الكاتب: عبد العزيز كمال إبراهيم ضهير

الأستاذ المشرف: د. عاصم حميد

التدقيق اللغوي: د. ابتسام حسين



المُبادلات الحرارية: هي عبارة عن أجهزة تَنقُل الحرارة من أجل الوصول إلى التسخين أو التبريد المطلوب. والجانب المهم من تصميم تكنولوجيا المُبادلات الحرارة هو اختيار المواد المناسبة لإحداث الحرارة ونقلها بسرعة وكفاءة عالية. يحتوي النحاس على العديد من الخصائص المرغوب فيها لإجراء المُبادلات الحرارية ذات الكفاءة الحرارية الدائمة. ويستخدم في المُبادلات الحرارية لذا يعتبر مُوصِلًا ممتازًا للحرارة، وهذا يعني أن التوصيل الحراري العالي له يسمح للحرارة بالمرور من خلاله بسرعة عالية. ومن خصائص المُبادلات الحرارية للنحاس: التوصيل الحراري – مقاومة التآكل – مقاومة الترسبات الحيوية -والخصائص المضادة للميكروبات، وتعَدُّ المنشآت الصناعية ومحطات الطاقة وأنظمة المياه الحرارية الشمسية وأنظمة HVAC وسخانات المياه بالغاز من الأمثلة الشائعة المشتركة في المُبادلات الحرارية للنحاس.[1] كما تتوفر مُبادلات حرارية غير نحاسية مثل: الألومنيوم، والكربون الصلب، وسبائك النيكل، والتيتانيوم.
ونركز في هذا المقال على تاريخ النحاس في المُبادلات الحرارية، وخصائص المُبادلات الحرارية للنحاس، والأمثلة الشائعة المشتركة له في المُبادلات الحرارية.

 

تاريخ النحاس في المُبادلات الحرارية

تطورت المُبادلات الحرارية التي تستخدم النحاس وسبائكهُ جنبا إلى جنب مع تقنيات نقل الحرارة على مدى مئات السنين الماضية. واستُخدِمت أنابيب المكثفات النحاسية للمحركات البخارية لأول مرة في عام 1769 ميلادي، وكانت الأنابيب مصنوعة من النحاس غير المخلوط.[2] وبحلول عام 1870 ميلادي تم استخدام معدن البرُنز وهو عبارة عن 60%من النحاس و40% من الزنك، وكان يستخدم في تبريد المكثفات في مياه البحار.[2] ويتم اليوم تصنيع المراجل والمكثفات من سبائك النحاس.[3]

 

خصائص المُبادلات الحرارية للنحاس

1. التوصيل الحراري

التوصيل الحراري ويرمز له بالحرف K، كما يرمز إليه أيضًا بـالحرفين λ أو k، وهو عباره عن مقياس لقدرة المادة على إجراء تغير في الحرارة.
يحدث انتقال الحرارة عبر المواد ذات التوصيل الحراري العالي بمعدل أعلى من المواد ذات التوصيل الحراري المنخفض.
في النظام الدولي للوحدات (SI) يتم قياس التوصيل الحراري بوحدة الواط لكل متر مربع في كلفن [W / m2 • K).[4)
التوصيل الحراري لبعض المعادن المشتركة[5]

 

          

 

  الفلز

      التوصيل الحراري

      (f-(hr-ft  (وحدة قياس حرارية بريطانية)

[(W/(m2*K]

الفضة 

247.87

429

النحاس

231

399

الذهب

183

316

الألومينيوم

136

235

النحاس الأصفر 69.33

120

الحديد الزهر

46.33

80.1

الفولاذ المقاوم للصدأ

8.1

14.0

(لا تُستخدم الفضة بالرغم من الموصلية العالية لكونها غالية الثمن)

2. مقاومة التآكل

تعتبر مقاومة التآكل ضرورية في تطبيقات نقل الحرارة حيث تتواجد السوائل، كما هو الحال في خزانات الماء الساخن. ومن المواد ذات السعر المعقول التي لها مقاومة عالية ومثالية ضد التآكل وتتحمل ضغوط عالية هو الفولاذ المقاوم للصدأ.
وتعَدُّ أنابيب الألومينيوم ليست صالحة لنقل المياه الصالحة للشرب أو المياه المُعالجة، لأنها تتأكل عند الرقم الهيدروجيني.[PH<7.0 [8][7][6
ويتم استخدام الأنابيب المزدوجة (الدوبلكس) المكونة من طبقة التيتانيوم الداخلية مع سبائك النحاس والنيكل الخارجي، وهذا يُمكَّن من الاستفادة من الخواص الميكانيكية والكيميائية للنحاس إلى جانب مقاومته الممتازة للتآكل والتي تتمتع بها التيتانيوم. وتوجد هذه الأنابيب المزدوجة في المُكثِفات الموجودة في محطة توليد الكهرباء. ويمكن استخدام أنبوب مزدوج مع نحاس الألومنيوم الداخلي أو النحاس الصلب الخارجي أو الفولاذ الخفيف للتبريد في صناعات تكرير النفط والصناعات البتروكيماوية.[9]

3. مقاومة الترسبات الحيوية

تتمتع سبائك النحاس والنيكل بمقاومة طبيعية عالية ضد الترسبات الحيوية مقارنة بالمعادن الأخرى المستخدمة في المُبادلات الحرارية. مثل التيتانيوم والألومنيوم. وتعمل هذه السبائك على مقاومة الترسبات الحيوية في البحار المفتوحة بحيث أنها لا تسمح للملوثات الميكروبية بالبناء ودعم الترسبات الحيوية. وتستخدم سبائك النحاس والنيكل في المنشآت البحرية على مدار فترات زمنية طويلة وقد أثبتت سبائك النحاس والنيكل كفاءتها على مدى سنوات عديدة في أنابيب مياه البحر وغيرها من التطبيقات البحرية. [10]

4. خصائص مضادة للميكروبات

ومن خصائص النحاس القوية المضادة للميكروبات أنها تُمَكن الزعانف النحاسية أن تمنع نمو البكتيريا والفطريات التي عادة ما تتراكم في أنظمة التكييف، وبالتالي فإن أسطح المُبادلات الحرارية التي أساسها النحاس أكثر نظافة لمدة زمنية أطول من المُبادلات الحرارية المصنوعة من معادن أخرى. وتم تقييم المُبادلات الحرارية المصنعة بشكل منفصل من النحاس والألومنيوم المضاد للميكروبات في نظام HVAC (التسخين والتهوية والتكييف) على نطاق كامل لقدرته على الحد من النمو الميكروبي في ظروف ومعدلات التدفق العادية باستخدام الهواء المفرد. وتم عمل تجربة على الأغشية الحيوية المستقرة أو زعانف المُبادلات الحرارية المصنوعة من الألومينيوم وأخرى مصنوعة من النحاس المضاد للميكروبات، وكانت مدة التجربة أربعة أسابيع من التشغيل وبعد انتهاء فترة التجربة تبين أنا الألومينيوم قد تراكمت عليه البكتيريا والفطريات أمَّا النحاس المضاد للميكروبات كان قادراً على الحد من الأحمال البكتيرية المرتبطة بزعانف المبادل الحرارية بنسبة 99.99% والحمولات الفطرية بنسبة 99.74%.[11][12][13] وبعد التجربة تم نشر مكيفات الهواء ذات الزعانف النحاسية في الحافلات في شانغهاي للقضاء بسرعة وبصورة كاملة على البكتيريا والفيروسات والفطريات التي كانت متراكمة في السابق على الزعانف غير النحاسية ويسمح لها بالانتشار حول الأنظمة. وجاء قرار استبدال الألومنيوم بالنحاس بعد الاختبارات المضادة للميكروبات التي أجراها مركز بلدية شنغهاي (SCDC) لمكافحة الأمراض والوقاية منها في الفترة من 2010 إلى 2012، وجدت الدراسة أن المستويات الميكروبية على سطح الزعانف النحاسية كانت أقل بكثير من الألومنيوم، مما ساعد على حماية صحة الركاب في الحافلات.[13][14]

 

الأمثلة الشائعة المشتركة للنحاس في المُبادلات الحرارية

1. المنشآت الصناعية ومحطات الطاقة

أكبر استخدام للمبادل الحرارية هي سبائك النحاس في محطات توليد الطاقة الكهربائية، وتحتوي هذه المحطات على مكثفات سطحية وسخانات ومبردات، وتحتوي جميعها على أنابيب نحاسية. ويَستخدم مكثف السطح الرئيسي الذي يقبل تصريفات البخار التوربيني أكبر قدر من النحاس.[2] وتُستخدم سبائك النحاس على نطاق واسع من أنابيب المُبادلات الحرارية في الأحافير والطاقة النووية لتوليد الطاقة لمحطات توليد الطاقة الكهربائية، ومصانع الكيماويات والبتروكيماويات، والخدمات البحرية، ومحطات التحلية. النيكل النحاسي: هو مجموعة من السبائك التي يتم تحديدها عادة في المُبادلات الحرارية أو أنابيب المكثف في المُبَخِرات ومحطات التحلية، ومناطق تبريد الهواء لمحطات الطاقة الحرارية، وسخانات المياه ذات الضغط العالي، وأنابيب مياه البحر.[9]
ويمكن أن يختلف تكوين السبائك من 90% نيكل و10% نحاس إلى 70% نيكل و30% نحاس. كذلك يمكن تزويد أنابيب سبائك النحاس (CuNiO) إما بسطح معدني لامع أو بطبقة رقيقة من الأكسيد (لوح النحاس)، وهذه الأنواع النهائية تسمح بتشكيل طبقة واقية.[15]
ويتم تحقيق أفضل سطح حماية عند تشغيل النظام لعدة أسابيع بمياه تبريد نظيفة تحتوي على الأكسجين، ويمكن تنفيذ تدابير داعمة لتعزيز العملية، مثل إضافة كبريتات الحديد، بحيث يُصبح الفيلم الوقائي الذي يتشكل على سبائك النيكل والنحاس (Cu-Ni) في مياه البحر جاهزا خلال مدة معينه تُقدر بثلاثة أشهر عند درجة حرارة 60 فهرنهايت ويزداد حمايته بمرور الوقت ويكون الفيلم الواقي مقاوم للمياه الملوثة، والظروف القاسية الأخرى.[16]

2. أنظمة المياه الحرارية الشمسية

يمكن أن تكون سخانات المياه الشمسية وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتوليد الماء الساخن للمنازل في العديد من مناطق العالم. وتُعتبر المُبادلات الحرارية من النحاس مهمة في أنظمة التدفئة والتبريد الحراري الشمسي بسبب التوصيل الحراري العالي للنحاس، ومقاومته للتآكل في الغلاف الجوي. يُستخدم النحاس في كل من المُستَقبِلات والدوائر الابتدائية (الأنابيب والمُبادلات الحرارية لخزانات المياه) لأنظمة المياه الحرارية الشمسية.[17]
ومن أنواع أنظمة الطاقة الشمسية للتطبيقات السكنية: الدوران المباشر (أي تسخين المياه وإيصالها مباشرة إلى المنزل للاستخدام) والدوران غير المباشرة (أي، ضخ سائل نقل الحرارة من خلال المبادل الحرارية، والذي يقوم بعد ذلك بتسخين الماء وايصاله إلى المنزل).[18] الأنابيب الزجاجية المفرغة لها طبقة مزدوجة داخل الأنبوب وهو أنبوب الحرارة النحاسي: وهو عبارة عن أنبوب نحاسي مجوف مغلق يحتوي على كمية صغيرة من سائل النقل الحراري (الماء أو خليط الجليكول) الذي يغلي تحت درجة حرارة منخفضة للغاية، وتَنقُل أنابيب الحرارة النحاسية الطاقة الحرارية من داخل الأنبوب الشمسي إلى رأس النحاسي، وبذلك ترتفع درجة الحرارة ويتم امتصاص الطاقة الحرارية الشمسية داخل الأنابيب المفرغة ليتم تحويلها إلى حرارة مركزة قابلة للاستخدام.[19][20][21][22][23]

3. أنظمة HVAC

وهو عبارة عن نظام تكييف وتدفئة وتبريد داخلي يوجد في المباني والمركبات، وهو أحد أكبر التطبيقات للمُبادلات الحرارية النحاسية. وتُستخدم أنابيب النحاس في معظم أنظمة تكييف الهواء والتبريد، وتُستخدم وحدات تكييف الهواء النموذجية زعانف الألومنيوم، ويمكن لهذه الأنظمة أن تؤدي إلى البكتيريا والتلوث الذي يمكن أن يجعلها تعمل بشكل سيئ.[24]
ويمكن أن تعزز خصائص النحاس المضادة للميكروبات أداء أنظمة (HVAC) وتُحسن من جودة الهواء الداخلي المرتبطة بها. وبعد إجراء اختبارات مُكَثَفَة، أصبح النحاس مادة مسجلة في الولايات المتحدة لحماية أسطح معدات التدفئة وتكييف الهواء ضد البكتيريا والعفن والفطريات. علاوة على ذلك قد أثبَتت الاختبارات والتجارب الذي تموله وزارة الدفاع الأمريكية أن مكيفات الهواء النحاسية كلها تمنع نمو البكتيريا والعفن الذي يسبب الروائح ويقلل من كفاءة الطاقة في النظام. أمًا الوحدات المصنوعة من الألومنيوم لم تُظهِر هذه الفائدة.[25][26] ويمكن أن يسبب النحاس تفاعلاً جلفاني عند وجود سبائك أو معادن أخرى، مما يؤدي إلى التآكل.[27]

4. سخانات المياه بالغاز

تسخين المياه هو ثاني أكبر استخدام للطاقة في المنازل، وتستخدم المُبادلات الحرارية التي تعمل بالماء والغاز والتي تَنقُل الحرارة من الغاز إلى الماء بين 3 و300 كيلو واط حراري (kWth) على نطاق واسع، للاستخدام السكني والتجاري، ويزداد الطلب على أنظمة تسخين المياه المُدمَجة والفعالة من حيث الطاقة. أمًا سخانات المياه الغازية بدون خزان، فتنتج الماء الساخن عند الحاجة. وتعتبر المُبادلات الحرارية من النحاس هي المادة المفضلة في الوحدات السكنية والتجارية بسبب التوصيل الحراري العالي وسهولة التصنيع.[28][29]

 


المصادر والمراجع

    1.  Schoolscience.co.uk; Resources and news for science education; supported by Research Councils UK; http://resources.schoolscience.co.uk/cda/14-16/chemistry/copch0pg4.html 
    2. Gaffoglio, Carl J., Copper alloy surface condenser tube application and service considerations; CDA Heat Exchange Seminars; Copper Development Association 
    3.  Steam coils; Super Radiator Coils; Replacement coils brochure: http://www.srcoils.com/wp-content/blogs.dir/1/files/2010/05/Super-Replacement-Coils-2010-web.pdf[permanent dead link]
    4. Materials for thermal conduction (2001)، Chung، DDL، Applied Thermal Engineering، 21، 1593-1605؛ http://wings.buffalo.edu/academic/department/eng/mae/cmrl/Materials٪20for٪20thermal٪20conduction.pdf
    5. Thermal properties of metals, conductivity, thermal expansion, and specific heat; Engineer’s Edge: Solutions by Design; http://www.engineersedge.com/properties_of_metals.htm
    6. Finned coil heat exchangers (water to air heat exchangers); Brazetek; http://www.brazetek.com/water-to-air-heat-exchangers 
    7.  T.E. Larson, Corrosion by domestic waters; ISWS-75 Bulletin 59; State of Illinois Department of Registration and Education; Page 29.
    8.  D.N. Fultonberg; Corrosion of aluminum in water; Westinghouse Electric Corp. Contract NAS 3-5215, prepared for the Lewis 
    9.  Kobelco: Copper alloy tubes for heat-exchanger; Shinko Metal Products, Japan; http://www.shinkometal.co.jp/catalog/copperalloy-en-sc.pdf 
    10. Powell, C.A.; Preventing biofouling with copper-nickel; Copper Development Association, October 2002; “Archived copy” (PDF). Archived from the original (PDF) on 2012-10-30. Retrieved 2012-11-26.
    11.  Michels, H. (2011). Copper air quality program. Annual Report #4, prepared for U.S. Army Medical Research and Materiel Command, Ft. Detrick, Maryland.
    12. Schmidt, Michael G.; Attaway, Hubert H.; Terzieva, Silva; Marshall, Anna; Steed, Lisa L.; Salzberg, Deborah; Hamoodi, Hameed A.; Khan, Jamil A.; Feigley, Charles E.; Michels, Harold. T. (2012). “Characterization and Control of the Microbial Community Affiliated with Copper or Aluminum Heat Exchangers of HVAC Systems”Current Microbiology. 65 (2): 141–9. doi:10.1007/s00284-012-0137-0PMC 3378845PMID 22569892.
    13.  Copper Helps Shanghai Bus Users Breathe Easy: http://www.microgroove.net/press/copper-helps-shanghai-bus-users-breathe-easy
    14.  Jiangping, C. (2011). Year 2011 Research Report for the Comparative Analysis of Antimicrobial Capability for Copper and Aluminum Fin Radiators in Air Conditioners of Public Buses, Shanghai Municipal Center for Disease Control and Prevention, Environmental Health Section, International Copper Association.
    15. Heat Exchangers and Piping Systems from Copper Alloys – Commissioning, Operating and Shutdown, Manfred Jasner, Meinhard Hecht, Wolfgang Beckmann, KME; http://www.copper.org/applications/cuni/txt_kme.html
    16. Heat Exchangers and Piping Systems from Copper Alloys – Commissioning, Operating and Shutdown; http://www.copper.org/applications/cuni/txt_kme.html#1
    17.  2011 global status report by Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21)); “Archived copy”. Archived from the original on 2012-11-03. Retrieved 2012-11-26. 
    18.  Solar water heaters; Energy Savers; Energy Efficiency and Renewable Energy; U.S. Department of Energy; http://www.energysavers.gov/your_home/water_heating/index.cfm/mytopic=12850/
    19.  Solar hot water; B&R Service Inc.; http://www.bandrservice.com/solar.htm
    20.  How solar hot water system works; SolarPlusGreen.com; http://www.solarplusgreen.com/solar-know-how.htm
    21.   Mirasol Solar Energy Systems; http://www.mirasolenergysystems.com/pdf/et-technology.pdf
    22. How solar heaters work; Mayca Solar Energy; “Archived copy”. Archived from the original on 2012-10-28. Retrieved 2012-11-26.
    23.  Bayat Energy: solar water heaters; http://www.bayatenergy.co.uk/Solar%20Water%20Heaters%20Catalogue.pdf
    24. Antimicrobial Copper; http://www.antimicrobialcopper.com
    25.  US EPA registers antimicrobial copper for HVAC applications; Antimicrobial Copper; http://www.antimicrobialcopper.com/us/news-center/news/us-epa-registers-antimicrobial-copper-for-hvac-applications.aspx
    26. Buildings.com; Copper for HVAC Efficiency; http://www.buildings.com/tabid/3334/ArticleID/11545/Default.aspx
    27.  Corrosion Control-Cooling Systems | GE Water
    28. Gas water heaters with improved heat exchangers; http://copperalliance.org/core-initiatives/technology/technology-projects/ 
    29. Gas Combustion Equipment; http://copperalliance.org/wordpress/wp-content/uploads/downloads/2012/06/technology_roadmap-en.pdf[permanent dead link]