Как функционират топлообменниците?

Топлообменници

Топлообменникът е оборудване, в което топлината се прехвърля непрекъснато от една среда в друга. Разграничават се два основни типа топлообменници.

• При директния топлообменник двете среди са в пряк контакт помежду си. Счита се, че двете среди не се смесват. Пример за този тип топлообменник е охлаждащата кула, в която водата се охлажда чрез директен контакт с въздуха.
• При непрекия топлообменник двете среди са разделени от повърхност, през която се предава топлина.

Видове топлообменници

В тази статия ще разгледаме само директните топлообменници, т.е. тези, при които средите не се смесват и топлообменът се осъществява чрез повърхност за топлообмен. Съществуват няколко основни типа директни топлообменници, като например пластинчати, тръбни или спирални. От тях с най-висока ефективност е пластинчатият топлообменник.

Как функционира той?

Конструкцията на пластинчатия топлообменник с уплътнение

При пластинчатия топлообменник повърхността за топлообмен се състои от пакет метални пластини. Те могат да бъдат изработени от различни материали в зависимост от средата, която трябва да се нагрява или охлажда. Пластините с уплътнения са поставени между две дебели корпусни пластини, които са притиснати една към друга чрез притягащи винтове.

Принцип на работа

В топлообменник с уплътнени пластини флуидите протичат в канали, образувани от пластини и гумени уплътнения. В ъглите на пластините има входни/изходни отвори, през които във всеки канал могат да се вливат два различни флуида – един студен и един горещ. Течностите се направляват от уплътнения между пластините. Топлината преминава през стените на всяка пластина и се осъществява топлообмен между двете среди.

Конструкция на пластинчатия топлообменник

За да определите правилно размера на пластинчатия топлообменник, трябва да знаете няколко параметъра. Те могат да бъдат основа за определяне на допълнителни данни. Най-важни параметъра за проектирането са изброени по-долу:

• Предавана топлина (топлинна ефективност)
• Входната и изходната температура от първичната и вторичната страна на топлообменника.
• Максимално допустим пад на налягането от първичната и вторичната страна на топлообменника.
• Максимална работна температура.
• Максимално работно налягане.

За лесен избор на топлообменник, щракнете тук.

Теория за топлообмен

Законите на физиката позволяват на енергията да тече в една система, докато се достигне състояние на равновесие. Ако две тела или среди имат различни температури, топлината се предава от тялото или средата с по-висока температура към тялото или средата с по-ниска температура.

Топлообменникът работи на принципа на температурното равновесие, споменат по-горе. При пластинчатия топлообменник топлината преминава лесно през тънка стена, разделяща горещата и студената страна. Теорията на топлообмена между две среди/флуиди се основава на следните няколко правила:

• Топлината винаги се пренася от горещата към студената среда.
• Между двете среди трябва да има температурна разлика.
• Количеството топлина, загубено от по-топлата среда, е равно на количеството топлина, погълнато от по-студената среда, ако се пренебрегне загубата на топлина към околната среда.

Топлообменът е възможен по три начина:

Излъчване – енергията се пренася чрез електромагнитни вълни. Пример за това е как слънчевите лъчи нагряват Земята.

Проводимост – енергията се пренася между твърди тела или статични течности чрез движение на атоми и молекули.

Поток – енергията се пренася чрез движение или смесване на малки количества течности с различна температура.

• Естествен поток – движението на флуида зависи изцяло от разликата в плътността, а температурните разлики се изравняват.
• Принудителен поток – движението на средата зависи частично или изцяло от външни въздействия. Това може да бъде например помпа, която придвижва флуида.

Поток в топлообменника

Когато флуидът се движи в затворен канал, например тръба, или между две пластини, са възможни два вида поток в зависимост от скоростта: ламинарен или турбулентен.

Поток в топлообменника

Когато флуидът се движи в затворен канал, например тръба, или между две пластини, са възможни два вида поток в зависимост от скоростта: ламинарен или турбулентен.

Турбулентен поток

Турбулентният поток възниква, когато потокът на флуида не е равномерен, а случаен и турбулентен, поради което се получава смесване. При турбулентен поток в тръба профилът на скоростта не е параболичен, а почти постоянен. От гледна точка на топлообмена това е топлинен поток. Въпреки това, дори и в случай на турбулентно протичане на флуида, при стената все още ще има тънък слой, протичащ ламинарно.

Свързване с насрещен поток и директен поток

Горната крива показва изменението на температурата на горещия флуид, преминаващ през топлообменника, а долната крива – изменението на температурата на студения флуид. Горната графика показва решението с насрещен поток, а долната графика – решението с директен поток. В случая на насрещен поток двата флуида влизат в топлообменника от противоположни страни, докато в случая на директен поток те влизат от една и съща страна.

Свързване с насрещен поток

Свързване с директен поток

T1in = входна температура – гореща страна

T1out = изходна температура – гореща страна

T2in = входна температура – студена страна

T2out = изходна температура – студена страна

Кое свързване трябва да се използва и защо?

При пластинчатите топлообменници най-често се използва насрещен поток. При този тип свързване температурите на входа и на изхода могат да се кръстосват и да се постигне по-висока температура.
Свързването с директен поток се използва, когато твърде високите или ниските температури на стените на пластините биха увредили флуиди, които са чувствителни към горещо или студено.

Уравнение на топлинния баланс

Когато две тела или среди имат различни температури, топлината се предава от тялото или средата с по-висока температура към тялото или средата с по-ниска температура. Както може да се види от следната схема, топлината, която е отделена от топла течност, е същата като топлината, погълната от студена течност. Тъй като загубите на топлина от околната среда, дължащи се на топлинно излъчване, са пренебрежимо малки, очевидно е, че Q1 = Q2.

Определение

Q = топлинна ефективност, W

m = дебит, kg/s

Cp = коефициент на специфична топлина, J/kg.K

Дебит

Дебитът може да бъде изразен в две различни единици – маса или обем. Ако се използва маса, дебитът се изразява в kg/s или kg/h, а ако се използва обем, дебитът се изразява в m3/h или l/min. При преобразуване на обемните единици в масови единици обемният дебит се умножава по плътността.

Коефициент на специфична топлина

Коефициентът на специфична топлина (cp) е количеството енергия, необходимо за повишаване на температурата на 1 kg материал с 1 °C.

Коефициентът на специфична топлина на водата при 20 °C е 4,182 kJ/kg °C или 1,0 kcal/kg °C.

Топлина, отделена от горещата среда: Q1=m1*Cp1*(T1 In-T1 Out)

Топлина, абсорбирана от студената среда: Q2=m2*Cp2*(T2 Out -T2 In)

Загубата на топлина е пренебрежимо малка, Q1= Q2

Уравнение за топлообмен

Определение

Q = топлинна ефективност, W

k = коефициент k, коефициент на топлообмен, W/m² °C

A = повърхност за топлообмен, m²

LMTD = логаритмична средна температурна разлика

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

Коефициент на топлообмен

Коефициентът на топлообмен (k) изразява съпротивлението на топлообмена, което се определя от съпротивлението на материала на пластината, вида на замърсяването, естеството на флуидите и вида на използвания топлообменник.

На фигурата по-долу е показан температурният профил в дадена точка от стената на пластината. Прекъснатите криви (сив правоъгълник) от двете страни на стената на пластината показват границите на тънък ламинарен поток (топлообмен чрез проводимост), като флуидът се движи изцяло чрез турбулентен поток (топлообмен чрез поток).

Дефиницията на коефициента на топлообмен е следната:

α1 = коефициент на топлообмен между топлата среда и повърхността за топлообмен (W/m2 °C)

α2 = коефициент на топлообмен между студената среда и повърхността за топлообмен (W/m2 °C)

δ = дебелина на стената (м)

λ = коефициент на топлопроводност на стената (W/m °C)

Логаритмична средна температурна разлика

Логаритмичната средна температурна разлика (LMTD) е движещата сила за преноса на топлина в топлообменника. Тя е логаритмичната средна стойност на температурната разлика между горещата и студената страна на входа и изхода на топлообменника.

Дефиницията на логаритмичната средна температурна разлика (LMTD) е различна при свързванията с насрещен и директен поток:

Свързване с насрещен поток

Свързване с директен поток

NTU (брой на преносните единици)

Полезен термин е стойността NTU, използвана от Alfa Laval, известна също като стойността тита – θ. Това е количеството пренесени единици, което изразява колко интензивен е топлообменът. Понякога тази стойност се нарича и термична дължина. Колкото по-ниска е стойността на LMTD и колкото по-голяма е температурната разлика между входа и изхода от едната страна, толкова по-голяма е стойността на NTU или стойността на тита. Стойността на NTU може да се изчисли както за студената, така и за горещата страна по следния начин:

Топла страна

Студена страна

Ниска стойност тита (малка разлика между температурите на входа и изхода, висока LMTD)

Висока стойност тита (голяма разлика между температурите на входа и изхода, малка LMTD)

Термична дължина

Термичната дължина описва колко е натоварено приложението от температурата. Термичната дължина може да се опише по два начина, както беше споменато по-рано:

• Брой преносни единици (NTU) – математически метод
• Тита – общ термин

Режим с по-висока стойност тита обикновено е по-труден за адаптиране, отколкото режим с по-ниска стойност тита. Няма „правилна“ или „грешна“ стойност на NTU или тита; всичко зависи от специфичния топлообмен, постигнат според изискванията на приложението.

Пластини

Предлагаме два различни типа пластини – с ниска и висока стойност тита. Пластините с ниска стойност тита имат по-малък ъгъл на реброто тип „рибена кост“, по-къси са и имат по-дълбоки жлебове.

A. По-плитки жлебове
B. По-дълга пластина
C. По-голям ъгъл на реброто

A. По-дълбоки жлебове
B. По-къса пластина
C. По-малък ъгъл на реброто

Канали

Разстоянието между две пластини се нарича канал. Каналите имат ниска, средна или висока стойност тита. Това зависи от комбинацията от пластини с ниска и висока стойност тита, която създава канала.

Загуба на налягане

Загубата на налягане (Δp) е пряко свързана с размера на топлообменника и обратно. Ако е възможно да се увеличат допустимата загуба на налягане и разходите за изпомпване, топлообменникът ще бъде по-малък и по-евтин.

Уравнението за загубата на налягане се определя, както следва:

ΔP = пад на налягането (Pa)

G = масов поток или дебит (kg/m2s)

ρ = плътност (kg/m3)

Dh = среден хидравличен диаметър (m)

L = дължина (m)

f = коефициент на триене

n = крайни ефекти

Напрежение на срязване

Напрежението на срязване е силата на потока покрай стената на пластинчатия топлообменник, която е мярка за турбулентност в топлообменника. Напрежението на срязване е известно също като стойност на Тао (τ).

Напрежението на срязване трябва да се вземе предвид само ако използваният флуид или флуиди са склонни да предизвикват запушване.

Определение на напрежението на срязване:

τw = напрежение на срязване на стената, N/m2 (Pa)

f = коефициент на триене

ρ = плътност на флуида, kg/m3

V = скорост на потока, m/s

L = дължина на канала, m

ΔP = пад на налягането, kPa

Dh = хидравличен диаметър, m (2 × дълбочината на жлебовете на пластините на топлообменника)