المبادلات الحرارية هي أجهزة مصممة لنقل الحرارة من مكان إلى آخر. وتتمثل وظيفتها في استخلاص الحرارة من سائل مثل الماء الساخن أو البخار وتوجيهها نحو سائل آخر مثل الماء البارد أو الهواء. وتسمى هذه العملية التي يتم من خلالها نقل الحرارة من سائل إلى آخر باسم نقل الحرارة. وبما أن المبادلات الحرارية يتم تطبيقها في الكثير من الأماكن مثل المصانع ومحطات الطاقة أو حتى منازلنا، فقد أصبحت ذات أهمية كبيرة. أدناه، كيف يمكننا إدارة الحرارة في هذه الأنظمة؟
من أجل الحصول على صورة واضحة لآلية التشغيل وراء المبادلات الحرارية، تم شرح بعض الأشياء حول كيفية عمل نقل السمع. الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة التي تتدفق من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة. فعندما تلمس موقدًا ساخنًا على سبيل المثال، تنتقل الحرارة من الموقد إلى يدك مما يجعلها تشعر بالدفء. هذا سبب وجيه للحذر من الأسطح الساخنة. هناك ثلاث آليات لحركة التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع.
يحدث الحمل الحراري عندما يتم نقل الحرارة بعيدًا عن طريق تحريك السوائل مثل الهواء والماء. إنها آلية مهمة جدًا لنقل الحرارة في حالة أنواع مختلفة من الأجهزة مثل المبادلات الحرارية. على سبيل المثال، يتدفق الماء الساخن من خلال مبادل حراري، ومن خلال الحمل الحراري يتخلص من حرارته مع الماء البارد الذي يتدفق أيضًا من خلال المبادل الحراري.
إنها عملية نقل الحرارة تسمى الإشعاع، والتي تحدث دون أي اتصال مباشر بين الأجسام. على سبيل المثال، فكر في كيفية تسخين الأرض بواسطة الشمس بطريقة بسيطة. وذلك لأن حرارة الشمس تنتقل عبر الفضاء، ولكن نظرًا لعدم وجود جزيئات في الفراغ، فإنها تعمل على تسخين كوكبنا دون الحاجة إلى لمسنا.
المبادلات الحرارية رائعة لأنها تساعد في توفير الطاقة. فهي تستخرج الحرارة من سائل ساخن ثم تحركها لتتدفق في سائل بارد، دون أن تفقد أي طاقة. في فرن المعالجة - إنه واضح جدًا ويستخدم على نطاق واسع، ولكن باستخدام المبادل الحراري يمكننا توفير حوالي 25 إلى 35% من الطاقة؛ على سبيل المثال، مصنع يقوم بتسخين المياه التي تمر عبر عدة خطوات/مستوى في نفس المصنع، وبما أن الخطوة الأولى هي الساخنة، فمن الممكن استخدام المستوى الرابع البارد البديل لذلك يمكن تجنب واجب سخان آخر. وبهذه الطريقة لا يتم إهدار أي طاقة حرارية، مما يؤدي إلى توفير كبير في فواتيرك الشهرية.
يلعب اختلاف درجة الحرارة بين السائلين دورًا مهمًا في انتقال الحرارة. يتم نقل المزيد من الحرارة مع اختلاف أكبر في درجة الحرارة. ولهذا السبب من المهم تصميم المبادل الحراري مع مراعاة الفرق المناسب في درجة الحرارة. يعد هذا أحد الاعتبارات المهمة للمهندسين لضمان عمل المبادل الحراري بفعالية.
التصميم المثير للاهتمام بشكل خاص هو المبادل الحراري ذو القنوات الدقيقة. هناك طريقة أخرى لهذه المبادلات الحرارية وهي أنها تبدو وكأنها قنوات صغيرة، يبلغ عرضها بضعة ملليمترات فقط. هذه القنوات الصغيرة قادرة على تقديم أداء حراري جيد في حجم صغير جدًا نظرًا لنسبة المساحة إلى الحجم العالية. وهذا يجعلهم مرشحين مثاليين لهذا النوع من التبادل الحراري.