل‌های حرارتی

[P O U R I A]

بر حسب فرآیندهای انتقال، مبدل‌های حرارتی به دو دسته تماس مستقیم (direct contact/transmural) و تماس غیر مستقیم (indirect contact) تقسیم می‌شوند.

انتقال حرارت

انتقال حرارت بین جریان‌ها معمولا به صورت غیر مستقیم (indirect contact) انجام می‌شود: جریان‌ها به وسیله یک ماده جامد همانند دیواره فلزی لوله، صفحه‌ها یا ممبران‌ها (membrane) پلاستیکی از هم جدا می‌شوند و حرارت از سیال اول از میان ماده جامد به سیال دوم می‌رود. نتیجه انتقال حرارت اغلب شامل افزایش موضعی در دمای سیال سرد و کاهش دمای سیال گرم و گاهی شامل تغییر فاز یک یا هر دو سیال می‌شود.

مبدل حرارتی تماس غیر مستقیم​

انتقال حرارت می‌تواند زمانی که دو سیال در تماس مستقیم هستند انجام شود؛ همانند زمانی که یک سیال آب گرم و دیگر هوای سرد است. مبدل‌های حرارتی تماس مستقیم (direct-contact) در خنک‌کاری آب خنک‌کن نیروگاه بخاری بسیار معمول است. وسیله تبادل حرارت در این حالت برج خنک کن (cooling tower) نام دارد.

دو مبدل حرارتی تماس مستقیم در یک سیکل نیروگاهی شامل کندانسور تماس مستقیم و برج خنک‌کن تر​

گاهی ابری از ذرات جامد با یک جریان سیال انتقال حرارت انجام می‌دهند. در مبدل حرارتی بستر سیال‌سان (fluidized-bed heat exchanger)، یک گاز داغ از میان یک ابر متراکم از ذرات جامد رو به بالا حرکت می‌کند که حرکت آن‌ها اگرچه دارای ماهیت نیمه رندوم است، در اثر گرانش از بالا رفتن آن‌ها به همراه گاز جلوگیری می‌شود. این ذرات با یک سطح جامد همانند تیوب‌های آب خنک‌کن برخورد می‌کنند و با آن انتقال حرارت انجام می‌دهند.

راه‌های دیگری نیز وجود دارد که در آن حرارت از یک سیال به یک جامد منتقل و پس از آن از جامد به یک سیال دوم منتقل می‌شود که این روش شامل مبدل‌های حرارتی ری‌ژنراتوری (regenerative heat exchangers) می‌شود.

 

[P O U R I A]

انتقال هم‌زمان حرارت و جرم

وجود تماس مستقیم، امکان انتقال جرم بین جریان‌ها را فراهم می‌کند که این کار به وسیله تبخیر بخشی از جریان مایع یا کندانس شدن یک جزء‌ از جریان گازی انجام می‌شود. حالت اول در برج خنک‌کن رخ می‌دهد که در بالا توضیح داده شد و دومی در برخی از تجهیزات رطوبت زدا (dehumidifying) رخ می‌دهد.

اغلب تغییر فاز همراه با تاثیر گرمایی مربوط به گرمای نهان تغییر فاز است و این اثرها در کارکرد مبدل حرارتی لازم هستند. این در مورد برج‌های خنک‌کن تماس مستقیم یا تر (wet cooling tower) برقرار است که برای انجام یک اثر خنک‌کاری مشخص بر روی آب نیازمند تنها یک پنچم سطح تماسی هستند که در یک مبدل حرارتی یا برج خشک که در آن با استفاده از طرح تماس غیر مستقیم از انتقال جرم جلوگیری می‌شود مورد نیاز است.

برج خنک کن مرطوب

برج خنک کن مرطوب​

از جهت دیگر، در مبدل‌های با تماس غیر مستقیم (indirect contact exchangers) نیز امکان انتقال جرم وجود دارد. به عنوان مثال کندانسور بخاری (steam condensers) چنین تجهیزی برای جریان آب خنک‌کاری در درون لوله‌ها و بخار مایع شده در خارج است. به بیان دیگر این یک تجهیز با سه سیال خواهد بود، سیال‌ها شامل آب خنک‌کن، بخار (مخلوط با میزان کمی هوا) و کندانس است. دو جریان آخری در تماس مستقیم هستند.

 

[P O U R I A]

مبدل‌های حرارتی تک‌فاز

در بخش زیادی از مبدل‌های حرارتی که در عمل وجود دارند، هر جریان سیال با همان حالت فازی که وارد می‌شود، با همان خارج می‌شود. نتیجه این است که زمانی که حرارت از سیال گرم‌تر به سیال سردتر منتقل می‌شود، دمای اولی کاهش و دمای دومی افزایش می‌یابد. تغییر دما اغلب با انتقال حرارت متناسب است.

شکل‌های زیر نشان‌دهنده تغییر دمای دو جریان در طول مبدل‌های حرارتی با آرایش جریان متقابل و جریان موازی هستند. در حالت اول، امکان این وجود دارد که دمای خروج یک جریان به دمای ورود جریان دیگر نزدیک شود. در مبدل‌های جریان موازی به‌ترین حالت این است که دو دمای خروجی به یک‌دیگر نزدیک شوند.



در مبدل‌های حرارتی دارای جریان متقاطع، نمی‌توان به سادگی توزیع دما در مبدل حرارتی را نشان داد زیرا دما حتی به صورت ایده‌آل دیگر تابعی از یک متغیر ساده فاصله نیست.

 

[P O U R I A]

بویلرها و کندانسورها

در دیگر انواع مبدل‌های حرارتی، مخصوصا بویلر‌ها (boilers)‌ و کندانسورها (condensers)، وظیفه اصلی، تغییر فاز یکی از جریان‌ها است. در چنین شرایطی، تغییر دما در آن جریان آن‌قدر کوچک است که می‌توان آن را نادیده گرفت.



در مورد بویلر، سیال تغییر دهنده فاز به صورت یک مایع فوق سرد (subcooled liquid) وارد می‌شود و دمای آن تا نقطه جوش بالا می‌رود؛ سپس در تمام منطقه دو فاز، تغییر دما تنها به دلیل تفاوت کوچک در فشار رخ می‌دهد؛ پس از آن و قبل از ترک مبدل حرارتی، سیال می‌تواند سوپرهیت شود. تغییرات دما در بویلر در سیال تغییر دهنده فاز رخ می‌دهد ولی اغلب به وسیله طراح نادیده گرفته می‌شود زیرا می‌خواهد از یک فرمول تحلیلی که تنها در زمان عدم تغییر دما برقرار است استفاده کند.

شکل زیر نشان دهنده توزیع دما در یک بویلر بخار با جریان موازی است. جریان 1 نشان‌دهنده آب و بخار است که از حالت آب فوق سرد به بخار سوپرهیت تغییر می‌یابد و جریان 2 نشان‌دهنده احتراق گازها می‌باشد. باید توجه کرد که بویلرهای واقعی دارای مشخصات ترکیبی از جریان موازی، جریان متقابل و جریان متقاطع هستند.



برای کندانسورهای بخاری نیز وضعیت مشابهی برقرار است: وجود هوا باعث می‌شود که دمای فاز گازی در همه جا یکسان نباشد و تقطیر بخار (و در نتیجه فشار جزیی) کاهش می‌یابد. طراحان اغلب چنین اثراتی را در نظر نمی‌گیرند. مسایل مشابهی مربوط به مخلوط‌های چند جزیی در کندانسورها رخ می‌دهد.

 

[P O U R I A]

حالت تعمیم یافته


در حالت عمومی، دمای یک جریان سیال در اثر انتقال حرارت به آن به صورت غیر خطی تغییر می‌کند. چنین اثرات غیر خطی چنان‌که تا قبل از این توضیح داده شد وجود دارند؛ حتی در بویلرهای بخار و کندانسورها که این اثرات اغلب نادیده گرفته می‌شوند. در دیگر انواع تجهیزات، مخصوصا آن‌هایی که با واکنش‌های شیمیایی (کرکرهای نفتی) یا تغییر فاز (برج‌های خنک‌کن تماس مستقیم؛ پلانت‌های خشک کن کاغذ، پارچه و مواد غذایی، کندانسورهای مخلوط‌های چند جزیی) سروکار دارند، اثرات غیر خطی بسیار زیاد هستند و امکان نادیده گرفتن آن‌ها وجود ندارد. حتی در مبدل‌های حرارتی بدون تغییر فاز، باید تغییر حرارت مخصوص با دما که در بسیاری از مواد وجود دارد در نظر گرفته شود.