ما وظيفة مبادل الحرارة في أنظمة التبريد

تساعد أنظمة التبريد في استقرار درجات الحرارة عبر عدة صناعات بما في ذلك التصنيع ومراكز البيانات والسيارات وأنظمة التدفئة والتكييف وتكييف الهواء (HVAC). إذا كانت درجات الحرارة مرتفعة جداً، فقد تتسبب في تلف الأنظمة وتقليل الكفاءة التشغيلية وخلق مخاطر أمنية. وتستخدم أنظمة التبريد مقاييس الحرارة، وهي الأجزاء الرئيسية في النظام، لنقل الحرارة غير المرغوب فيها من وسط إلى آخر، مما يسمح للنظام بتحقيق أهدافه في التبريد. وتُعَدّ شركة LIATEM، المتخصصة في حلول إدارة الحرارة، تقوم بتصميم وتصنيع مقاييس حرارة عالية الجودة تناسب مختلف أنظمة التبريد. بالنسبة لمديري المرافق والمهندسين والشركات، فإن معرفة وظيفة مبادل الحرارة في نظام التبريد يمكن أن تعزز كفاءة التبريد وتقلل من استهلاك الطاقة في النظام وتمدد عمر المعدات. ويسلط هذا المقال الضوء على الأدوار الأساسية لمبادل الحرارة داخل أنظمة التبريد وقيمته العملية في مجالات تطبيق مختلفة.

أهداف النظام الأساسي لمبادل الحرارة من خلال انتقال حراري فعال

الوظيفة الأساسية لمبادل الحرارة في أنظمة التبريد هي تحقيق انتقال حراري فعال بين جسمين أو أكثر بدرجات حرارة مختلفة.

يحتوي كل نظام تبريد على عنصر يحتاج إلى التبريد وعنصر يمتص الحرارة. فعلى سبيل المثال، سوائل التبريد للأجهزة المنتجة للحرارة، وزيت المحرك، والهواء الساخن الداخلي هي «الوسائط الساخنة» التي تحتاج إلى التبريد، في حين أن ماء التبريد، الوسيط التبريدي، والهواء البارد الخارجي هي «الوسائط الباردة» التي تمتص الحرارة. ويستخدم مبادل الحرارة صفائح معدنية أو أنابيب أو زعانف كأسطح تلامس مخصصة، مما يسمح بتبادل الحرارة بين الوسائط الساخنة والباردة دون اختلاط مباشر. خذ على سبيل المثال نظام تبريد مركز البيانات، حيث يقوم مبادل الحرارة بنقل الحرارة من سائل التبريد الخاص بالخوادم إلى ماء التبريد المُدور. ثم يعود السائل إلى الخوادم لامتصاص الحرارة، ويستمر دورة التبريد السائلية في التدفق باستمرار. يستخدم مبادل الحرارة من LIATEM تصميمات هيكلية مثالية، تشمل تعزيز زعانف انتقال الحرارة وتصميم قنوات تدفق مضطرب، ما يوسع مدى انتقال الحرارة. وتقلل هذه التصاميم بشكل كبير من كمية انتقال الحرارة المطلوبة، مما يمكن نظام التبريد من خفض درجة حرارة الوسط الساخن بسرعة إلى النطاق المطلوب. وتجعل كفاءة مبادل الحرارة في نقل الحرارة منه العنصر الأكثر أهمية في أنظمة التبريد.

استبعاد الاتصال المطلوب يضمن سلامة نظام الوسائط ونقاء النظام الإعلامي.

في أنظمة معينة، على سبيل المثال، يكون مبرد التبريد في نظام تكييف الهواء سامًا وقابل للاشتعال، ويحتوي نظام التبريد في السيارة على سائل تبريد المحرك الذي يحتوي على مثبطات للتآكل؛ يجب فصل الوسط الساخن والبارد.

يُستخدم مبادل الحرارة لفصل الوسائط المختلفة أثناء نقل الحرارة، وذلك للحفاظ على سلامة النظام ونقاء الوسائط. ويُدخل تصميم مبادلات الحرارة مثل الحزم المغلقة من الأنابيب والفجوات الصفيحية حاجزًا ماديًا بين تدفقات السوائل الساخنة والباردة. فتتدفق هذه السوائل عبر ممرات منفصلة، وتتم عملية تبادل الحرارة عبر الجدران دون أي اختلاط. ويمنع هذا الفصل حدوث التلوث المتبادل. على سبيل المثال، في مصنع كيميائي، يمنع نظام التبريد البارد لمبادل الحرارة اختلاط المبرد المسبب للتآكل مع المياه العامة، تجنبًا للتآكل والتلوث. وتستخدم شركة LIATEM مواد عالية الإحكام لمنع اختلاط الوسائط. وتضمن مواد مثل طوقايات EPDM والوصلات اللحامية للأنابيب الحفاظ على الفصل، حتى في درجات الحرارة والضغوط العالية. ويُعد فصل الوسائط ضروريًا لضمان موثوقية وسلامة أنظمة التبريد.

تحسّن مبادلات الحرارة أنظمة التبريد لتقليل استهلاك الطاقة

تتطلب نظام التبريد وجود مبادل حراري للحفاظ على كفاءة الطاقة في النظام، حيث يعمل على تحسين انتقال الحرارة. في نظام التبريد السائل، يتم استخدام مضخة لتدوير الماء، ومحرك مروحة لتدوير الهواء، وكل منهما يستهلك طاقة كبيرة.

يقلل استخدام تقنية التسخين المتقدمة من استهلاك الطاقة مع تعظيم انتقال الحرارة. توفر مبادلات الحرارة الصفيحية من LIATEM معاملات انتقال حرارة أفضل بنسبة تتراوح بين 30٪ و50٪. في تطبيقات التبريد نفسها، تستخدم مبادلات الحرارة عالية الكفاءة معدلات تدفق أقل من الوسائط الباردة، مثل الماء أو المبردات وحتى الجليد. ويترتب على هذا الاستخدام المنخفض للوسائط الباردة انخفاض في استهلاك الطاقة لأجهزة مضخات المياه وضواغط صانعات الجليد وضواغط المبردات. كما تقوم مبادلات الحرارة الأخرى ومبادلات الحرارة الاستردادية أيضًا بتبريد الحرارة واسترجاعها. في نظام تبريد المصنع، قامت مبادلات الحرارة بتبريد واسترداد الحرارة من هواء العادم الداخلي، مما ساهم في تسخين الهواء الجديد مسبقًا وتقليل حمل أنظمة تكييف الهواء. ويعمل هذا نقل حرارة نظام التبريد على تحسين كفاءة الأنظمة، وتقليل تكاليف الطاقة، والوفاء بأهداف ومستهدفات توفير الطاقة للامتثال للتنمية منخفضة الكربون.

مقاييس المبادل الحراري لاحتياجات التبريد الخاصة لمختلف الصناعات والظروف

الاختلاف والتميّز في كل سيناريو وصناعة يتطلبان متطلبات مختلفة لأنظمة التبريد. وقد تشمل هذه المتطلبات درجات حرارة تبريد مختلفة (بين 20 درجة تحت الصفر و300 درجة)، وأنواعاً مختلفة من الوسائط (سائلة، غازية، وصلبة)، وظروف مناخية أخرى (رطوبة عالية، وتآكل عالي) حيث سيتم استخدام مبادلات الحرارة.

تقدم LIATEM أنواعاً مختلفة من المبادلات الحرارية لتلبية احتياجات التبريد المتعددة. تعمل المبادلات الحرارية ذات الأغلفة والأنابيب في أنظمة التبريد العاملة بدرجة حرارة وضغط عالٍ، مثل تبريد البخار في محطات توليد الطاقة، بينما تناسب مبادلات اللوحات التبريد السائل-السائل عند درجات الحرارة المنخفضة (مثل معالجة الأغذية والمشروبات). صُنعت المبادلات الحرارية المزودة بزعانف لأنظمة تبادل الحرارة بين الغاز والسائل، كما في مشعاعات السيارات. وفي الحالات التي تتضمن تآكلاً مثل أنظمة التبريد البحرية، تُصنع مبادلات LIATEM الحرارية من مواد مقاومة للتآكل ولها عمر أطول مثل سبائك التيتانيوم وهاستيلوي. إن قابلية التكيف التي تتمتع بها مبادلات LIATEM الحرارية تعني استخدامها في جميع أنظمة التبريد تقريباً. ويمتد نطاق الاستخدام من مكيفات الهواء المنزلية الصغيرة إلى أبراج التبريد الصناعية الكبيرة. مما يجعل المبادلات الحرارية مكونات متعددة الاستخدامات لتحسين كفاءة إدارة الحرارة.

يُثبت مبادل الحرارة تشغيل أنظمة التبريد لحماية المعدات من التلف. تؤدي التغيرات المفاجئة في حمل الحرارة، مثل زيادة إنتاج الخوادم للحرارة في مراكز البيانات أو التغير في سرعة المحرك في أنظمة التبريد automotive، إلى عدم استقرار في أنظمة التبريد. وينتج عن ذلك تقلبات في درجة الحرارة وتلف في المعدات. ويُثبت مبادل الحرارة أنظمة التبريد من خلال التحكم في قدرة انتقال الحرارة في النظام استجابةً للتغيرات في حمل الحرارة.

توجد في العديد من طرازات مبادلات الحرارة، مثل مبادل الحرارة اللوحي القابل للتعديل من شركة LIATEM، صمامات للتحكم في التدفق أو مراوح بسرعات متغيرة. وعندما تزداد أحمال الحرارة، يقوم المبادل بزيادة معدل تدفق السائل البارد أو زيادة تدفق الهواء إلى المبادل لتعزيز انتقال الحرارة. على العكس، عندما تنخفض أحمال الحرارة، يتم تقليل معدل تدفق السائل البارد لمنع التبريد الزائد وبالتالي توفير الطاقة. علاوةً على ذلك، فإن تأثير التخزين المؤقت للمبادل الحراري يحول دون وصول السائل البارد مباشرة إلى الأجزاء المنتجة للحرارة في المعدات، مما يقلل من التأثير السلبي للتغيرات الحرارية المفاجئة. كما هو الحال في أنظمة تبريد البطاريات في المركبات الكهربائية، حيث تقوم مبادلات الحرارة المصممة حديثًا بتعديل درجة حرارة البطارية ببطء لتجنب التغيرات السريعة والضارة في درجات حرارة خلايا البطارية. وتُعد هذه الوظيفة المستقرة لمبادل الحرارة عاملاً واقٍاً للمعدات المنتجة للحرارة، فإذا بقيت أنظمة التبريد ضمن نطاق آمن من درجات الحرارة، فإن عمر المعدات التشغيلي يزداد بشكل كبير.

أثر مبادل الحرارة البيئي نحو التبريد الأخضر

مع تنامي أهمية حماية البيئة، يزداد أيضًا الطلب على تقليل الآثار البيئية لأنظمة التبريد. ويساهم مبادلات الحرارة في التبريد الأخضر بطرق عديدة.

أولاً، يقلل مبادل الحرارة عالي الكفاءة من استهلاك الطاقة، مما يؤدي بدوره إلى تقليل الانبعاثات الكربونية الناتجة عن توليد الكهرباء. على سبيل المثال، يساعد مبادل حرارة LIATEM عالي الكفاءة مركز بيانات على تقليل انبعاثاته الكربونية سنويًا بنسبة 15-25% مقارنة بالأنظمة القديمة التقليدية. ثانيًا، يمكن لمبادلات الحرارة التبخرية استخدام الهواء أو الماء كوسيلة تبريد، وبالتالي لا تحتاج إلى استخدام مبردات تضر طبقة الأوزون مثل مركبات الكلوروفلوروكربون (CFC). ثالثًا، تتيح وظيفة استرداد الحرارة الخاصة بمبادل الحرارة استخدام الحرارة المهدرة في عمليات التسخين، مما يقلل بشكل أكبر من الطلب على مصادر الطاقة الأخرى، كما يخفف من الحرارة المهدرة التي كانت ستنطلق خلاف ذلك إلى الغلاف الجوي. كما تستخدم مبادلات الحرارة من LIATEM مواد إنتاج صديقة للبيئة، مثل الطلاءات الخالية من الرصاص والمعادن القابلة لإعادة التدوير، وذلك مساهمة في حماية البيئة. وبتقليل الأضرار البيئية، يمنح مبادل الحرارة أنظمة التبريد إمكانية التشغيل الخضراء المنشودة بشدة، ويُلبّي اللوائح الصديقة للبيئة التي تفرضها العديد من الحكومات والصناعات.