[ Zamknij ]

Nowe zasady dotyczące cookies
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów na stronie Polityka Prywatności.


rejestracja



Wymienniki ciepła - opis poszczególnych rodzajów

Opublikowano: 04.08.2009
image

1. Wprowadzenie

Wymiennikami ciepła są nazywane urządzenia do wymiany ciepła między płynami o różnych temperaturach. Wymiana ciepła od gorącego płynu do ścianki albo powierzchni rurki jest dokonana przez konwekcję; przez ścianę rurki albo płytę przez przewodzenie i dalej przez konwekcję do zimnego płynu.  Wymienniki ciepła występują w różnych dziedzinach techniki i często noszą nazwy określające ich przeznaczenie, np: chłodnice, skraplacze, wytwornice pary (kotły parowe), podgrzewacze, przegrzewacze, parowniki itp.

W wymiennikach ciepła może występować zarówno ustalona, jak i nieustalona wymiana ciepła. Ustalona wymiana ciepła może występować tylko w wymiennikach o działaniu ciągłym. Wymienniki ciepła o działaniu nieciągłym mogą realizować proces wymiany ciepła jednorazowo lub działać okresowo. W nich występują tylko nieustalone pola temperatury.
W zależności od liczby płynów biorących udział w wymianie ciepła rozróżnia się wymienniki ciepła dwu- lub więcej czynnikowe.

Ze względu na zasadę działania można wymienniki ciepła podzielić na:

  • przeponowe wymienniki ciepła, czyli rekuperatory,
  • wymienniki ciepła z wypełnieniem, czyli regeneratory
  • wymienniki ciepła o działaniu bezpośrednim, czyli mieszalniki

W najprostszym przypadku rekuperatory mają po jednej drodze przepływu dla każdego czynnika i są dwuczynnikowe. Wymiana ciepła zależy od rozkładu temperatury płynów wzdłuż powierzchni przenikania ciepła. Najprostszym przypadkiem jest jest równoległy przepływ płynów charakterystyczny dla tzw. „wymienników równoległo- prądowych”  które to można podzielić na:

  • współprądowe, w których kierunek przepływu obu czynników jest zgodny
  • przeciwprądowe, kierunek przepływu jest przeciwny.

Indeks 1 przyjmuje się dla płynu oddającego ciepło a indeks 2 – dla płynu ogrzewanego.


Rozkład temperatur w wymiennikach ciepła (przeciw- i współprądowym)

Moc cieplną wymienników ciepła określają:

  • równanie Pecleta:


  • bilans energii po stronie płynów:


gdzie:
Wi = Gi cpi- jest pojemnością cieplną strumienia płynu



- spadek temperatury czynnika

- przyrost temperatury czynnika



W przypadku przemian fazowych właściwa pojemność cieplna (ciepło właściwe) jest nieskończenie duże co powoduje, że Wi =>∞ oraz ti = 0. Wtedy bilans energii sporządza się dla zmian entalpii:



Bilans energii można zapisywać również dla wymiennika gdzie występują straty ciepła do otoczenia, ale należy zwiększyć W2 (jeżeli straty ciepła do otoczenia ma czynnik 2) lub też zmniejszyć W1 ( jeśli czynnik 1 traci energię do otoczenia)

W1’ = W1 (1 – a)

lub

W2 ‘= W2 (1+a)

gdzie:
a = Qot/Quż
Quż - strumień ciepła pobierany albo tracony przez czynnik który nie traci ciepła do otoczenia

Różnica pomiędzy temperaturami czynników wzdłuż drogi przepływu dla Wi = idem oraz k = idem zmienia się zgodnie ze wzorem:




                        
gdzie dla współprądu jest znak plus oraz:
 

a dla przeciwprądu jest znak minus oraz:



Temperatura t1d jest związana umownie z początkiem wymiennika tj dla x = 0
Oznaczając:
- dla współprądu




- dla przeciwprądu





można dla całego wymiennika napisać:



Średnia różnica temperatur czynników w wymienniku wynosi:


a średnia logarytmiczna różnica temperatury:


Jeżeli spełniony jest warunek:

to bez popełnienia większego błędu można stosować średnią arytmetyczną różnicę temperatury.


Wymienniki płaszczowo-rurowe

W wymiennikach płaszczowo-rurowych następuje wymiana ciepła pomiędzy dwoma mediami wg ogólnej zasady:

medium o większym współczynniku wymiany ciepła i/lub większym zanieczyszczeniu ( głównie woda) przepływa przez rurki ( z A do B ) "czystsze" medium, które zwykle ma mniejszy współczynnik wymiany ciepła, np. oleje, czynniki chłodnicze ( freony) czy też para - przepływa na zewnatrz rurek, w przeciwprądzie ( z C do D ).

Liczba przegród oraz ich rozmieszczenie wynika z konstrukcji wymiennika oraz warunków pracy i jest odpowiednio dobrana do zadanych parametrów procesowych.


Wymienniki krzyżowo- prądowe

Przypadek ten ma miejsce, gdy kierunki przepływu czynników są do siebie prostopadłe. W tak zwanym "czystym" prądzie krzyżowym zakłada się, że strugi płynu wewnątrz wymiennika nie mieszają się - mieszanie i uśrednienie temperatur płynów następuje dopiero na wypływie. Analizę takiego wymiennika przeprowadził Nusselt, który podał najpierw przybliżone, a potem ścisłe rozwiązanie matematyczne.




Bezwymiarowa analiza rekuperatorów – metoda ф P R
Metoda ta polega na określeniu charakterystyki wymiennika w postaci zależności:
                                                 ф= PR
gdzie zdefiniowano:



wielkość ta definiowana przez stosunek różnic temperatur, jest wyrażana jako stosunek pojemności cieplnych;

Bezwymiarowy czynnik zawierający powierzchnię wymiany ciepła:



Po pewnych przekształceniach można zapisać:


- dla współprądu:
 




- dla przeciwprądu:
 







Rekuperatory o złożonym przepływie czynników

Pojęcie rekuperatory o złożonym przepływie czynników określa takie wymienni¬ki ciepła, w których nie występuje czysty współprąd, przeciwprąd lub prąd krzyżo¬wy. Układ przepływowy jest tak skonstruowany, że wystąpią wielokrotne kombinacje wymienionych przypadków, tak że całość można rozłożyć na zestaw elementów podstawowych. Przykładem takiego rekuperatora jest konstrukcja pokazana na rysunku. W zależności od kierunku przepływu czynnika 2 można ją traktować jako zestaw krzyżowo-współprądowy lub krzyżowo-przeciwprądowy. Stosownie do tego, znając  ф1 i ф2 dla obu części, można obliczyć ф dla całego wymiennika. W praktycznych rozwiązaniach spotyka się konstrukcje jeszcze bardziej złożone.
 
Dla rekuperatorów złożonych stosuje się powszechnie metodę opracowaną przez Bosmana. Przyjmuje się, że średnia różnica temperatury w rekuperatorze złożonym jest równa Δtmp przeciwprądu, pomnożonej przez poprawkę εΔt zależną od konstrukcji wymiennika:

                                     tm z = Δtm p · εΔt

Dla wielu typów wymienników podano wykresy tej poprawki w funkcji parametrów P i R.

Przykładowy wykres dla rekuperatora:





Przykładowe wykresy spotykane w literaturze anglojęzycznej.



Metoda efektywności cieplnej (c, NTU)
Efektywność cieplna c wymiennika jest definiowana jako stosunek dwóch mocy cieplnych:



Maksymalna możliwa wielkość Qmax jest w rekuperatorze ograniczona różnicą temperatury czynników na dolocie, czyli przez Δtmax = t1d -t2d . Jak wiadomo, taki może być przyrost temperatury czynnika o mniejszej pojemności cieplnej w rekuperatorze przeciwprądowym:




gdzie Wmin oznacza mniejszą wartość z pojemności cieplnych W1 i W2. Rzeczywista moc cieplna wyniesie zatem:

 Q = ε• Qmax = ε ·Wmin ·Δtmax

 Zależnie od tego, która pojemność cieplna jest większa, otrzymuje się:

dla:      W1 < W2, czyli Wmin=W1,     W2 = WMAX oraz R>1 jest:


jest to równoważne ф



dla:    W1 > W2, czyli Wmin=W2,     W1 = WMAX oraz R<1 jest:

jest to równoważne P




Obie ostatnie zależności można zapisać dla rekupera¬tora współprądowego w jednolitej formie:



W odróżnieniu od poprzedniej analizy korzysta się tutaj (zamiast R) ze stosunku C = Wmin/Wmax , który mieści się w zakresie (O do 1). Ponadto miarą powierzchni wymiany ciepła jest wyrażenie:

odpowiednik parametru S





NTU można tłumaczyć jako liczbę jednostek przepływu ciepła.

Przykładowy wykres efektywności cieplnej wymiennika ciepła:

Księgarnia

Katalog firm

  • Alfa Laval Polska Sp.z o.o.

    Alfa Laval na rynku polskim działa od ponad 80 lat. Pierwsze biuro zostało za…
    Alfa Laval Polska Sp.z o.o.
  • Falkopia

    Falkopia jesteśmy prywatnym przedsiębiorstwem, które od początku dział…
    Falkopia
  • Vents Group Sp. z o.o.

      VENTS GROUP Sp. z o.o Firma istnieje na rynku polskim od 199…
    Vents Group Sp. z o.o.

Produkty