Kako deluje izmenjevalnik toplote?

Uporabljajo se za prenos toplote med eno tekočino (bodisi tekočino ali kot plin) in drugo tekočino (drugo tekočino ali plin), ne da bi obe tekočini prišli v neposreden stik med seboj, toplotni izmenjevalniki se uporabljajo v procesih ogrevanja in hlajenja.

Toplotni izmenjevalcise uporabljajo v različnih aplikacijah, vključno s klimatskimi napravami, kemičnimi tovarnami, petrokemičnimi tovarnami, rafinerijami nafte, elektrarnami, predelavo zemeljskega plina, hlajenjem, čiščenjem odplak in ogrevanjem prostorov. Najdemo jih lahko tudi v motorjih z notranjim zgorevanjem, kjer omogočajo, da hladilna tekočina motorja teče skozi tuljave hladilnika, ko zrak teče mimo njih, pri čemer hladijo hladilno tekočino, hkrati pa segrevajo zrak.

Toplotni izmenjevalnik deluje tako, da toplota iz ene tekočine prehaja skozi drugo, hladnejšo tekočino, ne da bi se mešala ali prišla v neposreden stik.

Na primer, predstavljajte si cev z drugo cevjo okoli nje. Notranja cev bi lahko omogočila, da vroča tekočina prehaja skozi njo, medtem ko se hladnejša tekočina hkrati prenaša skozi zunanjo cev. To bi hladnejši tekočini omogočilo, da zmanjša temperaturo toplejše, saj je toplejša tekočina hkrati povečala toploto hladnejše. Seveda je to zelo osnovni primer izmenjave toplote, pri preučevanju izmenjevalnikov toplote pa je treba upoštevati še številne druge dejavnike:

1. Prepustnice

Z ukrivljenostjo cevi, na primer v obliko črke S, lahko tekočinam omogočite več kot en prehod, preden zapustijo izmenjevalnik toplote. En prehod je ravna cev, kjer tekočina dokaj hitro vstopi na enem koncu in izstopa na drugem koncu izmenjevalnika toplote. Dvojni prehod uporablja obliko U-, tako da tekočina vstopa in izstopa iz izmenjevalnika toplote na istem koncu, kar podaljša čas, ko tekočini prehajata ena-drugo drugo v izmenjevalniku toplote. Trojni prehod uporablja tvorbo v obliki črke 'S', ki omogoča, da tekočina trikrat potuje po dolžini izmenjevalnika toplote, preden izstopi. Večje kot je število prehodov, večja je količina prenosa toplote na voljo – preprosto zato, ker so tekočine dlje časa skupaj v sistemu – čeprav lahko to povzroči tudi padce tlaka in izgubo hitrosti.

2. Temperaturni prehod-

Do temperaturnega-križanja pride, ko začne toplota hladnejše tekočine prehajati s temperaturo vroče tekočine v izmenjevalniku toplote. Na primer, olje, ki vstopa v izmenjevalnik toplote pri 80⁰C skupaj z vodo pri temperaturi 30⁰C, bi lahko opazilo, da se njuni temperaturi presežeta-če se olje zmanjša na 50⁰C, ko voda doseže 51⁰C. Na tej točki je hladilnejša tekočina (voda) postala bolj vroča od olja. Prehod temperature-lahko znatno zmanjša učinkovitost izmenjevalnika toplote, zlasti pri hlajenju. Temu se je mogoče izogniti s povečanjem pretoka hladilne tekočine (glejte 'Stopnja pretoka' spodaj), tako da je v sistemu več hladilne tekočine. Kjer je temperaturni prehod-neizogiben, je najboljša rešitev uporaba ploščnega izmenjevalnika toplote (glejte »Vrste izmenjevalnika toplote spodaj).

3. Temperaturna razlika

To se nanaša na temperaturno razliko med hladilno tekočino in vročo tekočino, ki je pomembna v izmenjevalniku toplote, kot prikazuje 'temperaturni prehod' (zgoraj). Temperatura hladilne tekočine mora biti nižja od temperature vroče tekočine, in bolj ko je hladilna tekočina, učinkoviteje bo odvajala toploto iz vroče tekočine.

4. Stopnja pretoka

To je količina tekočine, ki preteče skozi-prerez cevi v določenem časovnem obdobju. Izračuna se kot prostornina tekočine na čas, ko je tekočina tekla -, pri čemer večji pretok potencialno poveča sposobnost izmenjevalnika toplote za prenos toplote. Vendar več tekočine pomeni tudi večjo maso za transport, pa tudi večjo izgubo tlaka in hitrost.

Toplotne izmenjevalnike lahko razvrstimo glede na razporeditev toka ali glede na zasnovo samega toplotnega izmenjevalnika.

Tri glavne klasifikacije razporeditve toka v izmenjevalnikih toplote so vzporedni-tok, protitok in prečni-tok:

• Vzporedni tok:Dve tekočini vstopata na istem koncu izmenjevalnika toplote in potujeta vzporedno, preden skupaj izstopita
• Protitok:Tekočine vstopajo na nasprotnih straneh izmenjevalnika toplote in potujejo skozi sistem v nasprotnih smereh. To je najučinkovitejša ureditev pretoka, saj ostaja povprečna temperaturna razlika med tekočinama v celotnem sistemu višja
• Prečni-tok:V tej obliki izmenjevalnika toplote tekočine potujejo pravokotno (pravokotno) druga na drugo

Poleg razporeditve pretoka lahko toplotne izmenjevalnike kategoriziramo glede na vrsto glede na fizično zasnovo toplotnega izmenjevalnika:

• Dvojna cev:To je najbolj enostavna vrsta toplotnega izmenjevalnika, ki se uporablja v industriji. Kot že ime pove, so sestavljeni iz dveh cevi, skozi katere tečejo tekočine. Konfiguracija toka je lahko vzporedna ali protitočna, pri čemer je nasprotni tok učinkovitejši, medtem ko je vzporedni tok boljši, če je treba obe tekočini doseči enako temperaturo. Ti izmenjevalniki toplote so enostavni in poceni za načrtovanje in vzdrževanje, vendar imajo relativno nizko stopnjo učinkovitosti v primerjavi z drugimi oblikami
• Shell and Tube:Lupinasti in cevni toplotni izmenjevalniki uporabljajo niz kovinskih cevi, skozi katere teče ena tekočina, obdanih z zaprto lupino, skozi katero teče druga tekočina. Ta vrsta izmenjevalnika toplote deluje z vsemi vrstami toka – vzporednim, protitokom in prečnim tokom- in ga je mogoče najti v parnih lokomotivah. Pregrade se uporabljajo za usmerjanje toka tekočine, povzročanje vibracij v tekočini in podporo cevi, medtem ko se rebra lahko uporabljajo tudi z zračno-hlajenimi tehnologijami (kot so inter-hladilniki motorjev z notranjim izgorevanjem) za povečanje površine prenosa toplote
• Plošča/plavut:Ta vrsta izmenjevalnika toplote uporablja nize tankih kovinskih plošč, ki jih držijo narazen rebra, da tvorijo nivoje, podobno kot tla zgradbe. Vendar pa je vsako od teh 'nadstropij' samostojno-in ločeno od zgornjega ali spodnjega, kar ustvarja zaprt niz cevi, skozi katere lahko tečejo tekočine. To ustvari veliko površino, ki lahko hitro izmenjuje toploto, obenem pa zagotavlja pretok tekočine po celotni površini za prenos toplote, kar preprečuje stagnacijo in kopičenje tekočine. Plošče so lahko izdelane v različnih velikostih, globinah in oblikah, vključno z valovitimi ploščami, ploščo in okvirjem, ploščo in lupino ali spiralnimi ploščami. Visoka turbulenca toka med ploščama ustvarja večji prenos toplote in zmanjšanje tlaka. Ta vrsta izmenjevalnika toplote se uporablja v aplikacijah, kot so plinske peči in kotli.
• Zračno hlajen:To vrsto izmenjevalnika toplote običajno najdemo v vozilih in drugih premikajočih se napravah, kjer ni na voljo hladne vode. Namesto dveh tekočin zračno hlajeni sistemi uporabljajo hladen zrak iz ventilatorja ali zračni tok, ki ga povzroča gibanje samega vozila.
• Kondenzatorji, kotli in uparjalniki:To vrsto izmenjave toplote si zasluži posebno omembo, saj deluje na nekoliko drugačen način od že opisanih. Namesto vstavljanja dveh tekočin (vroče in hladne) ti uporabljajo hlajenje in kondenzacijo vročega plina v tekočo obliko (in obratno), da ustvarijo cikel prenosa toplote. To je postopek, ki ga uporabljajo parne turbine in generatorji pare, ki uporabljajo cikel izhlapevanja vode v paro in njenega naknadnega hlajenja nazaj v tekočino.
• Rekuperatorji:Rekuperator je toplotni izmenjevalnik, namenjen zajemanju toplote, ki bi se sicer izgubila, na primer toplota, ki jo odvajamo iz stavbe. Topel zrak je usmerjen ven skozi kanal poleg ločenega dovodnega kanala hladne tekočine, da se ustvari nasprotni tok. Tako deluje-prezračevalni sistem z rekuperacijo toplote, ki omogoča prezračevanje stavbe s svežim zrakom, ne da bi pri tem izgubil vso toploto iz odhajajočega toplejšega zraka
• Regeneratorji:Ta vrsta izmenjevalnika toplote omogoča, da se vhodna in izhodna tekočina premikata skozi isti kanal v nasprotnih smereh ob različnih časih. Ko topla tekočina teče ven, odda nekaj svoje toplote, nato pa, ko hladna tekočina teče noter, pobere nekaj preostale toplote, ki je tam ostala. Ta vrsta izmenjave toplote se uporablja v Stirlingovem motorju, ki uporablja bat za potiskanje ujetega plina naprej in nazaj med virom toplote (kot je ogenj) in hladnejšim območjem ali "ponorom", kjer se toplota izgublja. Ta vrsta izmenjevalnika toplote zmanjša izgubo toplote v sistemu z 'regeneracijo' toplote.

Toplotni izmenjevalniki se uporabljajo za široko paleto aplikacij v industrijski in vsakodnevni uporabi.

Čeprav so izmenjevalniki toplote na voljo v različnih oblikah in sistemih pretoka, vsi delujejo na podoben način; omogoča toplotni stik med bolj vročo in hladnejšo tekočino (brez dejanskega mešanja), tako da se tekočini druga-hladita ustrezno.

To izboljša učinkovitost vozil in drugih enot ter prihrani stroške in zmanjša porabo energije (in s tem povezan vpliv na okolje).

Posezite po načrtih HX

Vaši scenariji uporabe toplotnega izmenjevalnika (kot so predelava hrane, petrokemična industrija, hlajenje z električno energijo) in značilnosti medija (jedkost/viskoznost/temperatura) se razlikujejo, zato bo tudi načrt specifikacij izključno prilagojen-sporočite nam svoje potrebe in zagotovili vam bomo ciljne parametre in ponudbe.

E-pošta:global@gneesteels.com