Wymienniki ciepła z przemianą fazową

Wymienniki ciepła z przemianą fazową 

 
Oprócz podgrzewania lub schładzania płynów tylko w jednej fazie, wymienniki ciepła mogą być używane do podgrzewania cieczy w celu jej odparowania (lub zagotowania) lub jako skraplacze do chłodzenia pary i skraplania jej do postaci cieczy. W zakładach chemicznych i rafineriach reboilery używane do ogrzewania wsadu zasilającego wieże destylacyjne są często wymiennikami ciepła. [6] [7]

Zestawy do destylacji zwykle wykorzystują skraplacze do skraplania oparów destylatu z powrotem do cieczy.

Elektrownie wykorzystujące turbiny napędzane parą zwykle wykorzystują wymienniki ciepła do gotowania wody na parę. Wymienniki ciepła lub podobne urządzenia do wytwarzania pary z wody są często nazywane kotłami lub wytwornicami pary.

W elektrowniach jądrowych zwanych ciśnieniowymi reaktorami wodnymi specjalne duże wymienniki ciepła przekazują ciepło z układu pierwotnego (reaktor) do układu wtórnego (parownia), wytwarzając w procesie parę wodną z wody. Są to tak zwane generatory pary. Wszystkie elektrownie opalane paliwami kopalnymi i elektrownie jądrowe wykorzystujące turbiny parowe mają skraplacze powierzchniowe do przekształcania pary wylotowej z turbin w kondensat (wodę) do ponownego wykorzystania. [8] [9]

Aby oszczędzać energię i wydajność chłodzenia w zakładach chemicznych i innych, regeneracyjne wymienniki ciepła mogą przenosić ciepło ze strumienia, który musi zostać schłodzony, do innego strumienia, który musi zostać ogrzany, na przykład podczas chłodzenia destylatu i wstępnego podgrzewania wsadu do reboilera.

Termin ten może również odnosić się do wymienników ciepła, które zawierają w swojej strukturze materiał, który ma zmianę fazy. Zwykle jest to faza stała do ciekłej ze względu na niewielką różnicę objętości między tymi stanami. Ta zmiana fazy skutecznie działa jak bufor, ponieważ zachodzi w stałej temperaturze, ale nadal pozwala wymiennikowi ciepła przyjąć dodatkowe ciepło. Jednym z przykładów, w których zostało to zbadane, jest zastosowanie w elektronice samolotów dużej mocy.

Wymienniki ciepła pracujące w reżimach przepływu wielofazowego mogą podlegać niestabilności Ledinegga.

Wymienniki ciepła z bezpośrednim kontaktem

Wymienniki ciepła z bezpośrednim kontaktem polegają na przekazywaniu ciepła między gorącym i zimnym strumieniem dwóch faz przy braku ściany oddzielającej. [10] Zatem takie wymienniki ciepła można sklasyfikować jako:

  • Gaz – ciecz
  • Niemieszająca się ciecz – ciecz
  • Ciało stałe - ciecz lub ciało stałe - gaz

Większość wymienników ciepła z bezpośrednim kontaktem należy do kategorii gaz – ciecz, w której ciepło jest przenoszone między gazem a cieczą w postaci kropel, filmów lub aerozoli. [4]

Tego typu wymienniki ciepła są stosowane głównie w instalacjach klimatyzacji, nawilżania, ogrzewania ciepłej wody przemysłowej, chłodzenia wody i instalacji skraplających. [11]

Fazy ​​[12] Faza ciągła Siła napędowa Zmiana fazy Przykłady
Gaz – Ciecz Gaz Grawitacja Nie Kolumny natryskowe, kolumny z wypełnieniem
      tak Wieże chłodnicze , parowniki ze spadającymi kroplami
    Wymuszony Nie Chłodnice/wygaszacze w sprayu
    Przepływ cieczy tak Kondensatory natryskowe/odparowujące, skraplacze strumieniowe
  Ciekły Grawitacja Nie Kolumny bąbelkowe, kolumny z perforowanymi tacami
      tak Kondensatory z kolumną bąbelkową
    Wymuszony Nie Rozpylacze gazu
    Przepływ gazu tak Parowniki z bezpośrednim kontaktem, spalanie w zanurzeniu

Mikrokanałowe wymienniki ciepła 

Mikrokanałowe wymienniki ciepła to wieloprzebiegowe wymienniki ciepła o przepływie równoległym, składające się z trzech głównych elementów: kolektorów (wlot i wylot), rurek wieloportowych o średnicach hydraulicznych mniejszych niż 1mm oraz żeber. Wszystkie elementy są zwykle lutowane ze sobą przy użyciu procesu lutowania w kontrolowanej atmosferze. Mikrokanałowe wymienniki ciepła charakteryzują się wysokim współczynnikiem wymiany ciepła, niskimi nakładami czynnika chłodniczego, kompaktowymi rozmiarami i mniejszymi spadkami ciśnienia po stronie powietrza w porównaniu do wymienników ciepła z rurami żebrowanymi. Mikrokanałowe wymienniki ciepła są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym jako chłodnice samochodowe oraz jako skraplacze, parowniki i wężownice chłodząco-grzejące w przemyśle HVAC.

 

Mikrowymienniki ciepła, mikrowymienniki ciepła lub mikrostrukturalne wymienniki ciepła to wymienniki ciepła, w których (co najmniej jeden) płyn przepływa w bocznych ograniczeniach o typowych wymiarach poniżej 1 mm. Najbardziej typowym takim ograniczeniem są mikrokanaliki , czyli kanały o średnicy hydraulicznej poniżej 1 mm. Mikrokanałowe wymienniki ciepła mogą być wykonane z metalu lub ceramiki. [13] Mikrokanałowe wymienniki ciepła mogą być wykorzystywane do wielu zastosowań, w tym:

  • wysokowydajne lotnicze silniki turbinowe [14]
  • pompy ciepła [15]
  • Chłodzenie mikroprocesorów i mikroukładów [16]
  • klimatyzacja [17]