ZÁKLADY VÝMENY TEPLA

ZÁKLADY VÝMENY TEPLA

Podľa Danfoss manuál, 2020 spracoval Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD.

Výmenníky tepla využívajú rozdiely teplôt na pohyb tepla. Dva toky kvapaliny sa privedú do úzkeho kontaktu na oboch stranách steny alebo potrubia, čo umožňuje energii - vo forme tepla - prechádzať cez stenu alebo potrubie z horúcej strany na studenú stranu. Výmena tepla (zisk alebo strata) vedie k zmenám v médiách na oboch stranách. V prípade jednej fázy (kvapaliny alebo pary) vedie k zmene teploty.

Výkon výmenníka tepla

Vo výparníkoch vedie výmena tepla k vyparovaniu chladiacej kvapaliny a v kondenzátoroch výmena tepla vedie ku kondenzácii pár chladiva. Výkon výmenníka tepla môže byť všeobecne vyjadrená:

Q = U. A. ∆T

Kde:

Q je výkon [W]
U je súčiniteľ prechodu tepla [W / (m2K)]
A je plocha prenosu tepla [m2]
ΔT je teplotný rozdiel [K alebo ° C]

Typy prenosu tepla vo výmenníkoch tepla

Vo výmenníkoch tepla pre chladiace systémy sa teplo obvykle prenáša z plynu / pary alebo vzduchu na kvapalné chladivo alebo chladivo s fázovou premenou alebo naopak. V tomto prípade sú možné dva typy prenosu tepla:

Vedenie: Keď sa teplo prenáša cez pevný materiál, napr. stenou kovovej rúry alebo keď sa teplo prenáša medzi dvoma pevnými materiálmi kontaktom, napr. v doskových mrazničkách.
Prúdenie: Keď sa teplo prenáša medzi kvapalinou, plynom alebo chladivom meniacim fázu a tuhým materiálom, napr. pri vyparovaní chladiva teplo prúdi cez výparníkové potrubie a prenáša sa zo steny potrubia na vyparujúce sa chladivo.

Súčiniteľ prechodu tepla – U

Celkový súčiniteľ prechodu tepla, U, popisuje, ako dobre sa prenáša teplo vo výmenníku tepla. Celkový koeficient prechodu tepla závisí od prietokových vlastností ohriateho média a ochladeného média vo výmenníku tepla, veľkosti steny / potrubia a jeho tepelnej vodivosti (hodnota k), ako aj od faktorov, ako je znečistenie (špinavé povrchy).

Pre jednotlivé - fázové toky (voda, glykol, para alebo kvapalné chladivo), koeficient prechodu tepla závisí od vlastností kvapaliny, ktoré sú zvyčajne daným faktorom, a od rýchlosti kvapaliny vo výmenníku tepla. Vyššia rýchlosť poskytuje vyšší súčiniteľ prechodu tepla, ale vedie tiež k vyššej tlakovej strate. Prietoky kvapalín majú zvyčajne najvyššie koeficienty prechodu tepla.

Pri vyparovaní

Súčiniteľ prechodu tepla závisí od vlastností chladiva, ako aj od tepelného toku (W / m2) a spôsobu prevádzky (zaplavený, DX) a od rôznych parametrov, ako je napríklad rýchlosť cirkulácie alebo prehriatie.

Pri kondenzácii

je to takmer to isté, aj keď s rôznymi parametrami. Projektant výmenníkov tepla nemá veľký vplyv na koeficientmi prechodu tepla pri vyparovaní a kondenzácii. Znečisťovanie je hodnota, ktorú odhaduje projektant a ktorá vyjadruje nečistoty, olej atď., čo kladie prenosu tepla odpor. Táto hodnota je do značnej miery hodnotou založenou na skúsenostiach, pričom skutočná hodnota závisí od typu kvapaliny, napríklad od čistej vody oproti rieke alebo odtokovej vody - druhá vyžaduje oveľa väčšie znečistenie ako prvá.

Znečistenie chladiarenskými olejmi

je tiež zdrojom tepelného odporu. Zanášanie sa zvyčajne uvádza pre každú stranu výmenníka tepla. Nakoniec sú vlastnosti steny medzi oboma stranami dané skutočným výmenníkom tepla prostredníctvom použitých materiálov a zvolenou geometriou.

Celkový súčiniteľ prechodu tepla

Všetky tieto faktory sa kombinujú a vytvárajú celkový súčiniteľ prechodu tepla. Je pozoruhodné, že je to strana s najnižším súčiniteľom prestupu tepla (ktorý kladie najväčší odpor proti prechodu tepla), ktorý dominuje celkovému súčiniteľu prechodu tepla. Napríklad výparník s veľmi nízkou rýchlosťou na strane vody / glykol bude mať na tejto strane nízky koeficient prechodu tepla, takže vyparovacia strana môže mať súčiniteľ veľmi vysoký no bez významného rozdielu od celkového súčiniteľa prechodu tepla.

Plocha na prenos tepla – A

Oblasť na prenos tepla nie je vždy tak jednoduchá, ako to vyzerá. V mnohých výmenníkoch tepla nie je povrch, ktorý je k dispozícii z dvoch strán, rovnaký. Napríklad v tepelných výmenníkoch typu rúrka-rúrka nie je povrch rúry zvnútra ani zvonka rovnaký z dôvodu rozdielu v priemere (hrúbky steny) alebo použitia „zväčšeného povrchu“, napr. rískami, zvlnením, ....

Toto je faktor, ktorý ovplyvňuje celkový súčiniteľ prechodu tepla a je dôležité (pri programovaní výpočtového nástroja) zabezpečiť, aby použitá plocha bola v súlade s korekciou na celkový súčiniteľ prechodu tepla.

V prípadoch, ako sú doskové výmenníky tepla, je plocha rovnaká na oboch stranách, a preto predstavuje niekoľko problémov pri výpočte. Celková intenzita prechodu tepla, UA uvedená v [W / K], sa zvyčajne počíta na základe individuálneho príspevku z hodnoty U každého typu prenosu tepla a zodpovedajúcej plochy prenosu tepla - A.

Teplotný rozdiel - ΔT

Teplotný rozdiel je hnacou silou výmeny tepla. Teplo prúdi z teplej strany na studenú. Keď sa však teploty prietokov menia, nie je vždy zrejmé, aký je teplotný rozdiel v danom bode.

Príklad: Dva prúdy vody vstupujú do výmenníka tepla z tej istej strany s teplotami 70 ° C a 10 ° C, resp. Prietok teplej vody má dvojnásobný objemový prietok ako prietok studenej vody.

Nasledujúci obrázok zobrazuje teplotu na osi y (vertikálna os) a relatívnu dráhu prechádzajúcu prietokom cez výmenník tepla v %, teda 0% je vstup, 50% je polovica a 100% výstup.

Profil teplôt pri súprudom výmenníku

Ak prietok horúcej vody je dvojnásobok prietoku studenej vody, dosiahla by sa rovnovážna teplota 50 ° C, keby boli prietoky zmiešané.

Z obrázku je zrejmé, že prietoky sa na výstupe blížia k 50 ° C. Je potrebné poznamenať rýchlosť zmeny teploty pri prietokoch cez výmenník tepla. Na vstupe je prenos tepla vysoký, pretože teplota sa veľmi mení. Keď sa prietoky zahrievajú / ochladzujú, teplotný rozdiel sa zmenšuje a prestup tepla sa znižuje.

Na výstupe sú prietoky takmer pri rovnakej teplote, ale teploty sa menia veľmi málo od približne 80% do výstupu, v dôsledku veľmi malého prenosu tepla pri malom teplotnom rozdiele.

Ak by bol výmenník tepla nekonečne veľký (A = ∞), teploty prietokov by dosiahli 50 ° C. Tento obrázok ukazuje problém so stanovením skutočného stredného teplotného rozdielu, pretože teplotný rozdiel sa pohybuje od 60 K na vstupe do 0 K na výstupe.

Riešením je použitie „priemerného logaritmického rozdielu teplôt“ (LMTD), ktorý kompenzuje zmeny teploty. LMTD sa počíta takto:

Kde ΔTs predstavujú teplotné rozdiely na oboch koncoch výmenníka tepla. Pomocou toho sa vypočíta LMTD = 15,86 K.

Súprud a protiprúd

Súprúd a protiprúd sú pojmy, ktoré sa týkajú smeru prúdenia tekutín vo výmenníku tepla, jednej voči druhej.

Súbežný prúd: Výmenník tepla pre súbežný prúd má horúci a studený tok, ktorý prúdi rovnakým smerom. Vyššie uvedený obrázok predstavuje súbežný výmenník tepla. Tým, že majú toky rovnaký smer, je dosiahnutý vysoký prenos tepla okolo vstupu do výmenníka tepla. Avšak pre súbežný výmenník tepla nemôže byť tok na horúcej strane ochladený pod výstupnú teplotu prietoku na studenej strane a naopak, tok na studenej strane nemôže byť ohrievaný nad výstupnú teplotu prietoku na horúcej strane.
Protiprúd: Protiprúdny výmenník tepla má prietok horúceho a studeného prúdu v opačných smeroch, takže vstup na studenej strane je umiestnený na výstupe na horúcej strane. Protiprúdny výmenník tepla môže chladiť horúcu stranu pod teplotou výstupu na studenej strane, pretože výstup na horúcej strane prenáša teplo na vstup na studenej strane a naopak.

Obrázok nižšie zobrazuje rovnaký príklad ako predtým, ale s protiprúdnym výmenníkom tepla namiesto súprúdneho. Je zrejmé, že pokles teploty pre horúcu stranu je 25 ° C, zatiaľ čo pre súprúd to bolo 20 ° C. To znamená, že v tejto situácii sa odovzdalo viac tepla, čo má za následok, že protiprúdový výmenník tepla je účinnejší ako súprúd, a teda protiprúd má vyšší výkon.

Profil teplôt pri protiprúdom výmenníku

V tomto prípade sa studený prúd môže ohriať na 60 ° C a horúci prúd sa môže ochladiť na 45 ° C. Všetky ostatné parametre sú rovnaké. Rozdiel je v tom, že LMTD je vyšší pri poklese o 25,0 ° C, z čoho asi 25% sa priamo odráža aj na výkone výmenníka. Protiprúdný výmenník tepla je oveľa efektívnejší ako súbežný prúd.

Rozdiel v LMTD možno vidieť medzi dvoma krivkami. Aj keď súprud začína s veľkým teplotným rozdielom, rýchlo klesá takmer na nulu, zatiaľ čo protiprúd udržuje veľký rozdiel v celom výmenníku tepla.

Bod priblíženia

Bod priblíženia je bod vo výmenníku tepla, kde teplotný rozdiel je minimálny. To znamená, že bod priblíženia je limitujúcim faktorom výmenníka tepla z hľadiska výkonu. Na predchádzajúcich príkladoch má súbežný výmenník tepla na obrázku teplotný rozdiel bodu priblíženia 1,5 K, zatiaľ čo pre protiprúdny výmenník tepla je to 10 K.

Príliš malý teplotný rozdiel priškrtenia nie je žiaduci, pretože to znamená, že tepelný výmenník je príliš veľký a jeho kapacita sa nevyužíva optimálne. Teplotný rozdiel priblíženia je parameter, ktorý sa zvyčajne skúma pri dimenzovaní výmenníka na optimalizáciu výkonu. Typicky ide o kompromis medzi efektivitou, nákladmi a kapacitou.

Kondenzátory

Vo výmenníku tepla s fázovou zmenou je to trochu zložitejšie. Počas fázovej zmeny zostane chladivo pri konštantnej teplote alebo pre zeotropné zmesi chladiva s konštantnou kĺzavá teplotou (sklonom, teplotným sklzom), keď dochádza ku fázovej zmene.

Priebeh teplôt pri kondenzácii amoniaku vo výmenníku tepla

Amoniak vstupuje do výmenníka tepla s výstupnou teplotou pár z kompresora, ktorá je v tomto príklade nastavená na 80 ° C. Pary sa ochladzujú, kým nedosiahnu teplotu nasýtenia pre amoniak - 35 ° C - kedy začne kondenzácia. Pokiaľ dôjde ku kondenzácii, teplota zostane na saturačnej teplote.

Na konci je amoniak skvapalnený a dôjde k malému podchladeniu. Na st rane vody vstupuje voda pri 10 ° C a pri znižovaní teplotného rozdielu sa ohrieva na teplotu blízku kondenzačnej teplote s postupne sa znižujúcim výkonom. Pred koncom voda vstupuje do oblasti, v ktorej je ochladzovaný horúci výstupný plyn, a voda získava malé zvýšenie teploty zo zvyšujúceho sa teplotného rozdielu.

Diagram však ukazuje bod priblíženia v návrhu kondenzátora

Pri pohľade na vstupnú teplotu chladiva (80 ° C) je možné veriť, že výstupná teplota vody bude možná 60 ° C, čo by bolo veľmi vítané v systémoch spätného získavania tepla alebo v tepelných čerpadlách. Avšak na začiatku kondenzačného procesu - okolo 8 % na diagrame - je teplota vody veľmi blízka kondenzačnej teplote.

Bod priblíženia, to znamená rozdiely teplôt vo výmenníku tepla znižujú a limitujú jeho výkon. Teplota vody na grafe kondenzátora sa zvýši približne o 25 ° C. Ak bola požadovaná teplota vody na výstupe 60 ° C, napr. zvýšenie o 50 ° C, bolo by potrebné odhadom znížiť prietok vody na polovicu. To však vedie k teplotnému profilu, ktorý je znázornený na obrázku.

Teplotný profil chladiacej vody kondenzátora so zníženým polovičným prietokom vody

Je zrejmé, že teplota vody s polovičným prietokom sa rýchlejšie blíži ku kondenzačnej teplote, ale už nie je schopná sa ďalej ohrievať, pretože teplotný rozdiel klesne takmer na nulu. Pretože teplotný rozdiel medzi 8% a 30% dráhy je približne 0, v tejto časti výmenníka tepla nedochádza k žiadnemu prenosu tepla z amoniaku do vody. Keď prúd vody vstupuje do zóny prehriatia, ohreje sa na približne 38 ° C. Teplejšie ako predtým, ale s polovičným prietokom. Vďaka tomu sa kondenzačný výkon zníži na približne 55% predchádzajúceho príkladu. Bod priblíženia obmedzil prenos tepla vo veľkej časti kondenzátora - čo je v podstate zbytočné plytvanie výkonom kondenzátora.

Správna hodnota LMTD

LMTD sa zameriava na teplotné rozdiely na vstupe a výstupe - nie je dostatočná na opísanie skutočnej situácie. Použitím vstupnej a výstupnej teploty sa LMTD vypočíta na 29,76 ° C (pre prvý príklad kondenzácie). Ak je však výmenník tepla rozdelený na sekcie podľa 3 rôznych situácií na kondenzačnej strane, je možné vypočítať presnejšiu LMTD pomocou LMTD pre každú sekciu. V časti odvádzajúcej prehriatie je LMTD 7,77 ° C, v kondenzačnej časti 4,98 ° C a v podchladzovacej časti 22,09 ° C. Pretože prehriatie predstavuje 11,3% z celkovej kapacity, kondenzácia 86,4% a podchladenie 2,4%, vážená LMTD upravená podľa toho je 5,70 ° C, čo je približne 20% z celkového výpočtu. Ďalším spôsobom váženia LMTD je oblasť, ktorú používajú rôzne subprocesy.

Je možné poznamenať, že prehriatie - ktorá je v tomto príklade 11% z celkovej kapacity - si vyžaduje približne 8% z celkovej plochy. Je to spôsobené vyššou LMTD v tejto oblasti. V tomto príklade, ktorý sa zameriava na teploty, bol koeficient prenosu tepla nastavený na konštantnú hodnotu. V skutočnom živote je koeficient prestupu tepla pri prehriatí - čo je jednoduché chladenie plynom - oveľa nižší ako v kondenzačných a podchladzovacích zónach, takže plocha použitá na prehriatie by musela byť o niečo väčšia.

Výparníky

V zaplavenom výparníku je výparná teplota v celom výmenníku tepla konštantná. Vďaka tomuto jednoduchému správaniu oboch strán poskytuje celková LMTD dostatočne dobrý obraz o rozdiele teplôt. Upozorňujeme, že z hľadiska teploty nezáleží na tom, či chladivo a soľanka prúdia v rovnakom alebo opačnom smere, je však normou mať prietoky v rovnakom smere, aby sa „naštartovalo“ odparovanie. s najväčším možným teplotným rozdielom.

Teplotný profil pre zaplavený výmenník

Avšak vo výparníku s priamou expanziou (DX) zostáva výparná teplota konštantná, kým sa neodparí všetko chladivo a potom sa plyn prehreje na výstupnú teplotu.

Teplotný profil DX výparníka

Jednoduchý výpočet LMTD

Zo vstupných / výstupných teplôt opäť neukazuje skutočnú situáciu. Pri použití týchto teplôt je LMTD 3,75 ° C, zatiaľ čo rozdelením na var a prehrievanie podobne príkladu kondenzátora, vážený LMTD bude 5,70 ° C - približne o 50% vyšší.

Pinch-point

Rovnako ako problém priblíženia teplôt „pinch-point“ v kondenzátore, vytvorenie prehriatia vo výparníku môže byť problém, ak sú teploty príliš nízke. Je zrejmé, že výstupná teplota na teplej strane nemôže byť nižšia ako je výparná teplota, ale je tiež potrebné mať na vstupnom konci dostatočný teplotný rozdiel, aby sa vytvorilo prehriatie. Dostatočne veľké prehriatie je nevyhnutné na zabezpečenie toho, aby prúd chladiva do kompresora bol vždy bez kvapaliny.

Normálne je prehriatie v rozmedzí 5 až 10 K

V teplotnom profile uvedenom nižšie na obrázku sa u výparníka DX z predchádzajúceho príkladu zvýšila jeho výparná teplota z 2 ° C na 6 ° C.

DX podľa predchádzajúceho príkladu so zvýšenou výparnou teplotou z 2 ° C na 6 ° C.

Je zrejmé, že výparník na obrázku má ťažkosti s vytváraním prehriatia, a preto nie je bezpečný pre kompresor.

Existuje veľa variácií tokov tekutín

Uvedené sú základné prevádzky výmenníkov tepla, ale existuje veľa variácií. Krížový tok je tam, kde dve kvapaliny nie sú ani súprudom, ani protiprúdom, ale sú navzájom kolmé. Podobne môžu mať tepelné výmenníky niekoľko „prechodov“ na jednej alebo na oboch stranách, kde toky menia smer.

Tieto variácie vyžadujú starostlivé použitie funkcií LMTD na adekvátne vyjadrenie rozdielu skutočnej teploty, tu však nie sú obsiahnuté.

Obmedzenia pre výmenníky tepla

Ako už bolo spomenuté, prenos tepla sa skladá z 3 častí - prenos tepla na strana chladiva (vľavo), prenos tepla cez stenu (v strede) a prenos tepla na strane vody (vpravo). Znečisťovanie je v tomto príklade ignorované.

Okrem vyššie uvedených obmedzení týkajúcich sa teplotných rozdielov je potrebné vyriešiť niekoľko ďalších problémov, aby sa zabezpečila bezpečná a efektívna prevádzka výmenníka tepla.

Najvyšším rizikom

Je zmrazenie soľanky / vody, pretože má potenciál zničiť výmenník tepla. Keď sa voda pri zamrznutí roztiahne, tieto sily sú dostatočné na to, aby rozbili kovové steny výmenníka tepla.

Ak vezmeme do úvahy aplikáciu, kde je potrebné ochladiť vodu na 2 ° C pomocou chladiva, ktoré sa vyparuje pri teplote -2 ° C, teploty na oboch stranách môžu byť ako príklad znázornené na obrázku.

Teplotný rozdiel teploty vyparovania a teploty vody je 4 ° C

Akýkoľvek prenos tepla vyžaduje ako hybnú silu teplotný rozdiel

Takže teplota steny na strane vody je nižšia ako teplota pretekajúcej vody, teplota steny na strane chladiva je nižšia ako na strane vody a nakoniec teplota chladiva (vyparujúceho sa) je nižšia ako teplota steny na strane chladiva.

Skutočné teplotné rozdiely

Je možné vypočítať z koeficientu prestupu tepla na dvoch stranách tekutiny a z tepelnej vodivosti a hrúbky steny v stene. Uvedené hodnoty slúžia iba ako príklad.

Dôležitou hodnotou je teplota steny na strane vody, ktorá je tu 0,5 ° C - nad, ale blízko bodu mrazu.

Lákavé pracovať s nižšou výparnou teplotou

Bolo by lákavé pracovať s nižšou výparnou teplotou - vyššia teplotná odchýlka by znamenala menší a lacnejší výmenník tepla. Avšak nižšia teplota odparovania posúva teploty stien na oboch stranách.

Voči obrázku vyššie sa teplotný rozdiel teploty vyparovania a teploty vody zdvojnásobil zo 4 ° C na 8 K.

Za predpokladu, že súčinitele prechodu tepla sú konštantné, sa tak zdvojnásobia všetky teplotné rozdiely. Následne je teplota steny na strane vody teraz -1 ° C a výmenník tepla určite zamrzne.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 4/2021