Jak funguje tepelný výměník?

Výměníky tepla se používají k přenosu tepla mezi jednou tekutinou (buď kapalinou nebo plynem) a jinou tekutinou (jinou kapalinou nebo plynem), aniž by se obě kapaliny dostaly do přímého vzájemného kontaktu. Výměníky tepla se používají v procesech ohřevu i chlazení.

Výměníky teplase používají v řadě aplikací včetně klimatizace, chemických závodů, petrochemických závodů, ropných rafinérií, elektráren, zpracování zemního plynu, chlazení, čištění odpadních vod a vytápění prostor. Lze je nalézt také ve spalovacích motorech, kde umožňují proudění chladicí kapaliny motoru přes spirály chladiče, když kolem nich proudí vzduch, přičemž chladicí kapalinu ochlazují a zároveň ohřívají vzduch.

Tepelný výměník funguje tak, že umožňuje teplu z jedné tekutiny procházet jinou, chladnější tekutinou, aniž by se mísila nebo přicházela do přímého kontaktu.

Představte si například trubku s další trubkou kolem ní. Vnitřní trubka by mohla umožnit průchod horké tekutiny skrz ni, zatímco chladnější tekutina by mohla současně procházet vnější trubkou. To by umožnilo chladnější tekutině snížit teplotu teplejší tekutiny, protože teplejší tekutina současně zvýšila teplo chladnější tekutiny. Toto je samozřejmě velmi základní příklad výměny tepla a při zkoumání výměníků tepla je třeba vzít v úvahu řadu dalších faktorů:

1. Přihrává

Zakřivením trubek, například do tvaru 'S', můžete kapalinám umožnit, aby provedly více než jeden 'průchod', než opustí výměník tepla. Jediný průchod je přímá trubka, kde tekutina vstupuje na jednom konci a vystupuje na druhém konci výměníku tepla poměrně rychle. Dvojitý průchod používá tvar U-, takže tekutina vstupuje do tepelného výměníku a vystupuje z něj na stejném konci, čímž se prodlužuje doba, po kterou tekutiny ve výměníku tepla vzájemně procházejí-. Trojitý průchod využívá formaci ve tvaru písmene 'S', která umožňuje tekutině projít podél tepelného výměníku třikrát před výstupem. Čím větší počet průchodů, tím větší množství přenosu tepla je k dispozici – jednoduše proto, že kapaliny jsou pohromadě v systému déle – i když to může také vést k poklesu tlaku a ztrátě rychlosti.

2. Překročení teploty-Přes

K přechodu teploty- dochází, když se teplo chladnější tekutiny začne křížit s teplotou horké tekutiny ve výměníku tepla. Například olej vstupující do tepelného výměníku o teplotě 80 °C spolu s vodou o teplotě 30 °C může zaznamenat překročení teploty-, pokud by se olej snížil na 50 °C, když voda dosáhla 51 °C. V tomto okamžiku je chladnější kapalina (voda) teplejší než olej. Teplotní přechod-může výrazně snížit účinnost výměníku tepla, zejména při chlazení. Tomu se lze vyhnout zvýšením průtoku chladicí kapaliny (viz „Rychlost průtoku“ níže), aby bylo v systému více chladicí kapaliny. Tam, kde je přechod teploty{12}}nevyhnutelný, je nejlepším řešením použití deskového výměníku tepla (viz „Typy výměníků tepla níže).

3. Teplotní rozdíl

To se týká rozdílu teplot mezi chladicí kapalinou a horkou kapalinou, který je důležitý ve výměníku tepla, jak je znázorněno „překřížením{0} teploty“ (výše). Chladicí kapalina by měla být udržována na nižší teplotě než horká kapalina, a čím chladnější je chladicí kapalina, tím efektivněji bude odebírat teplo z horké kapaliny.

4. Průtok

Toto je množství tekutiny, které proteče průřezem- potrubí za určité časové období. Vypočítá se jako objem tekutiny za dobu, po kterou tekutina protekla, - s větším průtokem, který potenciálně zvyšuje schopnost výměníku tepla přenášet teplo. Více tekutiny však také znamená větší přepravní hmotnost a také rostoucí tlakovou ztrátu a rychlost.

Výměníky tepla lze klasifikovat podle uspořádání proudění nebo podle konstrukce samotného výměníku tepla.

Tři hlavní klasifikace uspořádání proudění ve výměnících tepla jsou paralelní-proud, protiproud a křížový-proud:

• Paralelní tok:Obě tekutiny vstupují na stejném konci tepelného výměníku a cestují paralelně, než společně vystoupí
• Protiproud:Kapaliny vstupují na opačných stranách výměníku tepla a cestují systémem v opačných směrech. Toto je nejúčinnější uspořádání průtoku, protože průměrný teplotní rozdíl mezi kapalinami zůstává v celém systému vyšší
• Křížový-průtok:V této formě výměníku tepla se tekutiny pohybují kolmo (v pravém úhlu) k sobě

Stejně jako uspořádání proudění lze tepelné výměníky kategorizovat podle typu, podle fyzického provedení výměníku tepla:

• Dvojitá trubka:Jedná se o nejpřímější typ výměníku tepla používaný v průmyslu. Jak název napovídá, tyto se skládají ze dvou trubic, kterými mohou proudit tekutiny. Konfigurace toku může být paralelní nebo protiproud, přičemž protiproud je účinnější, zatímco paralelní tok je lepší, pokud je třeba, aby obě tekutiny měly stejnou teplotu. Tyto výměníky tepla se snadno a levně navrhují a udržují, ale mají relativně nízkou úroveň účinnosti ve srovnání s jinými konstrukcemi
• Skořápka a trubka:Plášťové a trubkové výměníky tepla používají sadu kovových trubek, kterými proudí jedna tekutina, obklopených utěsněným pláštěm, kterým proudí druhá tekutina. Tento typ výměníku tepla pracuje se všemi typy proudění – paralelním, protiproudým a příčným- a lze jej nalézt v parních lokomotivách. Přepážky se používají k usměrňování proudění kapaliny, vyvolávání vibrací v kapalině a podpírání trubek, zatímco žebra lze také použít u vzduchem-chlazených technologií (jako jsou mezichladiče spalovacích motorů-), aby se zvětšila plocha přenosu tepla
• Talíř/ploutev:Tento typ výměníku tepla využívá hromady tenkých kovových desek, které jsou drženy od sebe žebry, aby vytvořily úrovně, podobně jako podlahy budovy. Každé z těchto „podlah“ je však samostatné-a oddělené od toho nahoře nebo dole, čímž vzniká řada utěsněných trubic, kterými mohou proudit tekutiny. To vytváří velkou povrchovou plochu, která je schopna rychle vyměňovat teplo a zároveň zaručuje průtok tekutiny přes celou teplosměnnou plochu, čímž se zabraňuje stagnaci a hromadění tekutiny. Desky mohou být vytvořeny v různých velikostech, hloubkách a tvarech, včetně vlnitých desek, desek a rámů, desek a plášťů nebo spirálových desek. Vysoká turbulence proudění mezi deskami vytváří větší přenos tepla a pokles tlaku. Tento typ výměníku tepla se používá v aplikacích, jako jsou plynové pece a kotle.
• Vzduchem chlazené:Tento typ výměníku tepla se běžně vyskytuje ve vozidlech a jiných pohyblivých aplikacích, kde není k dispozici studená voda. Vzduchem chlazené systémy místo dvou kapalin využívají chladný vzduch z ventilátoru nebo proudění vzduchu způsobené pohybem samotného vozidla.
• Kondenzátory, kotle a výparníky:Tento typ výměny tepla si zaslouží zvláštní zmínku, protože funguje poněkud odlišným způsobem než ty, které již byly popsány. Spíše než vkládání dvou tekutin (horké a studené), tyto využívají chlazení a kondenzaci horkého plynu do kapalné formy (a naopak) k vytvoření cyklu přenosu tepla. Tento proces využívají parní turbíny a parogenerátory, které využívají cyklus odpařování vody na páru a jejího následného ochlazení zpět na kapalinu.
• Rekuperátory:Rekuperátor je výměník tepla určený k zachycování tepla, které by se jinak ztratilo, například teplo odváděné z budovy. Teplý vzduch je směrován ven kanálem podél samostatného vstupního kanálu chladné tekutiny, aby se vytvořil protiproud. Takto funguje ventilační systém s rekuperací tepla-, který umožňuje větrání budovy čerstvým vzduchem bez ztráty veškerého tepla z odcházejícího teplejšího vzduchu
• Regenerátory:Tyto typy výměníků tepla umožňují, aby se jak příchozí, tak odchozí tekutiny pohybovaly stejným kanálem v opačných směrech v různých časech. Když teplá tekutina vytéká, odevzdává část svého tepla a když studená tekutina proudí dovnitř, sbírá část zbytkového tepla, které tam zůstalo. Tento typ výměny tepla se používá ve Stirlingově motoru, který používá píst k tlačení zachyceného plynu tam a zpět mezi zdrojem tepla (jako je oheň) a chladnější oblastí nebo „dřezem“, kde se teplo ztrácí. Tento typ výměníku tepla snižuje tepelné ztráty v systému „regenerací“ tepla.

Výměníky tepla se používají pro širokou škálu aplikací v průmyslovém i každodenním použití.

Zatímco tepelné výměníky přicházejí v řadě různých konstrukcí a průtokových systémů, všechny pracují podobným způsobem; umožňuje tepelný kontakt mezi teplejší a chladnější tekutinou (aniž by se ve skutečnosti mísila), takže se obě tekutiny navzájem odpovídajícím způsobem ohřívají nebo ochlazují-.

To zlepšuje účinnost vozidel a dalších jednotek a také šetří náklady a snižuje spotřebu energie (a jakýkoli související dopad na životní prostředí).

Sáhněte po HX plánech

Vaše scénáře použití výměníku tepla (jako je zpracování potravin, petrochemický průmysl, chlazení energie) a charakteristiky média (korozivita/viskozita/teplota) se liší, takže plán specifikací bude také výhradně přizpůsoben-dejte nám prosím vědět o svých potřebách a my vám poskytneme cílené parametry a nabídky.

E-mail:global@gneesteels.com