ترمودینامیک مبدل های حرارتی

در زیر برخی از اصول ترمودینامیکی وجود دارد که برای درک نحوه عملکرد مبدل های حرارتی مفید هستند:

• قانون اول ترمودینامیک:قانون اول به عنوان قانون بقای انرژی نامیده می شود که می گوید انرژی (به شکل گرما و کار) نه ایجاد می شود و نه از بین می رود. فقط می توان آن را به سیستم دیگری منتقل کرد یا به یک شکل یا آن شکل تبدیل کرد. در مبدل های حرارتی، این عبارت با معادله تعادل حرارتی که به صورت زیر نوشته می شود ترجمه می شود:
  
  

  (Heat In) plus (Generation of Heat)=(Heat Out) plus (Acumulation of Heat)

  با فرض اینکه در یک جریان حالت پایدار کار می کند، به این معنی که خواص حرارتی در تمام نقاط با تغییر زمان ثابت می ماند، و سیستم آدیاباتیک (کاملا عایق) است، معادله تعادل حرارتی به Heat In=Heat Out ساده می شود. . این یکی از اساسی ترین معادلات است که در طراحی و عملکرد مبدل های حرارتی استفاده می شود.

• قانون دوم ترمودینامیک:قانون دوم مفهوم آنتروپی، درجه بی نظمی و تصادفی بودن یک سیستم را معرفی می کند. آنتروپی جهان پیوسته در حال افزایش است و هرگز نمی تواند کاهش یابد. جهت جریان انرژی بین دو سیستم متقابل که در آن بیشترین آنتروپی تولید می شود را به ما می گوید. گرما همیشه از جسمی با دمای بالاتر به دمای پایین تر منتقل می شود که این تمایل طبیعی همه سیستم ها است. برای مبدل های حرارتی، سیال سرد گرما می گیرد و دمای خود را افزایش می دهد و سیال داغ گرما را از دست می دهد و دمای خود را کاهش می دهد.

مکانیسم انتقال حرارت

مکانیزم درگیر در انتقال گرما در مبدل های حرارتی ترکیبی از هر دو رسانش و همرفت است. نیروی محرکه انتقال حرارت، اختلاف دمایی بین دمای ورودی و خروجی منهای دمای ورودی و خروجی جریان فرآیند است.

• دمای رویکرد:دمای نزدیک مبدل حرارتی، تفاوت بین دمای خروجی و ورودی یک جریان سیال منهای تفاوت بین دمای ورودی و خروجی جریان فرآیند است. با دمای نزدیک گرم، تفاوت بین دمای ورودی گرم و دمای خروجی سرد است. با دمای نزدیک به سرد، دمای نزدیک به سرد معکوس و دمای خروجی گرم وجود دارد.

  همه مبدل های حرارتی دارای یک دمای نزدیک بهینه هستند که باید هنگام تصمیم گیری برای خرید مبدل حرارتی در نظر گرفته شود، زیرا محاسبه اشتباه دمای نزدیک می تواند منجر به داشتن نوع اشتباه مبدل حرارتی برای یک فرآیند شود.

هدایت:این انتقال انرژی گرمایی با برخورد مستقیم مولکول های مجاور است. مولکولی با انرژی جنبشی بالاتر انرژی حرارتی را به مولکولی با انرژی جنبشی کمتر منتقل می کند. در جامدات با سهولت بیشتری رخ می دهد. برای مبدل های حرارتی، روی دیواری که دو سیال را از هم جدا می کند، قرار می گیرد. قانون هدایت حرارتی فوریه بیان می کند که سرعت انتقال حرارت نرمال به سطح مقطع ماده متناسب با گرادیان دمایی منفی است. ثابت تناسب رسانایی حرارتی ماده است.

Q = -k A

در جایی که Q نرخ انتقال حرارت، k هدایت حرارتی ماده، A ناحیه نرمال جهت جریان گرما و dT/dx گرادیان دما است.

Q = h A ΔT

در جایی که Q سرعت انتقال حرارت است، A ناحیه نرمال جهت جریان گرما است و ΔT اختلاف دمایی بین دیواره و سیال حجیم است. ضریب انتقال حرارت همرفتی که با h نشان داده می شود، بر اساس ابعاد دیواره، خواص فیزیکی سیال و ویژگی های جریان سیال ارزیابی می شود.در حین کار یک مبدل حرارتی با یک پارتیشن رسانا، گرما از سیال گرم به سیال سرد به ترتیب زیر منتقل می شود:

1. از سیال داغ به سطح مجاور دیوار توسط همرفت.
2. از طریق سطح دیوار توسط هدایت.
3. از دیوار به سیال سرد با همرفت.