مبدل حرارتی احیا کننده

یک **مبدل حرارتی احیاکننده**، که معمولاً با نام **ری‌ژنراتور** شناخته می‌شود، نوعی مبدل حرارتی است که در آن حرارت سیال گرم به‌طور متناوب در یک محیط ذخیره‌سازی حرارتی ذخیره می‌شود و سپس به سیال سرد منتقل می‌گردد. برای انجام این کار، سیال گرم با محیط ذخیره‌گر تماس پیدا می‌کند و سپس جایگزین آن با سیال سرد انجام می‌شود تا گرما را جذب نماید.

در مبدل‌های حرارتی احیاکننده، سیال در هر دو سوی مبدل می‌تواند یکسان باشد. این سیال ممکن است ابتدا از یک مرحله فرآیند خارجی عبور کند و سپس مجدداً در جهت مخالف از طریق مبدل جریان یابد تا پردازش‌های بیشتر انجام شود. معمولاً این کاربرد به‌صورت چرخه‌ای یا تکراری اجرا می‌شود.

گرمایش احیاکننده یکی از مهم‌ترین فناوری‌هایی بود که در دوران انقلاب صنعتی توسعه یافت و در فرآیند دمش گرم در کوره‌های بلند مورد استفاده قرار گرفت. سپس از آن در کوره‌های ذوب شیشه و تولید فولاد برای افزایش بهره‌وری کوره‌های باز، به‌علاوه در دیگ‌های بخار فشار بالا و کاربردهای شیمیایی و دیگر موارد استفاده شد، و تا به امروز اهمیت آن ادامه دارد.

## تاریخچه
چپ|بندانگشتی|کوره بلند (چپ) و سه کوره کوپر (راست) که برای پیش گرم کردن هوای دمیده شده به کوره استفاده می‌شوند
اولین **بازگرم‌کننده** توسط رابرت استرلینگ در سال ۱۸۱۶ اختراع شد و همچنین به‌عنوان جزئی از برخی نمونه‌های موتور استرلینگ او به‌کار گرفته شد. ساده‌ترین موتورهای استرلینگ، از جمله بیشتر مدل‌ها، از دیواره‌های سیلندر و جابجاکننده به‌عنوان یک بازگرم‌کنندهٔ ابتدایی استفاده می‌کنند که ساخت آن ساده‌تر و ارزان‌تر است، اما بازده بسیار کمتری دارد.
راست|بندانگشتی|کوره احیا کننده زیمنس
کاربردهای بعدی شامل فرآیند کوره بلند معروف به هات بلاست و کوره باز که همچنین با نام کوره احیاکننده زیمنس شناخته می‌شود (که برای ساخت شیشه استفاده می‌شد) بود؛ در این روش، گازهای خروجی داغ حاصل از احتراق از طریق محفظه‌های احیاکننده آجر نسوز عبور داده می‌شوند و بدین‌ترتیب گرم می‌شوند. سپس جریان معکوس می‌شود تا آجرهای گرم‌شده، سوخت را پیش‌گرم کنند.

ادوارد آلفرد کوپر اصل احیا را در کوره‌های بلند، به شکل «اجاق کوپر» که در سال ۱۸۵۷ ثبت اختراع شد، به کار برد. این روش تقریباً تا به امروز به طور ثابت در کوره‌های بلند استفاده می‌شود.
وسط|بندانگشتی|700x700پیکسل|پنج مبدل حرارتی احیاکننده کوپر

## انواع احیا کننده‌ها
**ری‌ژنراتورها** گرما را از یک سیال فرآیندی به یک محیط ذخیره‌سازی حرارتی جامد میانی منتقل می‌کنند، سپس آن محیط با جریان سیال فرآیندی دوم تبادل گرما انجام می‌دهد. این دو جریان یا در زمان از هم جدا می‌شوند و به‌طور متناوب در محیط ذخیره‌سازی گردش می‌کنند، یا در فضا از هم جدا می‌شوند و محیط ذخیره‌سازی گرما میان دو جریان جابه‌جا می‌شود.

در **ری‌ژنراتورهای چرخشی** یا **چرخ‌های حرارتی**، "**ماتریس"** ذخیره‌سازی گرما به شکل یک چرخ یا درام است که به‌طور مداوم از میان دو جریان سیالی که در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند، می‌چرخد. به این ترتیب، دو جریان عمدتاً از هم جدا می‌شوند. در هر زمان فقط یک جریان از هر بخش ماتریس عبور می‌کند؛ بااین‌حال، در طول یک چرخش، هر دو جریان در نهایت به‌ترتیب از تمام بخش‌های ماتریس عبور می‌کنند. واسطهٔ ذخیره‌سازی گرما می‌تواند مجموعه‌ای نسبتاً ریزدانه از صفحات فلزی یا توری سیمی باشد که از آلیاژ مقاوم ساخته شده یا برای مقاومت در برابر حملهٔ شیمیایی توسط سیالات فرآیند پوشش داده شده است، یا در کاربردهای دما بالا از سرامیک ساخته شود. در مقایسه با یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، می‌توان سطح انتقال حرارت بسیار بیشتری را در هر واحد حجم ری‌ژنراتور چرخشی فراهم کرد؛ در هر فوت مکعب از ماتریس ری‌ژنراتور، تا ۱۰۰۰ فوت مربع سطح می‌تواند وجود داشته باشد، در مقایسه با حدود ۳۰ فوت مربع در هر فوت مکعب از یک مبدل پوسته و لوله.

هر بخش از ماتریس تقریباً ایزوترمال خواهد بود، زیرا چرخش عمود بر گرادیان دما و جهت جریان است و نه در راستای آن‌ها. دو جریان سیال در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند. دمای سیال‌ها در سراسر ناحیهٔ جریان متفاوت است؛ بااین‌حال، دمای جریان محلی تابعی از زمان نیست. آب‌بندی‌های بین دو جریان کامل نیستند، بنابراین مقداری آلودگی متقاطع رخ می‌دهد. سطح فشار مجاز یک **ری‌ژنراتور چرخشی** در مقایسه با مبدل‌های حرارتی نسبتاً کم است.
چپ|بندانگشتی|نقشه‌های ثبت اختراع برای یک بازتولیدکننده چرخشی، که ماتریس درام‌شکل و آب‌بندهایی را که از اختلاط جریان‌ها جلوگیری می‌کنند، نشان می‌دهد.
چپ|بندانگشتی|بازسازی کننده چرخشی Ljungström
در یک **بازگرم‌کنندهٔ ماتریس ثابت**، یک جریان سیال واحد دارای جریان چرخه‌ای و برگشت‌پذیر است؛ گفته می‌شود که این جریان **مخالف‌گرد** است. این بازگرم‌کننده ممکن است بخشی از یک سیستم بدون شیر، مانند موتور استرلینگ، باشد. در یک پیکربندی دیگر، سیال از طریق شیرها به ماتریس‌های مختلف در دوره‌های کاری متناوب هدایت می‌شود که منجر به تغییر دمای خروجی با گذر زمان می‌گردد. برای نمونه، یک کوره بلند ممکن است چندین «اجاق» یا «چکرز» پر از آجر نسوز داشته باشد. گاز داغ از کوره برای مدتی، مثلاً یک ساعت، از طریق آجرکاری هدایت می‌شود تا زمانی که آجرها به دمای بالا برسند. سپس شیرها عمل کرده و هوای سرد ورودی را از طریق آجر تغییر مسیر می‌دهند و گرما برای استفاده در کوره بازیابی می‌شود. در تأسیسات عملی، چندین اجاق و چیدمان شیرها وجود دارند تا به‌تدریج جریان را بین یک اجاق «داغ» و یک اجاق «سرد» مجاور منتقل کنند، به‌طوری که تغییرات دمای هوای خروجی کاهش یابد.

نوع دیگری از **بازگرم‌کننده** با نام **مبدل حرارتی بازگرم‌کننده در مقیاس میکرو** شناخته می‌شود. این مبدل از یک ساختار شبکه‌ای چندلایه تشکیل شده‌است که در آن، هر لایه نسبت به لایهٔ کناری خود نیم‌سلول جابه‌جا قرار می‌گیرد؛ سلول‌هایی که در امتداد هر دو محور عمود بر مسیر جریان دارای روزنه هستند. هر لایه شامل دو زیرلایه است: یکی از جنس ماده‌ای با رسانایی حرارتی بالا و دیگری از ماده‌ای با رسانایی پایین‌تر. زمانی که یک سیال داغ از میان سلول عبور می‌کند، گرما از سیال به دیواره‌های سلول منتقل و در آن ذخیره می‌شود. سپس، وقتی جهت جریان معکوس می‌شود، این گرمای ذخیره‌شده دوباره از دیواره‌ها به سیال بازمی‌گردد.

نوع سومی از **بازگرم‌کننده** با نام **ری‌ژنراتور روتموله** شناخته می‌شود. در این مدل، یک ماتریس ثابت با شکل دیسکی به‌کار رفته و جریان‌های سیال از طریق هودهای چرخان هدایت می‌شوند. **ری‌ژنراتور روتموله** بیشتر به‌عنوان پیش‌گرم‌کن هوا در نیروگاه‌های تولید برق استفاده می‌شود. از نظر طراحی حرارتی، این نوع عملکردی مشابه سایر انواع بازگرم‌کننده‌ها دارد.&#x5B; *[[ویکی‌پدیا:نیازمند منبع|<span title="This claim needs references to reliable sources. (March 2008)">نیازمند منبع</span>]]* &#x5D;

### زیست‌شناسی
**بینی** و **گلو** در هنگام تنفس مانند **مبدل‌های حرارتی احیاکننده** عمل می‌کنند. هوای خنک ورودی در مسیر عبور خود گرم می‌شود تا هنگام رسیدن به ریه‌ها، دما به حد مطلوب برسد. در زمان بازدم، بخش زیادی از گرمای این هوای گرم‌شده دوباره به دیواره‌های مجاری بینی منتقل می‌شود و این مجاری را برای گرم‌کردن هوای تازه آماده می‌سازد. برخی از حیوانات، از جمله انسان، دارای صفحات استخوانی خمیده‌ای به نام **شاخک‌های بینی** هستند که سطح تماس را افزایش داده و فرآیند تبادل گرما را بهبود می‌بخشند.&#x5B; *[[ویکی‌پدیا:نیازمند منبع|<span title="This claim needs references to reliable sources. (July 2017)">نیازمند منبع</span>]]* &#x5D;

### سردشناسی
**مبدل‌های حرارتی احیاکننده** معمولاً از موادی ساخته می‌شوند که دارای ظرفیت حرارتی حجمی بالا و رسانایی حرارتی کم در راستای طولی جریان هستند. در دماهای بسیار پایین یا برودتی در حدود ۲۰ کلوین، گرمای ویژهٔ فلزات کاهش می‌یابد؛ به همین دلیل، برای انتقال یک مقدار مشخص بار حرارتی، اندازهٔ بازگرم‌کننده باید بزرگ‌تر در نظر گرفته شود.&#x5B; *[[ویکی‌پدیا:نیازمند منبع|<span title="This claim needs references to reliable sources. (July 2017)">نیازمند منبع</span>]]* &#x5D;

## مزایای استفاده از احیاکننده‌ها
مزیت اصلی یک **بازگرم‌کننده** نسبت به یک مبدل حرارتی ریکوپراتوری (جریان مخالف) این است که در یک حجم مشخص، **سطح تبادل حرارت** بسیار بیشتری فراهم می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود برای رسیدن به چگالی انرژی، بازدهی و افت فشار معین، حجم کلی مبدل کاهش یابد. در نتیجه، یک بازگرم‌کننده از نظر مصرف مواد و همچنین هزینهٔ ساخت، در مقایسه با یک ریکوپراتور معادل، گزینه‌ای اقتصادی‌تر محسوب می‌شود.&#x5B; *[[ویکی‌پدیا:نیازمند منبع|<span title="This claim needs references to reliable sources. (July 2017)">نیازمند منبع</span>]]* &#x5D;

طراحی **هدرهای ورودی و خروجی** که برای توزیع سیالات گرم و سرد در ماتریس به‌کار می‌روند، در **ری‌ژنراتورهای جریان مخالف** بسیار ساده‌تر از ریکوپراتورها است. دلیل این موضوع آن است که در **ری‌ژنراتورهای دوار**، هر دو جریان در بخش‌های جداگانه عبور می‌کنند و در **ری‌ژنراتورهای ماتریس ثابت**، یک سیال در هر لحظه فقط وارد یک ماتریس می‌شود و از همان مسیر نیز خارج می‌گردد.

علاوه بر این، می‌توان **بخش‌های جریان** در ری‌ژنراتورهای دوار را به‌گونه‌ای طراحی کرد که **افت فشار** سیالات به حداقل برسد. سطوح ماتریس ری‌ژنراتورها دارای ویژگی‌های **خودتمیزشوندگی** هستند که باعث کاهش رسوب و جلوگیری از خوردگی در سمت سیال می‌شود.

در نهایت، ویژگی‌هایی مانند **چگالی سطحی کم** و **آرایش جریان مخالف** در ری‌ژنراتورها باعث می‌شوند که این سیستم‌ها برای کاربردهای تبادل حرارت **گاز-گاز** که به راندمان بیش از ۸۵٪ نیاز دارند، گزینه‌ای ایده‌آل باشند. از آنجا که **ضریب انتقال حرارت** برای گازها بسیار کمتر از مایعات است، سطح بسیار گستردهٔ موجود در یک ری‌ژنراتور به‌شدت کارایی انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.&#x5B; *[[ویکی‌پدیا:نیازمند منبع|<span title="This claim needs references to reliable sources. (July 2017)">نیازمند منبع</span>]]* &#x5D;

## معایب احیاکننده‌ها
**عیب اصلی** **ری‌ژنراتورهای دوار** و **ماتریس ثابت** این است که همیشه مقدار کمی اختلاط بین جریان‌های سیال وجود دارد و جداسازی کامل دو جریان ممکن نیست. همواره بخشی کوچک از یک جریان به‌طور اجتناب‌ناپذیر وارد جریان دیگر می‌شود.

در یک ری‌ژنراتور دوار، این سیالِ انتقالی در داخل **آب‌بند شعاعی** و درون ماتریس به دام می‌افتد و در **ری‌ژنراتورهای ماتریس ثابت**، این سیال همان حجمی از سیال است که در فضای خالی ماتریس باقی می‌ماند. این بخش کوچک در نیم‌سیکل بعدی با جریان دیگر ترکیب می‌شود.

به همین دلیل، ری‌ژنراتورهای دوار و ماتریس ثابت تنها در شرایطی به‌کار می‌روند که ترکیب‌شدن دو جریان سیال **قابل‌قبول** باشد. جریان مختلط در کاربردهای تبادل حرارت یا **انتقال انرژی گاز-به-گاز** بسیار رایج است، اما در سیالات مایع یا سیستم‌های دارای **تغییر فاز** کمتر استفاده می‌شود؛ زیرا در این موارد، آلودگی سیال معمولاً پذیرفته نیست.&#x5B; *[[ویکی‌پدیا:نیازمند منبع|<span title="This claim needs references to reliable sources. (July 2017)">نیازمند منبع</span>]]* &#x5D;

تناوب مداوم **گرمایش** و **سرمایش** در **مبدل‌های حرارتی احیاکننده** باعث واردشدن فشارهای مکانیکی قابل‌توجهی بر اجزای این مبدل‌ها می‌شود. این تنش‌های حرارتی می‌توانند منجر به **ترک‌خوردگی** یا حتی **خرابی مواد** در طول زمان شوند.&#x5B; *[[ویکی‌پدیا:نیازمند منبع|<span title="This claim needs references to reliable sources. (July 2017)">نیازمند منبع</span>]]* &#x5D;

## جستارهای وابسته

* تبادل جریان مخالف
* اکونومایزر
* مبدل حرارتی
* انفجار داغ
* ریکاوری کننده
* نمک‌زدایی - برخی از کارخانه‌های نمک‌زدایی حرارتی از مبدل‌های حرارتی احیاکننده استفاده می‌کنند
* چرخ حرارتی ، یک مبدل حرارتی احیاکننده که در آن محیط گرم شده به طور مداوم بین دو جریان گاز می‌چرخد.

## منابع


## کتابشناسی

* 
* 
* https://books.google.com/books?id=beSXNAZblWQC&pg=PA8&dq=fluid+heat+exchangers&sig=v3NF11puSFyQiUfPV2VbWjOEHik#PPA51,M1

رده:بازیابی انرژی
رده:مبدل‌های حرارتی