Τι είναι ένας εναλλάκτης θερμότητας; Αρχή λειτουργίας, τύποι και υπολογισμοί

ΕΝΑεναλλάκτης θερμότηταςείναι ένα εξειδικευμένο τμήμα μηχανολογικού εξοπλισμού που έχει σχεδιαστεί για να μεταφέρει θερμική ενέργεια (θερμότητα) από το ένα ρευστό στο άλλο χωρίς να αναμειγνύονται φυσικά τα δύο ρευστά. Αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της θερμικής διαχείρισης σε σχεδόν κάθε βιομηχανικό τομέα, χειρίζονται τα πάντα, από την ψύξη του λαδιού κινητήρα έως τη ρύθμιση ακραίων θερμοκρασιών σε χημικούς αντιδραστήρες και σταθμούς παραγωγής ενέργειας.

Στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, οι εναλλάκτες θερμότητας λειτουργούν στοΔεύτερος Θερμοδυναμικός Νόμος: η θερμότητα ρέει φυσικά από μια περιοχή υψηλής θερμοκρασίας σε μια περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας.

Σε έναν τυπικό εναλλάκτη θερμότητας, ένα ζεστό ρευστό και ένα κρύο ρευστό ρέουν μέσω παρακείμενων αλλά χωριστών μονοπατιών (συχνά μεταλλικοί σωλήνες ή πλάκες). Το μεταλλικό τοίχωμα που τα χωρίζει λειτουργεί ως ένα εξαιρετικά αγώγιμο φράγμα. Η θερμική ενέργεια από το ζεστό ρευστό διέρχεται μέσω του μεταλλικού φράγματος και απορροφάται από το κρύο ρευστό, ψύχοντας έτσι το πρώτο ρεύμα και θερμαίνοντας το δεύτερο.

Για το σωστό μέγεθος ενός εναλλάκτη θερμότητας, οι μηχανικοί πρέπει να υπολογίσουν τον συνολικό ρυθμό μεταφοράς θερμότητας που απαιτείται για τη διαδικασία. Αυτό διέπεται από την καθολική εξίσωση μεταφοράς θερμότητας:

Επειδή οι θερμοκρασίες και των δύο ρευστών αλλάζουν καθώς ταξιδεύουν μέσα στον εξοπλισμό, η διαφορά θερμοκρασίας δεν είναι σταθερή. ΟΛογαριθμική μέση διαφορά θερμοκρασίας (LMTD)υπολογίζει τη μέση ενεργή κινητήρια δύναμη θερμοκρασίας σε όλο το μήκος του εναλλάκτη:

Η κατεύθυνση που ταξιδεύουν τα υγρά μεταξύ τους επηρεάζει δραματικά το LMTD και τη συνολική απόδοση.

• Παράλληλη ροή:Και τα δύο υγρά εισέρχονται από το ίδιο άκρο και ταξιδεύουν προς την ίδια κατεύθυνση. Το κρύο υγρό δεν μπορεί ποτέ να φτάσει σε θερμοκρασία υψηλότερη από τη θερμοκρασία εξόδου του ζεστού υγρού.

• Αντίστροφη ροή:Τα υγρά εισέρχονται από τα αντίθετα άκρα. Αυτό διατηρεί μια πιο σταθερή διαβάθμιση θερμοκρασίας σε ολόκληρη τη μονάδα, επιτρέποντας τη θερμοκρασία εξόδου του κρύου υγρού να είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία εξόδου του ζεστού υγρού. Αυτή είναι η πιο αποτελεσματική ρύθμιση.

Χρησιμοποιήστε το παρακάτω εργαλείο για να οπτικοποιήσετε τη διαφορά μεταξύ Counter-Flow και Parallel-Flow. Προσαρμόζοντας τις θερμοκρασίες του υγρού, μπορείτε να δείτε πώς η διάταξη ροής αλλάζει τη διαβάθμιση θερμοκρασίας και το LMTD που προκύπτει.

Διαφορετικές βιομηχανικές διαδικασίες απαιτούν διαφορετικές γεωμετρίες για τον χειρισμό μεταβλητών όπως η πίεση, το ιξώδες και η ρύπανση (συσσώρευση συντριμμιών).

Ερ.: Τι είναι το "fouling" σε έναν εναλλάκτη θερμότητας;

Α: Η ρύπανση είναι η συσσώρευση ανεπιθύμητου υλικού (άλατα, φύκια, χημικές αποθέσεις) στις επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας. Λειτουργεί ως μόνωση, ρίχνοντας τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (U) και αναγκάζοντας το σύστημα να εργαστεί σκληρότερα. Οι μηχανικοί διεργασιών πρέπει να προγραμματίζουν τακτικά βούρτσισμα CIP (Clean-in-Place) ή μηχανικό βούρτσισμα σωλήνων για να μετριαστεί αυτό.

Ε: Γιατί οι σωλήνες σε έναν εναλλάκτη κελύφους και σωλήνα έχουν "πτερύγια";

Α: Προστίθενται πτερύγια στο εξωτερικό των σωλήνων για να αυξηθεί τεχνητά η επιφάνεια (Α). Χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό κατά τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ ενός υγρού και ενός αερίου, επειδή τα αέρια έχουν φυσικά πολύ χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τα υγρά.

Ε: Ποια υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εναλλάκτη θερμότητας;

Α: Εξαρτάται εξ ολοκλήρου από το υγρό της διαδικασίας. Οι συνήθεις εφαρμογές υδρόψυξης χρησιμοποιούν χαλκό ή ανθρακούχο χάλυβα. Η επιθετική χημική επεξεργασία ή οι φαρμακευτικές εφαρμογές υψηλής καθαρότητας απαιτούν ανοξείδωτο χάλυβα 316 λίτρων, τιτάνιο ή εξειδικευμένα κράματα όπως το Hastelloy για την πρόληψη της διάβρωσης και τη διατήρηση των υγειονομικών προτύπων.