مبادل حراري ديناميكي ذو سطح مكشوط

يُعدّ المبادل الحراري ذو السطح المكشوط الديناميكي ( DSSHE) نوعًا من المبادلات الحرارية يُستخدم لإزالة الحرارة أو إضافتها إلى السوائل، وخاصة المواد الغذائية، بالإضافة إلى منتجات صناعية أخرى. وقد صُممت هذه المبادلات لمعالجة مشاكل محددة تعيق نقل الحرارة بكفاءة. تعمل مبادلات DSSHE على تحسين الكفاءة من خلال إزالة طبقات الترسبات ، وزيادة الاضطراب في حالة التدفق عالي اللزوجة ، وتجنب تكوّن البلورات وغيرها من نواتج العملية الثانوية. تتضمن مبادلات DSSHE آلية داخلية تعمل على إزالة المنتج دوريًا من جدار نقل الحرارة. تُكشط الجوانب بواسطة شفرات مصنوعة من مادة بلاستيكية صلبة لمنع تلف السطح المكشوط.

تستخدم التقنيات التطبيقية لنقل الحرارة غير المباشر أنابيب ( مبادلات حرارية أنبوبية ) أو أسطحًا مستوية (مبادلات حرارية لوحية). وتهدف هذه التقنيات إلى تبادل أكبر قدر ممكن من الحرارة لكل وحدة مساحة عن طريق توليد أكبر قدر ممكن من الاضطراب ضمن حدود معينة لطاقة الضخ . وتشمل الطرق الشائعة لتحقيق ذلك تمويج الأنابيب أو الألواح أو توسيع سطحها بزعانف . ومع ذلك، تتضاءل فعالية هذه التقنيات المتعلقة بتشكيل الهندسة، وحساب التدفقات الكتلية المثلى ، وعوامل الاضطراب الأخرى عند ظهور الترسيبات ، مما يُجبر المصممين على تركيب مساحات أكبر بكثير لنقل الحرارة. وهناك أنواع عديدة من الترسيبات، منها تراكم الجسيمات، والترسيب ( التبلور )، والترسيب ، وتكوّن طبقات الجليد ، وغيرها.

تُعدّ اللزوجة عاملاً آخر يُعيق انتقال الحرارة . فالسوائل عالية اللزوجة تميل إلى توليد تدفق صفائحي عميق ، وهي حالة تتسم بمعدلات انتقال حرارة منخفضة للغاية وفقدان ضغط كبير يتطلب طاقة ضخ كبيرة، غالباً ما تتجاوز حدود تصميم المبادل الحراري. وتتفاقم هذه المشكلة بشكل متكرر عند معالجة السوائل غير النيوتونية .

صُممت مبادلات الحرارة ذات النظام المزدوج (DSSHE) لمواجهة المشاكل المذكورة آنفاً. فهي تزيد من انتقال الحرارة عن طريق: إزالة طبقات الترسيب، وزيادة الاضطراب في حالة التدفق عالي اللزوجة، وتجنب تكوّن الجليد وغيره من نواتج العملية الثانوية.

تتضمن المبادلات الحرارية ذات السطح المكشوط الديناميكي آلية داخلية تزيل المنتج دوريًا من جدار نقل الحرارة. ويتم كشط جانب المنتج بواسطة شفرات مثبتة على عمود أو إطار متحرك. هذه الشفرات مصنوعة من مادة بلاستيكية صلبة لمنع تلف السطح المكشوط. هذه المادة معتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للاستخدام في تطبيقات الأغذية.

توجد ثلاثة أنواع أساسية من مبادلات الحرارة ذات الشفرات المزدوجة (DSSHEs) اعتمادًا على ترتيب الشفرات:

1. مبادلات حرارية أنبوبية دوارة ذات سطح مكشوط . يوضع العمود موازيًا لمحور الأنبوب، وليس بالضرورة متطابقًا معه، ويدور بترددات مختلفة، من بضع عشرات من الدورات في الدقيقة إلى أكثر من 1000 دورة في الدقيقة. يتراوح عدد الشفرات بين 1 و4، وقد تستفيد من قوى الطرد المركزي لكشط السطح الداخلي للأنبوب. من الأمثلة على ذلك: مبادل Waukesha Cherry-Burrell Votator II، و Alfa Laval Contherm، وTerlet Terlotherm، ومبادل Kelstream الحراري ذو السطح المكشوط. مثال آخر هو مبادلات HRS الحرارية من سلسلة R أو مبادل Sakura Seisakusho Ltd. الياباني Onlator.
2. مبادلات حرارية أنبوبية مترددة الحركة . يكون العمود متمركزًا حول الأنبوب ويتحرك طوليًا دون دوران. يتراوح التردد بين 10 و60 شوطًا في الدقيقة. قد تختلف الشفرات في عددها وشكلها، من ترتيبات تشبه الحواجز إلى تكوينات قرصية مثقبة. ومن الأمثلة على ذلك مبادلات HRS الحرارية Unicus.
3. مبادلات حرارية دوارة ذات صفائح . تقوم الشفرات بمسح السطح الخارجي لصفائح دائرية مرتبة على التوالي داخل غلاف. يتدفق سائل التسخين/التبريد داخل الصفائح. يبلغ التردد حوالي بضع عشرات من الدورات في الدقيقة. مثال على ذلك مبادل حراري HRS Spiratube T-Sensation.

تُعدّ تقنيات ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) الأدوات القياسية لتحليل وتقييم المبادلات الحرارية والمعدات المماثلة. ومع ذلك، ولأغراض الحساب السريع، يتم عادةً إجراء تقييم المبادلات الحرارية ذات الأنظمة الصلبة (DSSHEs) بمساعدة علاقات تجريبية (شبه) مخصصة تستند إلى نظرية باكنغهام باي .

Fa = Fa(Re, Re', n, ...)

لفقدان الضغط و

نو = نو(إعادة، إعادة، العلاقات العامة، فا، L / D، N، ...)

بالنسبة لانتقال الحرارة، حيث Nu هو رقم نوسلت ، وRe هو رقم رينولدز القياسي بناءً على القطر الداخلي للأنبوب، و Re' هو رقم رينولدز المحدد بناءً على تردد المسح، و Pr هو رقم برانتل ، وFa هو عامل احتكاك فانينج ، و L هو طول الأنبوب، وD هو القطر الداخلي للأنبوب، وn هو عدد الشفرات، والنقاط تمثل أي معلمات أخرى لا بعدية ذات صلة .

يشمل نطاق التطبيقات عدداً من الصناعات، بما في ذلك الصناعات الغذائية والكيميائية والبتروكيميائية والصيدلانية . وتُعدّ أنظمة DSSHEs مناسبةً عندما تكون المنتجات عرضةً للتلوث، أو شديدة اللزوجة، أو تحتوي على جزيئات، أو حساسة للحرارة، أو قابلة للتبلور .

• تقنية ضخ الثلج

• بوت، تي آر (مايو 1966). تصميم المبادلات الحرارية ذات الأسطح المكشوطة . المجلد  الثاني، العدد 5. الهندسة الكيميائية البريطانية. الصفحات 338-339 . 

• بوت، تي آر (نوفمبر 2001). ارتكاب خطأ أم عدم ارتكابه ؟ مجلة سي إي بي. الصفحات 30-37 . 

• بوت، تي آر؛ روميرو، جيه جيه بي (أكتوبر 1963). انتقال الحرارة عبر سطح مكشوط . المجلة الكندية للهندسة الكيميائية. ص 213-219 . 

• تشونغ، أ. (2001). دراسة عن المبادل الحراري ذي السطح المكشوط في تطبيقات صناعة الثلج، رسالة ماجستير . جامعة تورنتو.

• صفحة مشروع "مبادلات حرارية ذات سطح مكشوط" . معهد سميث. مؤرشفة من الأصل بتاريخ 4 مارس 2009.

• تاهتي، ت. (2004). تبلور المصهور المعلق في المبادلات الحرارية الأنبوبية وذات الأسطح المكشوطة، أطروحة دكتوراه . جامعة مارتن لوثر.

• صفحة مشروع "مبادل حراري ذو سطح مكشوط" . جامعة ساوثهامبتون. مؤرشفة من الأصل بتاريخ 4 مارس 2009. تم الاطلاع عليها بتاريخ 8 سبتمبر 2008 .