مکانیسم‌های انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی خنک‌کننده روغن چیست؟

انتقال حرارت یک فرآیند اساسی در بسیاری از کاربردهای صنعتی است و مبدل‌های حرارتی کولر روغن نقش مهمی در حفظ دمای عملیاتی بهینه برای سیستم‌های مختلف دارند. به عنوان تامین کننده پیشرو ازمبدل های حرارتی کولر روغنی، ما اهمیت مکانیسم های انتقال حرارت کارآمد در این دستگاه ها را درک می کنیم. در این پست وبلاگ، مکانیسم‌های مختلف انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی کولر روغن و نحوه کمک آن‌ها به عملکرد کلی آنها را بررسی خواهیم کرد.

هدایت

رسانایی عبارت است از انتقال گرما از طریق یک ماده جامد بدون هیچ حرکتی خود ماده. در یک مبدل حرارتی خنک کننده روغن، هدایت عمدتاً از طریق دیواره لوله ها و پوسته انجام می شود. هنگامی که روغن داغ از طریق لوله ها جریان می یابد، گرما از روغن به دیواره های لوله منتقل می شود. دیواره های لوله که معمولاً از مواد بسیار رسانا مانند مس یا فولاد ضد زنگ ساخته می شوند، سپس گرما را به محیط خنک کننده (معمولاً آب یا هوا) در قسمت بیرونی لوله ها منتقل می کنند.

نرخ انتقال حرارت رسانایی توسط قانون فوریه کنترل می شود، که بیان می کند که شار گرما (نرخ انتقال حرارت در واحد سطح) متناسب با گرادیان دما در سراسر ماده و هدایت حرارتی ماده است. از نظر ریاضی می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:

$q = -k\frac{dT}{dx}$

که $q$ شار گرما است، $k$ هدایت حرارتی ماده، $\frac{dT}{dx}$ گرادیان دما است، و علامت منفی نشان می‌دهد که گرما از دمای بالا به پایین جریان می‌یابد.

در زمینه مبدل حرارتی کولر روغن، رسانایی حرارتی بالای مواد لوله برای به حداکثر رساندن سرعت انتقال حرارت مطلوب است. علاوه بر این، به حداقل رساندن ضخامت دیواره های لوله نیز می تواند انتقال حرارت هدایت را با کاهش مقاومت حرارتی افزایش دهد.

همرفت

همرفت انتقال گرما با حرکت یک سیال (مایع یا گاز) است. در یک مبدل حرارتی کولر روغن، همرفت هم در داخل لوله ها (همرفت اجباری روغن) و هم در خارج از لوله ها (همرفت اجباری یا طبیعی محیط خنک کننده) رخ می دهد.

همرفت اجباری در داخل لوله ها

همانطور که روغن داغ از طریق لوله های مبدل حرارتی پمپ می شود، با دیواره های لوله تماس پیدا می کند. حرکت سیال در نزدیکی دیواره های لوله یک لایه مرزی نازک ایجاد می کند که در آن سرعت سیال کم است. گرما از روغن از طریق رسانایی در این لایه مرزی به دیواره های لوله منتقل می شود. با این حال، بخش عمده ای از انتقال حرارت به دلیل حرکت همرفتی روغن است که به طور مداوم سیال تازه و داغ را با دیواره های لوله تماس می دهد.

سرعت انتقال حرارت جابجایی اجباری را می توان با استفاده از رابطه زیر تخمین زد:

$q = hA\Delta T$

که $q$ نرخ انتقال حرارت است، $h$ ضریب انتقال حرارت همرفتی، $A$ مساحت سطح دیواره‌های لوله و $\Delta T$ اختلاف دما بین روغن و دیواره‌های لوله است.

ضریب انتقال حرارت همرفتی $h$ به عوامل مختلفی از جمله خواص سیال (چگالی، ویسکوزیته، هدایت حرارتی و گرمای ویژه)، سرعت جریان و هندسه لوله ها بستگی دارد. سرعت‌های جریان بالاتر معمولاً منجر به ضرایب انتقال حرارت همرفتی بالاتری می‌شوند، زیرا اختلاط سیال را افزایش می‌دهند و ضخامت لایه مرزی را کاهش می‌دهند.

همرفت خارج از لوله ها

در قسمت بیرونی لوله ها، محیط خنک کننده (آب یا هوا) گرمای منتقل شده از روغن را از طریق دیواره های لوله حذف می کند. اگر محیط خنک کننده مجبور شود روی لوله ها جریان یابد (مثلاً توسط یک پمپ یا یک فن)، به آن همرفت اجباری می گویند. اگر محیط خنک کننده در اثر نیروهای شناوری طبیعی (مثلاً بالا آمدن هوای گرم) حرکت کند، به آن همرفت طبیعی می گویند.

برای جابجایی اجباری در خارج از لوله ها، همان معادله برای سرعت انتقال حرارت مانند جابجایی اجباری در داخل لوله ها اعمال می شود. با این حال، ضریب انتقال حرارت همرفتی $h$ متفاوت خواهد بود، زیرا به خواص و ویژگی های جریان محیط خنک کننده بستگی دارد.

در مورد همرفت طبیعی، سرعت انتقال حرارت به طور کلی کمتر از همرفت اجباری است، زیرا سرعت جریان معمولاً بسیار کمتر است. با این حال، جابجایی طبیعی می‌تواند یک گزینه مقرون‌به‌صرفه در برخی از کاربردها باشد که نیازهای انتقال حرارت خیلی زیاد نیست.

تشعشع

تابش عبارت است از انتقال گرما از طریق امواج الکترومغناطیسی. بر خلاف رسانایی و همرفت، تابش برای انتقال گرما به محیطی نیاز ندارد و می تواند حتی در خلاء نیز رخ دهد. در یک مبدل حرارتی کولر روغن، انتقال حرارت تشعشع معمولاً در مقایسه با رسانایی و همرفت ناچیز است، به خصوص در دمای عملیاتی معمولی.

نرخ انتقال حرارت تشعشع بین دو سطح را می توان با استفاده از قانون استفان - بولتزمن محاسبه کرد:

$q = \epsilon\sigma A(T_1^4 - T_2^4)$

که در آن $q$ نرخ انتقال حرارت است، $\epsilon$ گسیل سطح است (معیار میزان تابش یک سطح، در محدوده 0 تا 1)، $\sigma$ ثابت استفان - بولتزمن است ($5.67\times10^{-8} W/m^2K^4_$)، و $A$ مساحت مطلق است $A$T سطح است. دو سطح

از آنجایی که دما در یک مبدل حرارتی کولر روغنی در مقایسه با کاربردهای با دمای بالا (مثلاً کوره ها) نسبتاً پایین است، سهم تشعشع در انتقال حرارت کلی اندک است و اغلب می توان در طراحی و تجزیه و تحلیل این مبدل های حرارتی نادیده گرفت.

انواع مبدل های حرارتی کولر روغنی و ویژگی های انتقال حرارت آنها

مبدل های حرارتی پوسته و لوله

مبدل حرارتی پوسته و لوله برای روغنیکی از رایج ترین انواع مبدل های حرارتی کولر روغنی هستند. در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، روغن داغ از طریق بسته‌ای از لوله‌ها جریان می‌یابد، در حالی که محیط خنک‌کننده از میان پوسته اطراف لوله‌ها جریان می‌یابد.

طراحی مبدل های حرارتی پوسته و لوله امکان انتقال حرارت کارآمد را از طریق ترکیبی از رسانش و همرفت فراهم می کند. سطح بزرگ لوله ها منطقه قابل توجهی را برای انتقال حرارت فراهم می کند و بافل های موجود در پوسته می توانند جریان همرفتی محیط خنک کننده را افزایش دهند و ضریب انتقال حرارت همرفتی را افزایش دهند.

مبدل های حرارتی U Tube

مبدل های حرارتی U Tubeانواعی از مبدل های حرارتی پوسته و لوله هستند. در یک مبدل حرارتی لوله U، لوله ها به شکل U خم می شوند که امکان انبساط حرارتی را بدون نیاز به اتصالات انبساط فراهم می کند.

مکانیسم های انتقال حرارت در مبدل های حرارتی لوله U شبیه به مبدل های حرارتی پوسته و لوله است. لوله های U شکل طراحی فشرده ای را ارائه می دهند و در عین حال سطح بزرگی را برای انتقال حرارت حفظ می کنند. الگوهای جریان در داخل لوله های U شکل نیز می توانند انتقال حرارت همرفتی را افزایش دهند، به خصوص اگر جریان به خوبی توزیع شود.

اهمیت درک مکانیسم های انتقال حرارت

درک مکانیسم های انتقال حرارت در مبدل های حرارتی کولر روغنی به چند دلیل ضروری است:

• بهینه سازی طراحی: مهندسان با درک اینکه چگونه هدایت، همرفت و تشعشع در انتقال حرارت نقش دارند، می توانند طراحی مبدل حرارتی را برای دستیابی به نرخ انتقال حرارت مورد نظر با حداقل میزان مصرف مواد و انرژی بهینه کنند.
• پیش بینی عملکرد: آگاهی از مکانیسم های انتقال حرارت امکان پیش بینی دقیق عملکرد مبدل حرارتی را در شرایط کاری مختلف فراهم می کند. این برای اطمینان از اینکه مبدل حرارتی می تواند الزامات سیستمی را که در آن نصب شده است برآورده کند، بسیار مهم است.
• عیب یابی: هنگامی که یک مبدل حرارتی مطابق انتظار عمل نمی کند، درک مکانیسم های انتقال حرارت می تواند به شناسایی علت اصلی مشکل کمک کند. به عنوان مثال، کاهش ضریب انتقال حرارت همرفتی می تواند نشان دهنده مشکل در سرعت جریان سیال یا انسداد در لوله ها باشد.

برای نیازهای مبدل حرارتی کولر روغنی خود با ما تماس بگیرید

ما به عنوان تامین کننده قابل اعتماد مبدل های حرارتی کولر روغنی، تخصص و تجربه لازم را داریم تا مبدل های حرارتی با کیفیت بالا را به شما ارائه دهیم که نیازهای خاص شما را برآورده می کند. چه به یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، یک مبدل حرارتی لوله U یا هر نوع مبدل حرارتی خنک کننده روغن دیگری نیاز داشته باشید، ما می توانیم راه حل های سفارشی برای اطمینان از عملکرد مطلوب ارائه دهیم.

اگر علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد محصولات ما هستید یا می خواهید در مورد نیازهای انتقال حرارت خود صحبت کنید، لطفا با ما تماس بگیرید. ما مشتاقانه منتظر همکاری با شما هستیم تا بهترین راه حل مبدل حرارتی را برای کاربرد شما پیدا کنیم.

مراجع

• Incropera، FP، DeWitt، DP، Bergman، TL، & Lavine، AS (2007). مبانی انتقال حرارت و جرم جان وایلی و پسران
• Cengel، YA، و قاجار، AJ (2015). انتقال حرارت و جرم: مبانی و کاربردها. مک گراو - آموزش و پرورش هیل.