مبدلهای حرارتی از مهمترین تجهیزات صنعتی هستند که برای انتقال گرما بین سیالات مختلف به کار میروند. عملکرد بهینه این دستگاهها مستلزم درک دقیق اصول و مفاهیم پایهای مرتبط با گرما و انتقال حرارت است. آشنایی با تعاریف و اصطلاحات رایج، به مهندسان کمک میکند تا طراحی، نگهداری و بهرهبرداری از مبدلها را با ایمنی و کارایی بالاتر انجام دهند. این مقاله مروری جامع بر اصطلاحات رایج مرتبط با مبدل حرارتی در پالایشگاه است و به خواننده کمک میکند درک دقیق و کاربردیتری از عملکرد این تجهیزات پیدا کند.
گرمای محسوس و نهان
گرمای محسوس: به میزان انرژی گرمایی گفته میشود که برای تغییر دمای یک ماده در یک فاز مشخص مصرف میشود. این انرژی باعث افزایش دمای ماده بدون تغییر فاز آن میشود و معمولاً برابر با تغییر آنتالپی ماده در حالت تک فازی است.
برای مثال، گرم کردن آب از ۲۰ درجه سلسیوس به ۵۰ درجه سلسیوس نمونهای از انتقال گرمای محسوس است. این مفهوم در طراحی مبدل حرارتی اهمیت دارد، زیرا محاسبه دمای خروجی سیال به طور مستقیم به گرمای محسوس وابسته است.
گرمای نهان: گرمای نهان انرژی مورد نیاز برای تغییر فاز یک ماده است بدون اینکه دمای آن تغییر کند.
به عنوان مثال، تبدیل آب به بخار یا یخ به آب نیازمند دریافت گرمای نهان است. در مبدلهای حرارتی، فرآیندهایی مانند تبخیر و میعان نیازمند محاسبه دقیق گرمای نهان هستند تا اندازه و نوع مبدل به درستی انتخاب شود.
تبخیر – میعان
تبخیر: تبخیر فرآیندی است که در آن ماده از فاز مایع به بخار تبدیل میشود و انرژی حرارتی دریافت میکند. این فرآیند نقش کلیدی در مبدلهای حرارتی دارد، به ویژه در صنایع شیمیایی و نیروگاهی که بخار به عنوان حامل انرژی استفاده میشود.
میعان: میعان فرآیندی معکوس تبخیر است که طی آن بخار به مایع تبدیل میشود و انرژی حرارتی از آن گرفته میشود.
برای مثال، کندانسور در نیروگاهها بخار خروجی توربین را به مایع تبدیل میکند تا دوباره در چرخه تولید انرژی استفاده شود.
در طراحی مبدلها، توجه به دما و فشار نقطه میعان اهمیت بالایی دارد تا بازده حرارتی بهینه شود.
منابع حرارتی
منابع حرارتی شامل جریانهای سرد و گرم هستند که برای کنترل دمای سیالات فرآیندی استفاده میشوند:
- جریان گرم: سیال یا جریان انرژیدار که باید با از دست دادن گرما از دمای بالا به پایینتر برسد. مثال آن آب داغ یا بخار فشار بالا است.
- جریان سرد: سیالی که با دریافت انرژی از دمای پایین به دمای بالاتر گرم میشود، مانند آب خنککننده در مبدلهای حرارتی صنعتی.
شناخت دقیق منابع حرارتی به مهندسان کمک میکند تا انتخاب مناسب مبدل، جنس لولهها و سطح انتقال حرارت را با دقت بیشتری انجام دهند و از اتلاف انرژی جلوگیری کنند.
حالت اشباع
حالت اشباع به شرایطی گفته میشود که در آن دو فاز مایع و بخار در دما و فشار ثابت در تعادل باشند.
- بخار اشباع: بخار آماده تشکیل اولین قطره مایع است و نشاندهنده نقطه شروع میعان است.
- مایع اشباع: مایع آماده تشکیل اولین حباب گاز است و نقطه شروع تبخیر محسوب میشود.
در طراحی مبدلها، توجه به حالت اشباع اهمیت زیادی دارد، زیرا اختلاف دما بین دو سیال باید به گونهای تنظیم شود که فرآیند تبخیر یا میعان با حداکثر بازده انجام شود.
انتقال حرارت
انتقال حرارت فرآیندی است که طی آن انرژی از نقطهای با دمای بالاتر به نقطهای با دمای پایینتر منتقل میشود. این فرآیند در مبدلهای حرارتی نقش اساسی دارد و از سه مکانیزم اصلی مکانیزم هدایتی (conduction)، تشعشعی (radiation) و جابجائی (convection) پیروی میکند:
- انتقال حرارتی هدایتی: در انتقال هدایتی، انرژی از طریق برخورد بین اتمها و مولکولهای ماده منتقل میشود. این مکانیزم عمدتاً در دیوارههای جامد مبدلها اتفاق میافتد و جنس مواد و ضخامت دیوارهها تأثیر مستقیم بر سرعت انتقال حرارت دارد.
- انتقال حرارتی جابجائی: انتقال حرارتی جابجائی در سیالات رخ میدهد و به حرکت و اختلاط جریان گرم و سرد بستگی دارد. این مکانیزم در طراحی مبدل پوسته و لوله و مبدل صفحهای اهمیت زیادی دارد، زیرا جریان سیال تعیینکننده ضریب انتقال حرارت است.
- انتقال حرارت تشعشعی: انتقال حرارت تشعشعی بر اساس انتشار امواج الکترومغناطیسی از یک منبع گرم به ماده دیگر اتفاق میافتد و در دماهای بسیار بالا قابل توجه است. در برخی صنایع مانند ذوب فلزات یا نیروگاههای حرارتی، این مکانیزم بخشی از کل انتقال حرارت را تشکیل میدهد.
ضرایب انتقال حرارت
ضریب هدایت حرارتی: این ضریب ویژگی ترموفیزیکی ماده است و نشاندهنده مقاومت ماده در برابر جریان گرما میباشد. جنس ماده، ترکیب شیمیایی و حالت فیزیکی آن بر ضریب هدایت حرارتی تأثیر مستقیم دارد.
ضریب انتقال حرارت جابجائی: این ضریب نسبت میزان انرژی حرارتی مبادله شده به اختلاف دمای دو سطح تبادلکننده است و تابع شرایط جریان، خواص فیزیکی سیال، شکل هندسی و ابعاد سطح انتقال حرارت میباشد.
ضریب کلی انتقال حرارت: ضریب کلی نسبت معکوس مجموع مقاومتهای حرارتی بین دو سطح تبادلکننده انرژی بر واحد سطح است. این ضریب یکی از مهمترین پارامترها در تعیین بازده مبدل است و اندازه و نوع مبدل باید طوری انتخاب شود که ضریب کلی بهینه گردد.
برای مثال، اگر ضریب کلی انتقال حرارت پایین باشد، برای رسیدن به همان میزان انتقال انرژی، سطح تبادل حرارت بزرگتری نیاز است که هزینه ساخت و نگهداری مبدل افزایش مییابد.
جمعبندی
شناخت و درک اصطلاحات پایهای مبدلهای حرارتی، از جمله گرمای محسوس و نهان، تبخیر و میعان، حالت اشباع و ضرایب انتقال حرارت، برای طراحی و بهرهبرداری بهینه مبدلهای حرارتی در پالایشگاه ضروری است. این مفاهیم به مهندسان کمک میکنند تا انتخاب نوع مبدل حرارتی، سطح تبادل حرارت و شرایط عملیاتی را به دقت انجام دهند و بازده انرژی را به حداکثر برسانند. همچنین توجه به مکانیزمهای انتقال حرارت و ضرایب مرتبط، از هدررفت انرژی جلوگیری کرده و ایمنی و کارایی فرآیندهای صنعتی را افزایش میدهد. در نهایت، آشنایی عملی با این مفاهیم، پایهای برای تصمیمگیریهای مهندسی و نگهداری مبدلهای حرارتی با کارایی بالا و هزینه مناسب فراهم میکند.
