Cum funcționează un schimbător de căldură?

Folosite pentru a transfera căldură între un fluid (fie lichid sau ca gaz) și un alt fluid (alt lichid sau gaz) fără a permite celor două fluide să intre în contact direct unul cu celălalt, schimbătoarele de căldură sunt utilizate atât în ​​procesele de încălzire, cât și în cele de răcire.

Schimbatoare de caldurasunt utilizate într-o gamă largă de aplicații, inclusiv aer condiționat, fabrici chimice, fabrici petrochimice, rafinării de petrol, centrale electrice, procesare gaze naturale, refrigerare, tratare a apelor uzate și încălzire a spațiului. De asemenea, pot fi găsite în motoarele cu ardere internă, unde permit lichidului de răcire al motorului să curgă prin bobinele radiatorului pe măsură ce aerul trece pe lângă ele, răcind lichidul de răcire în timp ce încălzește aerul.

Un schimbător de căldură funcționează permițând căldurii dintr-un fluid să treacă pe altul, mai rece, fără ca acestea să se amestece sau să intre în contact direct.

De exemplu, imaginați-vă o țeavă cu o altă țeavă în jurul ei. Conducta interioară ar putea permite unui fluid fierbinte să treacă prin ea, în timp ce un fluid rece este trecut simultan prin conducta exterioară. Acest lucru ar permite fluidului mai rece să reducă temperatura celui mai cald, deoarece fluidul mai cald crește simultan căldura celui mai rece. Desigur, acesta este un exemplu foarte simplu de schimb de căldură și există o serie de alți factori de luat în considerare atunci când investigați schimbătoarele de căldură:

1. Treci

Prin curbarea țevilor, de exemplu într-o formă de „S”, puteți permite fluidelor să facă mai mult de o „trecere” înainte de a părăsi schimbătorul de căldură. O singură trecere este o conductă dreaptă, unde fluidul intră la un capăt și iese la celălalt capăt al schimbătorului de căldură destul de repede. O trecere dublă folosește o formă de U-, astfel încât fluidul să intre și să iasă din schimbătorul de căldură la același capăt, prelungind timpul în care fluidele trec una-în schimbătorul de căldură. O trecere triplă folosește o formațiune în formă de „S” care permite fluidului să se deplaseze pe lungimea schimbătorului de căldură de trei ori înainte de a ieși. Cu cât este mai mare numărul de treceri, cu atât este mai mare cantitatea de transfer de căldură disponibilă - pur și simplu pentru că fluidele sunt împreună în sistem mai mult timp - deși acest lucru poate duce, de asemenea, la scăderi de presiune și la o pierdere de viteză.

2. Depăşirea temperaturii-

Încrucișarea-de temperatură are loc atunci când căldura fluidului de răcire începe să se depășească cu temperatura fluidului fierbinte din schimbătorul de căldură. De exemplu, uleiul care intră într-un schimbător de căldură la 80⁰C alături de apă la o temperatură de 30⁰C, ar putea vedea temperaturile lor traversând-dacă uleiul scade la 50⁰C pe măsură ce apa ajunge la 51⁰C. În acest moment, fluidul rece (apa) a devenit mai fierbinte decât uleiul. Încrucișarea-de temperatură poate reduce semnificativ eficiența unui schimbător de căldură, în special la răcire. Acest lucru poate fi evitat prin creșterea debitului lichidului de răcire (consultați „Debitul” de mai jos), astfel încât să existe mai mult lichid de răcire în sistem. Acolo unde trecerea-de temperatură este inevitabil, cea mai bună soluție este utilizarea unui schimbător de căldură cu plăci (consultați „Tipuri de schimbător de căldură, mai jos).

3. Diferența de temperatură

Aceasta se referă la diferența de temperatură dintre lichidul de răcire și fluidul fierbinte, care este importantă într-un schimbător de căldură, așa cum se arată prin „încrucișarea-de temperatură” (mai sus). Lichidul de răcire ar trebui să fie menținut la o temperatură mai scăzută decât lichidul fierbinte și, cu cât lichidul de răcire este mai rece, cu atât va fi mai eficient în eliminarea căldurii din fluidul fierbinte.

4. Debitul

Aceasta este cantitatea de fluid care trece printr-o secțiune transversală-a unei conducte într-o anumită perioadă de timp. Se calculează ca volumul de fluid pe timpul în care fluidul a trecut - cu un debit mai mare care poate crește capacitatea schimbătorului de căldură de a transfera căldură. Cu toate acestea, mai mult fluid înseamnă și o masă mai mare de transportat, precum și creșterea pierderii de presiune și a vitezei.

Schimbătoarele de căldură pot fi clasificate în funcție de aranjamentul fluxului sau după proiectarea schimbătorului de căldură în sine.

Cele trei clasificări principale ale aranjamentelor de curgere găsite în schimbătoarele de căldură sunt curgerea-paralelă, curgerea inversă și curgerea-încrucișată:

• Flux paralel:Cele două fluide intră la același capăt al schimbătorului de căldură și călătoresc în paralel înainte de a ieși împreună
• Contraflux:Fluidele intră pe părțile opuse ale schimbătorului de căldură și călătoresc prin sistem în direcții opuse. Acesta este cel mai eficient mod de curgere, deoarece diferența medie de temperatură între fluide rămâne mai mare în întregul sistem
• Flux-încrucișat:În această formă de schimbător de căldură, fluidele se deplasează perpendicular (în unghi drept) unul față de celălalt

Pe lângă aranjamentul debitului, schimbătoarele de căldură pot fi clasificate după tip, în funcție de designul fizic al schimbătorului de căldură:

• Tub dublu:Acesta este cel mai simplu tip de schimbător de căldură utilizat de industrie. După cum sugerează și numele, acestea constau din două tuburi prin care fluidele pot curge. Configurația debitului poate fi paralelă sau în contracurent, contracurent fiind mai eficient, în timp ce curgerea paralelă este mai bună dacă cele două fluide trebuie aduse la aceeași temperatură. Aceste schimbătoare de căldură sunt ușor și ieftin de proiectat și întreținut, dar au un nivel relativ scăzut de eficiență în comparație cu alte modele
• Shell și tub:Schimbătoarele de căldură cu carcasă și tuburi folosesc un set de tuburi metalice prin care curge un fluid, înconjurate de o carcasă etanșă prin care curge al doilea fluid. Acest tip de schimbător de căldură funcționează cu toate tipurile de flux – paralel, contra și încrucișat- și poate fi găsit în locomotivele cu abur. Deflectoarele sunt folosite pentru a direcționa fluxul de fluid, pentru a induce vibrații în fluid și pentru a susține tuburile, în timp ce aripioarele pot fi utilizate și cu tehnologii de răcire cu aer-(cum ar fi răcitoarele inter-motoare cu ardere) pentru a crește zona de transfer de căldură
• Placă/Aripa:Acest tip de schimbător de căldură folosește stive de plăci subțiri de metal care sunt ținute depărtate de aripioare pentru a forma niveluri, la fel ca podelele unei clădiri. Cu toate acestea, fiecare dintre aceste „pardoseli” este autonomă-și separată de cea de deasupra sau de dedesubt, creând o serie de tuburi sigilate prin care fluidele pot curge. Acest lucru creează o suprafață mare care este capabilă să facă schimb de căldură rapid, garantând în același timp fluxul de fluid pe întreaga suprafață de transfer de căldură, prevenind stagnarea și acumularea fluidului. Plăcile pot fi create în diferite dimensiuni, adâncimi și forme, inclusiv plăci ondulate, placă și cadru, placă și înveliș sau plăci spiralate. O turbulență mare de curgere între plăci creează un transfer de căldură mai mare și o scădere a presiunii. Acest tip de schimbător de căldură este utilizat în aplicații precum cuptoare cu gaz și cazane.
• Răcit cu aer:Acest tip de schimbător de căldură se găsește în mod obișnuit în vehicule și în alte aplicații în mișcare unde apa rece nu este disponibilă. În loc de două lichide, sistemele răcite cu aer folosesc aer rece de la un ventilator sau un flux de aer cauzat de mișcarea vehiculului însuși.
• Condensatoare, Cazane si Evaporatoare:Acest tip de schimb de căldură merită o mențiune specială deoarece funcționează într-o manieră puțin diferită de cele deja descrise. În loc să introducă două fluide (cald și rece), acestea folosesc răcirea și condensarea unui gaz fierbinte în formă lichidă (și invers) pentru a crea un ciclu de transfer de căldură. Acesta este procesul folosit de turbinele cu abur și generatoarele de abur, care utilizează ciclul de vaporizare a apei în abur și răcirea ulterioară a acesteia înapoi într-un lichid.
• Recuperatori:Un recuperator este un schimbător de căldură conceput pentru a capta căldura care altfel ar fi pierdută, cum ar fi căldura evacuată dintr-o clădire. Aerul cald este direcționat afară printr-un canal alături de un canal separat, de intrare de fluid rece, pentru a crea un contra-flux. Acesta este modul în care funcționează un sistem de ventilație cu recuperare de căldură-, permițând unei clădiri să fie ventilată cu aer proaspăt fără a-și pierde toată căldura din aerul cald care iese.
• Regeneratoare:Acest tip de schimbător de căldură permite atât fluidelor de intrare, cât și de ieșire să se deplaseze prin același canal în direcții opuse în momente diferite. Pe măsură ce fluidul cald curge afară, își renunță o parte din căldură, apoi, pe măsură ce fluidul rece curge înăuntru, preia o parte din căldura reziduală care a rămas acolo. Acest tip de schimb de căldură este utilizat într-un motor Stirling, care folosește un piston pentru a împinge gazul prins înainte și înapoi între o sursă de căldură (cum ar fi un foc) și o zonă mai rece, sau „chiuvetă”, unde se pierde căldura. Acest tip de schimbător de căldură reduce pierderile de căldură într-un sistem prin „regenerarea” căldurii.

Schimbătoarele de căldură sunt utilizate pentru o gamă largă de aplicații atât în ​​uzurile industriale, cât și în cele de zi cu zi.

În timp ce schimbătoarele de căldură vin într-o gamă de modele și sisteme de flux diferite, toate funcționează într-un mod similar; permițând contactul termic între un fluid mai fierbinte și unul mai rece (fără a se amesteca efectiv), astfel încât cele două fluide să se încălzească sau să se răcească unul-în mod corespunzător.

Acest lucru îmbunătățește eficiența vehiculelor și a altor unități, precum și economisirea costurilor și reducerea consumului de energie (și orice impact asociat asupra mediului).

Ajungeți la planuri HX

Scenariile dvs. de aplicare a schimbătorului de căldură (cum ar fi prelucrarea alimentelor, industria petrochimică, puterea de răcire) și caracteristicile medii (coroziune/vâscozitate/temperatură) variază, astfel încât planul de specificații va fi, de asemenea, adaptat exclusiv-vă rugăm să ne comunicați nevoile dvs. și vă vom oferi parametri și cotații țintite.

E-mail:global@gneesteels.com