WYMIENNIKI

WYMIENNIKI

CIEPŁA,

CIEPŁA,

REKUPERATORY

REKUPERATORY

ŹRÓDŁA CIEPŁA I CHŁODU

Ze względu na sposób działania wymienniki

Ze względu na sposób działania wymienniki

ciepła dzielimy na trzy grupy:

ciepła dzielimy na trzy grupy:

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

•Regeneratory
•Rekuperatory
•Wymienniki ciepła bezprzeponowe mokre

Podział

Rekuperatory

Rekuperatory

(wymienniki przeponowe lub

(wymienniki przeponowe lub

powierzchniowe). Oba płyny, tj. oddający i

powierzchniowe). Oba płyny, tj. oddający i

pobierający ciepło, płyną po obu stronach

pobierający ciepło, płyną po obu stronach

ściany (przepony) w sposób ciągły. Wymiana

ściany (przepony) w sposób ciągły. Wymiana

ciepła i temperatur obu płynów najczęściej

ciepła i temperatur obu płynów najczęściej

nie zmienia się w czasie, a cały proces

nie zmienia się w czasie, a cały proces

wymiany ciepła można traktować jako

wymiany ciepła można traktować jako

ustalony.

ustalony.

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Podział

Regeneratory

Regeneratory

W wymiennikach tych nie ma przepony oddzielającej

W wymiennikach tych nie ma przepony oddzielającej

oba gazy, a ich przepływ odbywa się w tych samych

oba gazy, a ich przepływ odbywa się w tych samych

kanałach na zmianę. Gaz grzewczy oddaje swe ciepło

kanałach na zmianę. Gaz grzewczy oddaje swe ciepło

wypełnieniu, ogrzewając je, a gaz ogrzewany odbiera

wypełnieniu, ogrzewając je, a gaz ogrzewany odbiera

ciepło zmagazynowane w tym wypełnieniu.

ciepło zmagazynowane w tym wypełnieniu.

Wypełnienia regeneratora mogą być ceramiczne

Wypełnienia regeneratora mogą być ceramiczne

(ceglane) lub metalowe (z blach falistych lub folii

(ceglane) lub metalowe (z blach falistych lub folii

karbowanej). Aparaty te są przełączane okresowo,

karbowanej). Aparaty te są przełączane okresowo,

wobec czego procesy wymiany ciepła i temperatur są

wobec czego procesy wymiany ciepła i temperatur są

nieustalone, czyli zmienne w czasie

nieustalone, czyli zmienne w czasie

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Podział

Wymienniki ciepła bezprzeponowe mokre

Wymienniki ciepła bezprzeponowe mokre

W aparatach tych wymiana ciepła odbywa

W aparatach tych wymiana ciepła odbywa

się między gazem a cieczą bez pośrednictwa

się między gazem a cieczą bez pośrednictwa

przepony (przegrody). W tak zwanych

przepony (przegrody). W tak zwanych

skruberach

skruberach

ciecz spływa po wypełnieniu,

ciecz spływa po wypełnieniu,

którym są kształtki ceramiczne (np.

którym są kształtki ceramiczne (np.

pierścienie Raschiga), ruszty drewniane

pierścienie Raschiga), ruszty drewniane

kawałki koksu, różne kształtki metalowe, itp.,

kawałki koksu, różne kształtki metalowe, itp.,

a gaz przepływa przez puste przestrzenie

a gaz przepływa przez puste przestrzenie

między elementami wypełnienia.

między elementami wypełnienia.

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Podział

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Mechanizm wymiany ciepła między gazem a cieczą
jest zbliżony do mechanizmu wymiany ciepła w
klasycznych procesach przepływu ciepła, z
wyjątkiem tego, że nie występuje przewodzenie
ciepła przez ściankę stałą.

Ponadto na proces wymiany ciepła nakłada się w
tych przypadkach proces ruchu masy. Najczęściej
wymiana ciepła w masy przebiega w sposób ciągły i
ustalony, wobec czego temperatura i ciśnienie
cząstkowe nie zmieniają się w czasie.

Mechanizm

Rekuperator przeciwprądowy:

a) zmiana temperatury płynów A i B. płynów A i B,

b) schemat rekuperatora

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Rekuperator
przeciwprądowy

Rekuperator współprądowy:

a) zmiana temperatury płynów A i B. płynów A i B,

b) schemat rekuperatora

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Rekuperator współprądowy

Rekuperatory przeciwprądowe umożliwiają lepsze
wykorzystanie energii czynnika grzewczego. Przy tych
samych różnicach temperatur między czynnikami na
wlocie i wylocie z wymiennika zawsze powierzchnia
wymiany ciepła jest mniejsza dla przepływu
przeciwprądowego niż dla przepływy współprądowego
obu czynników. Stąd regułą jest stosowanie
rekuperatorów przeciwprądowych. Zaletą przepływów
współprądowych jest to, iż temperatura jest w
przybliżeniu jednakowa wzdłuż całej długości
wymiennika ciepła.
Jeśli temperatura jednego z czynników jest stała (np.
wrząca ciecz lub skraplająca się para), to jest rzeczą
obojętną, czy przepływ obu czynników odbywa się we
współprądzie, czy przeciwprądzie.

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Zalety rekuperatora przeciwprądowego







2

1

TdA

k

Q

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Równanie przenikania ciepła dla całego
wymiennika można napisać w następującej
postaci:

k – współczynnik przenikania

T - wartość różnicy temperatur

uśredniona całej powierzchni

Strumień ciepła

Ten zapis wynika z faktu, że zarówno współczynnik
przenikania ciepła, jak i różnic temperatur między
płynami zmieniają się wzdłuż długości wymiennika. W
warunkach, gdy współczynnik przenikania ciepła oraz
pojemności cieplne oby płynów są stałe (np. nie
zachodzi reakcja chemiczna w wymienniku ciepła),
zależność tą można sprowadzić do prostszej postaci

T

kA

Q







gdzie nosi nazwę średniej zastępczej różnicy
temperatury

.

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Strumień ciepła

T



1

2

1

2

ln

T

T

T

T

T















Średnia
logarytmiczna
różnica temperatur

Poniżej będzie jedynie podany końcowy wzór
obowiązujący zarówno dla przepływu
przeciwprądowego jak i współprądowego

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Różnica temperatur

Rekuperatory krzyżowe są często dogodne w użyciu
ze względów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych. W
obliczeniach tych rekuperatorów korzysta się z
zależności () przy czym oblicza się jak dla przepływu
przeciwprądowego, a wynik mnoży się przez
współczynnik uwzględniający inną różnicę
temperatur, czyli:

p

T

k

T

T

)

(

)

(











Poprawka określa o ile powinna się zwiększyć
powierzchnia wymiany ciepła, jeśli zamiast przepływu
przeciwprądowego (p) zastosuje się krzyżowy (k).

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Rekuperator krzyżowy

Rekuperator krzyżowy:

a) schemat rekuperatora,
b) wykres zmian temperatury płynów A i B

Rekuperator krzyżowy

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

P

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Współczynnik poprawkowy

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Współczynnik poprawkowy

P

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Współczynnik poprawkowy

P

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Konstrukcje wymienników ciepła

Wymienniki przeciwprądowe

W rekuperatorze przeciwprądowym strumienie ciepłego i
zimnego powietrza biegną względem siebie równolegle i
przeciwbieżnie. Wymiana ciepła odbywa sie na stosunkowo
dużej powierzchni, chcąc je powiększyć wystarczy wydłużyć
wymiennik. Całość jest bardzo łatwa do zamontowania instalacji
wentylacyjnej. Naturalne, równoległe ułożenie kanałów
minimalizuje powstawanie zaburzeń przepływu, proces wymiany
powietrza przebiega cicho i równomiernie. Sprawność tego typu
wymienników osiąga nawet 90%.

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Konstrukcje wymienników ciepła

Wymienniki obrotowe (bębnowe)

Centralnym elementem urządzenia jest wirujący bęben.
Równolegle do osi obrotu wykonano w nim szereg kanałów.
Podczas pracy przez kanały przepływa na zmianę usuwane z
wnętrza budynku powietrze ciepłe oraz chłodne powietrze
pobrane z zewnątrz budynku.
Wymiennik tego typu wymaga zastosowania stałego napędu.
Jest odporny na wpływ niskich temperatur, w jego wnętrzu nie
osadza się szron. Sprawność prezentowanego rozwiązania
wynosi ok. 80%.

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

WYMIENNIKI CIEPŁA, REKUPERATORY

Konstrukcje wymienników ciepła

Wymienniki krzyżowe
W ich wnętrzu strumienie ciepłego i zimnego powietrza przecinają
się. W miejscu styku rozdzielają je cienkie płyty z materiału dobrze
przewodzącego ciepło. Dla zwiększenia powierzchni wymiany
ciepła stosuje się przegrody karbowane.
Wymienniki krzyżowe są rekuperatorami najprostszymi w budowie i
jednocześnie najtańszymi. Są bardzo często stosowane w
instalacjach domów jednorodzinnych.
Konstrukcja tego typu ma dwie zasadnicze niedogodności.
Powierzchnia wzajemnego oddziaływania obu strumieni jest
stosunkowo mała, najmniejsza w stosunku do pozostałych
konstrukcji. Jej powiększenie jest możliwe pod warunkiem wzrostu
wielkości urządzenia.
Kolejna niedogodność wynika z przebiegu kanałów powietrznych w
rekuperatorze krzyżowym. Ponieważ przewody doprowadzające i
odprowadzające ustawione są do siebie prostopadle, podłączenie
wymiennika do systemu wentylacyjnego jest stosunkowo
skomplikowane. Sprawność wymienników krzyżowych osiąga 60%.