Kako delujejo toplotni izmenjevalniki?

Toplotni izmenjevalniki

Toplotni izmenjevalnik je naprava, v kateri se toplota neprekinjeno prenaša iz enega medija v drugega. Ločimo dve glavni vrsti toplotnih izmenjevalnikov.

• V direktnem toplotnem izmenjevalniku sta medija v neposrednem stiku. Predpostavlja se, da se medija ne mešata. Primer te vrste toplotnega izmenjevalnika je hladilni stolp, v katerem se voda hladi z neposrednim stikom z zrakom.
• V indirektnem toplotnem izmenjevalniku sta medija ločena s površino, skozi katero se prenaša toplota.

Vrste toplotnih izmenjevalnikov

V tem članku bomo obravnavali samo direktne toplotne izmenjevalnike, tj. tiste, pri katerih se mediji ne mešajo in izmenjava toplote poteka prek površine za prenos toplote. Obstaja več glavnih vrst direktnih toplotnih izmenjevalnikov, kot so ploščni, cevni ali spiralni. Med njimi ploščni toplotni izmenjevalnik ponuja najvišjo učinkovitost.

Kako deluje?

Zasnova ploščnega toplotnega izmenjevalnika s tesnili

Pri ploščnem toplotnem izmenjevalniku je površina za prenos toplote sestavljena iz niza kovinskih plošč. Izdelani so lahko iz različnih materialov, odvisno od medija, ki ga je treba ogrevati ali hladiti. Plošče s tesnili so nameščene med dve debeli okvirni plošči, ki sta med seboj stisnjeni z vpenjalnimi vijaki.

Načelo delovanja

V ploščnem toplotnem izmenjevalniku s tesnili tekočine tečejo po kanalih, ki jih tvorijo plošče in gumijasta tesnila. Na vogalih plošč so vhodne/izhodne odprtine, skozi katere lahko v vsak kanal pritečeta dve različni tekočini, ena hladna in ena vroča. Medija vodijo tesnila med ploščami. Toplota prehaja skozi stene vsake plošče in prihaja do izmenjave toplote med medijema.

Zasnova ploščnega toplotnega izmenjevalnika

Za pravilno dimenzioniranje ploščnega toplotnega izmenjevalnika morate poznati več parametrov.
Ti so lahko osnova za določitev dodatnih podatkov. V nadaljevanju je navedenih najpomembnejših parametrov za načrtovanje:

• Prenesena toplota (toplotna učinkovitost)
• Vstopna in izstopna temperatura na primarni in sekundarni strani toplotnega izmenjevalnika.
• Največji sprejemljivi padec tlaka na primarni in sekundarni strani toplotnega izmenjevalnika.
• Najvišja obratovalna temperatura.
• Najvišji obratovalni tlak.

Za lažjo izbiro toplotnega izmenjevalnika kliknite tukaj.

Teorija prenosa toplote

Fizikalni zakoni dovoljujejo, da se energija v sistemu pretaka, dokler ni doseženo ravnovesje. Če imata dve telesi ali medija različno temperaturo, se toplota prenaša s telesa ali medija z višjo temperaturo na telo ali medij z nižjo temperaturo.

Toplotni izmenjevalnik deluje po zgoraj omenjenem načelu temperaturnega ravnovesja. V ploščnem toplotnem izmenjevalniku toplota zlahka prehaja skozi tanko steno, ki ločuje vročo in hladno stran. Teorija prenosa toplote med dvema medijema/tekočinama temelji na naslednjih nekaj pravilih:

• Toplota se vedno prenaša z vročega medija na hladnega.
• Med medijema mora biti temperaturna razlika.
• Količina toplote, ki jo izgubi toplejši medij, je enaka količini toplote, ki jo absorbira hladnejši medij, če zanemarimo izgubo toplote v okolico.

Prenos toplote je mogoč na tri načine:

Sevanje – energija se prenaša z elektromagnetnim valovanjem. Primer tega so sončni žarki, ki segrevajo Zemljo.

Prevodnost – energija se prenaša med trdnimi snovmi ali statičnimi tekočinami z gibanjem atomov in molekul.

Pretok – energija se prenaša z gibanjem ali mešanjem majhnih količin tekočin pri različnih temperaturah.

• Naravni tok – gibanje tekočine je v celoti odvisno od razlike v gostoti, temperaturne razlike pa se izenačijo.
• Prisilni tok – gibanje medija je delno ali v celoti odvisno od zunanjih vplivov. To je lahko na primer črpalka, ki premika tekočino.

Pretok v toplotnem izmenjevalniku

Kadar se tekočina giblje v zaprtem kanalu, kot je cev, ali med dvema ploščama, sta glede na hitrost možni dve vrsti toka: laminarni ali turbulentni.

Laminarni tok

Laminarni tok se pojavi, ko se delci tekočine gibljejo po različnih vzporednih konturah skozi krožno cev. Zanj je značilen parabolični hitrostni profil z najvišjo hitrostjo v središču in skoraj ničelno hitrostjo na robovih. Za laminarni tok je značilen predvsem prevodni prenos toplote.

Turbulentni tok

Turbulentni tok se pojavi, kadar tok tekočine ni enakomeren, temveč naključen in turbulenten, zato pride do mešanja. Pri turbulentnem toku v cevi hitrostni profil ni paraboličen, temveč skoraj konstanten. Z vidika prenosa toplote gre za toplotni tok. Vendar bo tudi pri turbulentnem toku tekočine na steni ostala tanka plast, ki bo tekla laminarno.

Povezava s protismernim in neposrednim tokom

Zgornja krivulja prikazuje spremembo temperature vroče tekočine, ki teče skozi toplotni izmenjevalnik, spodnja krivulja pa spremembo temperature hladne tekočine. Zgornji graf prikazuje rešitev s protismernim tokom, spodnji graf pa rešitev z neposrednim tokom. Pri protismernem toku tekočina vstopa v toplotni izmenjevalnik na nasprotnih straneh, pri neposrednem toku pa na isti strani.

Povezava s protismernim tokom

Povezava z neposrednim tokom

T1in = vhodna temperatura – vroča stran

T1out = izhodna temperatura – vroča stran

T2in = vhodna temperatura – hladna stran

T2out = izhodna temperatura – hladna stran

Katero povezavo je treba uporabiti in zakaj?

Pri ploščnih toplotnih izmenjevalnikih je najpogostejša povezava s protismernim tokom. S to vrsto povezave se lahko vhodna in izhodna temperatura križata in doseže se višja temperatura.
Povezava z neposrednim tokom se uporablja, kadar bi previsoke ali nizke temperature sten plošč poškodovale tekočine, ki so občutljive na vročino ali mraz.

Enačba toplotnega ravnovesja

Kadar imata dve telesi ali medija različni temperaturi, se toplota prenaša s telesa ali medija z višjo temperaturo na telo ali medij z nižjo temperaturo. Kot je razvidno v nadaljevanju, je toplota, ki jo odda topla tekočina, enaka toploti, ki jo absorbira hladna tekočina. Ker so toplotne izgube v okolico zaradi toplotnega sevanja zanemarljive, je očitno, da je Q1 = Q2.

Opredelitev

Q = toplotna učinkovitost, W

m = pretok, kg/s

Cp = koeficient specifične toplote, J/kg.K

Pretok

Pretok lahko izrazimo v dveh različnih enotah, masi ali prostornini. Če je uporabljena masa, je pretok izražen v kg/s ali kg/h, če pa je uporabljena prostornina, je pretok izražen v m3/h ali l/min. Pri pretvorbi prostorninskih enot v masne se prostorninski pretok pomnoži z gostoto.

Koeficient specifične toplote

Koeficient specifične toplote (cp) je količina energije, ki je potrebna za dvig temperature 1 kg materiala za 1 °C.

Koeficient specifične toplote vode pri 20 °C je 4182 kJ/kg °C ali 1,0 kcal/kg °C.

Toplota, ki se sprošča iz vročega medija: Q1 = m1 × Cp1 × (T1 vhodna – T1 izhodna)

Toplota, ki jo absorbira hladen medij: Q2 = m2 × Cp2 × (T2 izhodna – T2 vhodna)

Izguba toplote je zanemarljiva Q1 = Q2

Enačba prenosa toplote

Opredelitev

Q = toplotna učinkovitost, W

k = koeficient k, koeficient prenosa toplote, W/m² °C

A = površina za izmenjavo toplote, m²

LMTD = logaritemska povprečna temperaturna razlika

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

Koeficient prenosa toplote

Koeficient prenosa toplote (k) izraža upornost pri prenosu toplote, ki je odvisna od upornosti materiala plošč, vrste kontaminacije, vrste tekočin in vrste uporabljenega toplotnega izmenjevalnika.

Na spodnji sliki je prikazan temperaturni profil v določeni točki na steni plošče. Črtkane krivulje (sivi pravokotnik) na obeh straneh stene plošče prikazujejo meje tankega laminarnega toka (prenos toplote s prevodnostjo), tekočina pa se v celoti giblje s turbulentnim tokom (prenos toplote s pretokom).

Definicija koeficienta prenosa toplote je naslednja:

α1 = koeficient prenosa toplote med toplim medijem in površino za izmenjavo toplote (W/m2 °C)

α2 = koeficient prenosa toplote med hladnim medijem in površino za izmenjavo toplote (W/m2 °C)

δ = debelina stene (m)

λ = toplotna prevodnost stene (W/m °C)

Logaritemska povprečna temperaturna razlika

Logaritemska povprečna temperaturna razlika (LMTD) je gonilna sila za prenos toplote v toplotnem izmenjevalniku. Je logaritemsko povprečje temperaturnih razlik med vročo in hladno stranjo vhoda in izhoda toplotnega izmenjevalnika.

Opredelitev povprečne srednje temperaturne razlike (LMTD) se razlikuje za protismerno in enosmerno povezavo:

 Povezava s protismernim tokom

Povezava z neposrednim tokom

NTU (število prenosnih enot)

Uporaben izraz je vrednost NTU, ki se uporablja pri družbi Alfa Laval in je znana tudi kot vrednost theta – θ. To je količina prenesenih enot, ki izraža, kako intenziven je prenos toplote. Včasih se ta vrednost imenuje tudi toplotna dolžina. Nižja je vrednost LMTD in večja je temperaturna razlika med vhodom in izhodom na eni strani, višja je vrednost NTU ali vrednost theta. Vrednost NTU se lahko izračuna za hladno in vročo stran na naslednji način:

Vroča stran

Hladna stran

Nizka theta (majhna razlika med vhodno in izhodno temperaturo, visoka LMTD)

Visoka theta (velika razlika med vhodno in izhodno temperaturo, visoka LMTD)

Toplotna dolžina

Toplotna dolžina opisuje, kako obremenjen je sistem zaradi temperature. Toplotno dolžino lahko opišemo na dva načina, kot smo že omenili:

• Število prenosnih enot (NTU) – matematična metoda
• Theta – splošni izraz

Načinu z višjo vrednostjo theta se je navadno težje prilagoditi načinu z nižjo vrednostjo theta. Ni »prave« ali »napačne« vrednosti NTU ali theta; vse je odvisno od specifičnega prenosa toplote, doseženega glede na zahteve uporabe.

Plošče

Na voljo sta dve vrsti plošč – nizka in visoka theta. Plošče z nizko vrednostjo theta imajo manjši kot vzorca ribje kosti, so krajše in imajo globlje utore.

A. Plitkejši utori
B. Daljša plošča
C. Večji kot ribje kosti

A. Globlji utori
B. Krajša plošča
C. Manjši kot ribje kosti

Kanali

Vrzel med dvema ploščama se imenuje kanal. Kanali imajo nizko, srednjo ali visoko vrednost theta. To je odvisno od kombinacije plošč z nizko in visoko vrednostjo theta, ki ustvarjajo kanal.

Izguba tlaka

Izguba tlaka (Δp) je neposredno povezana z velikostjo toplotnega izmenjevalnika in obratno. Če je mogoče povečati dovoljen padec tlaka in stroške črpanja, bo toplotni izmenjevalnik manjši in cenejši.

Enačba padca tlaka je opredeljena na naslednji način:

ΔP = padec tlaka (Pa)

G = masni pretok ali hitrost pretoka (kg/m2s)

ρ = gostota (kg/m3)

Dh = povprečni hidravlični premer (m)

L = dolžina (m)

f = faktor trenja

n = končni učinki

Strižna napetost

Strižna napetost je sila toka vzdolž stene ploščnega toplotnega izmenjevalnika, ki je merilo turbulence v toplotnem izmenjevalniku. Strižna napetost je znana tudi kot vrednost Tao (τ).

Strižno napetost je treba upoštevati le, če uporabljena tekočina ali tekočine povzročajo zamašitve.

Opredelitev strižne napetosti:

τw = strižna napetost v steni, N/m2 (Pa)

f = faktor trenja

ρ = gostota tekočine, kg/m3

V = hitrost toka, m/s

L = dolžina kanala, m

ΔP = padec tlaka, kPa

Dh = hidravlični premer, m (2 × globina utorov plošč toplotnega izmenjevalnika)