Kako funkcionišu izmenjivači toplote?

Izmenjivači toplote

Izmenjivač toplote je oprema u kojoj se toplota neprekidno prenosi sa jednog medijuma na drugi. Postoje dva glavna tipa izmenjivača toplote.

• U direktnom izmenjivaču toplote, dva medijuma su u direktnom kontaktu jedan sa drugim. Pretpostavlja se da se dva medijuma ne mešaju. Primer ovog tipa izmenjivača toplote je rashladni toranj, u kome se voda hladi direktnim kontaktom sa vazduhom.
• U indirektnom izmenjivaču toplote, dva medijuma su odvojena površinom kroz koju se prenosi toplota.

Vrste izmenjivača toplote

U ovom članku ćemo se baviti samo direktnim izmenjivačima toplote, odnosno onima u kojima se medijumi ne mešaju i razmena toplote se odvija preko površine za prenos toplote. Postoji nekoliko glavnih tipova direktnih izmenjivača toplote, kao što su pločasti, cevasti ili spiralni. Od svih njih, pločasti izmenjivač toplote ima najveću efikasnost.

Kako funkcioniše?

Dizajn pločastog izmenjivača toplote sa zaptivakom

U pločastom izmenjivaču toplote, površina za prenos toplote se sastoji od grupe metalnih ploča. One mogu biti napravljene od različitih materijala u zavisnosti od medijuma koji se zagreva ili hladi. Zaptivne ploče se postavljaju između dve debele ploče okvira, koje su međusobno pritisnute steznim zavrtnjima.

Princip rada

U pločastom izmenjivaču toplote sa zaptivačem, fluidi teku u kanalima formiranim od ploča i gumenih zaptivča. Na uglovima ploča postoje ulazni/izlazni otvori kroz koje dva različita fluida, jedan hladan i jedan vrući, mogu da teku u svaki kanal. Medijumi se vode pomoću zaptivača između ploča. Toplota prolazi kroz zidove svake ploče i odvija se razmena toplote između dva medijuma.

Dizajn pločastog izmenjivača toplote

Da biste pravilno dimenzionirali pločasti izmenjivač toplote, morate znati nekoliko parametara.
Oni mogu biti osnova za određivanje dodatnih podataka. Najvažnijih parametara za dizajn su navedeni u nastavku:

• Prenesena toplota (toplotne performanse)
• Ulazna i izlazna temperatura na primarnoj i sekundarnoj strani izmenjivača toplote.
• Maksimalni prihvatljiv pad pritiska na primarnoj i sekundarnoj strani izmenjivača toplote.
• Maksimalna radna temperatura.
• Maksimalni radni pritisak.

Za lak izbor izmenjivača toplote, kliknite ovde.

Teorija prenosa toplote

Zakoni fizike dozvoljavaju da energija teče unutar sistema sve dok se ne postigne stanje ravnoteže. Ako dva tela ili medijuma imaju različite temperature, toplota se prenosi sa tela ili sredine sa višom temperaturom na telo ili medijum sa nižom temperaturom.

Izmenjivač toplote radi na principu temperaturne ravnoteže koji je gore pomenut. U pločastom izmenjivaču toplote toplota lako prolazi kroz tanak zid koji razdvaja toplu i hladnu stranu. Teorija prenosa toplote između dva medijuma/fluida zasniva se na sledećih nekoliko pravila:

• Toplota se uvek prenosi sa toplog na hladni medijum.
• Mora postojati temperaturna razlika između dva medijuma.
• Količina toplote koju gubi topliji medijum jednaka je količini toplote koju apsorbuje hladniji medijum, ako se zanemari gubitak toplote u okolinu.

Prenos toplote je moguć na tri načina:

Zračenje – energija se prenosi putem elektromagnetnih talasa. Primer za to je kako sunčevi zraci zagrevaju Zemlju.

Provođenje – energija se prenosi između čvrstih tela ili statičkih fluida putem atomskog i molekularnog kretanja.

Protok – energija se prenosi kretanjem ili mešanjem malih količina fluida na različitim temperaturama.

• Prirodni tok – kretanje fluida u potpunosti zavisi od razlike u gustini, a temperaturne razlike su izjednačene.
• Prinudno strujanje – kretanje medijuma delimično ili u potpunosti zavisi od spoljašnjih uticaja. Ovo može biti, na primer, pumpa koja pokreće fluid.

Protok u izmenjivaču toplote

Kada se fluid kreće u zatvorenom kanalu, kao što je cev, ili između dve ploče, moguća su dva tipa strujanja, u zavisnosti od brzine: laminarno ili turbulentno.

Laminarni tok

Laminarni tok nastaje kada se čestice fluida kreću duž različitih paralelnih kontura kroz kružnu cev. Karakteriše ih parabolični profil brzine sa maksimalnom brzinom u centru i brzinom koja je skoro nula na ivicama. Laminarni tok uglavnom karakteriše provodni prenos toplote.

Turbulentni tok

Turbulentni tok nastaje kada tok fluida nije pravilan, već nasumično i turbulentno, pa dolazi do mešanja. Ako se u cevi javlja turbulentni tok, profil brzine nije paraboličan već skoro konstantan. Sa tačke gledišta prenosa toplote, ovo je tok toplote. Međutim, čak i u slučaju turbulentnog toka fluida, i dalje će postojati tanak sloj na zidu, koji teče laminarno.

Protivstrujno i jednosmerno povezivanje

Gornja kriva pokazuje promenu temperature toplog fluida koji protiče kroz izmenjivač toplote, a donja kriva promenu temperature hladnog fluida. Gornji grafikon prikazuje protivstrujno rešenje, a donji grafikon rešenje jednosmerne struje. U slučaju protivstrujnog, dva fluida ulaze u izmenjivač toplote na suprotnim stranama, dok u slučaju direktnog toka ulaze na istoj strani.

Protivstrujno povezivanje

Jednosmerno povezivanje

T1in = ulazna temperatura - vruća strana

T1out = izlazna temperatura - vruća strana

T2in = ulazna temperatura - hladna strana

T2out = izlazna temperatura - hladna strana

Koju vezu treba koristiti i zašto?

Kod pločastih izmenjivača toplote, protivstrujni priključak je najčešći. Sa ovom vrstom priključka, ulazna i izlazna temperatura se mogu ukrstiti i može se postići viši temperaturni pristup.
Jednosmerna struja se koristi kada bi previsoke ili niske temperature zida ploče oštetile fluide koji su osetljivi na vruće ili hladno.

Jednačina toplotnog bilansa

Kada dva tela ili medijuma imaju različite temperature, toplota se prenosi sa tela ili medijuma više temperature na telo ili medijum niže temperature. Kao što se može videti iz sledećeg, toplota koju oslobađa topli fluid je ista kao toplota koju apsorbuje hladni fluid. Pošto su gubici toplote u okolini usled toplotnog zračenja zanemarljivi, očigledno je da je Q1 = Q2.

Definicija

Q = toplotne performanse, W

m = protok, kg/s

Cp = koeficijent specifične toplote, J/kg.K

Protok

Protok se može izraziti u dve različite jedinice, masi ili zapremini. Ako se koristi masa, brzina protoka se izražava u kg/s ili kg/h, a ako se koristi zapremina, brzina protoka se izražava u m3/h ili l/min. Kada se jedinice zapremine pretvaraju u jedinice mase, zapreminski protok se množi sa gustinom.

Koeficijent specifične toplote

Koeficijent specifične toplote (cp) je količina energije potrebna da se temperatura 1 kg materijala podigne za 1 °C.

Koeficijent specifične toplote vode na 20 °C je 4.182 kJ/kg °C ili 1,0 kcal/kg °C.

Toplota koju oslobađa vrući medijum: Q1=m1*Cp1*(T1 In-T1 Out)

Toplota koju apsorbuje hladni medijum: Q2=m2*Cp2*(T2 Out -T2 In)

Gubitak toplote je zanemarljiv Q1= Q2

Jednačina prenosa toplote

Definicija

Q = toplotne performanse, W

k = k-koeficijent, koeficijent prenosa toplote, W/m² °C

A = Površina razmene toplote, m²

LMTD = srednja logaritamska razlika temperature

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

Koeficijent prenosa toplote

Koeficijent prenosa toplote (k) izražava otpor prenosu toplote, koji je određen otporom materijala ploče, vrstom kontaminacije, prirodom fluida i vrstom izmenjivača toplote koja se koristi.

Slika ispod prikazuje profil temperature u datoj tački na zidu ploče. Isprekidane krive (sivi pravougaonik) sa obe strane zida ploče pokazuju granice tankog laminarnog toka (prenos toplote provodljivošću), pri čemu se fluid kreće u potpunosti turbulentnim tokom (prenos toplote protokom).

Definicija koeficijenta prenosa toplote je sledeća:

α1 = koeficijent prenosa toplote između toplog medijuma i površine razmene toplote (W/m2 °C)

α2 = koeficijent prenosa toplote između hladnog medijuma i površine razmene toplote (W/m2 °C)

δ = debljina zida (m)

λ = toplotna provodljivost zida (W/m °C)

Srednja logaritamska razlika temperature

Srednja logaritamska razlika temperature (LMTD) je pokretačka sila za prenos toplote u izmenjivaču toplote. To je logaritamski prosek temperaturne razlike između tople i hladne strane ulaza i izlaza izmenjivača toplote.

Definicija logaritamske srednje temperaturne razlike (LMTD) je drugačija za protivstrujno i jednosmerno povezivanje:

Protivstrujno povezivanje

Jednosmerno povezivanje

NTU (Broj prenosnih jedinica)

Koristan termin je NTU vrednost koja se koristi u Alfa Lavalu, poznata i kao teta vrednost - θ. To je količina prenetih jedinica koja izražava koliko je toplotno intenzivan prenos toplote. Ponekad se ova vrednost naziva i termička dužina. Što je niža LMTD vrednost i veća temperaturna razlika između ulaza i izlaza na jednoj strani, veća je NTU vrednost ili teta vrednost. NTU vrednost se može izračunati i za hladnu i za toplu stranu na sledeći način:

Topla strana

Hladna strana

Niska teta (mala razlika između ulazne i izlazne temperature, visok LMTD)

Visoka teta (velika razlika između ulazne i izlazne temperature, nizak LMTD)

Termička dužina

Termička dužina opisuje koliko je primena opterećena temperaturom. Termička dužina se može opisati na dva načina, kao što je ranije pomenuto:

• Broj prenosnih jedinica (NTU) – matematički metod
• Teta - opšti pojam

Višem teta režimu je generalno teže prilagoditi nego nižem teta režimu. Ne postoji "ispravan" ili "pogrešan" NTU ili teta vrednost; sve zavisi od specifičnog prenosa toplote koji se postiže prema zahtevima primene.

Ploče

Imamo dve različite vrste ploča - niske i visoke teta. Niske teta ploče imaju manji ugao šare riblje kosti, kraće su i imaju dublje žlebove.

A. Žlebovi manje dubine
B. Duža ploča
C. Veći ugao riblje kosti

A. Dublji žlebovi
B. Kraća ploča
C. Manji ugao riblje kosti

Kanali

Razmak između dve ploče naziva se kanal. Kanali imaju nisku, srednju ili visoku teta vrednost. Zavisi od kombinacije niskih i visokih teta ploča koje stvaraju kanal.

Gubitak pritiska

Gubitak pritiska (Δp) je direktno povezan sa veličinom izmenjivača toplote i obrnuto. Ako je moguće povećati dozvoljeni pad pritiska i troškove pumpanja, izmenjivač toplote će biti manji i jeftiniji.

Jednačina pada pritiska je definisana na sledeći način:

ΔP = pad pritiska (Pa)

G = maseni protok ili brzina protoka (kg/m2s)

ρ = gustina (kg/m3)

Dh = prosečan hidraulični prečnik (m)

L = dužina (m)

f = faktor trenja

n = krajnji efekti

Napon smicanja

Napon smicanja je sila strujanja duž zida pločastog izmenjivača toplote, što je mera turbulencije u izmenjivaču toplote. Napon smicanja je takođe poznat kao Tao vrednost (τ).

Napon smicanja treba uzeti u obzir samo ako korišćen fluid ili fluidi imaju tendenciju da izazovu začepljenje.

Definicija napona smicanja:

tw = napon smicanja zida, N/m2 (Pa)

f = faktor trenja

ρ = gustina fluida, kg/m3

V = brzina protoka, m/s

L = dužina kanala, m

ΔP = pad pritiska, kPa

Dh = hidraulički prečnik, m (2 × dubina žleba ploča izmenjivača toplote)