مبادئ الديناميكا الحرارية للمبادلات الحرارية

لنبدأ بالمفاهيم الأساسية باستخدام الرياضيات البسيطة. المعادلة الأساسية التي تحكم انتقال الحرارة (HT) Q هي قانون نيوتن للتبريد، المعطى بواسطة Q=h × S × ΔT حيث h هو معامل انتقال الحرارة الإجمالي، وS هي مساحة السطح المتاحة.
يأخذ معامل انتقال الحرارة الإجمالي h في الاعتبار مختلف مقاومات انتقال الحرارة، مثل التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. ويعتمد على الموصلية الحرارية للمواد، وسمك الجدران، ومعدلات تدفق السوائل.
تستخدم المبادلات الحرارية مبدأ الحفاظ على الطاقة، والذي يمثله القانون الأول للديناميكا الحرارية. وينص هذا القانون على أن الطاقة الداخلة إلى النظام يجب أن تساوي الطاقة الخارجة منه. وفي حالة المبادل الحراري، فإن الطاقة المنقولة كحرارة من السائل الساخن تساوي الطاقة التي يكتسبها السائل البارد.
تستخدم أنواع مختلفة من المبادلات الحرارية أنماط تدفق محددة لتحسين نقل الحرارة. على سبيل المثال، في المبادل الحراري ذي التدفق المتوازي، يدخل السائلان من أحد الطرفين، وتتحرك السوائل الساخنة والباردة بالتوازي مع بعضها البعض، مما يؤدي إلى انخفاض تدريجي في ΔT على طول المبادل. في المبادل الحراري ذي التدفق المعاكس، تدخل السوائل الساخنة والباردة طرفين متعاكسين، مما يزيد من ΔT ويعزز النقل.