Jak działa wymiennik ciepła?

Wymienniki ciepła, używane do przenoszenia ciepła pomiędzy jednym płynem (cieczą lub gazem) a innym płynem (inną cieczą lub gazem), bez bezpośredniego kontaktu tych dwóch płynów, są stosowane zarówno w procesach ogrzewania, jak i chłodzenia.

Wymienniki ciepłasą wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w tym w klimatyzacji, zakładach chemicznych, zakładach petrochemicznych, rafineriach ropy naftowej, elektrowniach, przetwarzaniu gazu ziemnego, chłodnictwie, oczyszczaniu ścieków i ogrzewaniu pomieszczeń. Można je również znaleźć w silnikach spalinowych, gdzie umożliwiają przepływ płynu chłodzącego silnika przez cewki chłodnicy, gdy przepływa przez nie powietrze, schładzając płyn chłodzący, jednocześnie podgrzewając powietrze.

Wymiennik ciepła działa w ten sposób, że ciepło z jednego płynu przepływa przez inny, chłodniejszy płyn, bez mieszania się lub bezpośredniego kontaktu.

Na przykład wyobraź sobie rurę otoczoną inną rurą. Rura wewnętrzna może umożliwiać przepływ gorącego płynu, podczas gdy chłodniejszy płyn przepływa jednocześnie przez rurę zewnętrzną. Pozwoliłoby to chłodniejszemu płynowi obniżyć temperaturę cieplejszego, ponieważ cieplejszy płyn jednocześnie zwiększał ciepło chłodniejszego płynu. Oczywiście jest to bardzo prosty przykład wymiany ciepła i istnieje wiele innych czynników, które należy wziąć pod uwagę podczas badania wymienników ciepła:

1. Karnety

Zaginając rury, na przykład w kształt litery „S”, można umożliwić płynom wykonanie więcej niż jednego „przejścia” przed opuszczeniem wymiennika ciepła. Pojedynczy przebieg to prosta rura, przez którą płyn wpływa jednym końcem i wypływa z drugiego końca wymiennika ciepła dość szybko. W przypadku podwójnego przejścia stosuje się-kształt litery U, dzięki czemu płyn wchodzi i wychodzi z wymiennika ciepła na tym samym końcu, co wydłuża czas, w którym płyny przepływają-przez siebie w wymienniku ciepła. W potrójnym przejściu wykorzystuje się formację w kształcie litery „S”, która umożliwia trzykrotny przepływ płynu wzdłuż wymiennika ciepła przed jego opuszczeniem. Im większa liczba przejść, tym większa dostępna ilość wymiany ciepła – po prostu dlatego, że płyny przebywają razem w układzie przez dłuższy czas – chociaż może to również prowadzić do spadków ciśnienia i utraty prędkości.

2. Przekroczenie temperatury.-Przekroczenie temperatury

Przejście temperatur-ma miejsce, gdy ciepło chłodniejszego płynu zaczyna krzyżować się z temperaturą gorącego płynu w wymienniku ciepła. Na przykład olej wpływający do wymiennika ciepła o temperaturze 80⁰C wraz z wodą o temperaturze 30⁰C może spowodować, że ich temperatury-przekroczą się, jeśli temperatura oleju spadnie do 50⁰C, gdy woda osiągnie 51⁰C. W tym momencie chłodniejszy płyn (woda) stał się gorętszy niż olej. Przekroczenie temperatury-może znacznie zmniejszyć wydajność wymiennika ciepła, szczególnie podczas chłodzenia. Można tego uniknąć, zwiększając natężenie przepływu chłodziwa (patrz „Natężenie przepływu” poniżej), tak aby w układzie było więcej chłodziwa. Tam, gdzie nie da się uniknąć-przekroczenia temperatur, najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie płytowego wymiennika ciepła (patrz „Typy wymienników ciepła poniżej”).

3. Różnica temperatur

Odnosi się to do różnicy temperatur między chłodziwem a gorącym płynem, która jest ważna w wymienniku ciepła, jak pokazano w „przekroczeniu-temperatur” (powyżej). Płyn chłodzący powinien być utrzymywany w niższej temperaturze niż gorący płyn, a im zimniejszy płyn chłodzący, tym skuteczniej będzie odprowadzał ciepło z gorącego płynu.

4. Natężenie przepływu

Jest to ilość płynu przepływającego przez-przekrój rury w określonym czasie. Oblicza się go jako objętość płynu w czasie jego przepływu - przy większym natężeniu przepływu, co może potencjalnie zwiększyć zdolność wymiennika ciepła do przenoszenia ciepła. Jednak więcej płynu oznacza również większą masę do transportu, a także większą utratę ciśnienia i prędkość.

Wymienniki ciepła można klasyfikować według układu przepływu lub konstrukcji samego wymiennika ciepła.

Trzy główne klasyfikacje układu przepływu występujące w wymiennikach ciepła to przepływ-równoległy, przeciwprądowy i-przepływ krzyżowy:

• Przepływ równoległy:Obydwa płyny wpływają na ten sam koniec wymiennika ciepła i przemieszczają się równolegle, a następnie wspólnie wypływają
• Przepływ przeciwny:Płyny wpływają po przeciwnych stronach wymiennika ciepła i przepływają przez system w przeciwnych kierunkach. Jest to najbardziej efektywny układ przepływu, ponieważ średnia różnica temperatur pomiędzy płynami pozostaje wyższa w całym systemie
• Przepływ-krzyżowy:W tej formie wymiennika ciepła płyny przemieszczają się względem siebie prostopadle (pod kątem prostym).

Oprócz układu przepływu wymienniki ciepła można podzielić na kategorie według typu, zgodnie z fizyczną konstrukcją wymiennika ciepła:

• Podwójna rura:Jest to najprostszy typ wymiennika ciepła stosowany w przemyśle. Jak sama nazwa wskazuje, składają się one z dwóch rurek, przez które mogą przepływać płyny. Konfiguracja przepływu może być równoległa lub przeciwprądowa, przy czym przepływ przeciwny jest bardziej wydajny, natomiast przepływ równoległy jest lepszy, jeśli oba płyny wymagają doprowadzenia do tej samej temperatury. Te wymienniki ciepła są łatwe i tanie w projektowaniu i utrzymaniu, ale mają stosunkowo niski poziom wydajności w porównaniu do innych konstrukcji
• Skorupa i rura:Płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła wykorzystują zestaw metalowych rurek, przez które przepływa jeden płyn, otoczonych szczelnym płaszczem, przez który przepływa drugi płyn. Ten typ wymiennika ciepła współpracuje ze wszystkimi rodzajami przepływu – równoległym, przeciwprądowym i krzyżowym- i można go znaleźć w lokomotywach parowych. Przegrody służą do kierowania przepływem płynu, wywoływania wibracji płynu i podtrzymywania rur, natomiast żeberka można również stosować w technologiach chłodzonych powietrzem-(takich jak chłodnice między-silników spalinowych), aby zwiększyć obszar wymiany ciepła
• Płyta/płetwa:Ten typ wymiennika ciepła wykorzystuje stosy cienkich metalowych płyt, które są rozdzielone żebrami, tworząc poziomy, podobnie jak podłogi budynku. Jednak każda z tych „podłóg” jest-samodzielna i oddzielona od tej powyżej i poniżej, tworząc szereg szczelnych rurek, przez które mogą przepływać płyny. Tworzy to dużą powierzchnię, która jest w stanie szybko wymieniać ciepło, gwarantując jednocześnie przepływ płynu na całej powierzchni wymiany ciepła, zapobiegając stagnacji i akumulacji płynu. Płyty można wytwarzać w różnych rozmiarach, głębokościach i kształtach, w tym płyty faliste, płyty i ramy, płyty i powłoki lub płyty spiralne. Wysoka turbulencja przepływu pomiędzy płytami powoduje większy transfer ciepła i spadek ciśnienia. Ten typ wymiennika ciepła jest stosowany w takich zastosowaniach, jak piece gazowe i kotły.
• Chłodzony powietrzem:Ten typ wymiennika ciepła jest powszechnie stosowany w pojazdach i innych zastosowaniach ruchomych, gdzie nie jest dostępna zimna woda. Zamiast dwóch cieczy systemy chłodzone powietrzem wykorzystują chłodne powietrze z wentylatora lub strumień powietrza wywołany ruchem samego pojazdu.
• Skraplacze, kotły i parowniki:Ten rodzaj wymiany ciepła zasługuje na szczególną uwagę, ponieważ działa w nieco inny sposób niż już opisane. Zamiast wprowadzać dwa płyny (gorący i zimny), wykorzystują one chłodzenie i kondensację gorącego gazu do postaci płynnej (i odwrotnie), aby stworzyć cykl wymiany ciepła. Jest to proces stosowany w turbinach parowych i wytwornicach pary, które wykorzystują cykl odparowania wody w parę, a następnie jej ochłodzenia z powrotem do postaci cieczy.
• Rekuperatory:Rekuperator to wymiennik ciepła przeznaczony do wychwytywania ciepła, które w przeciwnym razie zostałoby utracone, np. ciepło odprowadzane z budynku. Ciepłe powietrze jest kierowane na zewnątrz kanałem znajdującym się obok oddzielnego kanału dopływającego chłodnego płynu, tworząc przeciwprąd. Tak działa system wentylacji z-odzyskiem ciepła, umożliwiający wentylację budynku świeżym powietrzem bez utraty całego ciepła z wychodzącego cieplejszego powietrza
• Regeneratory:Tego typu wymienniki ciepła umożliwiają przepływ zarówno wchodzących, jak i wychodzących płynów przez ten sam kanał w przeciwnych kierunkach w różnym czasie. Wypływający ciepły płyn oddaje część swojego ciepła, a następnie, gdy wpływa chłodny płyn, odbiera część ciepła resztkowego, które tam pozostało. Ten rodzaj wymiany ciepła jest stosowany w silniku Stirlinga, który wykorzystuje tłok do przepychania uwięzionego gazu tam i z powrotem pomiędzy źródłem ciepła (np. ogniem) a chłodniejszym obszarem, czyli „zlewem”, w którym ciepło jest tracone. Ten typ wymiennika ciepła zmniejsza straty ciepła w systemie poprzez „regenerację” ciepła.

Wymienniki ciepła znajdują zastosowanie w szerokim zakresie zastosowań zarówno przemysłowych, jak i codziennych.

Chociaż wymienniki ciepła są dostępne w różnych konstrukcjach i systemach przepływu, wszystkie działają w podobny sposób; umożliwienie kontaktu termicznego pomiędzy cieplejszym i chłodniejszym płynem (bez faktycznego mieszania), dzięki czemu oba płyny odpowiednio się ogrzewają lub schładzają-.

Poprawia to efektywność pojazdów i innych jednostek, a także oszczędza koszty i zmniejsza zużycie energii (i związany z tym wpływ na środowisko).

Sięgnij po plany HX

Scenariusze zastosowań wymienników ciepła (takie jak przetwórstwo spożywcze, przemysł petrochemiczny, chłodzenie energetyczne) i charakterystyka medium (korozja/lepkość/temperatura) są różne, dlatego plan specyfikacji również zostanie dostosowany na wyłączność.-Daj nam znać swoje potrzeby, a my przedstawimy Ci docelowe parametry i oferty.

E-mail:global@gneesteels.com