Wymiennik ciepła to system służący do przenoszenia ciepła między źródłem a płynem roboczym . Wymienniki ciepła znajdują zastosowanie zarówno w procesach chłodzenia, jak i ogrzewania. [1] Płyny mogą być oddzielone solidną ścianą, aby zapobiec mieszaniu się lub mogą być w bezpośrednim kontakcie. [2] Są szeroko stosowane w ogrzewaniu pomieszczeń , chłodnictwie , klimatyzacji , elektrowniach , zakładach chemicznych , zakładach petrochemicznych , rafineriach ropy naftowej , przetwarzaniu gazu ziemnego i oczyszczaniu ścieków . Klasyczny przykład wymiennika ciepła znajduje się w silniku spalinowym, w którym krążący płyn znany jako płyn chłodzący silnik przepływa przez cewki chłodnicy , a powietrze przepływa obok cewek, co chłodzi płyn chłodzący i ogrzewa dopływające powietrze . Innym przykładem jest radiator czy grzejnik, który jest pasywnym wymiennikiem ciepła, który przenosi ciepło wytwarzane przez urządzenie elektroniczne lub mechaniczne do płynnego medium, często powietrza lub płynnego chłodziwa. [3]
Układ przepływu
-
Rys. 1: Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła , jednobiegowy (przepływ równoległy 1–1)
-
Rys. 2: Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła, 2-ciągowy od strony rury (przepływ krzyżowy 1–2)
-
Rys. 3: Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła, 2-ciągowy od strony płaszcza, 2-ciągowy od strony rur (2-2 przeciwprądowe)
Istnieją trzy podstawowe klasyfikacje wymienników ciepła według ich układu przepływu. W wymiennikach ciepła o przepływie równoległym oba płyny wchodzą do wymiennika tym samym końcem i przemieszczają się równolegle do siebie na drugą stronę.
W przeciwprądowych wymiennikach ciepła płyny wpływają do wymiennika z przeciwnych stron. Konstrukcja przeciwprądowa jest najbardziej wydajna, ponieważ może przenosić najwięcej ciepła z nośnika ciepła (przenoszącego) na jednostkę masy ze względu na fakt, że średnia różnica temperatur na dowolnej długości jednostkowej jest większa. W krzyżowym wymienniku ciepła płyny przemieszczają się w wymienniku mniej więcej prostopadle do siebie.
Aby zapewnić wydajność, wymienniki ciepła są zaprojektowane tak, aby zmaksymalizować powierzchnię ściany między dwoma płynami, jednocześnie minimalizując opór przepływu płynu przez wymiennik. Na wydajność wymiennika może również wpływać dodanie żeberek lub pofałdowań w jednym lub obu kierunkach, które zwiększają powierzchnię i mogą kierować przepływem płynu lub wywoływać turbulencje.
Temperatura jazdy na powierzchni wymiany ciepła zmienia się w zależności od położenia, ale można zdefiniować odpowiednią średnią temperaturę. W większości prostych systemów jest to „ logaryta średniej różnicy temperatur ” (LMTD). Czasami bezpośrednia znajomość LMTD nie jest dostępna i stosuje się metodę NTU .
Typy
Dwururowe wymienniki ciepła to najprostsze wymienniki stosowane w przemyśle. Z jednej strony te wymienniki ciepła są tanie zarówno pod względem projektowania, jak i konserwacji, co czyni je dobrym wyborem dla małych zakładów przemysłowych. Z drugiej strony ich niska wydajność w połączeniu z dużą przestrzenią zajmowaną i znaczna waga skłoniła nowoczesny przemysł do stosowania bardziej wydajnych wymienników ciepła, takich jak płaszczowo-rurowe lub płytowe. Ponieważ jednak dwururowe wymienniki ciepła są proste, są używane do nauczania podstaw projektowania wymienników ciepła dla studentów, ponieważ podstawowe zasady dla wszystkich wymienników ciepła są takie same.
1. Dwururowy wymiennik ciepła
(a) Gdy inny płyn wpływa do pierścieniowej szczeliny między dwiema rurami, jeden płyn przepływa przez mniejszą rurę. Przepływ może być przepływem prądowym lub przepływem równoległym w dwururowym wymienniku ciepła.
(b) Przepływ równoległy, w którym w tym samym punkcie płyny gorące i zimne łączą się, płyną w tym samym kierunku i wypływają tym samym końcem.
(c) Przepływ przeciwny, gdzie na przeciwległych końcach płyny gorące i zimne łączą się, płyną w przeciwnym kierunku i wypływają na przeciwległych końcach.
Powyższy rysunek ilustruje kierunki przepływu równoległego i przeciwprądowego w wymienniku płynu. Jeśli odbywa się to w porównywalnych warunkach, więcej ciepła jest przekazywane do urządzenia przeciwprądowego niż do wymiennika ciepła z przepływem równoległym. Ze względu na dużą różnicę temperatur wynikającą z wysokiego napięcia termicznego, profile temperaturowe obu wymienników ciepła wykazują dwie istotne wady w konstrukcji z przepływem równoległym. Co wskazuje, że partnerstwo jest wyraźną wadą, jeśli projekt ma na celu zwiększenie temperatury zimnego płynu. Tam, gdzie oczekuje się, że dwa płyny zostaną doprowadzone do dokładnie tej samej temperatury, korzystna jest równoległa konfiguracja przepływu. Podczas gdy przeciwprądowy wymiennik ciepła ma bardziej znaczące zalety w porównaniu z konstrukcją z przepływem równoległym.
2. Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła
W płaszczowo-rurowym wymienniku ciepła przez wymiennik ciepła przepływają dwa płyny o różnych temperaturach. Jeden z płynów przepływa przez rurkę, a drugi na zewnątrz rurek, ale wewnątrz skorupy (strona skorupy).
Przegrody służą do podtrzymywania rur, kierowania przepływu płynu do rur w sposób zbliżony do naturalnego i maksymalizacji turbulencji płynu w otoczce. Istnieje wiele różnych rodzajów przegród, a wybór kształtu, rozstawu i geometrii przegród zależy od dopuszczalnego natężenia przepływu spadku siły bocznej płaszcza, potrzeby podparcia rury i wibracji wywołanych przepływem. Dostępnych jest kilka odmian wymienników płaszczowo-rurowych; różnice polegają na rozmieszczeniu konfiguracji przepływów i szczegółach konstrukcyjnych.
3. Płytowy wymiennik ciepła
Płytowy wymiennik ciepła zawiera pewną liczbę połączonych ze sobą cienkich płyt wymiennika ciepła. Układ uszczelek każdej pary płyt zapewnia układ dwóch oddzielnych kanałów. Każda para płytek tworzy kanał, przez który może przepływać płyn. Pary są łączone metodami spawania i skręcania. Poniżej przedstawiono elementy wymiennika ciepła.
W pojedynczych kanałach konfiguracja uszczelek umożliwia przepływ. W ten sposób umożliwia to głównemu i drugorzędnemu przepływowi mediów w przeciwprądzie. Płytowy wymiennik ciepła z uszczelką ma obszar ciepła z płyt falistych. Uszczelka pełni funkcję uszczelnienia między płytami i znajduje się między ramą a płytami dociskowymi. Płyn przepływa w przeciwprądzie przez wymiennik ciepła. Wytwarzana jest wydajna wydajność termiczna. Płyty produkowane są w różnych głębokościach, rozmiarach i kształtach falistych. Dostępne są różne typy płyt, w tym płytowe i ramowe, płytowo-płaszczowe i spiralne wymienniki ciepła. Powierzchnia dystrybucji gwarantuje dopływ płynu na całą powierzchnię wymiany ciepła. Pomaga to zapobiegać stagnacji, która może powodować gromadzenie się niepożądanego materiału na twardych powierzchniach.
4. Skraplacze i kotły.
Wymienniki ciepła wykorzystujące dwufazowy system wymiany ciepła to skraplacze, kotły i parowniki. Skraplacze to przyrządy, które pobierają i schładzają gorący gaz lub parę do punktu skraplania i przekształcają gaz w postać ciekłą. Punkt, w którym ciecz zamienia się w gaz, nazywany jest parowaniem i odwrotnie, nazywany jest kondensacją. Skraplacz powierzchniowy jest najczęściej spotykanym typem skraplacza, w którym zawiera urządzenie doprowadzające wodę. Rysunek 5 poniżej przedstawia dwuprzebiegowy skraplacz powierzchniowy.
Ciśnienie pary na wylocie z turbiny jest niskie, gdy gęstość pary jest bardzo mała, a natężenie przepływu jest bardzo wysokie. Aby zapobiec spadkowi ciśnienia w ruchu pary z turbiny do skraplacza, skraplacz jest umieszczony pod spodem i połączony z turbiną. Wewnątrz rur woda chłodząca przepływa równolegle, podczas gdy para porusza się pionowo w dół od szerokiego otworu u góry i przechodzi przez rurkę. Ponadto kotły są klasyfikowane jako początkowe zastosowanie wymienników ciepła. Słowo "generator pary" było regularnie używane do opisania jednostki kotłowej, w której źródłem ciepła jest strumień gorącej cieczy, a nie produkty spalania.
Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła
Płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła składają się z szeregu rurek zawierających płyn, który musi być podgrzany lub schłodzony. Drugi płyn przepływa przez rury, które są ogrzewane lub chłodzone, dzięki czemu może dostarczać ciepło lub absorbować wymagane ciepło. Zestaw rur nazywany jest wiązką rur i może składać się z kilku rodzajów rur: gładkich, z podłużnymi żebrami itp. Płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła są zwykle stosowane w zastosowaniach wysokociśnieniowych (przy ciśnieniach większych niż 30 barów i temperaturach wyższych niż niż 260°C). [4] Dzieje się tak, ponieważ płaszczowo-rurowe wymienniki ciepła są solidne i odporne ze względu na swój kształt.
Podczas projektowania rur w płaszczowo-rurowych wymiennikach ciepła należy wziąć pod uwagę kilka cech konstrukcji termicznej: Istnieje wiele wariantów konstrukcji płaszczowo-rurowej. Zazwyczaj końce każdej rury są połączone z komorami (czasami nazywanymi skrzyniami wodnymi) przez otwory w prześcieradłach rurowych. Rury mogą być proste lub wygięte w kształcie litery U, zwane U-rurkami.
- Średnica rury: Zastosowanie małej średnicy rury sprawia, że wymiennik ciepła jest zarówno ekonomiczny, jak i kompaktowy. Bardziej prawdopodobne jest jednak szybsze zabrudzenie wymiennika ciepła, a mały rozmiar utrudnia mechaniczne czyszczenie zabrudzeń. Aby przezwyciężyć problemy z zanieczyszczeniami i czyszczeniem, można zastosować rury o większej średnicy. Dlatego, aby określić średnicę rurki, należy wziąć pod uwagę dostępną przestrzeń, koszt i zanieczyszczający charakter płynów.
- Grubość rury: Grubość ścianki rury jest zwykle określana w celu zapewnienia:
- Że jest wystarczająco dużo miejsca na korozję
- Że wibracje wywołane przepływem mają opór
- Wytrzymałość osiowa
- Dostępność części zamiennych
- Wytrzymałość obręczy (aby wytrzymać wewnętrzne ciśnienie rury)
- Wytrzymałość na wyboczenie (aby wytrzymać nadciśnienie w powłoce)
- Długość rury: wymienniki ciepła są zwykle tańsze, gdy mają mniejszą średnicę płaszcza i długą rurę. Tak więc zazwyczaj dąży się do tego, aby wymiennik ciepła był tak długi, jak to fizycznie możliwe, nie przekraczając przy tym możliwości produkcyjnych. Istnieje jednak wiele ograniczeń, w tym dostępna przestrzeń w miejscu instalacji i konieczność zapewnienia rur o długości dwukrotnie większej niż wymagana (aby można je było wyjąć i wymienić). Ponadto długie, cienkie rurki są trudne do wyjęcia i wymiany.
- Rozstaw rur: przy projektowaniu rur praktyczne jest upewnienie się, że rozstaw rur (tj. odległość między środkami sąsiednich rur) jest nie mniejszy niż 1,25 średnicy zewnętrznej rur. Większy skok rur prowadzi do większej całkowitej średnicy płaszcza, co prowadzi do droższego wymiennika ciepła.
- Pofałdowanie rur: ten typ rurek, zwiększa turbulencje płynów, a efekt jest bardzo ważny w przenoszeniu ciepła, zapewniając lepszą wydajność.
- Układ rur: odnosi się do sposobu umieszczenia rur w skorupie. Istnieją cztery główne typy układu rur, które są trójkątne (30°), obrócone trójkątne (60°), kwadratowe (90°) i obrócone kwadratowe (45°). Trójkątne wzory są stosowane, aby zapewnić większy transfer ciepła, ponieważ wymuszają przepływ płynu w bardziej turbulentny sposób wokół rurociągów. Kwadratowe wzory są stosowane tam, gdzie występuje duże zanieczyszczenie, a czyszczenie jest bardziej regularne.
- Konstrukcja przegrody: przegrody stosowane są w płaszczowo-rurowych wymiennikach ciepła do kierowania płynu przez wiązkę rur. Biegną prostopadle do płaszcza i utrzymują wiązkę, zapobiegając zwisaniu rur na dużej długości. Mogą również zapobiegać wibracjom rur. Najpopularniejszym typem przegrody jest przegroda segmentowa. Półkoliste segmentowe przegrody są ustawione pod kątem 180 stopni w stosunku do sąsiednich przegród, zmuszając płyn do przepływu w górę i w dół pomiędzy wiązką rur. Rozstaw przegród ma duże znaczenie termodynamiczne przy projektowaniu płaszczowo-rurowych wymienników ciepła. Przegrody muszą być rozmieszczone z uwzględnieniem konwersji spadku ciśnienia i wymiany ciepła. W celu optymalizacji termoekonomicznej zaleca się rozstawienie przegród nie bliżej niż 20% wewnętrznej średnicy płaszcza. Zbyt ciasne rozstawienie przegród powoduje większy spadek ciśnienia z powodu przekierowania przepływu. W konsekwencji zbyt duże rozstawienie przegród oznacza, że w rogach pomiędzy przegrodami mogą znajdować się chłodniejsze miejsca. Ważne jest również, aby przegrody były rozmieszczone wystarczająco blisko, aby rury nie zwisały. Innym głównym typem przegród jest przegroda dyskowa i pierścieniowa, która składa się z dwóch koncentrycznych przegród. Zewnętrzna, szersza przegroda wygląda jak pączek, podczas gdy wewnętrzna przegroda ma kształt dysku. Ten typ przegrody zmusza płyn do przejścia wokół każdej strony dysku, a następnie przez przegrodę pierścieniową, generując inny rodzaj przepływu płynu. Ważne jest również, aby przegrody były rozmieszczone wystarczająco blisko, aby rury nie zwisały. Innym głównym typem przegród jest przegroda dyskowa i pierścieniowa, która składa się z dwóch koncentrycznych przegród. Zewnętrzna, szersza przegroda wygląda jak pączek, podczas gdy wewnętrzna przegroda ma kształt dysku. Ten typ przegrody zmusza płyn do przejścia wokół każdej strony dysku, a następnie przez przegrodę pierścieniową, generując inny rodzaj przepływu płynu. Ważne jest również, aby przegrody były rozmieszczone wystarczająco blisko, aby rury nie zwisały. Innym głównym typem przegród jest przegroda dyskowa i pierścieniowa, która składa się z dwóch koncentrycznych przegród. Zewnętrzna, szersza przegroda wygląda jak pączek, podczas gdy wewnętrzna przegroda ma kształt dysku. Ten typ przegrody zmusza płyn do przejścia wokół każdej strony dysku, a następnie przez przegrodę pierścieniową, generując inny rodzaj przepływu płynu.
Chłodzone cieczą wymienniki ciepła z rurami stałymi, szczególnie odpowiednie do zastosowań morskich i trudnych, można montować z mosiężnymi płaszczami, rurami miedzianymi, mosiężnymi przegrodami i integralnymi piastami końcowymi z kutego mosiądzu.
