Aký je mechanizmus prenosu tepla v výmenníku tepla?

Ako dodávateľ výmenníka tepla som sa často pýtal na mechanizmus prenosu tepla v tepelnom výmenníku. Pochopenie tohto mechanizmu je rozhodujúce pre kohokoľvek, kto je zapojený do návrhu, prevádzky alebo údržby výmenníkov tepla. V tomto blogovom príspevku vysvetlím základné princípy prenosu tepla v výmenníkoch tepla a spôsob, akým fungujú v rôznych typoch zariadení.

Základné princípy prenosu tepla

Prenos tepla je pohyb tepelnej energie z oblasti vyššej teploty do oblasti nižšej teploty. Existujú tri primárne režimy prenosu tepla: vedenie, konvekcia a žiarenie.

Vedenie

Vedenie je prenos tepla cez pevnú alebo stacionárnu tekutinu priamou molekulárnou interakciou. V tepelnom výmenníku dochádza k vedeniu, keď sa teplo prenáša cez steny skúmaviek alebo dosiek oddeľujúcich horúce a studené tekutiny. Miera vedenia sa riadi Fourierov zákon, ktorý uvádza, že tepelný tok (Q) je úmerný teplotnému gradientu (DT/DX) a tepelnej vodivosti (k) materiálu:

[q = -k \ frac {dt} {dx}]

Materiály s vysokou tepelnou vodivosťou, ako sú kovy, sa uprednostňujú pre výmenu tepla, pretože umožňujú efektívny prenos tepla. Napríklad meď a hliník sa bežne používajú v tepelných výmenníkoch kvôli ich vynikajúcim tepelným vlastnostiam.

Konvekcia

Konvekcia je prenos tepla pohybom tekutiny (kvapalina alebo plyn). Existujú dva typy konvekcie: prirodzená konvekcia a nútená konvekcia.

• Prirodzená konvekcia: K tomu dochádza, keď je pohyb tekutín spôsobený rozdielom hustoty v dôsledku variácií teploty. Napríklad vo vertikálnom výmenníku tepla tepla sa horúca tekutina v blízkosti steny trubice stúpa v dôsledku vztlakových síl, čím sa vytvára prirodzený cirkulačný vzor.
• Nútená konvekcia: Zahŕňa to použitie vonkajších prostriedkov, ako sú čerpadlá alebo ventilátory, na presun tekutiny. Nútená konvekcia je účinnejšia ako prirodzená konvekcia, pretože zvyšuje rýchlosť tekutiny a zvyšuje koeficient prenosu tepla.

Miera prenosu tepla konvekcie je uvedená v Newtonovom zákone o chladení:

[q = ha \ delta t]

kde (q) je rýchlosť prenosu tepla, (h) je koeficient prenosu tepla, (a) je povrchová plocha a (\ delta t) je teplotný rozdiel medzi tekutinou a povrchom.

Žiarenie

Žiarenie je prenos tepla cez elektromagnetické vlny. Na rozdiel od vedenia a konvekcie, žiarenie nevyžaduje médium na prenos tepla a môže sa vyskytnúť vo vákuu. Avšak vo väčšine výmenníkov tepla je prenos žiarenia zanedbateľný v porovnaní s vedením a konvekciou, najmä pri miernych teplotách.

Prenos tepla v rôznych druhoch výmenníkov tepla

Výmenníky tepla a trubice

Výmenníky tepla škrupiny a trubice sú jedným z najbežnejších typov výmenníkov tepla. Pozostávajú z zväzku trubíc uzavretých v škrupine. Horúca tekutina tečie cez skúmavky, zatiaľ čo studená tekutina tečie mimo skúmaviek v škrupine.

V výmenníku tepla a trubice sa vyskytuje prenos tepla primárne vedením cez steny trubice a prúdenie na strane trubice aj na strane škrupiny. Stena trubice pôsobí ako bariéra medzi týmito dvoma tekutkami a teplo sa prenáša z horúcej tekutiny do steny trubice konvekciou, potom cez stenu trubice vedením a nakoniec do studenej tekutiny konvekciou.

Konštrukcia výmenníka tepla a trubice, vrátane usporiadania trubice, priemeru trubice a usporiadania usmerňovačov, môže významne ovplyvniť výkon prenosu tepla. Napríklad použitie usmerňovačov na strane škrupiny môže zvýšiť turbulenciu tekutín a zvýšiť koeficient prenosu tepla.

Výmenníky tepla

Doskové výmenníky tepla pozostávajú zo série paralelných dosiek s kanálmi pre horúce a studené tekutiny. Doštičky sú zvyčajne vyrobené z nehrdzavejúcej ocele alebo z iných materiálov odolných voči korózii.

V tepelnom výmenníku doštičky tekujú horúce a studené tekutiny v alternatívnych kanáloch medzi doskami. Prenos tepla dochádza cez vedenie cez platne a konvekciu na oboch stranách dosiek. Veľká plocha povrchu poskytovaná doštičkami a vysoká rýchlosť kvapaliny v úzkych kanáloch vedie k vysokému koeficientu prenosu tepla a efektívnemu prenosu tepla.

Výmenníky tepla taniera sú známe svojím kompaktným dizajnom, vysokou účinnosťou a ľahkou údržbou. Všeobecne sa používajú v rôznych aplikáciách, ako sú systémy HVAC, chladenie a chemické spracovanie.

Priemyselný chladič JRZ

Priemyselné radiátory JRZ sú špecializovaným typom výmenníka tepla určené pre priemyselné aplikácie. Zvyčajne sa používajú na chladenie vysokoteplotných tekutín, ako je chladiva motora alebo hydraulický olej.

Tieto radiátory pracujú na princípe nútenej konvekcie, kde sa ventilátor používa na vyfúknutie vzduchu na plutvy na chladič, aby sa zlepšil prenos tepla. Plutvy na chladiči zvyšujú povrchovú plochu dostupnú na prenos tepla a prietok vzduchu odstraňuje teplo z plutiev.

Návrh priemyselného chladiča JRZ vrátane geometrie Fin, plutvového materiálu a veľkosti ventilátora je optimalizovaný tak, aby poskytoval efektívny prenos tepla a spoľahlivú prevádzku v drsnom priemyselnom prostredí.

Výmenník tepla tepla

Výmenníky tepla tepla tepla používajú tepelné potrubia na prenos tepla medzi dvoma tekutinami. Tepelné potrubie je zapečatená trubica obsahujúca pracovnú tekutinu, ktorá podstúpi fázovú zmenu (odparovanie a kondenzáciu) na prenos tepla.

V tepelnom rúrkovom výmenníku tepla sú tepelné potrubia usporiadané do matrice, s jedným koncom tepelných potrubí v kontakte s horúcou tekutinou a druhým koncom v kontakte so studenou tekutinou. Pracovná kvapalina v tepelných potrubiach absorbuje teplo z horúcej tekutiny, odparuje a potom kondenzuje na studenom konci a uvoľňuje teplo do studenej tekutiny.

Výmenníky tepla tepelného potrubia ponúkajú niekoľko výhod, ako je vysoká tepelná vodivosť, kompaktný dizajn a schopnosť prenášať teplo na veľké vzdialenosti. Bežne sa používajú v aplikáciách, kde sú potrebné vysoké rýchlosti prenosu tepla a energetická účinnosť, ako je napríklad chladenie elektroniky a regenerácia odpadového tepla.

Vzduch chladený výmenník tepla

Výmenníky chladených tepla vzduchom používajú vzduch ako chladiace médium na odstránenie tepla z horúcej tekutiny. Všeobecne sa používajú v aplikáciách, kde je voda nedostatočná alebo kde použitie vody nie je praktické, napríklad v odľahlých miestach alebo v priemyselných procesoch, kde je znepokojená kontaminácia vody.

Vo vzduchom chladenom výmenníku tepla tečie horúca kvapalina cez zväzok skúmaviek a vzduchom na skúmavky sú vyfúknutý vzduch. Prenos tepla dochádza cez vedenie cez steny trubice a konvekciu na strane trubice a na strane vzduchu.

Výkon vzduchového chladeného výmenníka tepla závisí od niekoľkých faktorov, vrátane materiálu trubice, konštrukcie plutvovej trubice, prietoku vzduchu a teploty okolia. Na zlepšenie účinnosti prenosu tepla sa plutvové trubice často používajú na zvýšenie povrchovej plochy dostupnej na prenos tepla.

Faktory ovplyvňujúce výkon prenosu tepla

Niekoľko faktorov môže ovplyvniť výkon prenosu tepla výmenníka tepla vrátane:

• Tekuté vlastnosti: Tepelná vodivosť, špecifická teplo, hustota a viskozita tekutín môžu významne ovplyvniť koeficient prenosu tepla. Napríklad tekutiny s vysokou tepelnou vodivosťou a nízkou viskozitou vedú k prenosu tepla.
• Prietok: Prietok tekutín ovplyvňuje rýchlosť a turbulencie tekutiny, čo zase ovplyvňuje koeficient prenosu tepla. Zvýšenie prietoku vo všeobecnosti zvyšuje rýchlosť prenosu tepla, ale tiež zvyšuje pokles tlaku a spotrebu energie.
• Teplotný rozdiel: Teplotný rozdiel medzi teplými a studenými tekutinami je hnacou silou prenosu tepla. Väčší teplotný rozdiel má za následok vyššiu rýchlosť prenosu tepla.
• Povrchová plocha: Povrchová plocha dostupná na prenos tepla je priamo úmerná rýchlosti prenosu tepla. Zvýšenie povrchovej plochy, napríklad pomocou plutvových trubíc alebo dosiek, môže zvýšiť výkon prenosu tepla.
• Zŕzganie: Znečistenie je akumulácia usadenín na povrchoch prenosu tepla, ktoré môžu znížiť koeficient prenosu tepla a zvýšiť pokles tlaku. Pravidelné čistenie a údržba výmenníka tepla sú nevyhnutné na zabránenie znečisteniu a udržanie výkonu prenosu tepla.

Záver

Pochopenie mechanizmu prenosu tepla v výmenníku tepla je nevyhnutné na optimalizáciu jeho výkonu a zabezpečenie jeho účinnej prevádzky. Zohľadnením základných princípov prenosu tepla a konštrukčných prvkov rôznych typov výmenníkov tepla si inžinieri a operátori môžu vybrať najvhodnejšieho výmenníka tepla pre danú aplikáciu a prijímať informované rozhodnutia týkajúce sa jej prevádzky a údržby.

Ak ste na trhu s výmenníkom tepla alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa technológie prenosu tepla, neváhajte nás kontaktovať. Náš tím expertov vám môže poskytnúť odborné poradenstvo a prispôsobené riešenia, ktoré vyhovujú vašim konkrétnym potrebám. Tešíme sa na diskusiu o vašich požiadavkách na výmenník tepla a spolupráci s vami na dosiahnutí vašich cieľov.

Odkazy

• Incropera, FP, DeWitt, DP, Bergman, TL a Lavine, AS (2019). Základy prenosu tepla a hmoty. John Wiley & Sons.
• Shah, RK, & Sekulic, DP (2003). Základy dizajnu výmenníka tepla. John Wiley & Sons.
• Kakac, S., & Liu, H. (2002). Výmenníky tepla: výber, hodnotenie a tepelný dizajn. CRC Press.