انتقال حرارت

انتقال حرارت یکی از پایه‌ای‌ترین مفاهیم در ترمودینامیک و مهندسی مکانیک است. حرارت همواره از محیط با دمای بالاتر به سمت محیط با دمای کمتر منتقل می‌شود. این انتقال به سه روش اساسی انجام می‌پذیرد که هرکدام با مکانیزم‌های فیزیکی متفاوتی رفتار می‌کند.

رسانش حرارتی (Conduction) انتقال حرارت از طریق تماس مستقیم بین اجسام یا مواد است. در این فرایند، گرما از یک نقطه با دمای بالاتر به نقطه‌ای با دمای کمتر منتقل می‌شود، بدون اینکه ماده به صورت کل حرکت کند. مکانیزم رسانش بر اساس انتقال انرژی جنبشی بین ذرات است. در مواد جامد، اتم‌ها و مولکول‌های واقع در مناطق گرمتر با سرعت بیشتری نوسان می‌کنند. از معادله‌ی فوریه برای محاسبه‌ی میزان انتقال حرارت به صورت زیر استفاده می شود:

در این معادله، Q نرخ انتقال حرارت بر حسب وات، k ضریب رسانندگی حرارتی بر حسب متر بر کلوین و A مساحت سطح بر حسب مترمربع و   گرادیان دما بر حسب  کلوین بر متر می باشد.

همرفتی حرارتی (Convection) انتقال حرارت به وسیله‌ی حرکت مایع یا گاز است. برخلاف رسانش، در همرفت، خود سیال حامل انرژی است و آن را از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر منتقل می‌کند. این فرایند فقط در سیالات (مایعات و گازها) رخ می‌دهد و دو نوع است: همرفتی طبیعی و همرفتی اجباری. در همرفتی طبیعی، حرکت سیال بر اثر تفاوت چگالی می باشد. به این صورت که سیال گرمتر چگالی کمتری دارد و بالا می‌رود، درحالی‌که سیال سردتر چگالی بیشتری دارد و پایین می‌آید. در همرفتی اجباری، یک دستگاه خارجی (مثل یک پمپ یا فن) سیال را مجبور به حرکت می‌کند. از معادله‌ی نیوتن برای محاسبه‌ی انتقال حرارت با همرفت به صورت زیر استفاده می شود:

در این معادله، h ضریب انتقال حرارت همرفتی بر حسب وات بر متر مربع کلوین،A مساحت سطح،  دمای سطح و  دمای سیال بر حسب کلوین می باشد.

تابش حرارتی (Radiation) انتقال انرژی از طریق امواج الکترومغناطیسی است. برخلاف رسانش و همرفت، تابش نیازی به محیط واسط ندارد و حتی در خلأ نیز می‌تواند انجام شود. همه‌ی اجسام در دمای بالاتر از صفر مطلق، تابش حرارتی ساطع می‌کنند. از قانون استفان-بولتزمن برای محاسبه‌ی انتقال حرارت تابشی به صورت زیر استفاده می شود:

در این معادله، ثابت استفان-بولتزمن،  ضریب گسیل می باشد.

در مبدل‌های حرارتی، حرارت باید از سیال گرم، از طریق دیواره‌ی جداکننده، به سیال سرد منتقل شود. این فرایند شامل سه مرحله‌ی متوالی است: همرفت در سیال گرم، رسانش در دیواره، و همرفت در سیال سرد است که هر یک از این مراحل یک مقاومت حرارتی ایجاد می‌کند.

مبدل لوله‌ (Double Pipe Heat Exchanger) از دو لوله‌ی هم‌محور تشکیل شده است. لوله‌ی داخلی کوچک‌تر یک سیال را حمل می‌کند، درحالی‌که فضای حلقوی بین دو لوله سیال دیگری را می‌گذراند. این دو سیال می‌توانند به صورت جریان موازی یا جریان معکوس حرکت کنند. جریان معکوس بسیار موثرتر است زیرا میانگین اختلاف دما در طول مبدل بزرگ‌تر است. این نوع مبدل به دلیل سادگی و هزینه‌ی کم ساخت برای کاربردهای کوچک صنعتی استفاده می‌شود.

مبدل پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchanger) رایج‌ترین و صنعتی‌ترین نوع مبدل است. این مبدل از یک پوسته‌ی بسیار بزرگ تشکیل شده است که درون آن، بسته‌ای از لوله‌های موازی قرار دارد. یک سیال از داخل لوله‌ها جریان می‌یابد، درحالی‌که سیال دیگر از اطراف لوله‌ها جریان می‌یابد. این مبدل‌ها قادر هستند تا میزان حرارت بسیار زیادی را منتقل کنند و می‌توانند در فشار و دمای بالا کار کنند. که از آن‌ها در نیروگاه‌ها، تأسیسات شیمیایی، و بسیاری از صنایع صنعتی استفاده می‌شوند.

مبدل صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger) از صفحات نازکی تشکیل شده است که به صورت موازی یکدیگر قرار گرفته اند. بین صفحات، شیارهای محدب وجود دارند که سیالات از میان آن‌ها جریان می‌یابند. مبدل‌های صفحه‌ای دارای سطح انتقال حرارت بسیار زیاد نسبت به حجم کل هستند، بنابراین بسیار فشرده و کارآمد هستند. آن‌ها معمولاً در سیستم‌های تهویه‌مطبوع، تأسیسات غذایی، سیستم‌های تبرید، و کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند.

نحوه‌ی جریان دو سیال در مبدل بر میزان انتقال حرارت تأثیر قابل‌توجهی دارد. در جریان موازی، هر دو سیال از یک طرف مبدل وارد می‌شوند و از طرف دیگر خارج می‌شوند. در جریان معکوس، دو سیال از طرف‌های مختلف مبدل وارد می‌شوند و در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند. این پیکربندی بسیار موثرتر است زیرا میانگین اختلاف دما در طول مبدل بیشتر است.

اثربخشی مبدل (Effectiveness) نسبت حرارت واقعی منتقل‌شده به حرارت حداکثری است که می‌تواند منتقل شود. اثربخشی همواره بین صفر و یک است و مبدل با اثربخشی بالاتر بهتر است.

دستگاه RH205 میز انتقال حرارت می باشد که امکان بررسی و مقایسه عملکرد سه نوع مبدل رایج شامل مبدل پوسته و لوله، مبدل دو لوله‌ای و مبدل صفحه‌ای را فراهم می‌سازد. در این مجموعه: مبدل پوسته و لوله از اجزایی چون پوسته، لوله‌ها، تیوب شیت، کانال‌های ورودی و خروجی و بافل‌ها تشکیل شده است.

همچنین دستگاه RH138 مجموعه مبدل حرارتی نانو سیال می باشد. با این دستگاه امکان بررسی تاثیر نوع نانوسیال و تاثیر غلظت نانوسیال بر انتقال حرارت وجود دارد. همچنین رژیم جریان و دمای ورودی نانوسیال و سیال واسطه را می توان در این دستگاه مورد آزمایش و بررسی قرار داد.