Klasyfikacja wymienników ciepła według medium: Przewodnik inżynierii przemysłowej

Klasyfikacja wymienników ciepła według medium klasyfikuje urządzenia na podstawie stanu fizycznego (fazy) płynów wymieniających energię cieplną.Pojemność cieplna specyficzna (c_p) i przewodność cieplna (k) nośnika bezpośrednio określają całkowity współczynnik przenoszenia ciepła (U) i fizyczny odcisk urządzeniaCztery podstawowe klasyfikacje przemysłowe to wymienniki ciepła płyn-płyn, gaz-płyn, gaz-gaz oraz wymienniki ciepła z zmianą fazy (dwufazowe).

Systemy płyn-płyn są bardzo wydajne ze względu na naturalnie wysoką przewodność cieplną i gęstość płynów (takich jak woda, olej i płynne chemikalia).

Ponieważ ciepła oferują doskonałe współczynniki konwekcyjnego przenoszenia ciepła, wymienniki te wymagają znacznie mniejszej powierzchni (A) do przenoszenia danej ilości ciepła (Q) w porównaniu z systemami gazowymi.

• Wspólne media: woda do wody, olej do wody, chemikalia do wody.

• Typowe wyposażenie: wymienniki ciepła z płyt i ram, wymienniki ciepła z muszli i rur (bez płetw).

• Podstawowe zastosowania: Przetwarzanie farmaceutyczne, pasteryzacja żywności i napojów, mieszanie chemiczne i chłodzenie maszyn zamkniętych.

Jest to najbardziej powszechna klasyfikacja zarówno w przemyśle ciężkim, jak i w zastosowaniach komercyjnych.Systemy te łączą medium o wysokiej wydajności (płyn) z medium o niskiej wydajności (gaz/powietrze).

Gazy mają bardzo niską przewodność cieplną.Inżynierowie muszą sztucznie zwiększyć powierzchnię powierzchni wystawioną na działanie gazuJest to powszechnie osiągane poprzez dodanie rozszerzonych powierzchni (kręgów) na zewnątrz rur zawierających płyn.

• Wspólne media: powietrze-woda, powietrze-chłodnictwo, gaz dymny-woda.

• Typowe wyposażenie: Chłodzone powietrzem wymienniki ciepła (chłodniaki z wiatrakiem), radiatory samochodowe, cewki chłodnicze HVAC.

• Główne zastosowania: klimatyzacja środowiskowa, chłodzenie rurociągów zdalnie i chłodzenie wody w maszynach.

Wymienniki ciepła gazowo-gazowe są strukturalnie ogromne, ponieważ oba płynów mają słabe właściwości przenoszenia ciepła.

Systemy te działają niemal wyłącznie w celu odzyskiwania ciepła odpadowego z strumieni spalin w celu wstępnego ogrzewania wchodzącego powietrza otoczenia, zwiększając ogólną wydajność termodynamiczną instalacji.

• Powszechne media: gorące gazy wydechowe do powietrza otoczenia.

• Typowy sprzęt: Rotacyjne koła termiczne (regeneratory), wymienniki ciepła płytkowe, przedgrzewacze powietrza rurkowe.

• Główne zastosowania: podgrzewanie powietrza kotłowego w elektrowniach, kryogeniczne oddzielanie powietrza i odzyskiwanie ciepła w piecach przemysłowych.

W systemach zmiany fazy jeden lub oba płyny przechodzą zmianę stanu (warzenie lub kondensacja) podczas wymiany cieplnej.

Przemiana fazowa ciepła wykorzystuje ciepło ukryte zamiast ciepła odczuwalnego.te wymienniki mogą przenosić ogromne ilości energii przy minimalnych gradientach temperatury i niskich przepływach masy.

• Powszechne media: para do wody (skondensowanie), chłodnik do powietrza (parowanie), parowanie chemiczne.

• Typowy sprzęt: kondensatory, parowniki, kocioły i generatory pary.

• Główne zastosowania: cykle rankinowe w elektrowniach parowych, pętle chłodnicze i kolumny destylacyjne chemiczne.

Podstawowa fizyka dyktująca projekt tych wymienników zależy od stanu medium.

W przypadku jednofazowego (czuciowego) przenoszenia ciepła (płyn-płyn, gaz-gaz, gaz-płyn)

Aby zrozumieć, dlaczego rozmiary urządzeń różnią się tak drastycznie, inżynierowie używają współczynnika całkowitego przeniesienia ciepła (U).

P: Dlaczego płetwy prawie nigdy nie są używane w wymiennikach ciepła płyn-płyn?

Odpowiedź: Płyn naturalnie posiada wysoką przewodność cieplną i wysoki współczynnik konwekcji ciepła.Dodanie płetw nieznacznie zwiększy powierzchnię, ale jednocześnie stworzy ogromne tarcie wewnętrzne, powodując niedopuszczalny spadek ciśnienia (Delta P), który przytłoczyłby system pompowania bez znaczącej korzyści termicznej.

P: Co to jest wymiennik ciepła "wrażliwy" lub "tłumiony"?

Odpowiedź: Rozsądny wymiennik ciepła zmienia temperaturę mediów bez zmiany ich stanu fizycznego (np. chłodzenie gorącego oleju zimną wodą).Wymiennik ciepła ukryty przenosi energię poprzez zmianę stanu medium przy stałej temperaturze (e(np. gotowanie płynnej wody w parę).

P: Która klasyfikacja średniej jest najtrudniejsza do utrzymania?

Odpowiedź: Systemy dwufazowe (zmieniające fazy), w szczególności kotły i parowniki, są zazwyczaj najbardziej wymagające konserwacji.Proces wrzenia cieczy często pozostawia za sobą skoncentrowane rozpuszczone ciała stałe i minerały, co prowadzi do szybkiego łuszczenia i zanieczyszczania powierzchni przeniesienia ciepła, co z czasem poważnie pogarsza wartość U.