Cum funcționează schimbătoarele de căldură?

Schimbătoare de căldură

Un schimbător de căldură este un echipament în care căldura este transferată continuu de la un mediu la altul. Se disting două tipuri principale de schimbătoare de căldură.

• Într-un schimbător de căldură direct, cele două medii sunt în contact direct unul cu celălalt. Se presupune că cele două medii nu se amestecă. Un exemplu de acest tip de schimbător de căldură este turnul de răcire, în care apa este răcită prin contact direct cu aerul.
• Într-un schimbător de căldură indirect, cele două medii sunt separate de o suprafață prin care este transferată căldura.

Tipuri de schimbătoare de căldură

În acest articol ne vom ocupa doar de schimbătoarele de căldură indirecte, adică cele în care mediile nu se amestecă, iar schimbul de căldură are loc printr-o suprafață de transfer de căldură. Există mai multe tipuri principale de schimbătoare de căldură indirecte, cum ar fi cu plăci, tubulare sau în spirală. Dintre acestea, schimbătorul de căldură cu plăci are cea mai mare eficiență.

Cum funcționează?

Designul schimbătorului de căldură cu plăci cu garnitură

Într-un schimbător de căldură cu plăci, suprafața de transfer de căldură constă dintr-un pachet de plăci metalice. Acestea pot fi realizate din materiale diferite în funcție de mediul care urmează să fie încălzit sau răcit. Plăcile cu garnitură sunt plasate între două plăci de cadru groase, care sunt presate împreună cu șuruburi de strângere.

Principiul de funcționare

Într-un schimbător de căldură cu plăci cu garnitură, fluidele curg în canale formate din plăci și garnituri de cauciuc. Există orificii de intrare/ieșire la colțurile plăcilor prin care două fluide diferite, unul rece și unul cald, pot curge în fiecare canal. Mediile sunt ghidate de etanșări între plăci. Căldura trece prin pereții fiecărei plăci și are loc schimbul de căldură între cele două medii.

Proiectarea schimbătorului de căldură cu plăci

Pentru a dimensiona corect un schimbător de căldură cu plăci, trebuie să cunoașteți o serie de parametri.
Aceștia pot fi baza pentru a determina date suplimentare. Cei mai importanți parametri pentru proiectare sunt enumerați mai jos:

• Căldura transferată (performanță termică)
• Temperatura de intrare și de ieșire pe partea primară și secundară a schimbătorului de căldură.
• Căderea de presiune maximă acceptabilă pe partea primară și secundară a schimbătorului de căldură.
• Temperatura maximă de funcționare.
• Presiunea maximă de lucru.

Pentru o selectare ușoară a schimbătorului de căldură, faceți clic aici.

Teoria transferului de căldură

Legile fizicii permit energiei să curgă în interiorul unui sistem până când se ajunge la o stare de echilibru. Dacă două corpuri sau medii au temperaturi diferite, căldura este transferată de la corpul sau mediul cu temperatură mai mare către corpul sau mediul cu temperatură mai scăzută.

Schimbătorul de căldură funcționează pe principiul echilibrului de temperatură menționat mai sus. Într-un schimbător de căldură cu plăci, căldura trece ușor printr-un perete subțire care separă părțile calde de cele reci. Teoria transferului de căldură între două medii/fluide se bazează pe următoarele câteva reguli:

• Căldura este întotdeauna transferată de la mediu cald la mediu rece.
• Trebuie să existe o diferență de temperatură între cele două medii.
• Cantitatea de căldură pierdută de mediul mai cald este egală cu cantitatea de căldură absorbită de mediul mai rece, dacă pierderea de căldură către mediul înconjurător este neglijată.

Transferul de căldură este posibil în trei moduri:

Radiația - energia este transferată prin unde electromagnetice. Un exemplu în acest sens este modul în care razele soarelui încălzesc Pământul.

Conducție - energia este transferată între solide sau lichide statice prin mișcare atomică și moleculară.

Fluxul - energia este transferată prin mișcarea sau amestecarea unor cantități mici de fluide la diferite temperaturi.

• Curgerea naturală - mișcarea unui fluid depinde în întregime de diferența de densitate, iar diferențele de temperatură sunt egalizate.
• Flux forțat - mișcarea mediului depinde parțial sau în întregime de influențele externe. De exemplu, cum ar fi o pompă care mișcă fluidul.

Debitul în schimbătorul de căldură

Când fluidul se deplasează într-un canal închis, cum ar fi o conductă, sau între două plăci, sunt posibile două tipuri de curgere, în funcție de viteză: laminară sau turbulentă.

Curgere Laminara

Curgerea laminara apare atunci când particulele de fluid se deplasează de-a lungul diferitelor contururi paralele printr-un tub circular. Ele sunt caracterizate printr-un profil de viteză parabolic cu viteză maximă în centru și viteză aproape de zero la margini.Curgerea laminara este caracterizata în principal prin transfer de căldură conductiv.

Curgere turbulenta

Curegrea turbulenta are loc atunci când fluxul unui fluid nu este regulat, ci aleatoriu și turbulent, deci are loc amestecarea. Dacă într-un tub are loc un flux turbulent, profilul de viteză nu este parabolic, ci aproape constant. Din punct de vedere al transferului de căldură, acesta este un flux de căldură. Cu toate acestea, chiar și în cazul curgerii turbulente a fluidului, va exista în continuare un strat subțire la perete, curgând laminar.

Conexiune în contracurent și curent continuu

Curba superioară arată modificarea temperaturii fluidului cald care curge prin schimbătorul de căldură, iar curba inferioară arată modificarea temperaturii fluidului rece. Graficul de sus arată soluția în contracurent, iar graficul de jos soluția de curent continuu. În caz de contracurent, cele două fluide intră în schimbătorul de căldură pe părți opuse, în timp ce în cazul fluxului direct intră pe aceeași parte.

Conexiune în contracurent

Conexiune echicurenta

T1in = temperatura de intrare - partea caldă

T1out = temperatura de ieșire - partea caldă

T2in = temperatura de intrare - partea rece

T2out = temperatura de ieșire - partea rece

Ce conexiune ar trebui folosită și de ce?

Pentru schimbătoarele de căldură cu plăci, conexiunea în contracurent este cea mai comună. Cu acest tip de conexiune, temperaturile de intrare și de ieșire pot fi depășite și se poate obține o temperatură de acces mai ridicată. Conexiunea echicurenta este utilizată atunci când temperaturile prea ridicate sau scăzute ale peretelui plăcii ar deteriora fluidele care sunt sensibile la cald sau rece.

Ecuația de echilibru termic

Când două corpuri sau medii au temperaturi diferite, căldura este transferată de la corpul sau mediu cu temperatură mai înaltă la corpul sau mediu cu temperatură inferioară. După cum se poate observa din cele ce urmează, căldura degajată de un lichid cald este aceeași cu căldura absorbită de un lichid rece. Deoarece pierderile de căldură în mediul înconjurător datorate radiațiilor termice sunt neglijabile, este evident că Q1 = Q2.

Definiție

Q = performanță termică, W

m = debit, kg/s

Cp = coeficientul de căldură specifică, J/kg.K

Debit

Debitul poate fi exprimat în două unități diferite, masă sau volum. Dacă se utilizează masa, debitul se exprimă în kg/s sau kg/h, iar dacă se utilizează volumul, debitul se exprimă în m3/h sau l/min. Când convertiți unitățile de volum în unități de masă, debitul volumetric este înmulțit cu densitatea.

Coeficientul de căldură specifică

Coeficientul de căldură specifică (cp) este cantitatea de energie necesară pentru a crește temperatura a 1 kg de material cu 1 °C.

Coeficientul de căldură specifică a apei la 20 °C este de 4.182 kJ/kg °C sau 1,0 kcal/kg °C.

Căldura eliberată de mediul cald: Q1=m1*Cp1*(T1 In-T1 Out)

Căldura absorbită de mediu rece: Q2=m2*Cp2*(T2 Out -T2 In)

Pierderea de căldură este neglijabilă Q1= Q2

Ecuația transferului de căldură

Definiție

Q = performanță termică, W

k = coeficient k, coeficient de transfer termic, W/m² °C

A = Suprafața de schimb termic, m²

LMTD = diferența medie de temperatură logaritmică

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

Coeficient de transfer termic

Coeficientul de transfer termic (k) exprimă rezistența la transferul de căldură, care este determinată de rezistența materialului plăcii, tipul de contaminare, natura fluidelor și tipul de schimbător de căldură utilizat.

Figura de mai jos arată profilul temperaturii într-un punct dat de pe peretele plăcii. Curbele punctate (dreptunghi gri) de pe ambele părți ale peretelui plăcii arată limitele unui flux laminar subțire (transfer de căldură prin conducție), fluidul mișcându-se în întregime prin curgere turbulentă (transfer de căldură prin curgere).

Definiția coeficientului de transfer termic este următoarea::

α1 = coeficientul de transfer termic între mediul cald și suprafața de schimb de căldură (W/m2 °C)

α2 = coeficientul de transfer termic între mediul rece și suprafața de schimb de căldură (W/m2 °C)

δ = grosimea peretelui (m)

λ = conductivitatea termică a peretelui (W/m °C)

Diferența medie de temperatură logaritmică

Diferența medie de temperatură logaritmică (LMTD) este forța motrice pentru transferul de căldură într-un schimbător de căldură. Este media logaritmică a diferenței de temperatură dintre părțile calde și reci ale intrării și ieșirii schimbătorului de căldură.

Definiția diferenței medii de temperatură logaritmică (LMTD) este diferită pentru conexiunile în contracurent și curent continuu:

Conexiune în contracurent

Conexiune echicurenta

NTU (Număr de Unități de Transfer)

Un termen util este valoarea NTU folosită la Alfa Laval, cunoscută și sub numele de valoarea theta - θ. Este cantitatea de unități transferate, care exprimă cât de intens este transferul de căldură. Uneori, această valoare este numită și lungimea termică. Cu cât este mai mică valoarea LMTD și cu atât este mai mare diferența de temperatură între intrare și ieșire pe o parte, cu atât este mai mare valoarea NTU sau valoarea theta. Valoarea NTU poate fi calculată atât pentru partea rece, cât și pentru cea caldă, după cum urmează:

Partea caldă

Partea rece

Theta scăzut (diferență mică între temperaturile de intrare și de ieșire, LMTD ridicat)

Theta ridicat (diferență mare între temperaturile de intrare și de ieșire, LMTD scăzut)

Lungime termică

Lungimea termică descrie cât de solicitată este aplicația prin temperatură. Lungimea termică poate fi descrisă în două moduri, așa cum am menționat mai devreme:

• Numărul de unități de transmisie (NTU) - metoda matematică
• Theta - termen general

Un mod theta mai mare este, în general, mai dificil de adaptat decât un mod theta mai scăzut. Nu există nicio valoare NTU sau theta „corectă” sau „greșită”; totul depinde de transferul de căldură specific realizat conform cerințelor aplicației.

Plăci

Avem două tipuri diferite de plăci - theta scăzut și ridicat. Plăcile cu teta scăzut au un unghi mai mic, sunt mai scurte și au șanțuri mai adânci.

A. Caneluri de adâncime inferioară
B. Placă mai lungă
C. Unghi mai mare în herringbone

A. Caneluri mai adânci
B. Placă mai scurtă
C. Unghi mai mic în herringbone

Canale

Intervalul dintre două plăci se numește canal. Canalele au o valoare theta scăzută, medie sau mare. Depinde de combinația de plăci teta scăzute și ridicate care creează canalul.

Pierdere de presiune

Pierderea de presiune (Δp) este direct legată de dimensiunea schimbătorului de căldură și invers. Dacă este posibilă creșterea căderii de presiune admisibile și a costurilor de pompare, schimbătorul de căldură va fi mai mic și mai ieftin.

Ecuația căderii de presiune este definită după cum urmează:

ΔP = cădere de presiune (Pa)

G = debit masic sau debit (kg/m2s)

ρ = densitate (kg/m3)

Dh = diametru hidraulic mediu (m)

L = lungime (m)

f = factor de frecare

n = efecte finale

Tensiunea de forfecare

Tensiunea de forfecare este forța curgerii de-a lungul peretelui schimbătorului de căldură cu plăci, care este măsura turbulenței în schimbătorul de căldură. Tensiunea de forfecare este cunoscută și sub numele de valoarea Tao (τ).

Tensiunea de forfecare ar trebui luată în considerare numai dacă fluidul sau fluidele utilizate tind să provoace înfundare.

Definiția efortului de forfecare:

τw = efort de forfecare a peretelui, N/m2 (Pa)

f = factor de frecare

ρ = densitatea fluidului, kg/m3

V = viteza curgerii, m/s

L = lungimea canalului, m

ΔP = cădere de presiune, kPa

Dh = diametru hidraulic, m (2 × adâncimea canelurii plăcilor schimbătoarelor de căldură)