7. Przenikanie ciepła w wymienniku ciepła. Projektowanie wymienników ciepła.

- przenikanie ciepła - Ten rodzaj wymiany ciepła jest złożony z wnikania ciepła po stronie jednego czynnika(A), przewodzenia przez ściankę, oraz wnikania po stronie drugiego czynnika(B). Rysunek 1. przedstawia rozkład temperatur dla najprostszego przypadku ustalonego przenikania ciepła przez ściankę płaską jednowarstwową.

Rys.1 Schemat przenikania ciepła

Równanie przenikania ciepła ma postać:

gdzie: k – współczynnik przenikania ciepła [W/m²K],

T₁, T₂ – temperatury płynów [˚C], T₁ > T₂,

A – powierzchnia przenikania ciepła.

Przenikanie ciepła, gdy płyny są oddzielone ścianą płaską

Wnikanie:

Przenikanie przez ścianę:

Wnikanie:

gdzie: α – współczynnik wnikania ciepła,

λ – współczynnik przewodzenia ciepła.

Z tego wynika, że współczynnik przenikania będzie miał wzór:

Przy większej ilości ścian:

Opory zanieczyszczeń ścian R[m²K/W]:

Projektowanie wymiennika ciepła

1. W celu wyznaczenie potrzebnej powierzchni do wymiany ciepła należy określić:

1. Ilość przepływającego ciepła Q, na podstawie równania bilansu cieplnego

   Q=G_cC_c(t2-t1) [W]

   G_c- [kg/s] masowe natężenie przepływu podgrzewanego nośnika ciepła

   Cc-[J/kg deg]- ciepło właściwe podgrzewanego nośnika ciepła

   T1,t2- temp. podgrzewanego nośnika ciepła odpowiednio na wlocie i na wylocie z aparatu

   

Rys.2. Przebieg zmian temp. nośników ciepła a)- współprąd, b) przeciwprąd

• Określić napędową różnice temp

• Średnia logarytmiczna z wartości skrajnych różnic temp na początku i końcu wymiennika ciepła

  

• Gdy , można zastosować średnią arytmetyczną

  

1. Określić współczynnik przenikania ciepła k, dla wielowarstwowej ściany płaskiej

   

   D

   

2. powierzchnia wymiany ciepła:

   [m²]

Dla rurowych wymienników ciepła powierzchnię wymiany ciepła oblicza się ze wzoru:

d- średnica rur, l- długość rur, n- liczba rur

Typy wymienników ciepła

Wymiennik ciepła to urządzenie, w którym następuje przekazywanie ciepła między dwoma czynnikami (gazami lub cieczami) o różnych temperaturach. Urządzenia takie są szeroko stosowane we współczesnej technice aby obniżyć zużycie energii powszechnie umożliwiające odzysk ciepła z powietrza usuwanego i przekazanie go do powietrza nawiewanego bez mieszania obu strumieni. Dzięki temu rozwiązaniu możliwe jest znaczne obniżenie kosztów energii, nawet o połowę.

Wymienniki ciepła mogą mieć różną konstrukcję, lecz zwykle składają się z długiej rury wykonanej z tworzywa będącego dobrym przewodnikiem ciepła. W celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła, wymiennik może być wyposażony w ożebrowanie.

Jeśli celem wymiennika ciepła jest schłodzenie płynu roboczego, nazywa się go chłodnicą.

Jeśli ogrzanie płynu roboczego – nagrzewnicą.

Można wyróżnić wymienniki ciepła jednoprzepływowe i wieloprzepływowe (czynnik przepływa przez wymiennik ciepła jedną wiązką rurek, a wraca inną wiązką itd.).

Ze względu na wzajemny stosunek kierunków przepływu obu czynników przez wymiennik ciepła, rozróżnia się następujące typy wymienników

• współprądowe (kierunki zgodne)

• przeciwprądowe (kierunki przeciwne)

• krzyżowe (kierunki prostopadłe

• Typy wymienników ciepła:

1. Wymienniki bezprzeponowe

2. Wymienniki przeponowe (rekuperatory) – czynniki wymieniające ciepło są oddzielone od siebie ścianką-przeponą i ciepło wnika od czynnika grzejnego do tej ścianki, przenika przez nią na drodze przewodnictwa i następnie wnika do czynnika ogrzewanego. Aparaty te pracują w sposób ciągły a ruch ciepła ma charakter ustalony. Materiał z którego jest wykonana przepona musi mieć dobre właściwości cieplne tzn. jego opór cieplny powinien być możliwie mały. Aparaty mogą pracować w przeciwprądzie, we wspołprądzie i w prądzie mieszanym. Przykładami są wymiennik typu rura w rurze, wymiennik płytowy, płaszczowo rurowy.

3. Regeneratory/ z wypełnieniem- przepływ odbywa się w tych samych kanałach na zmianę.

4. Mieszankowe

W zależności od rodzaju powierzchni wymiany ciepła rozróżniamy dwa rodzaje wymienników:

płaszczowo-rurowe, w których jeden czynnik przepływa rurkami a drugi omywa rurki z zewnątrz

płytowe, w których czynniki przepływają po obu stronach płaskiej ścianki.

W wymiennikach płaszczowo-rurowych powierzchnia wymiany ciepła jest powierzchnią pęczka rur, wewnątrz których przepływa jeden czynnik, drugi zaś omywa rurki z zewnątrz. Urządzenia tego typu, dzięki swojej konstrukcji, doskonale sprawdzają się przy dużych prędkościach przepływu czynnika. Ponadto, w trakcie procesu wymiany ciepła osiągają bardzo dobre wyniki nawet wówczas, gdy dokonywane są częste zmiany parametrów.
Wymienniki płaszczowo-rurowe składają się z trzech podstawowych części:
- zewnętrznej obudowy (płaszcza) ze stali lub z żeliwa,
- wewnętrznej, składającej się z pęku rur,
- króćców lub komór wlotowych i wylotowych dla czynników grzewczych.

Płytowe wymienniki ciepła mogą być stosowane zarówno w domach jedno- lub wielorodzinnych, jak i w budynkach użyteczności publicznej oraz w zakładach przemysłowych. Powierzchnię wymiany ciepła stanowią płyty płaskie lub płyty tłoczone o dobrej przewodności cieplnej. Dzięki odpowiednio ukształtowanym wytłoczeniom pomiędzy płytami tworzą się wąskie szczeliny do przepływu czynników wymieniających ciepło.
Wymienniki płytowe produkowane są w dwóch typach jako:
- wymienniki lutowane,
- wymienniki skręcane.