ينقل المبادل الحراري الحرارة بين مائعين عبر جدار صلب يُبقي مساري تدفقهما منفصلين. يتخلى المائع الأعلى حرارة عن الطاقة الحرارية عند أحد جانبي الجدار؛ ثم تنتقل هذه الطاقة عبر المادة إلى المائع الأبرد على الجانب الآخر. وعندما يكون الحاجز سليمًا والوصلات محكمة الإغلاق، لا يحتاج أي من المائعين إلى العبور إلى الدائرة الأخرى.

في مركز بيانات مُبرّد بالسائل، يفصل هذا الترتيب سائل التبريد المتداول عبر المعدات عن الماء المتداول عبر البنية التحتية للتبريد في المبنى. تنتقل الحرارة بين الدائرتين، فيما تظل كيمياء المياه والضغط والنظافة في كل منهما خاضعة للتحكم بشكل مستقل.

تعبر الحرارة ثلاث مقاومات حرارية

داخل المبادل الحراري ذي الصفائح أو الأنابيب، تنتقل الحرارة عبر سلسلة من العمليات. أولًا، ينقل الحمل الحراري الطاقة من المائع الأدفأ نحو الجدار. ثم ينقل التوصيل الحراري الطاقة عبر المعدن. وأخيرًا، ينقل الحمل الحراري الطاقة من سطح الجدار المقابل إلى تيار المائع الأبرد.

يتحرك المائع الملاصق مباشرةً لسطح صلب ببطء أكبر من المائع الأبعد عنه. وتشكل هذه الطبقة الحدية مقاومة لانتقال الحرارة. وتساعد تموجات الصفائح وسرعات التدفق المناسبة على تعزيز الخلط داخل كل ممر منفصل، ما يجعل كمية أكبر من المائع تلامس سطح انتقال الحرارة. يحسن الخلط داخل الدائرة انتقال الحرارة من دون خلط محتويات الدائرتين بعضها ببعض.

يضيف الجدار مقاومته الخاصة. فالجدار الأقل سماكة يوصل الحرارة بسهولة أكبر، لكن يجب أن تتحمل سماكته أيضًا الضغط والتعرض للتآكل والأحمال الميكانيكية. ويشيع استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في المبادلات ذات الصفائح لما يوفره من مقاومة مفيدة للتآكل ومتانة إنشائية. ومع ذلك، يتطلب اختيار المادة التحقق من توافقها مع كلا المائعين ومواد التنظيف ودرجات حرارة التشغيل.

لا يضمن المعدن عالي التوصيل وحده أداءً قويًا. فقد يؤدي ضعف التدفق أو الترسبات أو ترتيب القنوات غير الملائم إلى مقاومة أكبر من مقاومة الجدار المعدني نفسه.

كيف تبقى الممرات منفصلة

يتكون المبادل الحراري ذي الصفائح من مجموعة من الصفائح المعدنية الرقيقة. وتوجه المنافذ وموانع التسرب أحد المائعين عبر قنوات متعاقبة، بينما يجري المائع الثاني في القنوات الواقعة بينها. تعمل كل صفيحة مشتركة كسطح لنقل الحرارة وحاجز مادي في آن واحد.

في التصميمات المزودة بحشيات، تُحكم الحشيات إغلاق حواف الصفائح وتوجه التدفق حول المنافذ المناسبة. أما التصميمات الملحومة بالنحاس فتستخدم وصلات ربط دائمة بدلًا من حشيات الصفائح القابلة للاستبدال. وتوفر الإنشاءات الملحومة طريقة أخرى لتكوين ممرات محكمة الإغلاق. تختلف هذه الترتيبات من حيث سهولة الصيانة والخدمة وتوافقها مع الموائع، لكنها جميعًا تعتمد على سلامة الجدران والوصلات للحفاظ على الفصل.

يطبق المبادل الحراري ذو الغلاف والأنابيب المبدأ نفسه بهندسة مختلفة. يجري أحد المائعين داخل الأنابيب، بينما يتدفق الآخر حول أسطحها الخارجية داخل غلاف. وتفصل جدران الأنابيب والوصلات عند صفائح تثبيت الأنابيب بين التيارين.

لا يتطلب الفصل الهيدروليكي تساوي الضغط على الجانبين. يمكن أن تكون لكل دائرة مضختها وضغط تشغيلها الخاص، ما دام المبادل ضمن حدوده المحددة، بما في ذلك فرق الضغط المسموح به. يتحمل الجدار حمل الضغط وينقل الحرارة في الوقت نفسه.

يحدد فرق درجة الحرارة اتجاه انتقال الحرارة

تنتقل الحرارة محليًا من المائع الأدفأ إلى المائع الأبرد. ولا يحتوي المبادل التقليدي من سائل إلى سائل على ضاغط، ولا يرفع الحرارة إلى مستوى أعلى من درجات الحرارة. لذلك تعتمد قدرته على تبريد دائرة المعدات على درجة حرارة الدائرة المستقبِلة.

إذا كان ماء المنشأة الداخل إلى المبادل دافئًا أكثر من اللازم، فلن يؤدي تكبير المبادل إلى جعل مخرج جهة المعدات أبرد من هذا الماء الداخل في ظروف التشغيل المستقرة. يمكن لزيادة مساحة السطح أن تقلل فرق درجة الحرارة اللازم لأداء حراري معين، لكن المبادل ذي المساحة المحدودة يحتاج إلى فرق في درجة الحرارة لنقل الحرارة.

يؤثر اتجاه التدفق في كيفية الحفاظ على هذا الفرق. ففي التدفق المتوازي، يدخل التياران من الطرف نفسه، ما ينتج فرقًا كبيرًا في درجة الحرارة عند المدخل يتناقص على امتداد الممرات. أما التدفق المعاكس، فيرسل التيارين في اتجاهين متعاكسين، وغالبًا ما يحافظ على فرق أكثر فاعلية في درجة الحرارة عبر السطح المتاح.

في التدفق المعاكس، قد تكون درجة حرارة مخرج التيار الأبرد أعلى من درجة حرارة مخرج التيار الأدفأ، لأن المخرجين يقعان عند طرفين متقابلين. ولا يعني ذلك انعكاس اتجاه انتقال الحرارة: ففي كل موضع على امتداد الجدار الفاصل، يظل المائع الذي يفقد الحرارة أدفأ من المائع الذي يستقبلها.

ما الذي تدل عليه السعة الحرارية وقراءات درجات الحرارة فعليًا

يمكن تقدير معدل انتقال الحرارة لسائل أحادي الطور ذي خواص شبه ثابتة باستخدام أي من الدائرتين:

معدل انتقال الحرارة = معدل تدفق الكتلة × السعة الحرارية النوعية × التغير في درجة حرارة المائع.

في حالة التشغيل المستقر، تعادل الحرارة التي يفقدها التيار الأدفأ تقريبًا الحرارة التي يكتسبها التيار الأبرد، مع مراعاة التبادل الحراري مع الوسط المحيط وعدم اليقين في القياس. ولا يتطلب تساوي معدلات انتقال الحرارة تساوي التغيرات في درجات الحرارة. فاختلاف معدلات التدفق أو خواص الموائع يؤدي إلى اختلاف الفروق بين درجات حرارة الدخول والخروج.

تكتسب هذه المسألة أهمية عند مقارنة الماء بخليط الماء والغليكول. إذ يغير تركيز الغليكول السعة الحرارية النوعية واللزوجة والتوصيل الحراري. وعند معدل التدفق الحجمي نفسه، لا يحمل الخليط بالضرورة كمية الحرارة نفسها، ولا ينتج عنه فقد الضغط نفسه الذي ينتج عن الماء.

ويُعبّر عن أداء المبادل الحراري أيضًا عادةً بالمعادلة التالية:

معدل انتقال الحرارة = معامل انتقال الحرارة الكلي × مساحة السطح × فرق درجة الحرارة الفعّال.

يجمع المعامل الكلي مقاومات طبقتي المائع الحديتين والجدار وأي ترسبات. أما فرق درجة الحرارة الفعّال فيعكس درجات الحرارة وترتيب التدفق. لذلك لا تكون سعة التبريد المذكورة ذات معنى إلا عند النظر إليها إلى جانب درجات حرارة الدخول ومعدلات التدفق وتركيب المائع المحددة لها.

لا يكفي الانخفاض الكبير في درجة الحرارة عبر الجانب الساخن وحده لإثبات ارتفاع سعة التبريد. فقد يؤدي انخفاض التدفق إلى تغير كبير في درجة الحرارة مع نقل كمية قليلة نسبيًا من الحرارة. ويتطلب تقييم الأداء النظر إلى فرق درجة الحرارة ومعدل التدفق معًا.

الفصل داخل وحدة توزيع التبريد (CDU)

تستخدم وحدات توزيع التبريد (CDU) كثيرًا مبادلًا حراريًا من سائل إلى سائل بين دائرة المنشأة ودائرة المعدات. ينقل سائل التبريد العائد من الصفائح الباردة حرارته إلى المبادل، ثم يعود نحو المعدات بدرجة حرارة أقل. ويمتص ماء المنشأة هذه الحرارة وينقلها إلى معدات طرح الحرارة أو إلى نظام مناسب لاستعادة الحرارة.

يتيح هذا الحد الفاصل الحفاظ على جودة سائل التبريد في دائرة المعدات بما يلائم الممرات الضيقة في الصفائح الباردة والمواد الملامسة للسائل. كما يمنع تقلبات الضغط المعتادة في جانب المنشأة من فرض الظروف الهيدروليكية نفسها مباشرةً على دائرة المعدات.

يجب أن تحافظ شبكة الأنابيب المحيطة على هذا الفصل أثناء التركيب. صُممت الأنابيب مسبقة التصنيع للتبريد بالسائل وصُنعت خصيصًا للأنظمة الثانوية للتبريد بالسائل. ويجب أن تتوافق مواقع وصلاتها ونظافتها وتعريف الدوائر مع تصميم وحدة توزيع التبريد، حتى لا يُدخل التركيب شوائب أو ينشئ وصلات غير مقصودة بين الدوائر.

يتطلب استعادة الحرارة المنقولة توفر مستوى درجة حرارة مناسب في التطبيق المستقبِل. ينقل المبادل الحرارة المتاحة؛ أما عند الحاجة إلى درجة حرارة تسليم أعلى، فتكون هناك حاجة إلى معدات إضافية مثل المضخة الحرارية.

متى يضعف التبريد أو يتعطل الحاجز

لا يشير انخفاض أداء التبريد تلقائيًا إلى اختلاط الموائع. فالترسبات الكلسية أو نواتج التآكل أو الرواسب البيولوجية تضيف مقاومة حرارية. وتقلل الممرات المسدودة التدفق الفعلي، بينما يترك الغاز المحتبس جزءًا من السطح ضعيف التبلل. لذلك قد تنتج أعراض متشابهة في درجات حرارة الخروج عن أسباب فيزيائية مختلفة.

يساعد فقد الضغط على التمييز بين هذه الحالات عند المقارنة في ظل معدلات تدفق ودرجات حرارة مائع متشابهة. فقد يشير ارتفاع فقد الضغط بالتزامن مع انخفاض انتقال الحرارة إلى انسداد الممرات. أما انخفاض انتقال الحرارة من دون تغير مماثل في فقد الضغط، فقد يشير إلى وجود ترسبات على الأسطح، رغم ضرورة التحقق أيضًا من حساسات درجة الحرارة ومعدل التدفق الفعلي.

يتطلب التلوث المتبادل وجود مسار للتسرب، مثل صفيحة متشققة أو أنبوب متضرر أو وصلة فاشلة. وإذا حدثت فتحة داخلية، فإن فرق الضغط يدفع المائع عمومًا من الدائرة الأعلى ضغطًا إلى الدائرة الأقل ضغطًا. وقد تؤدي بعض حالات فشل الحشيات بدلًا من ذلك إلى تسرب خارجي؛ وتعتمد النتيجة على ترتيب الإحكام وموضع العطل.

عندما تستلزم عواقب التلوث المتبادل حماية إضافية، يوفر المبادل ذو الجدار المزدوج المزود بمسار مناسب لكشف التسرب وسيلةً للكشف عن تعطل الحاجز قبل حدوث اتصال مباشر بين التيارين. ويجب أخذ مقاومته الحرارية الإضافية في الحسبان عند تحديد الحجم. سلامة تحمل الضغط وأداء انتقال الحرارة متطلبان منفصلان، ويجب أن يتوافق كلاهما مع ظروف التشغيل المقصودة.