همرفت اجباری: وقتی پمپ و فن، گرما را جابهجا میکنند!
انتقال حرارت چیست و همرفت چگونه رخ میدهد؟
برای درک همرفت اجباری، ابتدا باید با مفهوم کلی انتقال حرارت و به ویژه همرفت آشنا شویم. وقتی دو جسم با دمای متفاوت در تماس باشند، گرما از جسم گرمتر به جسم سردتر منتقل میشود. این انتقال به سه روش اصلی انجام میگیرد: رسانش[4]، همرفت[5] و تابش[6].
در روش همرفت، گرما توسط حرکت خود ماده (که معمولاً یک گاز یا مایع است) منتقل میشود. به عنوان مثال، وقتی سماور آب را گرم میکند، آب نزدیک کف سماور گرم شده و منبسط میشود. چگالی آن کاهش مییابد و به سمت بالا حرکت میکند. آب سردتر با چگالی بیشتر جای آن را میگیرد. این چرخه یک جریان طبیعی ایجاد میکند که گرما را در سراسر آب پخش میکند. به این نوع، همرفت طبیعی[7] میگویند.
اما گاهی این جریان طبیعی به اندازهی کافی سریع یا قابل کنترل نیست. اینجاست که نقش همرفت اجباری پررنگ میشود. در این روش، ما با استفاده از یک نیروی خارجی (مانند پرههای یک فن یا تیغههای یک پمپ)، سیال را مجبور به حرکت میکنیم. این کار سرعت انتقال حرارت را به شدت افزایش میدهد.
اجزای اصلی یک سیستم همرفت اجباری
هر سیستم همرفت اجباری معمولاً از سه بخش کلیدی تشکیل شده است:
| نام جزء | وظیفه | مثال ملموس |
|---|---|---|
| منبع حرارت/سرمایش | تولید گرما یا سرما. نقطهای که انرژی حرارتی باید از آن گرفته یا به آن اضافه شود. | لامپ LED در پروژکتور، پردازنده[9] رایانه، کویل[10] یخچال. |
| سیال انتقالدهنده | حامل انرژی گرمایی. معمولاً هوا یا آب. | هوای اتاق، آب خنککننده در موتور خودرو. |
| وسیلهی محرک (پمپ یا فن) | ایجاد جریان اجباری در سیال. قلب سیستم همرفت اجباری. | فن پشت کیس رایانه، پمپ آب رادیاتور. |
پمپ در برابر فن: کجا از کدام استفاده میشود؟
هر دو وسیله برای به حرکت درآوردن سیال استفاده میشوند، اما نوع سیال و کاربردشان متفاوت است.
پمپ عمدتاً برای سیالات مایع (مانند آب، روغن) طراحی شده است. پمپ با ایجاد اختلاف فشار، مایع را در یک مدار بسته (مانند سیستم گرمایش از کف) یا باز (مانند پمپاژ آب از چاه) به جریان میاندازد. در موتور خودرو، پمپ آب، آب را به اجبار از میان مجاری اطراف سیلندرها و رادیاتور میگرداند تا گرمای اضافی موتور را بگیرد.
فن برای به حرکت درآوردن سیالات گازی (عمدتاً هوا) ساخته شده است. فن با چرخش پرههای خود، هوا را مکش کرده و با سرعت به سمت جلو میراند. مثال سادهی آن پنکهی رومیزی است که با وادار کردن هوا به حرکت بر روی پوست بدن، گرمای بدن را سریعتر از حالت طبیعی میگیرد و احساس خنکی ایجاد میکند. در سیستمهای پیچیدهتر مانند کولر گازی، یک فن قوی، هوا را از روی کویلهای سرد عبور داده و هوای خنک را به داخل اتاق میفرستد.
از خنککاری رایانه تا گرمایش خانه: کاربردهای شگفتانگیز
همرفت اجباری بخش جداییناپذیر بسیاری از دستگاههای اطراف ماست. در این بخش به چند مثال عملی و گامبهگام نگاهی میاندازیم:
مثال ۱: خنککاری رایانه: پردازنده مرکزی رایانه هنگام کار گرمای زیادی تولید میکند. اگر این گرما دفع نشود، پردازنده میسوزد.
1. یک هیتسینک[11] فلزی (معمولاً آلومینیومی) بر روی پردازنده نصب میشود. این هیتسینک با روش رسانش، گرمای پردازنده را جذب میکند.
2. یک فن بر روی هیتسینک قرار دارد که هوا را به اجبار از بین تیغههای آن عبور میدهد.
3. هوای خنکتر با عبور از این تیغهها، گرمای هیتسینک را میگیرد و گرم میشود.
4. هوای گرم شده از پشت کیس خارج میشود و هوای خنکتر جایگزین آن میگردد. این چرخهی پیوسته، پردازنده را در دمای ایمن نگه میدارد.
مثال ۲: سیستم گرمایش خودرو: برخلاف تصور، این سیستم هم از همرفت اجباری استفاده میکند.
1. موتور خودرو گرم میشود و آب خنککننده اطراف آن داغ میشود.
2. پمپ آب، این آب داغ را به اجبار به سمت رادیاتور بخاری داخل کابین میفرستد.
3. یک فن کوچک (فن بخاری) هوا را از بیرون یا داخل کابین مکش کرده و از روی رادیاتور بخاری عبور میدهد.
4. هوا گرم شده و به صورت اجباری از دریچهها به داخل کابین پرتاب میشود. با کنترل سرعت این فن، میتوان میزان گرمایش را تنظیم کرد.
سوالات متداول و باورهای نادرست
پاسخ: بله، در بیشتر یخچالهای جدید اینگونه است. یک فن داخلی (اغلب در محفظهی فریزر) هوای سرد را به اجبار در محفظهی اصلی یخچال و کشوها به جریان میاندازد. این کار باعث یکنواختتر شدن دما در تمام قسمتها و خنککاری سریعتر مواد غذایی میشود. در مدلهای قدیمیتر ممکن است فقط همرفت طبیعی وجود داشته باشد که کارایی کمتری دارد.
پاسخ: هر دو از فن برای ایجاد جریان هوا استفاده میکنند (همرفت اجباری هوا). اما در کولر آبی، آب به طور طبیعی از روی پدها[12] عبور کرده و هوا با عبور اجباری از میان این پدهای مرطوب، خنک میشود. در کولر گازی، یک سیال مبرد[13] در یک سیکل بسته توسط یک کمپرسور (نوعی پمپ) به حرکت درمیآید (همرفت اجباری مایع) و دو فن مجزا، یکی برای خنک کردن کندانسور[14] در بیرون و یکی برای دمیدن هوا از روی اواپراتور[15] در داخل استفاده میشود. بنابراین کولر گازی از هر دو نوع همرفت اجباری (مایع و گاز) بهره میبرد.
پاسخ: خیر، همیشه اینطور نیست. افزایش سرعت فن تا یک حد معین باعث بهبود انتقال حرارت میشود، اما پس از آن، تأثیر چندانی ندارد و فقط مصرف برق و سر و صدا را افزایش میدهد. طراحی صحیح مسیر جریان هوا و سطح تماس (مانند هیتسینک با تیغههای فراوان) اغلب مهمتر از سرعت کورکورانهی فن است.
پاورقی
[1] همرفت واداشته / همرفت اجباری (Forced Convection)
[2] انتقال حرارت (Heat Transfer)
[3] سیال (Fluid): موادی که جاری میشوند، مانند مایعات و گازها.
[4] رسانش (Conduction)
[5] همرفت (Convection)
[6] تابش (Radiation)
[7] همرفت طبیعی (Natural Convection)
[8] ضریب انتقال حرارت جابجایی (Convective Heat Transfer Coefficient)
[9] پردازنده (CPU - Central Processing Unit)
[10] کویل (Coil): لولههای مارپیچ یا شبکهای که سیال در آن جریان دارد.
[11] هیتسینک (Heat Sink): مبدل حرارتی که گرمای یک قطعه را جذب و در سطح بزرگتری پخش میکند.
[12] پد (Pad): صفحات کولری با سطح مشبک که آب از آنها عبور میکند.
[13] مبرد (Refrigerant): سیال خاصی که در سیکل تبرید (مانند کولر گازی) استفاده میشود.
[14] کندانسور (Condenser): قسمتی که گاز مبرد در آن تقطیر شده و به مایع تبدیل میشود و گرمای خود را دفع میکند.
[15] اواپراتور (Evaporator): قسمتی که مایع مبرد در آن تبخیر شده و به گاز تبدیل میشود و گرما را جذب میکند.
