Ταξινόμηση Εναλλακτών Θερμότητας κατά Μέσο: Οδηγός Βιομηχανικής Μηχανικής

Η ταξινόμηση των ανταλλακτών θερμότητας ανά μέσο κατηγοριοποιεί τον εξοπλισμό με βάση τη φυσική κατάσταση (φάση) των υγρών που ανταλλάσσουν θερμική ενέργεια.Η ειδική θερμική ικανότητα (c_p) και η θερμική αγωγιμότητα (k) του μέσου καθορίζουν άμεσα τον συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (U) και το φυσικό αποτύπωμα του εξοπλισμούΟι τέσσερις κύριες βιομηχανικές κατηγορίες είναι οι ανταλλακτές θερμότητας υγρού προς υγρό, αερίου προς υγρό, αερίου προς αέριο και μεταβλητής φάσης (δύο φάσεων).

Τα συστήματα υγρού σε υγρό είναι εξαιρετικά αποδοτικά λόγω της φυσικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της πυκνότητας των υγρών (όπως το νερό, το πετρέλαιο και τα υγρά χημικά).

Επειδή τα υγρά προσφέρουν εξαιρετικούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας με τη διασύνθεση, αυτοί οι ανταλλάκτες απαιτούν σημαντικά λιγότερη επιφάνεια (A) για τη μεταφορά μιας δεδομένης ποσότητας θερμότητας (Q) σε σύγκριση με τα συστήματα αερίων.

• Κοινά μέσα: Νερό σε νερό, πετρέλαιο σε νερό, χημικά σε νερό.

• Τυπικός εξοπλισμός: Ανταλλάκτες θερμότητας πλάκας και πλαισίου, Ανταλλάκτες θερμότητας κοίλου και σωλήνα (χωρίς πτερύγια).

• Πρωταρχικές εφαρμογές: Φαρμακευτική επεξεργασία, παστερίωση τροφίμων και ποτών, χημική ανάμειξη και ψύξη μηχανημάτων κλειστού κυκλώματος.

Αυτή είναι η πιο ευρέως διαδεδομένη ταξινόμηση τόσο στη βαριά βιομηχανία όσο και στις εμπορικές εφαρμογές.Τα συστήματα αυτά γεφυρώνουν το χάσμα μεταξύ ενός μέσου υψηλής απόδοσης (ρευστό) και ενός μέσου χαμηλής απόδοσης (αέριο/αέρος).

Τα αέρια έχουν εξαιρετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα.Οι μηχανικοί πρέπει να αυξήσουν τεχνητά την επιφάνεια που εκτίθεται στο αέριο.Αυτό επιτυγχάνεται παγκοσμίως προσθέτοντας εκτεταμένες επιφάνειες (φτερά) στο εξωτερικό των σωλήνων που περιέχουν το υγρό.

• Κοινά μέσα: αέρας-νερό, αέρας-ψυκτικό, καπνός-νερό.

• Συνηθισμένος εξοπλισμός: Χειροκηλότες θερμότητας με ψύξη αέρα (ψυκτικά φεν), ακτινοβολητές αυτοκινήτων, τροχούς ψύξης HVAC.

• Πρωταρχικές εφαρμογές: κλιματισμός περιβάλλοντος, απομακρυσμένη ψύξη αγωγών και ψύξη νερού στο μανδύα του κινητήρα.

Οι εναλλάκτες θερμότητας από αέριο σε αέριο είναι δομικά τεράστιοι επειδή και τα δύο υγρά έχουν κακές ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας.

Τα συστήματα αυτά λειτουργούν σχεδόν αποκλειστικά για την ανάκτηση της καύσης θερμότητας από τις ροές καυσαερίων για την προθερμία του εισερχόμενου αέρα, βελτιώνοντας τη συνολική θερμοδυναμική απόδοση της εγκατάστασης.

• Κοινό μέσο: θερμό αέριο εξάτμισης στον αέρα περιβάλλοντος.

• Τυπικός εξοπλισμός: περιστρεφόμενοι θερμικοί τροχοί (αναγεννητές), ανταλλακτές θερμότητας με πλάκα, σωληνωτές προθέρμανση αέρα.

• Πρωταρχικές εφαρμογές: Προθέρμανση αέρα από λέβητα σε εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, κρυογενής διαχωρισμός αέρα και ανάκτηση θερμότητας από βιομηχανικούς φούρνους.

Σε συστήματα αλλαγής φάσης, ένα ή και τα δύο υγρά υφίστανται αλλαγή κατάστασης (ψύξη ή συμπύκνωση) κατά τη διάρκεια της θερμικής ανταλλαγής.

Η μεταφορά θερμότητας αλλαγής φάσης χρησιμοποιεί λανθάνουσα θερμότητα και όχι αισθητή θερμότητα.Αυτοί οι ανταλλακτές μπορούν να μεταφέρουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας με ελάχιστες κλίμακες θερμοκρασίας και χαμηλές ταχύτητες ροής μάζας..

• Κοινά μέσα: Ατμός σε νερό (συσσωματισμός), ψυκτικό σε αέρα (ατμός), χημική εξατμίλωση.

• Τυπικός εξοπλισμός: Συσσωρευτές, εξατμιστές, επαναθέρμανση και γεννήτριες ατμού.

• Πρωταρχικές εφαρμογές: κύκλοι ρανκίνων στα εργοστάσια παραγωγής ατμού, κυκλώματα ψύξης και στήλες χημικής απόσταξης.

Η υποκείμενη φυσική που υπαγορεύει το σχεδιασμό αυτών των ανταλλακτών βασίζεται στην κατάσταση του μέσου.

Για μονοφασική μεταφορά (αισθητικής θερμότητας) (Φυσικό-Φυσικό, Αέριο-Αέριο, Αέριο-Φυσικό)

Για να καταλάβουν οι μηχανικοί γιατί το μέγεθος του εξοπλισμού ποικίλλει τόσο δραστικά, αναφέρουν τον συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας (U).

Ε: Γιατί τα πτερύγια σχεδόν ποτέ δεν χρησιμοποιούνται σε ανταλλακτές θερμότητας υγρού σε υγρό;

Α: Τα υγρά διαθέτουν φυσικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας με τη σύμβαση.Η προσθήκη πτερύγων θα αυξήσει ελαφρώς την επιφάνεια αλλά ταυτόχρονα θα δημιουργήσει τεράστια εσωτερική τριβή, προκαλώντας μια απαράδεκτη πτώση πίεσης (Delta P) που θα κατακλύσει το σύστημα άντλησης χωρίς να παρέχει ουσιαστικό θερμικό όφελος.

Ε: Τι είναι ένας ανταλλάκτης "ευαισθητικής θερμότητας" έναντι ενός "κρύου θερμότητας";

Α: Ένας λογικός εναλλάκτης θερμότητας αλλάζει τη θερμοκρασία των μέσων χωρίς να αλλάζει τη φυσική τους κατάσταση (π.χ. ψύξη θερμού ελαίου με κρύο νερό).Ένας λανθάνων εναλλάκτης θερμότητας μεταφέρει ενέργεια αλλάζοντας την κατάσταση του μέσου σε σταθερή θερμοκρασία (e(π.χ. βρασμός υγρού νερού σε ατμό).

Ε: Ποια μεσαία ταξινόμηση είναι πιο δύσκολο να διατηρηθεί;

Α: Τα συστήματα δύο σταδίων (αλλαγής φάσης), ειδικότερα οι λέβητες και οι εξατμιστές, είναι γενικά τα πιο συντηρητικά.Η διαδικασία της βρασμού υγρών συχνά αφήνει πίσω τους συμπυκνωμένα διαλυμένα στερεά και ορυκτά, που οδηγεί σε ταχεία κλίμακα και μόλυνση στις επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας, γεγονός που υποβαθμίζει σοβαρά την τιμή U με την πάροδο του χρόνου.