المكثف (نقل الحرارة)

في أنظمة نقل الحرارة ، يُستخدم المكثف كمبادل حراري لتكثيف مادة غازية وتحويلها إلى سائلة عن طريق التبريد. وخلال هذه العملية، تُطلق المادة الحرارة الكامنة وتنتقل إلى البيئة المحيطة. تُستخدم المكثفات بكفاءة عالية في العديد من الأنظمة الصناعية لتصريف الحرارة. تُصنع المكثفات بتصاميم متنوعة وتتوفر بأحجام مختلفة، بدءًا من الصغيرة جدًا (المحمولة يدويًا) وصولًا إلى الكبيرة جدًا (الوحدات الصناعية المستخدمة في عمليات المصانع). على سبيل المثال، تستخدم الثلاجة مكثفًا للتخلص من الحرارة المستخرجة من داخلها إلى الهواء الخارجي.

تُستخدم المكثفات في تكييف الهواء ، والعمليات الكيميائية الصناعية مثل التقطير ، ومحطات توليد الطاقة البخارية ، وأنظمة التبادل الحراري الأخرى. ويُعدّ استخدام ماء التبريد أو الهواء المحيط كمبرد أمرًا شائعًا في العديد من المكثفات. ^{[ 1 ]}

اخترع الكيميائي السويدي الألماني كريستيان فايجل أول مكثف مختبري، وهو " مكثف التدفق المعاكس" ( Gegenstromkühler ) . ^{[ 2 ]} وبحلول منتصف القرن التاسع عشر، أدخل الكيميائي الألماني جوستوس فون ليبيج تحسيناته الخاصة على التصاميم السابقة لفايجل ويوهان فريدريش أوغست غوتلينغ ، وأصبح الجهاز يُعرف باسم مكثف ليبيج . ^{[ 3 ]}

يُصمَّم المكثف لنقل الحرارة من سائل التشغيل (مثل الماء في محطة توليد الطاقة البخارية) إلى سائل ثانوي أو الهواء المحيط. ويعتمد المكثف على كفاءة نقل الحرارة التي تحدث أثناء تغيرات الحالة، وتحديدًا أثناء تكثف البخار إلى سائل. يدخل البخار عادةً إلى المكثف عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة السائل الثانوي. ومع انخفاض درجة حرارة البخار، يصل إلى درجة حرارة التشبع ، ويتكثف إلى سائل، ويطلق كميات كبيرة من الحرارة الكامنة . ومع حدوث هذه العملية على طول المكثف، تقل كمية البخار وتزداد كمية السائل؛ وعند مخرج المكثف، لا يتبقى سوى السائل. تحتوي بعض تصميمات المكثفات على طول إضافي لتبريد هذا السائل المكثف إلى ما دون درجة حرارة التشبع. ^{[ 4 ]}

توجد اختلافات لا حصر لها في تصميم المكثفات، وتشمل متغيرات التصميم سائل التشغيل، والسائل الثانوي، والشكل الهندسي، والمادة. ومن السوائل الثانوية الشائعة الماء، والهواء، والمبردات ، أو مواد تغيير الطور .

تتمتع المكثفات بميزتين تصميميتين هامتين مقارنة بتقنيات التبريد الأخرى:

• يُعد انتقال الحرارة عن طريق الحرارة الكامنة أكثر كفاءة بكثير من انتقال الحرارة عن طريق الحرارة المحسوسة فقط.
• تبقى درجة حرارة سائل التشغيل ثابتة نسبيًا أثناء التكثيف، مما يزيد من فرق درجة الحرارة بين سائل التشغيل والسائل الثانوي.

بالنسبة لمكثف مثالي أحادي المرور يكون فيه سائل التبريد ذو كثافة ثابتة، وسعة حرارية ثابتة، ومحتوى حراري خطي على مدى درجة الحرارة، وانتقال حراري مثالي في المقطع العرضي، وانتقال حراري طولي معدوم، ويكون أنبوب التبريد ذو محيط ثابت، وسماكة ثابتة، وموصلية حرارية ثابتة، ويكون سائل التبريد فيه مختلطًا تمامًا وعند درجة حرارة ثابتة، فإن درجة حرارة سائل التبريد تتغير على طول أنبوب التبريد وفقًا لما يلي:

$${\displaystyle \Theta (x)={\frac {T_{H}-T(x)}{T_{H}-T(0)}}=e^{-NTU}=e^{-{\frac {hPx}{{\dot {m}}c}}}=e^{-{\frac {Gx}{{\dot {m}}cL}}}}$$

أين:

• ${\displaystyle x}$هي المسافة من مدخل سائل التبريد
• ${\displaystyle T(x)}$هي درجة حرارة سائل التبريد، و T (0) هي درجة حرارة سائل التبريد عند مدخله
• ${\displaystyle T_{H}}$هي درجة حرارة السائل الساخن
• ${\displaystyle NTU}$عدد وحدات النقل
• ${\displaystyle m}$معدل تدفق كتلة سائل التبريد (أو غيره)
• ${\displaystyle c}$هي السعة الحرارية لسائل التبريد عند ضغط ثابت لكل وحدة كتلة (أو غير ذلك).
• ${\displaystyle h}$يمثل معامل انتقال الحرارة لأنبوب التبريد
• ${\displaystyle P}$هو محيط أنبوب التبريد
• ${\displaystyle G}$هي الموصلية الحرارية لأنبوب التبريد (يشار إليها غالبًا بـ${\displaystyle UA}$)
• ${\displaystyle L}$هو طول أنبوب التبريد

• مكثف (مختبري)
• بئر الهواء (المكثف)