Co to jest wymiennik ciepła?

Wymiennik ciepła to urządzenie, w którym ciepło jest w sposób ciągły przenoszone z jednego nośnika do drugiego. Wyróżnia się dwa główne typy wymienników ciepła:

• Bezpośredni wymiennik ciepła, w którym dwa media są w bezpośrednim kontakcie. Zakłada się, że oba media nie mieszają się ze sobą. Przykładem tego typu wymiennika ciepła jest wieża chłodnicza, w której woda jest chłodzona przez bezpośredni kontakt z powietrzem.
• Pośredni wymiennik ciepła, w którym dwa media są oddzielone od siebie przegrodą, przez którą przepływa ciepło.

Rodzaje wymienników ciepła

W tym artykule zajmiemy się wyłącznie bezpośrednimi wymiennikami ciepła, tj. takimi, w których nośniki nie mieszają się, a wymiana ciepła odbywa się poprzez powierzchnię wymiany ciepła.

Istnieje kilka głównych typów bezpośrednich wymienników ciepła, takich jak:

• Wymienniki płytowe - są one najbardziej wydajne
• Wymienniki rurowe
• Wymienniki spiralne

Jak działa Wymiennik Ciepła?

Konstrukcja uszczelnianego płytowego wymiennika ciepła

W płytowym wymienniku ciepła powierzchnia wymiany ciepła składa się z zestawu metalowych płyt. Mogą być one wykonane z różnych materiałów w zależności od nośnika, który ma być ogrzewany lub chłodzony. Uszczelnione płyty są umieszczone między dwiema grubymi płytami ramy, które są dociskane do siebie za pomocą śrub zaciskowych.

Zasada działania

W uszczelnianym płytowym wymienniku ciepła płyny przepływają w kanałach utworzonych przez płyty i gumowe uszczelki. W rogach płyt znajdują się otwory wlotowe/wylotowe, przez które do każdego kanału mogą przepływać dwa różne płyny, jeden zimny i jeden gorący. Nośniki są prowadzone przez uszczelki między płytami. Ciepło przechodzi przez ścianki każdej płyty i następuje wymiana ciepła między dwoma nośnikami.

Dobór płytowego wymiennika ciepła

Aby prawidłowo zwymiarować płytowy wymiennik ciepła, należy znać szereg parametrów. Mogą one stanowić podstawę do określenia dodatkowych danych. Poniżej wymieniono sześć najważniejszych parametrów projektowych:

• Przenoszone ciepło (wydajność cieplna)
• Temperatura na wlocie i wylocie po stronie pierwotnej i wtórnej wymiennika ciepła.
• Maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia po pierwotnej i wtórnej stronie wymiennika ciepła.
• Maksymalna temperatura robocza.
• Maksymalne ciśnienie robocze.

Dobierz odpowiedni wymiennik ciepła online

Teoria wymiany ciepła

Prawa fizyki pozwalają na przepływ energii w systemie do momentu osiągnięcia stanu równowagi. Jeśli dwa ciała lub nośniki mają różne temperatury, ciepło jest przenoszone z ciała lub nośnika o wyższej temperaturze do ciała lub nośnika o niższej temperaturze.

Wymiennik ciepła działa w oparciu o wspomnianą powyżej zasadę równowagi temperaturowej. W płytowym wymienniku ciepła ciepło łatwo przechodzi przez cienką ściankę oddzielającą gorącą i zimną stronę. Teoria wymiany ciepła między dwoma nośnikami/płynami opiera się na kilku następujących zasadach:

• Ciepło jest zawsze przenoszone z nośnika gorącego do nośnika zimnego
• Pomiędzy dwoma nośnikami musi istnieć różnica temperatur
• Ilość ciepła utraconego przez cieplejszy nośnik jest równa ilości ciepła pochłoniętego przez chłodniejszy nośnik, jeśli pominąć straty ciepła do otoczenia

Wymiana ciepła jest możliwa na trzy sposoby:

Promieniowanie - energia jest przenoszona za pomocą fal elektromagnetycznych. Przykładem tego jest sposób, w jaki promienie słoneczne ogrzewają Ziemię.

Przewodnictwo - energia jest przenoszona między ciałami stałymi lub statycznymi cieczami poprzez ruch atomów i cząsteczek.

Przepływ – energia jest przenoszona poprzez ruch lub mieszanie się niewielkich ilości płynów w różnych temperaturach.

• Naturalny przepływ - ruch płynu jest całkowicie zależny od różnicy gęstości, a różnice temperatur są wyrównane.
• Przepływ wymuszony - ruch nośńika zależy częściowo lub całkowicie od wpływów zewnętrznych. Może to być na przykład pompa, która przemieszcza płyn.

Przepływ w wymienniku ciepła

Kiedy płyn porusza się w zamkniętym kanale, takim jak rura, lub między dwiema płytami, możliwe są dwa rodzaje przepływu, w zależności od prędkości: laminarny lub turbulentny.

Przepływ laminarny

Przepływ laminarny występuje, gdy cząstki płynu poruszają się wzdłuż różnych równoległych konturów przez okrągłą rurkę. Charakteryzują się parabolicznym profilem prędkości z maksymalną prędkością w centrum i bliską zeru prędkością na krawędziach. Przepływ laminarny charakteryzuje się głównie przewodzeniem ciepła.

Przepływ turbulentny

Przepływ turbulentny występuje, gdy przepływ płynu nie jest regularny, ale przypadkowy i turbulentny, więc występuje mieszanie. Jeśli w rurze występuje przepływ turbulentny, profil prędkości nie jest paraboliczny, ale prawie stały. Z punktu widzenia wymiany ciepła jest to przepływ ciepła. Jednak nawet w przypadku turbulentnego przepływu płynu na ściance nadal pozostanie cienka warstwa, płynąca laminarnie.

Podłączenie prądu stałego i przeciwprądowego

Górna krzywa przedstawia zmianę temperatury gorącego płynu przepływającego przez wymiennik ciepła, a dolna krzywa przedstawia zmianę temperatury zimnego płynu. Górny wykres pokazuje rozwiązanie przeciwprądowe, a dolny wykres rozwiązanie prądu stałego. W przypadku przeciwprądu oba płyny wchodzą do wymiennika ciepła po przeciwnych stronach, podczas gdy w przypadku przepływu bezpośredniego wchodzą po tej samej stronie.

Połączenie przeciwprądowe

Połączenie prądu stałego

T1in = temperatura wlotowa – strona gorąca

T1out = temperatura na wylocie – strona gorąca

T2in = temperatura wlotowa – strona zimna

T2out = temperatura na wylocie – strona zimna

Którego połączenia należy użyć i dlaczego?

W przypadku płytowych wymienników ciepła najczęściej stosuje się połączenie przeciwprądowe. Dzięki temu rodzajowi połączenia temperatury na wlocie i wylocie mogą się krzyżować i można osiągnąć wyższą temperaturę.

Podłączenie prądu stałego stosuje się, gdy zbyt wysoka lub niska temperatura ścianek płyty mogłaby uszkodzić płyny wrażliwe na ciepło lub zimno.

Równanie bilansu cieplnego

Gdy dwa ciała lub nośniki mają różne temperatury, ciepło jest przenoszone z ciała lub nośnika o wyższej temperaturze do ciała lub nośnika o niższej temperaturze. Jak widać z poniższego, ciepło oddane przez ciepłą ciecz jest takie samo jak ciepło pochłonięte przez zimną ciecz. Ponieważ straty ciepła w środowisku spowodowane promieniowaniem cieplnym są pomijalne, oczywiste jest, że Q1 = Q2.

Definicja

Q = wydajność cieplna, W

m = natężenie przepływu, kg/s

Cp = współczynnik ciepła właściwego, J/kg.K

Przepływ

Natężenie przepływu można wyrazić w dwóch różnych jednostkach, masie lub objętości. Jeśli stosuje się masę, natężenie przepływu wyraża się w kg/s lub kg/h, a jeśli stosuje się objętość, natężenie przepływu wyraża się w m3/h lub l/min. Podczas konwersji jednostek objętości na jednostki masy, objętościowe natężenie przepływu jest mnożone przez gęstość.

Współczynnik ciepła właściwego

Współczynnik ciepła właściwego (cp) to ilość energii potrzebna do podniesienia temperatury 1 kg materiału o 1 °C.

Współczynnik ciepła właściwego wody w temperaturze 20 °C wynosi 4,182 kJ/kg °C lub 1,0 kcal/kg °C.

Ciepło wydzielane przez gorący czynnik: Q1=m1*Cp1*(T1 In-T1 Out)

Ciepło pochłaniane przez zimne medium: Q2=m2*Cp2*(T2 Out -T2 In)

Straty ciepła są pomijalne :                        Q1= Q2

Równanie wymiany ciepła

Definicja

Q = wydajność cieplna, W

k = współczynnik k, współczynnik przenikania ciepła, W/m² °C

A = Powierzchnia wymiany ciepła, m²

LMTD = logarytm średniej różnicy temperatur

Q=k*A*LMTD=Q₁=m₁*C_p1*(T1_In-T1_Out)=Q₂=m₂*C_p2*(T2_Out-T2_In)

Współczynnik przenikania ciepła

Współczynnik przenikania ciepła (k) wyraża opór przenikania ciepła, który jest określony przez opór materiału płyty, rodzaj zanieczyszczenia, charakter płynów i rodzaj zastosowanego wymiennika ciepła.

Poniższy rysunek przedstawia przebieg temperatury w danym punkcie na ściance płyty. Krzywe przerywane (szary prostokąt) po obu stronach ścianki płyty pokazują granice przepływu laminarnego (przenoszenie ciepła przez przewodzenie), płyn porusza się całkowicie w przepływie turbulentnym (przenoszenie ciepła przez przepływ).

Definicja współczynnika przenikania ciepła

α1 = współczynnik przenikania ciepła między ciepłym nośnikiem

α2 = współczynnik przenikania ciepła między zimnym nośnikiem a powierzchnią wymiany ciepła (W/m2 °C)

δ = grubość ściany (m)

λ = przewodność cieplna ściany (W/m °C)

Logarytmiczna średnia różnica temperatur

Logarytmiczna średnia różnica temperatur (LMTD) jest siłą napędową wymiany ciepła w wymienniku ciepła. Jest to średnia logarytmiczna różnicy temperatur między gorącą i zimną stroną wlotu i wylotu wymiennika ciepła.

Definicja logarytmicznej średniej różnicy temperatur (LMTD) jest inna dla połączeń przeciwprądowych i prądu stałego:

Połączenie przeciwprądowe:

Połączenie prądu stałego

NTU (liczba jednostek transferu)

Przydatnym terminem jest stosowana w Alfa Laval wartość NTU, znana również jako wartość theta - θ. Jest to ilość przenoszonych jednostek, która wyraża intensywność transferu ciepła. Czasami ta wartość jest również nazywana długością termiczną. Im niższa wartość LMTD i im większa różnica temperatur między wlotem a wylotem po jednej stronie, tym większa jest wartość NTU lub wartość theta. Wartość NTU można obliczyć zarówno dla strony zimnej, jak i gorącej w następujący sposób:

Ciepła strona

Zimna strona

Niskie theta (niewielka różnica między temperaturami na wlocie i wylocie, wysoki LMTD)

Wysokie theta (duża różnica temperatur na wlocie i wylocie, mały LMTD)

Długość termiczna

Długość termiczna opisuje, w jakim stopniu aplikacja jest obciążona temperaturą. Długość termiczną można opisać na dwa sposoby, jak wspomniano wcześniej:

• Liczba jednostek transmisyjnych (NTU) - metoda matematyczna
• Theta - termin ogólny

Tryb o wyższym theta jest generalnie trudniejszy do przystosowania niż tryb o niższym theta. Nie ma „właściwej” lub „złej” wartości NTU lub theta; wszystko zależy od określonego transferu ciepła osiągniętego zgodnie z wymaganiami aplikacji.

Płyty

Mamy dwa różne rodzaje płyt - niskie i wysokie theta. Płyty o niskim theta mają mniejszy kąt wzoru w jodełkę, są krótsze i mają głębsze rowki.

A. Niższa głębokość rowków
B. Dłuższa płyta
C. Większy kąt jodełki

A. Głębsze rowki
B. Krótsza płyta
C. Mniejszy kąt jodełki

Kanały

Szczelina między dwiema płytami nazywana jest kanałem. Kanały mają niską, średnią lub wysoką wartość theta. Zależy to od kombinacji płyt o niskim i wysokim poziomie theta, która tworzy kanał.

Spadek ciśnienia

Strata ciśnienia (Δp) jest bezpośrednio związana z wielkością wymiennika ciepła i odwrotnie. Jeśli uda się zwiększyć dopuszczalny spadek ciśnienia i koszty pompowania, wymiennik ciepła będzie mniejszy i tańszy.

Równanie spadku ciśnienia definiuje się następująco:

ΔP = spadek ciśnienia (Pa)

G = przepływ masowy lub natężenie przepływu (kg/m2s)

ρ = gęstość (kg/m3)

Dh = średnia średnica hydrauliczna (m)

L = długość (m)

f = współczynnik tarcia

n = efekty końcowe

Naprężenie ścinające

Naprężenie ścinające to siła przepływu wzdłuż ścianki płytowego wymiennika ciepła, która jest miarą turbulencji w wymienniku ciepła. Naprężenie ścinające jest również znane jako wartość Tao (τ).

Naprężenie ścinające należy brać pod uwagę tylko wtedy, gdy używany płyn lub płyny powodują zatykanie.

Definicja naprężenia ścinającego:

τw = naprężenie ścinające ściany, N/m2 (Pa)

f = współczynnik tarcia

ρ = gęstość płynu, kg/m3

V = prędkość przepływu, m/s

L = długość kanału, m

ΔP = spadek ciśnienia, kPa

Dh = średnica hydrauliczna, m (2 × głębokość rowka płyt wymiennika ciepła)