کاربرد های روش های انتقال حرارت در مبدل های حرارتی

اختلاف دما بین دو جسم یا سیال عامل انتقال گرما یا حرارت از جسم گرم به جسم سرد است. اختلاف دما در دنیای ترمودینامیک مثل اختلاف پتانسیل الکتریکی در دنیای برق و الکتریک است. انتقال حرارت بین دو جسم می تواند به روش های مختلفی صورت بگیرد. که در این مقاله قصد داریم به صورت تفضیلی در این مورد صحبت کنیم و کاربرد های این پدیده را بررسی کنیم.

روش های انتقال حرارت

به طور کلی انتقال حرارت بین اجسام اغلب به صورت زیر اتفاق می افتد:

رسانش

این روش بیشتر در فلزات کاربرد دارد. در این روش، گرما یا حرارت از طریق مولوکول هایی که دچار افزایش دما شده اند به مولکول ها یا ذرات جانبی انتقال می یابد. مولکول ها که دچار افزایش دما شده اند، در محل خود حرکت داشته و این حرکت باعث ایجاد انرژی جنبشی و انتقال آن به مولکول های جانبی می شود. بدین ترتیب حرارت در یک جسم می تواند از یک سمت به سمت دیگر انتقال یابد ؛ یا در صورتی که دو جسم با دو دمای مختلف در کنار یکدیگر قرار گرفته و تماس داشته باشند، به دلیل این تماس، انتقال حرارت از طریق رسانش بین دو جسم انجام می گیرد.

نرخ انتقال حرارت بین دو نقطه از فرمول زیر پیروی می کند:

طبق فرمول فوق، نرخ انتقال حرارت که واحد آن توان می باشد به میزان انرژی گرمایی انتقال یافته در واحد زمان گفته می شود. در فرمول فوق، k به ضریب انتقال حرارت جسم گفته می شود که در صورت تغییر متریال این ضریب متفاوت خواهد بود. در بین فلزات، بیشترین ضریب انتقال حرارت را طلا، نقره و مس دارند.

جریان همرفتی 

در این روش، انتقال حرارت از طریق جابجایی مولکول های گرم با سرد اتفاق می افتد. بدین ترتیب که موقعی که یک مولکول گرم می شود، چگالی آن کاهش یافته و عموما به سمت بالا حرکت می کند و جای خود را به مولکول ها یا ذرات سرد می دهد. این چرخه تا داغ شدن تمام ذرات یک محل یا محفظه اتفاق می افتد. این نوع انتقال حرارت اغلب در سیالات گازی شکل و مایعات و یا بین یک سطح جامد با سیلا روی آن اتفاق می افتد.

نرخ انتقال حرارت در این روش از فرمول زیر پیروی می کند:

که در فرمول فوق، h ضریب انتقال حرارت سیال، A سطح مقطع جسمی که در تماس با سیال است . ضریب انتقال حرارت کاملا بستگی به شرایط عبور سیال از روی سطح دارد. به طوری که ضریب انتقال حرارت جریان آرام با جریان آشفته ( سرعت بالا ) و جریان عبوری از داخل لوله با جریان عبوری از روس سطح مسطح فرق دارد. مهم ترین دغدغه مهندسین در برآورد نرخ انتقال حرارت، به دست آوردن همین ضریب است. و در برخی موارد که سطح جسم، شکل هندسی پیچیده ای دارد باید این مقدار توسط نرم افزار های پیشرفته، شبیه سازی شده و محاسبه گردد.

تابش

سومین روش انتقال حرارت، تابش است. بین دو جسم با دو دمای مختلف، انتقال حرارت وجود دارد حتی اگر حرکتی نکنند. واضح ترین مثال برای این روش، تابش نور خورشید است که این تابش باعث افزایش دمای محیط و کره زمین می شود. نرخ انتقال حرارت بین دو سطح با دو دمای متفاوت از رابطه زیر به دست می آید.

در رابطه فوق، T_surr دمای محیط ، T_s دمای سطح، A سطح مقطع تابش،  ضریب انتقال حرارت تابشی و  میزان نفوذ پذیری سطح جسم نسبت به جسم کاملا مشکی است. این عدد مابین صفر و یک بوده و هرچه رنگ سطح تیره تر باشد، این ثابت به عدد یک نزدیک است.

بین دو جسم با دو دمای مختلف، هر سه روش انتقال حرارت می تواند اتفاق بفتد. به عنوان مثال در هنگام تابش خورشید، دمای محیط هم از طریق انتقال حرارت همرفتی با جابجایی هوای گرم با هوای سرد و همچنین از طریق انتقال حرارت تابش بین سطح با مولکول های هوا افزایش می یابد.

کاربرد انتقال حرارت

شیوه های انتقال حرارت و آشنایی با این روش ها می تواند به ما در طراحی انواع خنک کن ها و یا سیستم های گرمایشی کمک کند. از جمله مهم ترین کاربرد های انتقال حرارت در مهندسی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• عایق کاری: عایق ها موادی هستند که در برابر انتقال حرارت بین دو جسم گرم و سرد ممانعت ایجاد می کنند. با استفاده از انتخاب عایق مناسب می توان در زمستان از یخ زدن شیر ها جلوگیری نمود و یا از ورود جریان هوای سرد و یا گرم به یک محیط جلوگیری نمود. با توجه به روش های انتقال حرارت، عایق ها باید جلوی این انتقال حرارت را بگیرند. عایق هایی مثل پشم شیشه، به دلیل داشتن ضریب رسانش بسیار پایین، یکی از مهم ترین اجسام در برابر انتقال حرارت هستند.
• موتور حرارتی: انتقال حرارت، انتقال انرژی است. این انرژی همان طور که می دانید بین دو محیط گرم و سرد اتفاق می افتد. لذا می توان از این انرژی استفاده نمود و آن را تبدیل به کار کرد. به عنوان مثال در نیروگاه ها بخار آب با دما و فشار بسیار بالا وارد محفظه توربین شده و آن را به حرکت در می آورد و از این طریق برق تولید می شود. در نهایت، بخش بزرگی از انرژی بخار داغ گرفته شده و در نهایت به صورت آب مایع از انتهای محفظه توربین خارج می شود. به تجهیزاتی که توانایی تبدیل انرژی گرمایی به کار را دارند، موتور گرمایی نیز گفته می شود. شکل شماتیک یک موتور حرارتی در زیر نشان داده شده است.

• مبدل حرارتی: با دانستن این که انرژی گرمایی با سه روش تابش، همرفتی و رسانش انتقال پیدا می کند. با طراحی تجهیزاتی می توان این انرژی را از یک سیال به سیال دیگر بدون اینکه آن دو با یکدیگر تماس مستقیمی داشته باشند، استفاده کرد. به این تجهیز، مبدل حرارتی گفته می شود. مبدل های حرارتی اغلب به سه صورت مبدل حرارتی پوسته و لوله، مبدل حرارتی صفحه ای و مبدل حرارتی هوا خنک ساخته می شوند. که شیوه انتقال حرارت جریان همرفتی، بیشترین سهم را در انتقال حرارت در مبدل های حرارتی دارد. در شکل زیر ، شکل شماتیک یک مبدل حرارتی پوسته و لوله نشان داده شده است.

یکی از مهم ترین کاربرد های انتقال حرارت در مبدل های حرارتی، استفاده برای خنک کاری انواع روغن هیدرولیک و صنعتی که یکی از پرمصرف ترین سیالات در صنایع بالادستی و پایین دستی است، می باشد. به این مبدل های حرارتی روغن سرد کن یا خنک کن روغن هیدرولیک نیز گفته می شود.

شرکت ویرا تجهیز صنعت، تولید کننده و تامین کننده انواع مبدل حرارتی

شرکت ویرا تجهیز صنعت، به عنوان یکی از تولید کنندگان انواع مبدل حرارتی سعی نموده است با کاهش هزینه های تولید و افزایش کیفیت مواد اولیه، انواع مبدل حرارتی پوسته و لوله و مبدل حرارتی هوا خنک را متناسب با نیاز صنایع و کارخانجات را با قیمت مناسب تولید نماید. همچنین تأمین انواع مبدل حرارتی صفحه ای از برند های معتبر بین المللی از خدمات این شرکت می باشد.

برای دریافت کاتالوگ محصولات و استفاده از مشاوره رایگان کارشناسان ما می توانید با شماره تماس های مندرج در سایت و یا از طریق واتساپ اقدام نمایید.