نقل الحرارة

غالبًا ما يُنتَج البخار لتوفير نقل حرارة لعملية ما. تُشرح أنماط نقل الحرارة (التوصيل، الحمل، الإشعاع) داخل أو بين الأوساط، إلى جانب الحسابات ومسائل أخرى مثل حواجز نقل الحرارة.

في نظام تسخين بالبخار، الغرض الوحيد من إنتاج وتوزيع البخار هو توفير الحرارة على سطح نقل الحرارة للعملية. إذا كان معدل إدخال الحرارة المطلوب وضغط البخار معروفين، فيمكن تحديد معدل استهلاك البخار الضروري. سيتيح هذا تحديد حجم الغلاية وتوزيع البخار.

متى ما وجد تدرج درجة حرارة، إما داخل وسط أو بين أوساط، فسيحدث نقل الحرارة. قد يأخذ شكل التوصيل أو الحمل أو الإشعاع.

التوصيل

عندما يوجد تدرج درجة حرارة في وسط صلب أو ساكن، يُعرف نقل الحرارة الذي يحدث بالتوصيل. عندما تتصادم الجزيئات المتجاورة في سائل، تنتقل الطاقة من الجزيئات الأكثر طاقة إلى الجزيئات الأقل طاقة. نظرًا لأن درجات الحرارة الأعلى مرتبطة بطاقة جزيئية أعلى، يجب أن يحدث التوصيل في اتجاه انخفاض درجة الحرارة. يمكن ملاحظة هذه الظاهرة في كل من السوائل والغازات. ومع ذلك، في السوائل تكون التفاعلات الجزيئية أقوى وأكثر تكرارًا، حيث تكون الجزيئات أقرب إلى بعضها. في المواد الصلبة، يُسبب التوصيل بالنشاط الذري لاهتزازات الشبكة كما هو موضح في الوحدة 2.2. المعادلة المستخدمة للتعبير عن نقل الحرارة بالتوصيل تُعرف بقانون فورييه. حيث يوجد توزيع خطي لدرجة الحرارة في ظروف الحالة المستقرة، لجدار مستوٍ أبعادي واحد يمكن كتابتها كالتالي:

مثال 2.5.1

لن考虑 جدار مستوٍ مبني من الحديد الصلب مع ناقلية حرارية 70 واط/م درجة مئوية، وسمك 25 مم. لديه مساحة سطح 0.3 م × 0.5 م، بدرجة حرارة 150 درجة مئوية على جانب و80 درجة مئوية على الآخر.

الناقلية الحرارية هي خاصية مميزة لمادة الجدار وتعتمد على درجة الحرارة. يُظهر الجدول 2.5.1 تغير الناقلية الحرارية مع درجة الحرارة لمختلف المعادن الشائعة.

الجدول 2.5.1 الناقلية الحرارية (واط/م درجة مئوية)

بالنظر إلى آلية نقل الحرارة في التوصيل، بشكل عام ستكون الناقلية الحرارية للصلب أكبر بكثير من السائل، وستكون الناقلية الحرارية للسائل أكبر من الغاز. الهواء له ناقلية حرارية منخفضة بشكل خاص ولهذا السبب غالبًا ما تحتوي مواد العزل على الكثير من الفراغات الهوائية.

الحمل

نقل الطاقة الحرارية بين سطح وسائل متحرك بدرجات حرارة مختلفة يُعرف بالحمل. هو في الواقع مزيج من آليات الانتشار والحركة العامة للجزيئات. بالقرب من السطح حيث تكون سرعة السائل منخفضة، يهيمن الانتشار (أو الحركة الجزيئية العشوائية). ومع ذلك، بالابتعاد عن السطح، تكتسب الحركة العامة تأثيرًا متزايدًا. قد يأخذ نقل الحرارة بالحمل شكل الحمل القسري أو الحمل الطبيعي. يحدث الحمل القسري عندما يُحث تدفق السائل بقوة خارجية، مثل مضخة أو مُحرّك.

على العكس، يُسبب الحمل الطبيعي بقوى الطفو، بسبب اختلافات الكثافة الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة في السائل. يُشار أيضًا إلى نقل الطاقة الحرارية الناتج عن تغيير في الطور، مثل الغليان أو التكثف، كعملية نقل حرارة بالحمل. معادلة الحمل معبر عنها بالمعادلة 2.5.2 وهي اشتقاق من قانون نيوتن للتبريد:

مثال 2.5.2

لن consider سطح مستوٍ 0.4 م × 0.9 م عند درجة حرارة 20 درجة مئوية. سائل يتدفق فوق السطح بدرجة حرارة شاملة 50 درجة مئوية. معامل نقل الحرارة بالحمل (h) هو 1600 واط/م² درجة مئوية.

الإشعاع

نقل الحرارة بسبب انبعاث الطاقة من الأسطح على شكل موجات كهرومغناطيسية يُعرف بالإشعاع الحراري. في غياب وسيط تدخلي، يوجد نقل صافي للحرارة بين سطحين بدرجات حرارة مختلفة. لا يعتمد هذا الشكل من نقل الحرارة على وسيط مادي، وهو في الواقع أكثر كفاءة في الفراغ.

في معظم المواقف العملية، من غير المعتاد أن تنتقل جميع الطاقة بنمط واحد فقط من نقل الحرارة. ستكون عملية نقل الحرارة الإجمالية عادةً مزيجًا من آليتين أو أكثر مختلفة.

المعادلة العامة المستخدمة لحساب نقل الحرارة عبر سطح مُستخدم في إجراء التصميم وتشكل جزءًا من نظرية تبادل الحرارة هي:

معامل نقل الحرارة الإجمالي (U)

يأخذ هذا في الاعتبار مقاومة التوصيل والحمل بين سائلين مفصولين بجدار صلب. معامل نقل الحرارة الإجمالي هو مقلوب المقاومة الإجمالية لنقل الحرارة، وهي مجموع المقاومات الفردية. قد يأخذ معامل نقل الحرارة الإجمالي أيضًا في الاعتبار درجة تراكم الأوساخ في عملية نقل الحرارة. ترسب فيلم أو طبقة حجر على سطح نقل الحرارة سيقلل بشكل كبير من معدل نقل الحرارة. يمثل عامل الأوساخ المقاومة الحرارية الإضافية الناتجة عن شوائب السائل، أو تكوّن الصدأ أو تفاعلات أخرى بين السائل والجدار. يعتمد حجم المعاملات الفردية على طبيعة عملية نقل الحرارة، والخصائص الفيزيائية للسوائل، ومعدلات تدفق السائل والتخطيط المادي لسطح نقل الحرارة. بما أن التخطيط المادي لا يمكن تحديده حتى يتم تحديد مساحة نقل الحرارة، فإن تصميم المبادل الحراري هو بالضرورة إجراء تكراري. نقطة البداية لهذا الإجراء تتضمن عادة اختيار قيم نموذجية لمعامل نقل الحرارة الإجمالي لمختلف أنواع المبادلات الحرارية. الحساب الدقيق لمعاملات نقل الحرارة الفردية هو إجراء معقد، وفي كثير من الحالات لا يكون ممكنًا بسبب بعض المعلمات المجهولة. لذلك، استخدام القيم المعروفة النموذجية لمعامل نقل الحرارة الإجمالي سيكون مناسبًا للأغراض العملية.

فرق درجة الحرارة (ΔT)

ينص قانون نيوتن للتبريد على أن معدل نقل الحرارة مرتبط بفرق درجة الحرارة اللحظي بين الوسطين الساخن والبارد. في عملية نقل الحرارة، سيتغير هذا الفرق في درجة الحرارة إما بالموقع أو بالزمن. لذلك طُوّرت معادلة نقل الحرارة العامة كامتداد لقانون نيوتن للتبريد، حيث يُستخدم متوسط فرق درجة الحرارة لتحديد مساحة نقل الحرارة المطلوبة لواجب حراري معين.

متوسط فرق درجة الحرارة (∆TM)

تحديد متوسط فرق درجة الحرارة في عملية النوع المتدفق مثل المبادل الحراري سيعتمد على اتجاه التدفق. قد تتدفق السوائل الأولية والثانوية في نفس الاتجاه (تدفق متوازي/تدفق متحدد)، أو في الاتجاه المعاكس (تدفق متعاكس)، أو عموديًا على بعضها (تدفق متقاطع). عند استخدام بخار مشبع يُؤخذ مائع درجة حرارة السائل الأولي كثابت، لأن الحرارة تنتقل نتيجة تغيير في الطور فقط. النتيجة أن المقطع الحراري لم يعد يعتمد على اتجاه التدفق. ومع ذلك، مع مرور السائل الثانوي فوق سطح نقل الحرارة، يحدث أعلى معدل نقل الحرارة عند المدخل ويتراجع تدريجيًا على طول مساره إلى المخرج. هذا ببساطة لأن فرق درجة الحرارة بين البخار والسائل الثانوي ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة الثانوية. المقطع الحراري الناتج للبخار والسائل الثانوي نموذجي كما هو موضح في الشكل 2.5.1.

ارتفاع درجة الحرارة الثانوية غير خطي ويُمثل بشكل أفضل بحساب لوغاريتمي. لهذا الغرض يُسمى متوسط فرق درجة الحرارة المختار متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي أو LMTD أو ΔTLM.

طريقة أسهل (لكن أقل دقة) لحساب متوسط فرق درجة الحرارة هي النظر في متوسط فرق درجة الحرارة الحسابي أو AMTD أو ΔTAM. ينظر هذا في ارتفاع خطي في درجة حرارة السائل الثانوي وللحسابات اليدوية السريعة، سيعطي عادة تقديرًا مُرضيًا لمتوسط فرق درجة الحرارة الذي سيُستخدم في المعادلة 2.5.3. المقطع الحراري AMTD موضح في الشكل 2.5.2.

للبخار، حيث تظل درجة حرارة السائل الأولي (البخار) ثابتة، يمكن تبسيط هذه المعادلة إلى:

لأنه لا يوجد تغيير في درجة الحرارة على جانب البخار، يوفر AMTD عادةً تحليلًا مُرضيًا لعملية نقل الحرارة، والذي يسهل التعامل معه في الحسابات اليدوية.

ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي، والذي يأخذ في الاعتبار التغيير غير الخطي في درجة حرارة السائل الثانوي.

متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي (LMTD):​

تفترض كلتا المعادلتين 2.5.4 و2.5.5 عدم وجود تغيير في الحرارة النوعية أو معامل نقل الحرارة الإجمالي، وعدم وجود خسائر حرارة. في الواقع قد تتغير الحرارة النوعية نتيجة تغيرات درجة الحرارة. قد يتغير أيضًا معامل نقل الحرارة الإجمالي بسبب تغيرات في خصائص السائل وظروف التدفق. ومع ذلك، في معظم التطبيقات ستكون الانحرافات شبه مهملة واستخدام القيم المتوسطة سيكون مقبولًا تمامًا. في كثير من الحالات ستكون معدات تبادل الحرارة معزولة عن محيطاتها، لكن العزل لن يكون فعالًا بنسبة 100%. لذلك، قد لا تمثل الطاقة المنقولة بين البخار والسائل الثانوي كل الحرارة المفقودة من السائل الأولي.

مثال 2.5.3

يُستخدم بخار عند 2 بار ج لتسخين ماء من 20 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية. درجة حرارة تشبع البخار عند 2 بار ج هي 134 درجة مئوية. حدد متوسط فرق درجة الحرارة الحسابي واللوغاريتمي:

في هذا المثال يكون لـ AMTD و LMTD قيمة متشابهة. هذا لأن ارتفاع درجة حرارة السائل الثانوي صغير مقارنة بفرق درجة الحرارة بين السائلين.

مثال 2.5.4

لن consider خزان سائل عملي مُضغوط، يُسخن من 10 درجات مئوية إلى 120 درجة مئوية باستخدام بخار عند 4.0 بار ج. درجة حرارة تشبع البخار عند 4.0 بار ج هي 152 درجة مئوية. حدد متوسط فرق درجة الحرارة الحسابي واللوغاريتمي:

لأن ارتفاع درجة حرارة السائل الثانوي كبير مقارنة بفرق درجة الحرارة بين السائلين، يكون الاختلاف بين النتيجتين أكثر أهمية.

باستخدام AMTD بدلاً من LMTD، ستكون مساحة نقل الحرارة المحسوبة أصغر بنسبة 15% تقريبًا من المطلوبة.

حواجز نقل الحرارة

قد لا يكون الجدار المعدني هو الحاجز الوحيد في عملية نقل الحرارة. من المرجح أن يكون هناك فيلم من الهواء والمكثف والحجر على جانب البخار. على جانب المنتج قد يكون هناك أيضًا منتج مُخبوز أو حجر، وفيلم ساكن من المنتج. تحريك المنتج قد يُلغي تأثير الفيلم الساكن، بينما يجب أن يقلل التنظيف المنتظم على جانب المنتج من الحجر. التنظيف المنتظم لسطح جانب البخار قد يزيد أيضًا من معدل نقل الحرارة بتقليل سُمك أي طبقة من الحجر، ومع ذلك، قد لا يكون هذا ممكنًا دائمًا. يمكن أيضًا تقليل هذه الطبقة بالانتباه الدقيق للتشغيل الصحيح للغلاية، وإزالة قطرات الماء الحاملة للشوائب من الغلاية.

التكثف بال�يلم

إزالة فيلم المكثف ليست بسيطة تمامًا. مع تكثف البخار لتقديم benthapy التبخر، قد تتكون قطرات ماء على سطح نقل الحرارة. قد تندمج بعد ذلك معًا لتكوين فيلم مستمر من المكثف. قد يكون فيلم المكثف بين 100 و150 مرة أكثر مقاومة لنقل الحرارة من سطح تسخين فولاذي، و500 إلى 600 مرة أكثر مقاومة من النحاس.

التكثف بالقطرات

إذا لم تندمج قطرات الماء على سطح نقل الحرارة فورًا ولم يتكوّن فيلم مكثف مستمر، يحدث التكثف “بالقطرات”. معدلات نقل الحرارة التي يمكن تحقيقها أثناء التكثف بالقطرات، أعلى عمومًا بكثير من تلك المحققة أثناء التكثف بالأفلام. بما أن نسبة أكبر من سطح نقل الحرارة مكشوفة أثناء التكثف بالقطرات، قد تكون معاملات نقل الحرارة أكبر بما يصل إلى عشر مرات من معاملات التكثف بالأفلام. في تصميم المبادلات الحرارية حيث يُعزّز التكثف بالقطرات، غالبًا ما تكون المقاومة الحرارية الناتجة مُهمَلة مقارنة بحواجز نقل الحرارة الأخرى. ومع ذلك، أثبتت الحفاظ على الظروف المناسبة للتكثف بالقطرات أنها صعبة التحقيق للغاية. إذا كان السطح مطليًا بمادة تثبط البلل، فقد يكون من الممكن الحفاظ على التكثف بالقطرات لفترة من الوقت. لهذا الغرض، يُطبّق أحيانًا نطاق من الطلاءات السطحية مثل السيليكون والـ PTFE ومجموعة متنوعة من الشموع والأحماض الدهنية على الأسطح في مبادل حراري يُراد عليه تعزيز التكثف. ومع ذلك، ستفقد هذه الطلاءات فعاليتها تدريجيًا بسبب عمليات مثل الأكسدة أو تراكم الأوساخ، وسيسود في نهاية المطاف التكثف بالأفلام. بما أن الهواء عازل جيد جدًا، فإنه يوفر مقاومة أكبر لنقل الحرارة. قد يكون الهواء بين 1500 و3000 مرة أكثر مقاومة لتدفق الحرارة من الفولاذ، و8000 إلى 16000 مرة أكثر مقاومة من النحاس. هذا يعني أن فيلم هواء بسُمك 0.025 مم فقط قد يقاوم نفس كمية نقل الحرارة مثل جدار نحاسي بسُمك 400 مم! بالطبع تعتمد جميع هذه العلاقات المقارنة على المقطع الحراري عبر كل طبقة. يوضح الشكل 2.5.4 تأثير هذا المزيج من الطبقات على عملية نقل الحرارة. هذه الحواجز لنقل الحرارة لا تزيد فقط من سُمك طبقة التوصيل بأكملها، بل تقلل أيضًا بشكل كبير من متوسط الناقلية الحرارية للطبقة. كلما زادت مقاومة الطبقة لتدفق الحرارة، زاد احتمال أن يكون تدرج درجة الحرارة أكبر. هذا يعني أنه لتحقيق نفس درجة حرارة المنتج المطلوبة، قد يحتاج ضغط البخار إلى أن يكون أعلى بشكل ملحوظ. وجود أفلام الهواء والماء على أسطح نقل الحرارة لتطبيقات التدفئة بالعملية أو الفضاء ليس غير معتاد. يحدث في جميع وحدات التدفئة بالبخار إلى حد ما. لتحقيق إنتاج المنتج المطلوب وتقليل تكلفة عمليات البخار العملي، يمكن الحفاظ على أداء تسخين عالٍ بتقليل سُمك الأفلام على سطح التكثف. في الممارسة العملية، سيكون للهواء عادةً التأثير الأكثر أهمية على كفاءة نقل الحرارة، وإزالته من إمداد البخار سيعزز أداء التسخين.

تحديد معامل نقل الحرارة الإجمالي (قيمة U)

المصطلحات الخمسة الرئيسية الشائعة الارتباط المرتبطة بموضوع نقل الحرارة هي:

1. معدل تدفق الحرارة Q̇ (واط)
2. الناقلية الحرارية k (واط/م درجة مئوية)
3. المقاومة الحرارية r (م درجة مئوية/واط)
4. المقاومة الحرارية R (م2 درجة مئوية/واط)
5. نقل الحرارة U (واط/م2 درجة مئوية) النص التالي في هذه الوحدة يصفها وكيف ترتبط ببعضها. الطريقة التقليدية لحساب نقل الحرارة عبر جدار مستوٍ تنظر في استخدام معامل نقل الحرارة الإجمالي ‘U’، أو بشكل صحيح أكثر، النقل الحراري الإجمالي بين جانب الجدار والآخر. يُقتبس قيم U لنطاق واسع وcombination من المواد والسوائل وعادة ما تتأثر بالبيانات التجريبية وخبرات التشغيل. أفلام المكثف والهواء والحجر والمنتج المذكورة سابقًا على جانبي الجدار المعدني يمكن أن يكون لها تأثير ملحوظ على النقل الحراري الإجمالي ولهذا السبب، من ال值得 النظر في مسألة نقل الحرارة بأكملها عبر جدار مستوٍ بسيط ثم حاجز متعدد الطبقات.

نقل الحرارة بالتوصيل عبر جدار مستوٍ بسيط

طريقة جيدة للبدء هي النظر في أبسط حالة ممكنة، جدار معدني بخصائص حرارية موحّدة ودرجات حرارة سطح محددة.

T1 و T2 هما درجتا حرارة السطح على جانبي الجدار المعدني، بسُمك L؛ وفرق درجة الحرارة بين السطحين هو ΔT.

بتجاهل المقاومة المحتملة لتدفق الحرارة على السطحين، يمكن اشتقاق عملية تدفق الحرارة عبر الجدار من قانون فورييه للتوصيل كما هو موضح في المعادلة 2.5.1. يشير مصطلح “حاجز” إلى فيلم مقاوم للحرارة أو الجدار المعدني لمبادل حراري.

يمكن ملاحظة من تعريفاتهم في المعادلة 2.5.6 أن χ/k هو سُمك الحاجز مقسومًا على خاصية الناقلية الحرارية المتأصلة. تنص الحسابات البسيطة على أنه إذا زاد طول (χ) للحاجز، ستزداد قيمة χ/k، وإذا زادت قيمة ناقلية الحاجز (k)، فستنخفض قيمة χ/k. سمة تتصرف بهذه الطريقة هي المقاومة الحرارية.

إذا زاد طول الحاجز، تزداد المقاومة لتدفق الحرارة؛ وإذا زادت ناقلية مادة الحاجز تنخفض المقاومة لتدفق الحرارة. يمكن استنتاج أن مصطلح χ/k في المعادلة 2.5.6 يرتبط بالمقاومة الحرارية لحاجز بطول معروف. نتائج نظرية الكهرباء البسيطة توازي المعادلات المتعلقة بتدفق الحرارة. على وجه الخصوص، مفهوم إضافة المقاومات على التوالي ممكن، وأداة مفيدة عند تحليل نقل الحرارة عبر حاجز متعدد الطبقات، كما سيُرى في قسم لاحق من هذه الوحدة. يمكن الآن إعادة صياغة المعادلة 2.5.6 من حيث المقاومة الحرارية، حيث:

كما هو موضح في المعادلة 2.5.7

تشير المقاومة الحرارية إلى سمة حاجز معين، وستتغير وفقًا لسُمكه وناقليته.

على العكس، لا تتغير قدرة الحاجز على مقاومة تدفق الحرارة، لأن هذه خاصية فيزيائية لمادة الحاجز. تُسمى هذه الخاصية “المقاومة الحرارية النوعية”؛ وهي عكس الناقلية الحرارية ومعروضة في المعادلة 2.5.8.

ربط المقاومة الإجمالية بقيمة U الإجمالية

المشكلة المعتادة التي يجب حلها في تطبيقات نقل الحرارة هي معدل نقل الحرارة، وهذا يمكن رؤيته من صيغة نقل الحرارة العامة، المعادلة 2.5.3.

تدفق الحرارة عبر حاجز متعدد الطبقات

كما رُأي في الشكل 2.5.4، يكون التطبيق العملي هو الجدار المعدني لأنبوب مبادل حراري أو لوح يستخدم البخار على جانب لتسخين الماء على الجانب الآخر. يمكن أيضًا ملاحظة وجود حواجز أخرى مختلفة تبطئ تدفق الحرارة، مثل فيلم الهواء، وفيلم المكثف، وفيلم الحجر، وفيلم ثابت من الماء الثانوي مجاور مباشرة لسطح التسخين. يمكن التفكير في هذه الأفلام على أنها “تُلوّث” تدفق الحرارة عبر الحاجز، وبالتالي تُعتبر هذه المقاومات من قبل مصممي المبادلات الحرارية كـ “عوامل أوساخ”. جميع هذه الأفلام، بالإضافة إلى مقاومة الجدار المعدني، تشكل مقاومة لتدفق الحرارة وكما في الدائرة الكهربائية، يمكن جمع هذه المقاومات لتكوين مقاومة إجمالية. لذلك:

بما أن المقاومة هي χ/k كما هو موضح في المعادلة 2.5.6، يمكن إعادة كتابة المعادلة 2.5.10 كمعادلة 2.5.11:

الجدول 2.5.2 النواقل الحرارية النموذجية لمختلف المواد

ستتغير النواقل الحرارية حسب مادة الفيلم (ودرجة الحرارة). على سبيل المثال، الهواء لديه تقريبًا ثلاثين مرة مقاومة أكبر لتدفق الحرارة من الماء. لهذا السبب، من الأهمية بمكان نسبية إزالة الهواء من إمداد البخار قبل وصوله إلى المبادل الحراري، من إزالة الماء على شكل بخار مبلل. بالطبع، من الحكمة إزالة البخار المبلل في نفس الوقت.

مقاومة الهواء للفولاذ تقريبًا ألفي مرة أكثر، ومقاومة الهواء للنحاس تقريبًا عشرين ألف مرة أكثر. بسبب المقاومات العالية للهواء والماء مقارنة بالفولاذ والنحاس، يمكن أن يكون تأثير الأسماء الصغيرة من الهواء والماء على المقاومة الإجمالية لتدفق الحرارة كبيرًا نسبيًا. لا يوجد فائدة من تغيير نظام نقل حرارة فولاذي إلى نحاسي إذا كانت أفلام الهواء والماء لا تزال موجودة؛ سيكون هناك تحسن طفيف في الأداء، كما سيُثبت في المثال 2.5.5. يمكن القضاء على أفلام الهواء والماء على جانب البخار بممارسة هندسية جيدة ببساطة بتثبيت فاصل ومجموعة مصائد عائمة في إمداد البخار قبل صمام التحكم. يمكن أيضًا تقليل أفلام الحجر على جانب البخار بتركيب مُرشّحات في نفس الخط. الحجر على جانب المنتج أصعب قليلًا في المعالجة، لكن التنظيف المنتظم للمبادلات الحرارية هو أحيانًا حل واحد لهذه المشكلة. طريقة أخرى لتقليل تراكم الحجر هي تشغيل المبادلات الحرارية عند ضغوط بخار أقل؛ يقلل هذا من درجة حرارة البخار وميول تكوّن الحجر من المنتج، خاصة إذا كان المنتج محلولًا مثل الحليب.

مثال 2.5.5

لن consider مبادل حراري من بخار إلى ماء حيث فيلم الهواء وفيلم المكثف والحجر على جانب البخار بسُمك 0.2 مم؛ على جانب الماء، أفلام الماء والحجر بسُمك 0.05 مم و0.1 مم على التوالي. سُمك سطح التسخين المعدني الفولاذي هو 6 مم.

الجدول 2.5.3 مقاومة الحواجز بما في ذلك الأنبوب الفولاذي

من المعادلة 2.5.6: 1. احسب قيمة U الإجمالية (U1) من الظروف الموضحة في الجدول 2.5.3

2. أزل الهواء والمكثف من إمداد البخار

الآن ن consider نفس المبادل الحراري حيث أُزيل الهواء والمكثف بواسطة فاصل في إمداد البخار.

احسب U2

يمكن ملاحظة من U2 أنه بتركيب فاصل في إمداد البخار لهذا المبادل الحراري، وبافتراض أن جميع الهواء والمكثف أُزيل من البخار، يكون النقل الحراري أكثر من 11 مرة أكبر من القيمة الأصلية. 3. أزل الحجر على جانبي البخار والماء الآن ن consider تقليل الحجر على جانب البخار بتركيب مُرشّح في خط البخار، وتقليل الحجر على جانب الماء بالعمل عند ضغط بخار أقل. احسب U3

زاد النقل الحراري أربعة أضعاف أخرى بالقضاء على الحجر. 4. عد إلى الظروف الأصلية لكن انتقل من الأنبوب الفولاذي إلى الأنبوب النحاسي بنفس السُمك.

الجدول 2.5.4 مقاومة الحواجز بما في ذلك الأنبوب النحاسي

احسب U4

يمكن ملاحظة أن الناقلية الأكبر التي يقدمها النحاس على الفولاذ لم تُحدث فرقًا كبيرًا في النقل الحراري الإجمالي للمبادل الحراري، بسبب التأثير المهيمن للهواء وعوامل الأوساخ الأخرى.

يرجى ملاحظة أنه في الممارسة العملية، سؤثر عوامل أخرى على قيمة U الإجمالية، مثل سرعات البخار والماء المارين عبر أنابيب أو ألواح المبادل الحراري، ومزيج نقل الحرارة بالإشعاع والحمل. أيضًا، من غير المرجح أن يؤدي تركيب فاصل ومُرشّح إلى القضاء التام على وجود الهواء والبخار المبلل والحجر من داخل المبادل الحراري. الحسابات أعلاه تُظهر فقط لإبراز تأثيرات هذه على نقل الحرارة. ومع ذلك، أي محاولة لإزالة هذه الحواجز من النظام ستثبت generally ناجحة، ومضمون تقريبًا لزيادة نقل الحرارة في معدات ومعدات التدفئة بالبخار بمجرد القيام بذلك. بدلًا من الحاجة إلى حساب المقاومات الفردية لحواجز الأفلام، توجد جداول تعرض قيم U الإجمالية لمختلف أنواع تطبيقات تبادل الحرارة مثل تسخين اللفائف البخارية للماء أو الزيت. هذه موثقة في الوحدة 2.10، “التسخين باللفائف والأغلفة”. تختلف قيم U للمبادلات الحرارية بشكل ملحوظ بسبب عوامل مثل التصميم (بناء “غلاف وأنابيب” أو “لوح وإطار”)، مادة البناء، ونوع السوائل المشاركة في وظيفة نقل الحرارة.