Varmeveksler

Enkel varmeveksler

En varmeveksler eller varmeveksler , mere sjældent en varmeveksler , er en enhed, der overfører termisk energi fra en materialestrøm til en anden.

Mens udtrykket " varmeveksler" er meget brugt, får det tekniske udtryk " varmeveksler" stigende interesse.

Klassifikation

Varmeoverførsel ved hjælp af modstrømsprincippet
Varmeoverførsel ved hjælp af jævnstrømsprincippet
Varmeoverførsel ved hjælp af tværstrømsprincippet

Varmevekslere kan opdeles i tre klasser med hensyn til varmeoverførsel :

Direkte varmeoverførsel
er baseret på processen med kombineret varme- og masseoverførsel i adskillelige materialestrømme. En repræsentativ applikation er det våde køletårn .
Indirekte varmeoverførsel
er kendetegnet ved, at materialestrømme er rumligt adskilt af en varmegennemtrængelig væg. Varmevekslere af denne klasse kaldes også rekuperatorer . Denne klasse inkluderer: B. Radiatorer.
Semi-indirekte varmeoverførsel
bruger egenskaberne i et varmelager. Begge stoffer bringes i kontakt med varmeakkumulatoren med en tidsforsinkelse. Varmeakkumulatoren opvarmes skiftevis af det varmere medium og afkøles derefter af det koldere medium for at overføre termisk energi fra det varmere til det koldere medium. Varmevekslere af denne klasse er regeneratorer , f.eks. B. varmehjulet .

Ud over materialegenskaberne bestemmes effektiviteten af ​​varmeoverførslen af ​​den geometriske styring af materialestrømmene i forhold til hinanden. Der er fem grundlæggende former, der skal skelnes her.

Modstrøm
Stofferne styres på en sådan måde, at de flyder forbi hinanden i en modstående retning. I det ideelle tilfælde udveksles temperaturerne i materialestrømmene, hvilket betyder, at det oprindeligt kolde medium når temperaturen på det oprindeligt varme medium og omvendt. Forudsætningerne for dette ideelle tilfælde er den samme varmekapacitetsstrøm på begge sider af varmeveksleren og en effektivitet af varmeveksleren på 100%. I praksis er en fuldstændig temperaturudveksling ikke mulig. En applikation er varmegenvinding .
Jævnstrøm
styr stofferne side om side i samme retning. I det ideelle tilfælde er begge substanstemperaturer lig med hinanden. I modsætning til modstrømsvarmeveksleren er det oprindeligt varmere medium stadig varmere end det kolde medium efter at have passeret gennem varmeveksleren. Da det varme og det kolde medium føres direkte til hinanden, er varmestrømmen mellem de to oprindeligt større end med modstrømsprincippet. Materialespændingen på grund af temperaturforskellene kan være ufordelagtig.
Krydsflow
styrer materialestrømmene på en sådan måde, at deres retninger krydser. Resultatet er et sted mellem modstrøm og jævnstrøm. Krydsstrømmen bruges for eksempel til at bringe en strømning til en bestemt, fast temperatur.
Virvelstrøm
hvirvler to forskellige varme materialestrømme. En mulighed for efterfølgende adskillelse er nødvendig. En mulighed er vortexrøret , en enhed uden bevægelige dele, der kan bruges til at opdele gas i en varm og en kold strøm.
Kryds modstrøm
Materialestrømmene tilføres oprindeligt på tværs af hinanden ved indløbet og udløbet og strømmer derefter parallelt med hinanden i den centrale del. I det ideelle tilfælde udveksles temperaturerne i materialestrømmene som i tilfældet med modstrøm. En kryds-modstrømsvarmeveksler er lettere at fremstille og ofte også mere strømlinet og kompakt end en ren modstrømsvarmeveksler.

udførelse

Generel

Skal og rørvarmeveksler

For god effektivitet skal den komponent, der adskiller mediet, have god varmeledningsevne og en stor overflade. En turbulent strømning er gavnlig for god varmeoverførsel . Dette finder frem for alt sted med et højt Reynolds-nummer . Derfor skal strømningshastigheden være høj, og mediets viskositet skal være lav. Imidlertid kræver høj hastighed og en stor befugtet overflade også meget energi for at pumpe mediet gennem varmeveksleren.

I varmevekslere, hvor det ene medium er en væske, og det andet medium er en gas (for det meste luft), varierer varmekapaciteten meget afhængigt af mediet. Meget mere gas end væske skal strømme igennem, og området til varmeoverførsel skal øges på gassiden. Dette gøres ofte af ribben eller ark, f.eks. B. i radiatorer med høj temperatur kølespiralerne bag på køleskab eller klimaanlæg og bilens radiator.

materialer

Emaljeret rørbundtvarmeveksler til den kemiske industri

I de fleste tilfælde er varmevekslere lavet af metal , men også af emalje , plast , glas eller siliciumcarbid . I klimaanlægget anvendes kobber og aluminium overvejende på grund af deres gode varmeledningsevne . I industrianlæg anvendes stål , især rustfrit stål , hovedsageligt på grund af dets holdbarhed . Radiatorer er derimod nu for det meste lavet af stålplade , tidligere lavet af gråt støbejern .

Plast , emaljeret stål , teknisk glas eller siliciumcarbid anvendes til varmevekslere i den kemiske industri, når væskernes aggressivitet ikke tillader brugen af ​​metalliske materialer. På grund af sin ekstreme temperaturbestandighed (nedbrydningstemperatur over 2200 ° C) kan siliciumcarbid også anvendes i varmevekslere, hvis materialetemperaturer er over metallenes anvendelsesgrænse. Sådanne keramiske varmevekslere ved høj temperatur er imidlertid stadig under udvikling.

Design

Her behandles kun design af varmevekslere til flydende og gasformige medier:

Varmeveksler til direkte varmeoverførsel

  • Våde køletårne bruges til genkøling af opgaver i kraftværker. Varmt vand afkøles i direkte kontakt med den omgivende luft.

Recuperatorer

Recuperatorer har hver et separat rum til de to medier.

  • Pladevarmeveksler : Talrige parallelle plader, hullerne optages skiftevis af det ene og det andet medium.
    • Spiralvarmeveksler som en særlig form for pladevarmeveksler, hvor der i stedet for flade plader anvendes et metalplade viklet i en spiralform.
  • Rørvarmeveksler eller rørbundtvarmeveksler : Et medium pumpes eller transporteres på en anden måde gennem rørene ("rørrum"; normalt et stort antal parallelle rør). Rørene er placeret i det såkaldte skalrum, et større rør eller kedel, gennem hvilket et andet medium strømmer.
    • U-rør varmeveksler, hvor rørene er bøjet i en U-form. Fordelen er, at rørbundtet lettere kan indsættes og fjernes fra kedlen, fordi den kun er fastgjort på den ene side (fx svejset ind i kedlens låg).
    • Varmeledninger er lukket i begge ender og indeholder et medium til varmeoverførsel, som automatisk cirkulerer inden i det lukkede rør gennem kontinuerlig kondens og genfordampning.
  • Hybrid rørformede pladevarmevekslere er en hybrid af plade- og rørbundtvarmevekslere . De består af prægede plader i rustfrit stål, der er klemt ind oven på hinanden og fuldt svejset sammen. Disse er arrangeret på en sådan måde, at de på den ene side danner et rørformet tværsnit, og på den anden side har de et bølgende tværsnit, som det er almindeligt med pladevarmevekslere. Medierne føres forbi hinanden i en kryds modstrøm.
  • Varmevekslere med kappe består af to koncentriske rør; mediet i det indre rør opvarmes eller afkøles af mediet i det ydre rør (normalt vand). Dette design bruges til stærkt tyktflydende eller faste stoffer (f.eks. Suspensioner, opslæmninger), men har en lav varmeoverføringsoverflade og dermed et lavt effektivitetsniveau. Det er især velegnet til høje tryk i det indre rør.
  • Opvarmnings- og køleregistre er en kombination af rør (til det flydende medium) og finner, der er fastgjort til dem (til det gasformige medium).

Regeneratorer

Den lagringsbare basisdel af regeneratorer strømmer skiftevis igennem af det varme og kolde medium. Længden af ​​intervallet mellem vending af strømningsretningen afhænger af mediets massestrøm og lagerkassens varmekapacitet.

  • Regeneratorer bruges hovedsageligt til gasser; den termiske energi lagres midlertidigt i et fast stof og frigives senere fra den samme overflade til den anden luftstrøm. Man skelner

I roterende varmelager z. B. aluminiumsplader, kobberfletninger til regeneratorer i Stirling-motorer og ildfaste sten eller keramiske opbevaringsmasser til vindvarmere.

Beregning og evaluering af rekuperatorer

Ideel energi balance

I sin grundlæggende funktion krydses en varmeveksler af to væsker for at bringe dem til forudbestemte termodynamiske tilstande. Den varmeeffekt, der udsendes af den varme strøm (indeks: H) og samtidig forbruges af den kolde strøm (K), bestemmes ved hjælp af følgende energibalance :

Effekten afhænger af massestrømmen , den specifikke varmekapacitet og temperaturforskellen mellem indløbet (indeks: E) og udløbet (A) svarer til den energi, der transporteres mellem de to væsker på grund af varme :

Her er den varmeoverførselskoefficienten , varmeovergangsarealet og den (effektive) middeltemperatur forskel. Den gennemsnitlige temperaturforskel afhænger igen af ​​de to indløbstemperaturer, den transmitterede effekt og især af strømmen af ​​begge væsker gennem apparatet, såsom. B. en parallel flow eller tværstrøm. Sammenkædning af effektbalancerne og deling med den maksimalt mulige temperaturforskel mellem de to indløbstemperaturer leverer fortsat

som en dimensionsløs transportligning.

Dimensionsløse nøgletal

Den dimensionsløse transportligning giver følgende parametre for varmevekslere:

  • Dimensionsløs ydelse eller driftsegenskaber:

Nøgletallet angiver den faktiske ydelse i forhold til den teoretiske grænseydelse (på grund af temperaturkompensationen ) for en modstrømsvarmeveksler. Det er derfor en dimensionsløs størrelse med en numerisk værdi mellem og . Driftsegenskaberne kan også fortolkes som termisk effektivitet på grund af effektforholdet.

Driftsegenskaberne kan vises i et diagram som ordinaten over den dimensionsløse størrelse som abscissen (med forholdet mellem varmekapacitetsstrømmene). Med en stigende dimensioneløs opvarmningsoverflade (konstruktionsudgifter på grund af overfladen) øges den dimensionsløse output også, indtil den teoretiske grænseoutput er nået i grænsetilfældet for en uendelig varmeoverføringsoverflade .

  • Dimensionsløs gennemsnitlig temperaturforskel:

I - diagrammet ligger arbejdspunkterne for en varmeveksler på en lige linje gennem oprindelsen med gradienten .

  • Forholdet mellem varmekapacitetsstrømmene:

Denne variabel karakteriserer endelig varmevekslerens opgave. Det bruges til at konvertere mængderne til varm og kold elektricitet.

Ideel strømføring

DC-princip.png

Samtidig og modstrøm

Der er en række metoder til beregning af varmevekslere, der adskiller sig med hensyn til beregningsindsats og nøjagtighed. For at bestemme det termiske output er det normalt tilstrækkeligt at bruge en gennemsnitlig temperaturforskel for hele apparatet, der er afhængig af strømningskontrol. Varmevekslere med parallel strømstyring bruges ofte i praksis. Afhængigt af om de to materialestrømme bevæger sig i samme eller modsatte retning, gælder følgende:

  • Jævnstrøm:
  • Modstrøm:
Modstrømsprincip.png

Den gennemsnitlige temperaturforskel med parallel strøm kan også angives med den logaritmiske middelværdi (afledningen følger af forholdet, hvis temperaturerne bruges til nøgletallene):

Middelværdien ligger mellem temperaturforskellene på mediet på begge sider af varmeveksleren. I tilfælde af jævnstrøm er disse temperaturforskellene på indgangssiden og på udløbssiden, og i tilfælde af modstrøm er disse temperaturforskellene mellem indgangen til det ene medium og udløbet fra det andet medium.

Krydsflow

En anden idealiseret strømføring i rørbundt eller pladevarmevekslere er krydsstrømmen. I den rene tværstrømning løber de to materialestrømme vinkelret på hinanden og krydsblandes ikke i strømningsretningen sammenlignet med parallelstrømmen.

  • Ren tværstrømning (uden krydsblanding):

Her er det fakultet på . Ved givne indgangs- og udløbstemperaturer på apparatsiden kræver modstrøm den mindste varmeoverførselsoverflade, mens jævnstrømmen repræsenterer en meget ugunstig strømflow med hensyn til termisk ydelse. Med hensyn til den gennemsnitlige temperaturforskel ligger den rene krydsstrøm mellem værdierne for modstrøms- og strømstrømsapparatet. Andre typer flow:

  • Krydsflow, krydsblandet på den ene side:
  • Krydsflow, krydsblandet på begge sider:

Kryds modstrøm

Ud over den rene form opstår krydsflowet også i forbindelse med parallel flow. Et sådant kredsløb opnås z. B. ved at kombinere flere pladeelementer oven på hinanden. Strømmen fortsætter med at strømme gennem hvert element, men ved gentagen afbøjning finder strømmenes hovedbevægelse sted over højden. I tilfælde af en modsat strømning er der igen en modstrøm i denne forstand. Den gennemsnitlige temperaturforskel for et sådant kryds-modstrømskredsløb er i sidste ende mellem værdierne for modstrømmen og den rene krydsstrøm.

  • Kryds modstrøm (uden krydsblanding):

Hvert af områderne fortsætter med at være rent tværgående. I krydsstrømningsvarmevekslere med flere passager afhænger det termiske output af strømmen af ​​de to væsker over hele apparatet (hovedstrømningsretning) og, hvis det er relevant, graden af ​​krydsblanding inden for hver passage og områderne imellem . Dette resulterer i yderligere varianter af det mest varierede kredsløb af multipass-krydsstrømningsvarmevekslere.

  • Kryds modstrøm, krydsblandet på den ene side:

Et sådant kredsløb opnås f.eks. I rørbundtvarmevekslere.

  • Multi-pass cross-flow varmevekslere:

Et sådant kredsløb opnås for eksempel i multi-pass pladevarmevekslere.

Varmeoverførsel med faseovergang

I tilfælde af en faseændring af en ren væske (enkeltkomponentsystem) i en varmeveksler forbliver temperaturen i den pågældende væske konstant. For driftsegenskaberne gælder følgende:

Den specificerede værdi gælder både for fordampning og kondensering .

Ansøgninger

Luft-til-luft varmeveksler

Begge medier i gasform

  • Brug af udstødningsgasvarme til forvarmning af forbrændingsluftens indtag i industrielle systemer, f.eks. B. Roterende varmevekslere og vindvarmere .
  • Brug af udsugningsluftvarme til varmegenvinding , dvs. opvarmning af indblæsningsluft ved ventilation af klimatiserede bygninger eller til passive huse , såkaldte luft-til-luft-varmevekslere.
  • Luft / luft varmeveksler til køleskab .
  • Ladeluftkøler til forbrændingsmotorer

Ét medium gasformigt, en væske

Luft-til-væske varmevekslere til eftermonterede klimaanlæg i Singapore (2003)
  • Luftopvarmning eller -køling til direkte termisk behandling af tilluften i klimaanlæg
  • Rumluftopvarmning via radiatorer som konvektor : Det ribbet design er karakteristisk, hvilket gør det muligt at opnå store overflader.
  • Regenerativ varmegenvinding til opvarmning eller afkøling af tilluft i bygninger med aircondition.
  • Fødevand forvarmning af dampkedler (" økonomiser ").
  • Luft / vand varmeveksler til køling af kontrolskab .
  • Varmeoverførsel for varmtvandsproduktion i gas kedler .
  • Ladeluftkøler til forbrændingsmotorer med indirekte ladeluftkøling

Ét medium gasformigt, et i faseovergangsformet gasformigt / væskeformigt

Luft-til-væske varmevekslere
  • Kondens i dampturbiner.
  • Fordampning i dampkedler i kulfyrede kraftværker og dampgeneratorer i atomkraftværker.
  • Fordampning og kondensering af kølemidlet i klimaanlæg .
  • Varmeoverførsel fra luft til kølemidlet i fordamperen på varmepumper til opvarmning af bygninger.
  • Varmeafledning via kølespiral i og på køleskabs bagvæg .
  • Heat pipe
  • Varmeoverførsel i kondensationsprodukter tørretumblere (uden afgangsluft forbindelse).

En medium væske, en i faseovergangen gasformig / væske

Begge medier er flydende

Væske-til-væske varmevekslere

Andet

Følgende applikationer hører faktisk ikke til varmevekslerne, da varmen ikke overføres mellem to flydende medier: geotermisk varmeveksler , halvrørs spole , køleplade , radiator .

Se også

litteratur

  • H. Schnell: Varmevekslere, energibesparelse gennem optimering af varmeprocesser . 2. udgave. Vulkan-Verlag, Essen 1994, ISBN 3-8027-2369-4 .
  • Herbert Jüttemann: Opvarmning af varme og kulde . 4. udgave. Werner Verlag, Düsseldorf 2001, ISBN 3-8041-2233-7 .
  • Eberhard Wegener: Planlægning af en varmeveksler: holistisk løsning til reparation af en rørbundtvarmeveksler . 1. udgave. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2013, ISBN 978-3-527-33304-2 .
  • Hartmut Kainer: Keramiske varmevekslere . I: Årbog Teknisk Keramik . 1. udgave. Vulkan-Verlag, Essen 1988, s. 338-344 .

Weblinks

Commons : Varmevekslere  - Samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. ^ Hans Dieter Baehr, Karl Stephan: Varme- og materialetransport . 7. reviderede udgave. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-05500-3 , pp. fx kapitel 1.3 .
  2. ^ Association of German Engineers, VDI Society for Process Engineering and Chemical Engineering (GVC): VDI Heat Atlas . 11. revideret og udvidet udgave. Springer Vieweg, 2013, ISBN 978-3-642-19980-6 , pp. Afsnit C .
  3. Hartmut Kainer et al .: Keramiske rekuperatorer til højtemperaturprocesser. Endelig rapport om BMFT-forskningsprojektet 03E-8658 A, Didier Werke AG. Selvudgivet, Wiesbaden, april 1991.
  4. 50 år og stadig "hot": Hvorfor svejsede hybridpladevarmevekslere stadig har potentiale. Hentet 1. april 2021 .
  5. a b c d e f g Association of German Engineers, VDI Society Forfatter: VDI Heat Atlas . 11. revideret og udvidet udgave. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-10743-0 .
  6. a b c d T. Möller, O Strelow: En matrixberegningsmodel til simulering og hurtig beregning af den gennemsnitlige temperaturforskel for flere krydsstrømspladevarmevekslere. I: Ingeniørforskning. Bind 81, udgave 4, 2017, s. 357-369.
  7. E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Fundamentals of tekniske termodynamik. 6. udgave. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, s.328.
  8. ^ T. Möller: Modellering og simulering af multi-pass pladevarmevekslere af bloktype. 49. kraftværksteknologikollokvium, okt 2017.
  9. ^ A b E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Grundlæggende om teknisk termodynamik. 6. udgave. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, s. 330–333.
  10. W. Nusselt: En ny formel for varmeoverførslen i tværstrømmen. I: Teknisk mekanik og termodynamik. Bind 1, udgave 12, 1930, s. 417-422.
  11. ^ H. Hausen: Varmeoverførsel i modstrøm, strøm og krydsstrøm. 2. udgave. Springer Verlag, 1976.
  12. E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Fundamentals of tekniske termodynamik. 6. udgave. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, s.337.