Как работает теплообменник?

Теплообменники, используемые для передачи тепла между одной жидкостью (жидкостью или газом) и другой жидкостью (другой жидкостью или газом), не допуская прямого контакта двух жидкостей друг с другом, используются как в процессах нагрева, так и в процессах охлаждения.

Теплообменникииспользуются в различных приложениях, включая кондиционирование воздуха, химические заводы, нефтехимические заводы, нефтеперерабатывающие заводы, электростанции, переработку природного газа, охлаждение, очистку сточных вод и отопление помещений. Их также можно найти в двигателях внутреннего сгорания, где они позволяют охлаждающей жидкости двигателя течь через змеевики радиатора, когда воздух проходит мимо них, охлаждая охлаждающую жидкость и одновременно нагревая воздух.

Теплообменник работает, позволяя теплу от одной жидкости проходить через другую, более холодную жидкость, без их смешивания или прямого контакта.

Например, представьте себе трубу, вокруг которой находится еще одна труба. Внутренняя труба может пропускать через себя горячую жидкость, в то время как более холодная жидкость одновременно проходит через внешнюю трубу. Это позволило бы более холодной жидкости снизить температуру более теплой, поскольку более теплая жидкость одновременно увеличивала тепло более холодной. Конечно, это очень простой пример теплообмена, и при исследовании теплообменников следует учитывать ряд других факторов:

1. Проходит

Изогнув трубы, например, в форме буквы «S», вы можете позволить жидкостям пройти более одного «прохода», прежде чем покинуть теплообменник. Один проход представляет собой прямую трубу, в которой жидкость довольно быстро входит на один конец и выходит на другой конец теплообменника. Двойной проход имеет U-форму, так что жидкость входит в теплообменник и выходит из него на одном и том же конце, что продлевает время прохождения жидкостей друг-другой в теплообменнике. В тройном проходе используется S-образное образование, которое позволяет жидкости трижды проходить по длине теплообменника, прежде чем выйти. Чем больше количество проходов, тем больший объем теплопередачи доступен – просто потому, что жидкости находятся вместе в системе дольше – хотя это также может привести к падению давления и потере скорости.

2. Температурный переход-переход

Пересечение температур-происходит, когда тепло более холодной жидкости начинает пересекаться с температурой горячей жидкости в теплообменнике. Например, масло, попадающее в теплообменник при температуре 80 ⁰C вместе с водой с температурой 30 ⁰C, может увидеть, что их температуры пересекутся-, если температура масла упадет до 50 ⁰C, когда температура воды достигнет 51 ⁰C. В этот момент более холодная жидкость (вода) становится горячее масла. Пересечение температур-может значительно снизить эффективность теплообменника, особенно при охлаждении. Этого можно избежать, увеличив расход охлаждающей жидкости (см. «Скорость потока» ниже), чтобы в системе было больше охлаждающей жидкости. Если перепад температур-неизбежен, лучшим решением будет использование пластинчатого теплообменника (см. «Типы теплообменников» ниже).

3. Разница температур

Это относится к разнице температур между охлаждающей жидкостью и горячей жидкостью, которая важна для теплообменника, о чем свидетельствует «переход температур-» (выше). Охлаждающая жидкость должна поддерживаться при более низкой температуре, чем горячая жидкость, и чем холоднее охлаждающая жидкость, тем эффективнее она будет отводить тепло от горячей жидкости.

4. Скорость потока

Это количество жидкости, проходящей через поперечное-сечение трубы за определенный период времени. Он рассчитывается как объем жидкости за время прохождения жидкости - с большей скоростью потока, потенциально увеличивающей способность теплообменника передавать тепло. Однако большее количество жидкости также означает большую массу для транспортировки, а также увеличение потери давления и скорости.

Теплообменники можно классифицировать по устройству потока или по конструкции самого теплообменника.

В теплообменниках различают три основных типа организации потока: параллельный-поток, противоток и перекрестный-поток:

• Параллельный поток:Две жидкости входят в один и тот же конец теплообменника и движутся параллельно, а затем выходят вместе.
• Противоток:Жидкости входят в теплообменник с противоположных сторон и проходят через систему в противоположных направлениях. Это наиболее эффективная схема потока, поскольку средняя разница температур между жидкостями остается выше во всей системе.
• Перекрестный-поток:В теплообменнике этой формы жидкости движутся перпендикулярно (под прямым углом) друг к другу.

Помимо расположения потока, теплообменники можно разделить по типам в зависимости от физической конструкции теплообменника:

• Двойная труба:Это наиболее простой тип теплообменника, используемый в промышленности. Как следует из названия, они состоят из двух трубок, по которым может течь жидкость. Конфигурация потока может быть параллельной или противоточной, при этом противоток более эффективен, а параллельный поток лучше, если необходимо довести две жидкости до одинаковой температуры. Эти теплообменники просты и дешевы в проектировании и обслуживании, но имеют относительно низкий уровень эффективности по сравнению с другими конструкциями.
• Оболочка и трубка:В кожухотрубных теплообменниках используется набор металлических трубок, по которым течет одна жидкость, окруженных герметичной оболочкой, через которую течет вторая жидкость. Этот тип теплообменника работает со всеми типами потока — параллельным, противотоком и поперечным потоком- и может быть установлен в паровозах. Перегородки используются для направления потока жидкости, создания вибраций в жидкости и поддержки трубок, а ребра также можно использовать с технологиями с воздушным-охлаждением (такими как промежуточные охладители двигателей внутреннего сгорания) для увеличения площади теплопередачи.
• Пластина/плавник:В теплообменнике этого типа используются стопки тонких металлических пластин, которые разделены ребрами, образуя уровни, очень похожие на полы здания. Однако каждый из этих «этажей» является автономным-и отделен от верхнего и нижнего этажей, образуя ряд герметичных трубок, по которым могут течь жидкости. Это создает большую площадь поверхности, которая способна быстро обмениваться теплом, а также гарантирует поток жидкости по всей поверхности теплопередачи, предотвращая застой и накопление жидкости. Пластины могут быть разных размеров, глубины и формы, включая гофрированные пластины, пластины и рамы, пластины и оболочки или спиральные пластины. Высокая турбулентность потока между пластинами создает большую теплопередачу и снижение давления. Этот тип теплообменника используется в таких устройствах, как газовые печи и котлы.
• С воздушным охлаждением:Этот тип теплообменника обычно встречается в транспортных средствах и других движущихся объектах, где холодная вода недоступна. Вместо двух жидкостей в системах с воздушным охлаждением используется холодный воздух от вентилятора или поток воздуха, вызванный движением самого автомобиля.
• Конденсаторы, котлы и испарители:Этот тип теплообмена заслуживает особого упоминания, поскольку он работает несколько иначе, чем уже описанные. Вместо того, чтобы вводить две жидкости (горячую и холодную), они используют охлаждение и конденсацию горячего газа в жидкую форму (и наоборот) для создания цикла теплопередачи. Это процесс, используемый паровыми турбинами и парогенераторами, в которых используется цикл испарения воды в пар и ее последующего охлаждения обратно в жидкость.
• Рекуператоры:Рекуператор — это теплообменник, предназначенный для улавливания тепла, которое в противном случае было бы потеряно, например, тепло, выводимое из здания. Теплый воздух направляется через канал рядом с отдельным входящим каналом холодной жидкости, создавая противоток. Именно так работает система вентиляции с рекуперацией тепла-, позволяющая проветривать здание свежим воздухом, не теряя при этом всего тепла из выходящего более теплого воздуха.
• Регенераторы:Этот тип теплообменника позволяет как входящей, так и выходящей жидкости перемещаться по одному и тому же каналу в противоположных направлениях в разное время. Когда теплая жидкость вытекает наружу, она отдает часть своего тепла, а когда холодная жидкость втекает внутрь, она забирает часть остаточного тепла, которое там осталось. Этот тип теплообмена используется в двигателе Стирлинга, в котором поршень перемещает захваченный газ взад и вперед между источником тепла (например, огнем) и более прохладной областью или «раковиной», где тепло теряется. Этот тип теплообменника снижает потери тепла в системе за счет «регенерации» тепла.

Теплообменники используются для широкого спектра применений как в промышленности, так и в быту.

Хотя теплообменники бывают разных конструкций и систем потока, все они работают одинаково; обеспечивая тепловой контакт между более горячей и более холодной жидкостью (без фактического смешивания), так что две жидкости соответственно нагревают или охлаждают друг друга.

Это повышает эффективность транспортных средств и других агрегатов, а также экономит затраты и снижает потребление энергии (и любое связанное с этим воздействие на окружающую среду).

Получите планы HX

Сценарии применения вашего теплообменника (например, пищевая промышленность, нефтехимическая промышленность, энергетическое охлаждение) и характеристики среды (коррозионная активность/вязкость/температура) различаются, поэтому план технических характеристик также будет специально адаптирован.-Сообщите нам о своих потребностях, и мы предоставим вам целевые параметры и расценки.

Электронная почта:global@gneesteels.com