Hőcserélő

A hőcserélő olyan eszköz, amely hőenergiát visz át egyik folyadékból a másikba anélkül, hogy összekeverné őket. A hőáram áthalad a cserefelületen, amely elválasztja a folyadékokat.

Az eszköz előnye a két áramkör elválasztásában és a hőtől eltérő egyéb cserék hiányában rejlik, amely az egyes folyadékok fizikai-kémiai jellemzőit (nyomás, kémiai elemek koncentrációja stb.) Változatlanul tartja, kivéve hőmérsékletüket vagy hőmérsékletüket. állapot .

A hőcserélőt a jelenlévő folyadékok, a kívánt cél és a felhasználandó teljesítmény jellemzi ; ezek a kritériumok határozzák meg optimális alakját és méreteit.

Alkalmazások

A hőcserélőket számos területen használják, és számos alkalmazásuk van, például:

a kazán , a hőcserélőket az égéstermékek energiájának visszanyerésével fűtött vízzel lehet előállítani ;
a radiátoros apartmanok vízmelegítőkkel lehetővé teszik a helyiségek levegőjének felmelegítését, ahol kényelmesek vagyunk;
a meleg vizet a csapvíz melegítésével lehet előbb emberi fogyasztásra alkalmatlan zárt körű fűtéssel használni , a kezelt víz torzítása nélkül;
a hűtőgép , legyen az hűtőszekrény , légkondicionáló vagy hőszivattyú , ahol szükség van rájuk;
A hűtés a forró folyadékok, hogy ne sérüljenek miatt túl magas hőmérsékleten; ez az autó radiátorának tipikus esete ;
interfészként egy primer áramkör és egy szekunder áramkör között , egy érzékeny terület bezárásának biztosítására, általában atomerőműben ;
a hő újrahasznosítása, mielőtt az a külső környezetbe kerülne, csakúgy, mint az elavult légvisszanyerő egy kettős áramlású szellőzőrendszerben .

Hőátadás

Átadási módszerek

A hőcsere mindig konvekcióval történik : minél nagyobb a cserefelület, annál hatékonyabb a csere.

A hőcserélők három fő típusát különböztethetjük meg:

egyáramú (vagy módszer nélküli anti-hőcserélő): a két folyadék párhuzamosan és azonos irányban kering. Antimódszertani hőcserélőben a hideg folyadék kimenő hőmérséklete szükségszerűen alacsonyabb, mint a forró folyadék kimeneti hőmérséklete;
az áram ellenében (beszélünk módszeres hőcserélőről is): a két folyadék párhuzamosan, de ellentétes irányban kering. Módszertani hőcserélőben a cseregyüttható jelentősen nagyobb, mint az anti-módszertani hőcserélőé, és a hideg folyadék kimeneti hőmérséklete magasabb lehet, mint a forró folyadék kimeneti hőmérséklete;
keresztezett áramokkal: a két folyadék többé-kevésbé merőleges irányban áramlik.

Néhány hőcserélő hibrid:

hajtű (vagy U): az első áramkör oda-vissza fordul egy borítékban, amelyen keresztül a második folyadék halad keresztül. Ez a konfiguráció összehasonlítható a párhuzamos áramcserélőkkel a hosszúság felénél, a másik fele pedig az ellenáramú hőcserélőkkel; a második áramkör terelőlapjai keresztáramú hőcserélőket is képezhetnek;
közvetlen érintkezés: a két folyadék, szükségszerűen eltérő állapotban , érintkezésbe kerülhet, mint a hűtőtornyok esetében . A fúvókák a hűtendő vizet permetezik, amely a toronyban keringő levegőbe esik; utóbbi felmelegszik, sűrűségváltozása miatt felemelkedik, majd a szabadba menekül. További változás történik az állapotváltozás révén: az elpárolgó víz lehűti a folyékony maradék vizet. Ellenáramú hőcserélő marad, de több cserével rendelkezik a vízveszteség árán;
ugyanebben az elvben és a levegő-levegő hőcserélők hatékonyságának javítása érdekében lehetséges az egyik vénába vizet injektálni, hogy az elpárologjon, ami csökkenti a két áramkör kimeneti hőmérsékletét és megközelíti az adiabatikus hűtést .

Hőcsere modellezése - logaritmikus hőmérséklet-eltérés

Érdekel egy hőcserélő egy forró folyadék, amelynek belépő hőmérséklete a hőcserélőben, és egy kimenet, valamint egy hideg folyadék, amelynek belépő hőmérséklete van a hőcserélőben és egy kimenet között . $Ön$ $T_ {s}$ $Ön$ $t_s$ ${\ displaystyle (t_ {s}> t_ {e} \ {\ text {és}} \ T_ {e}> T_ {s})}$

Megkülönböztetnek olyan eseteket, amikor a hőcsere módszeres vagy módszer nélküli. Ezenkívül a figyelembe vett folyadékoknak eltérő a hőteljesítménye.

A hőmérséklet fokozata

A csere csak akkor lehetséges, ha a hőjét leadó folyadék melegebb, mint a fűtött folyadék: ${\ displaystyle T_ {e}> t_ {e}}$

A forró folyadék lehűl, ezért: ${\ displaystyle T_ {e}> T_ {s} \ qquad T_ {e} -T_ {s}> 0}$

A hideg folyadék felmelegszik, ezért: ${\ displaystyle t_ {s}> t_ {e} \, \ qquad \, t_ {s} -t_ {e}> 0}$

A két egyenlőtlenség összeadásával: ezért $T_e - T_s + t_s - t_e> 0$ ${\ displaystyle T_ {e} -t_ {e}> T_ {s} -t_ {s}}$

Antimódszertani csere esetén a következők is vannak: és ezért: $T_s> t_s$ ${\ displaystyle T_ {e}> T_ {s}> t_ {s}> t_ {e}}$

Logaritmikus hőmérséklet-eltérés

A hőcserélő logaritmikus hőmérséklet-különbségét Celsius-fokban mért mennyiségnek hívjuk : ${\ displaystyle \ Delta T \ operátornév {Log}}$

Ha a hőcserélő módszerellenes (egyáramú): ${\ displaystyle \ Delta T \ kezelőnév {Log} = {(T_ {s} -t_ {s}) - (T_ {e} -t_ {e}) \ felett \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra}}}$
Ha a hőcserélő módszeres (az árammal szemben): ${\ displaystyle \ Delta T \ operátor neve {Log} = {(T_ {e} -t_ {s}) - (T_ {s} -t_ {e}) \ felett \ ln \ balra ({T_ {e} -t_ {s} \ felett T_ {s} -t_ {e}} \ jobbra)}}$
val vel:
- $T_e =$ forró folyadék bemeneti hőmérséklete.
- $T_s =$ forró folyadék kimeneti hőmérséklete.
- $t_e =$ hideg folyadék belépő hőmérséklete.
- $t_s =$ hideg folyadék kimeneti hőmérséklete.
ha a csere módszeres, akkor a folyadékoknak különböző hőkapacitása van.

Hőerőcsere

A kicserélt hőenergia a következő formát ölti:

{\ displaystyle W = h \ szor S_ {e} \ szor \ Delta T \ operatornév {Log}}

val vel:
- ${\ displaystyle h = {\ mbox {globális csereegyüttható}}}$
- ${\ displaystyle S_ {e} = {\ mbox {cserefelület}}}$

A hőcserélő számítási folyamata

A hőcserélő két különböző hőteljesítményű közeg közötti hőcserélő cserefelületének kiszámítása, amely azt kívánja tőlük, hogy legyenek a hőcserélő belépési kimeneti hőmérsékletei : az s feltételű hideg folyadék esetében a következőképpen jár: ${\ displaystyle T_ {e} \ ;; \; T_ {s}}$ ${\ displaystyle t_ {e} \ ;; \; t_ {s}}$ ${\ displaystyle Q \ szorzat C \ szer (T_ {e} -T_ {s}) = q \ szorzat c \ szor (t_ {s} -t_ {e})}$

Q-val a folyadékok áramlási sebessége.
A h cserélési együttható kiszámítása a hőcserék klasszikus összefüggéseinek alkalmazásával, amelyek megadják az áramlások Nusselt-számának értékét . Ha erre szükség van (a folyadékok termodinamikai jellemzőinek jelentős eltérései), a h kiszámítását a csere különböző pontjain végezzük, hogy összevont átlagérték legyen.
Kiszámítása ${\ displaystyle \ Delta T \ operátornév {Log}}$
A szükséges cserefelületet ezután az egyszerű képlet adja meg: ${\ displaystyle S_ {e} = {W \ több mint \ h \ szor \ Delta T \ operátor neve {Log}}}$

Ezzel szemben, ha ismerjük a hőcserélő geometriáját, a belépő hőmérsékleteket és a folyadékok tömegáramát, akkor ugyanezzel a képlettel értékelhetjük a kicserélt energiát, valamint a hőcserélő kimeneti hőmérsékletét. A hőcserélő előméretezési számításainak többségét ezzel a képlettel végezzük.

Hőmérsékletek a csere mentén

A helyi csere együtthatójának változatlanságát feltételezve, a forró folyadék és a hideg folyadék hőmérsékletét a hőcsere mentén a görbe vonalú abszcisszák függvényében, a folyadék áramlási irányába orientálva, a következő összefüggések adják meg: $T$ $t$ ${\ displaystyle {S \ over S_ {e}}}$

Ha a hőcserélő anti-módszer (egyáramú)

${\ displaystyle T = T_ {e} - {T_ {e} -t_ {e} \ több mint 1+ \ alpha} \ szer \ balra [1- \ balra ({T_ {s} -t_ {s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra \ \ quad}$ ${\ displaystyle t = t_ {e} + {T_ {e} -t_ {e} \ több mint 1+ {1 \ over \ alpha}} \ szor \ bal [1- \ bal ({T_ {s} -t_ { s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra}}$

Ha a hőcserélő módszeres (az árammal szemben)

${\ displaystyle T = T_ {e} - {T_ {e} -t_ {s} \ több mint 1- \ alfa} \ szer \ balra [1- \ balra ({T_ {s} -t_ {e} \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra \ \ quad}$ ${\ displaystyle t = t_ {e} + {T_ {s} -t_ {e} \ 1- {1 \ over \ alpha}} \ szor \ bal [1- \ bal ({T_ {e} -t_ { s} \ felett T_ {s} -t_ {e}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra}}$

val vel:
- ${\ displaystyle \ alpha = {t_ {s} -t_ {e} \ felett T_ {e} -T_ {s}}}$
- ${\ displaystyle {S \ over S_ {e}} = {\ mbox {a cső görbe vonalú abszcisszája a folyadék áramlásának irányában}}}$
- Ha az egyik kívánságát, hogy a hőmérséklet egymással szemben ugyanazon a helyen a hőcserélő esetén módszeres cseréje ki kell cserélni az egyik vagy a másik adó képletek és ${\ displaystyle {S \ over S_ {e}}}$ ${\ displaystyle 1- {S \ over S_ {e}}}$ $T$ $t$

Alkalmazási példát adunk a cikk gőzfejlesztőjére

Egy hőcserélő egyszerűsített kiszámítása - Logaritmikus hőmérséklet-különbség - Hőmérsékletek a csere mentén

Bevezető

Először teljes körűen tanulmányozzuk azt az esetet, amikor a hőcsere anti-módszertani (egyidejű folyadékáramlás). A módszeres cserét másodlagosan differenciálban vizsgáljuk.

Minősítések és adatok

${\ displaystyle \ Delta T = T_ {e} -T_ {s}}$
${\ displaystyle \ Delta t = t_ {s} -t_ {e}}$
${\ displaystyle Q \; és \; q}$ = hideg és meleg folyadék tömegárama kg / s-ban
${\ displaystyle C \; {\ text {és}} \; c}$ = hideg és meleg folyadék fajlagos hőteljesítménye, J / (kg⋅K) (nem egyenlő)
${\ displaystyle S_ {e}}$ = a hőcserélő teljes cserefelülete és = a csere mentén levő felület (változó) $S$
$W$ = áramcsere

Általános hőmérleg

${\ displaystyle W = q \ szorzat c \ szorzat \ Delta t = Q \ szorzat C \ szorzat \ Delta T}$ . Észrevettük ${\ displaystyle \ alpha = {\ Delta t \ over \ Delta T} = {Q \ szorzat C \ felett q \ szeres c}}$

Hőcsere a cserefelület mentén (a folyadék áramlásának irányában):

Vagyis a hőmérséklete alatt álló forró folyadék és a hideg folyadék között a hőcserélés lokális hőmérsékletű cserefelületének egyik eleme, a cserefelület elemében kicserélt teljesítmény (megjegyezve ) meg van írva: ${\ mathrm d} S$ $T$ $t$ ${\ mathrm d} S$ ${\ displaystyle \ mathrm {d} W}$

${\ displaystyle \ mathrm {d} W = h \ szor (Tt) \ mathrm {d} S = q \ szer c \ times \ mathrm {d} t = -Q \ szorzat C szorzat \ mathrm {d} T}$ (a folyadék áramlásának irányában a pozitív negatív) ${\ mathrm d} t$ ${\ displaystyle \ mathrm {d} T}$

with = csereegyüttható W / (m 2 = K); a hipotézis általában elég jól igazolható, ha a cserét folyadékok között fázisváltozás nélkül hajtják végre, a h állandóságát az egész csere során $h$

${\ displaystyle q \ times c \ times \ mathrm {d} t = -Q \ times C \ times \ mathrm {d} T}$ honnan ${\ displaystyle \ mathrm {d} t = - {Q \ szorzat C \ felett q \ szorzat c} \ szor \ mathrm {d} T = - \ alfa \ szer \ mathrm {d} T}$

és emellett ${\ displaystyle t-t_ {e} = - \ alpha szorzat (T-T_ {e}) \ quad t = t_ {e} + \ alpha \ times (T_ {e} -T)}$ ${\ displaystyle \ mathrm {d} W = -Q \ szorzat C \ szor \ mathrm {d} T}$

ezután t-t és dW-t helyettesítjük az értékeikkel a Jön: ${\ displaystyle \ mathrm {d} W = h \ szor (Tt) \ times \ mathrm {d} S \ quad.}$

${\ displaystyle -Q \ times C \ times \ mathrm {d} T = h \ times \ left (T-t_ {e} - \ alpha \ times (T_ {e} -T) \ right) \ times \ mathrm { d} S = h \ szor \ balra (T \ szor (1+ \ alfa) -t_ {e} -T_ {e} \ szer \ alfa \ jobbra] \ szor \ mathrm {d} S}$

${\ displaystyle {-Q \ times C \ times \ mathrm {d} T \ over T \ times (1+ \ alpha) -t_ {e} -T_ {e} \ times \ alpha} = h \ times \ mathrm { d} S}$

a hőcsere mentén történő integrációval:

${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = több mint 1+ \ alfa} \ szer \ ln \ bal (T \ szer (1+ \ alfa) -t_ {e} -T_ {e} \ szor \ alfa \ jobb) = h \ szor S + állandó}$

mert ; honnan : ${\ displaystyle S = 0 \ ;; \; T = T_ {e}}$

${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = több mint 1+ \ alfa} \ szer \ ln \ balra (T_ {e} \ szer (1+ \ alfa) -t_ {e} -T_ {e} \ szer \ alfa \ jobbra) = állandó = {- Q \ szorzat C = több mint 1+ \ alfa} \ szer \ ln \ bal (T_ {e} -t_ {e} \ jobb)}$

ezért a reláció : $T$

${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = több mint 1+ \ alpha} \ szor \ ln \ balra ({T \ szorzat (1+ \ alpha) -t_ {e} -T_ {e} \ szor \ alfa \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) = h \ -szerese S}$

mert ${\ displaystyle S = S_ {e} \ ;; \; T = T_ {s}}$

${\ displaystyle {-Q \ times C \ több mint 1+ \ alpha} \ times \ ln \ left ({T_ {s} \ times (1+ \ alpha) -t_ {e} -T_ {e} \ times \ alpha \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobb) = h \ szor S_ {e}}$

Az átlagos logaritmikus eltérés fogalma

a logaritmus számlálójában megjegyezzük a kifejezést, amely jelentősen leegyszerűsödik: $x$

${\ displaystyle x = T_ {s} \ szor (1+ \ alpha) -t_ {e} -T_ {e} \ times \ alpha = T_ {s} \ szor (1 + {\ Delta t \ over \ Delta T }) - t_ {e} -T_ {e} \ szor {\ Delta t \ over \ Delta T}}$

${\ displaystyle x = {T_ {s} \ szor (\ Delta T + \ Delta t) -t_ {e} \ times \ Delta T-T_ {e} \ times \ Delta t \ over \ Delta T}}$

${\ displaystyle x = {(T_ {s} -t_ {e}) \ alkalommal \ Delta T- \ Delta T \ times \ Delta t \ over \ Delta T} = T_ {s} -t_ {e} - \ Delta t = T_ {s} -t_ {s}}$

ugyanúgy a kifejezés a következő formában jelenik meg: ${\ displaystyle y = {- Q \ szorzat C \ 1+ felett \ alpha}}$

${\ displaystyle y = {- Q \ szorzat C \ több mint 1 + {\ Delta t \ over \ Delta T}} = {- Q \ szorzat C szorzat \ Delta T \ over \ Delta t + \ Delta T}}$

${\ displaystyle y = {- W \ over \ Delta t + \ Delta T} = {- W \ over (t_ {s} -t_ {e}) + (T_ {e} -T_ {s})} = { W \ over (T_ {s} -t_ {s}) - (T_ {e} -t_ {e})}}$

Végül ${\ displaystyle {W \ over (T_ {s} -t_ {s}) - (T_ {e} -t_ {e})} \ alkalommal \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {s} \ át T_ {e} -t_ {e}} \ jobb) = h \ szor S_ {e}}$

figyelembe vesszük, mi jön: ${\ displaystyle T_ {e} -t_ {e}> T_ {s} -t_ {s}}$

${\ displaystyle {W \ over (T_ {e} -t_ {e}) - (T_ {s} -t_ {s})} \ szor \ ln \ bal ({T_ {e} -t_ {e} \ over T_ {s} -t_ {s}} \ jobb) = h \ szor S_ {e}}$ amit klasszikus formában adunk meg:

{\ displaystyle W = h \ szor S_ {e} \ szor {(T_ {e} -t_ {e}) - (T_ {s} -t_ {s}) \ felett \ ln \ balra ({T_ {e} -t_ {e} \ felett T_ {s} -t_ {s}} \ jobbra)} = h \ szor S_ {e} \ szer \ Delta T \ operátor neve {Log}}

Hőmérséklet alakulása a csere mentén:

A kapcsolat: lehetővé teszi a forró folyadék hőmérsékletének változásának törvényét a hőcserélő felületen áthaladó görbületű abszcisszák mentén: ${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = több mint 1+ \ alpha} \ szor \ ln \ balra ({T \ szorzat (1+ \ alpha) -t_ {e} -T_ {e} \ szor \ alfa \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) = h \ -szerese S}$ $T$

${\ displaystyle {W \ over (T_ {s} -t_ {s}) - (T_ {e} -t_ {e})} \ szor \ ln \ bal ({T \ szor (1+ \ alfa) -t_ {e} -T_ {e} \ szor \ alfa \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobb) = h \ szor S$

${\ displaystyle W = h \ szor S_ {e} \ szor {(T_ {s} -t_ {s}) - (T_ {e} -t_ {e}) \ felett \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra)}}$

${\ displaystyle {h \ times S_ {e} \ times {(T_ {s} -t_ {s}) - (T_ {e} -t_ {e}) \ over \ ln \ balra ({T_ {s} - t_ {s} \ over T_ {e} -t_ {e}} \ right)} \ over (T_ {s} -t_ {s}) - (T_ {e} -t_ {e})} \ alkalommal \ ln \ balra ({T \ szor (1+ \ alfa) -t_ {e} -T_ {e} \ szor \ alfa \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) = h \ szer S}$

${\ displaystyle \ ln \ bal ({T \ -szer (1+ \ alfa) -t_ {e} -T_ {e} \ -szer \ alpha \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) = {S \ felett S_ {e}} \ szer \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra)}$

${\ displaystyle {T \ times (1+ \ alpha) -t_ {e} -T_ {e} \ times \ alpha \ over T_ {e} -t_ {e}} = {(T-T_ {e}) \ szorzók (1+ \ alfa) + T_ {e} -t_ {e} \ felett T_ {e} -t_ {e}} = {(T-T_ {e}) \ szorok (1+ \ alfa) \ felett T_ {e} -t_ {e}} + 1}$

${\ displaystyle {(T-T_ {e}) \ szor (1+ \ alfa) \ felett T_ {e} -t_ {e}} = \ balra ({T_ {s} -t_ {s} \ felett T_ { e} -t_ {e}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} - 1}$ ráadásul honnan ${\ displaystyle T_ {e} -t_ {e}> T_ {s} -t_ {s}}$ ${\ displaystyle {T_ {s} -t_ {s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} <1}$

{\ displaystyle T = T_ {e} - {T_ {e} -t_ {e} \ több mint 1+ \ alpha} \ szer \ balra [1- \ balra ({T_ {s} -t_ {s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra}}

Hasonló megközelítés vezet a relációadáshoz a görbe vonalú abszcisszák függvényében a csere mentén: ${\ displaystyle t}$

{\ displaystyle t = t_ {e} + {T_ {e} -t_ {e} \ több mint 1+ {1 \ over \ alpha}} \ szor \ bal [1- \ bal ({T_ {s} -t_ { s} \ felett T_ {e} -t_ {e}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra}}

Módszertani cserék esete

Hőcsere a hőcserélő felület mentén (a forró folyadék áramlásának irányában):

A hőcserélő felületi elemben kicserélt teljesítmény a következő : ${\ mathrm d} S$

${\ displaystyle \ mathrm {d} W = h \ szor (Tt) \ times \ mathrm {d} S = -q \ szorzat \ times \ mathrm {d} t = -Q \ szorzat C szorzat \ matrm {d } T}$ (az anti-módszertani csere esetétől eltérően negatív, mert a görbületű abszcissza iránya a forró folyadék áramlásának iránya; ráadásul negatív) onnan ${\ mathrm d} t$ ${\ displaystyle \ mathrm {d} T}$ ${\ displaystyle \ mathrm {d} t = {Q \ szorzat C \ felett q \ szer c} \ szor \ mathrm {d} T = \ alpha \ times \ mathrm {d} T}$

és emellett ${\ displaystyle t_ {s} -t = \ alpha \ times (T_ {e} -T) \ quad.}$ ${\ displaystyle t = t_ {s} + \ alfa \ szor (T-T_ {e})}$ ${\ displaystyle \ mathrm {d} W = -Q \ szorzat C \ szor \ mathrm {d} T}$

t-t és dW-t az értékeikkel helyettesítjük a Jön: ${\ displaystyle \ mathrm {d} W = h \ szor (Tt) \ times \ mathrm {d} S \ quad.}$

${\ displaystyle -Q \ times C \ times \ mathrm {d} T = h \ times \ left (T-t_ {s} - \ alpha \ times (T-T_ {e}) \ right) \ times \ mathrm { d} S = h \ szor \ bal (T \ szor (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szor \ alfa \ jobb) \ szor \ mathrm {d} S}$

${\ displaystyle {-Q \ times C \ times \ mathrm {d} T \ over T \ times (1- \ alpha) -t_ {s} + T_ {e} \ times \ alpha} = h \ times \ mathrm { d} S}$

a hőcsere mentén történő integrációval:

${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = 1- \ alfa} \ szer \ ln \ bal (T \ szer (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szor \ alfa \ jobb) = h \ szor S + konstans}$

A ahol: ${\ displaystyle S = 0 \ ;; \; T = T_ {e}}$

${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = 1- \ alfa} \ szer \ ln \ balra (T_ {e} \ szer (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szer \ alfa \ jobbra) = állandó}$

${\ displaystyle konstans = {- Q \ szorzat C \ 1- \ alfa} \ szer \ ln \ balra (T_ {e} -t_ {s} \ jobbra)}$

ezért a reláció : $T$

${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = több mint 1- \ alfa} \ szer \ ln \ bal ({T \ szer (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szer \ alfa \ T \ felett {e} -t_ {s}} \ jobbra) = h \ -szer S$

mert ${\ displaystyle S = S_ {e} \ ;; \; T = T_ {s}}$

${\ displaystyle {-Q \ times C \ több mint 1- \ alpha} \ times \ ln \ left ({T_ {s} \ times (1- \ alpha) -t_ {s} + T_ {e} \ times \ alpha \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra) = h \ szor S_ {e}}$

Átlagos logaritmikus eltérés:

a logaritmus számlálójában jelöljük a kifejezést, amely leegyszerűsíti: $z$

${\ displaystyle z = T_ {s} \ szor (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szor \ alpha = T_ {s} \ szer (1 - {\ Delta t \ over \ Delta T }) - t_ {s} + T_ {e} \ szor {\ Delta t \ over \ Delta T}}$

${\ displaystyle z = {T_ {s} \ szor (\ Delta T- \ Delta t) -t_ {s} \ szor \ Delta T + T_ {e} * \ Delta t \ over \ Delta T}}$

${\ displaystyle z = {(T_ {s} -t_ {s}) \ szor \ Delta T + \ Delta T \ szor \ Delta t \ over \ Delta T} = T_ {s} -t_ {s} + \ Delta t = T_ {s} -t_ {e}}$

ugyanúgy a kifejezés a következő formában jelenik meg: ${\ displaystyle t = {- Q \ -szerese a C \ értéke 1- \ alfa}}$

${\ displaystyle t = {- Q \ szorzat C \ felett 1 - {\ Delta t \ over \ Delta T}} = {Q \ szorzat C szorzat \ Delta T \ over \ Delta t- \ Delta T}}$

${\ displaystyle t = {- W \ over \ Delta t- \ Delta T} = {W \ over (t_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -T_ {s})} = {W \ over (T_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -t_ {s}}}}$

Végül a klasszikus formában tesszük: ${\ displaystyle {W \ over (T_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -t_ {s})} \ szor \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {e} \ over T_ {e} -t_ {s}} \ jobb) = h \ szor S_ {e}}$

{\ displaystyle W = h \ szor S_ {e} \ szor {(T_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -t_ {s}) \ felett \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {e} \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra)} = h \ szor S_ {e} \ szer \ Delta T \ kezelőnév {Log}}

Hőmérséklet alakulása a csere mentén:

A kapcsolat : ${\ displaystyle {-Q \ szorzat C = több mint 1- \ alfa} \ szer \ ln \ bal ({T \ szer (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szer \ alfa \ T \ felett {e} -t_ {s}} \ jobbra) = h \ -szer S$

lehetővé teszi a forró folyadék hőmérsékletének változásának törvényét a hőcserélő felületet áthaladó görbületű abszcisszák mentén: $T$

${\ displaystyle {W \ over (T_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -t_ {s})} \ szor \ ln \ bal ({T \ szor (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szor \ alfa \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobb) = h \ szor S}$

${\ displaystyle W = h \ szor S_ {e} \ szor {(T_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -t_ {s}) \ felett \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {e} \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra)}}$

${\ displaystyle {h \ szor S_ {e} \ szor {(T_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -t_ {s}) \ felett \ ln \ balra ({T_ {s} - t_ {e} \ over T_ {e} -t_ {s}} \ right)} \ over (T_ {s} -t_ {e}) - (T_ {e} -t_ {s})} \ alkalommal \ ln \ balra ({T \ szor (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ szor \ alfa \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra) = h \ szer S}$

${\ displaystyle \ ln \ bal ({T \ -szer (1- \ alfa) -t_ {s} + T_ {e} \ -szer \ alpha \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra) = {S \ felett S_ {e}} \ szer \ ln \ balra ({T_ {s} -t_ {e} \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra)}$

${\ displaystyle {T \ times (1- \ alpha) -t_ {s} + T_ {e} \ times \ alpha \ over T_ {e} -t_ {s}} = {(T-T_ {e}) \ szorzók (1- \ alfa) + T_ {e} -t_ {s} \ felett T_ {e} -t_ {s}} = {(T-T_ {e}) \ szor (1- \ alfa) \ felett T_ {e} -t_ {s}} + 1}$

${\ displaystyle {(T-T_ {e}) \ szor (1- \ alfa) \ felett T_ {e} -t_ {s}} = \ balra ({T_ {s} -t_ {e} \ felett T_ { e} -t_ {s}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} - 1}$

{\ displaystyle T = T_ {e} - {T_ {e} -t_ {s} \ több mint 1- \ alfa} \ szer \ balra [1- \ balra ({T_ {s} -t_ {e} \ felett T_ {e} -t_ {s}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra}}

Hasonló megközelítés vezet a relációadáshoz a görbe vonalú abszcisszák függvényében a csere mentén: ${\ displaystyle t}$

{\ displaystyle t = t_ {e} + {T_ {s} -t_ {e} \ 1- {1 \ over \ alpha}} \ szor \ bal [1- \ bal ({T_ {e} -t_ { s} \ felett T_ {s} -t_ {e}} \ jobbra) ^ {S \ felett S_ {e}} \ jobbra}}

A görbe vonalú abszcisszán van orientálva az irányt a folyadék tehát, ha az egyik a kívánságát, hogy a hőmérséklet a hideg és meleg folyadékok ellentétes, tanácsos kicserélni által az egyik vagy a másik a képletek adó és ${\ displaystyle {S \ over S_ {e}}}$ ${\ displaystyle 1- {S \ over S_ {e}}}$ $T$ $t$

A hőcserélők típusai

Különböző típusú hőcserélők alkalmazkodnak a kívánt célokhoz.

U-csöves hőcserélő

Ez a leggyakoribb hőcserélő.

U-csöves hőcserélő típusa

Előnyök	Hátrányok	használat
Ellenáll a nagy nyomásnak A csövek és a test szabad terjeszkedése Minden hatalom	Torlódás Magas önköltség Nehéz feloldás	gőz / víz Túlmelegített víz / víz Olaj / víz Folyamat

Vízszintes csőköteg-hőcserélő

A rács-hőcserélő csövek (vagy hőcserélő csőköteges hő , vagy hőcserélő cső és a Shell ) magában foglal egy csőköteget elhelyezve egy borítékot nevű kalander . Az egyik folyadék a csövekben kering, a másik a héjban, a csövek körül. Általában terelőlemezek kerülnek a héjba, amelyek turbulencia-ösztönzőként működnek és javítják a hőátadást, vagy a csövekre szerelt uszonyok növelik a cserefelületet, ha a jelenlévő folyadékoknak nagyon magasak a cserearányai. .

A köteg mindkét végén egy elosztódoboz van rögzítve, amely egy vagy több menetben biztosítja a folyadék keringését a csövekben. A naptár a második folyadék be- és kimeneti csöveivel is rendelkezik, amelyek a terelőlapok által meghatározott utat követik (lásd az ábrát).

A csőköteg rögzíthető a héjhoz (hegesztve, forrasztva vagy mechanikusan összeszerelve tágítással ), vagy lebegve. Ez utóbbi konfiguráció lehetővé teszi a csőköteg eltávolítását karbantartás céljából (tisztítás vagy csere céljából), de korlátozza a differenciális tágulási feszültségek jelenségét hirtelen hőmérséklet-változások esetén.

A vízszintes csőköteg-cserélő típusa

Előnyök	Hátrányok	használat
Ellenáll a nagy nyomásnak Minden hatalomra Gazdasági Nagy hőmérséklet-változásokat fogad el Részleges kondenzációban használható	Stressz a csöveken Tisztítási nehézség (többcső) Érzékeny a rezgésekre	Víz / víz Gőz / víz Olaj / víz Túlmelegített víz / víz

Függőleges csőkötegű hőcserélő

A függőleges csőköteg-cserélő típusa

Előnyök	Hátrányok	használat
Kis lábnyom A hőcserélő tele lehet kondenzvízzel Tökéletesen alkalmas nagynyomású gőz / víz cserére	Légzseb kialakítása	HP gőz / víz Túlmelegített víz / víz Hőfolyadék / víz Füst / víz Folyamat

Spirálcserélő

A spirális hőcserélő 2 fémlemezből áll, amelyeket spirálisan tekercselve spirálcsatornák alkotnak. A hőcserélő átmérője viszonylag nagy, maximum 3 m átmérőjű 450 m 2 maximális cserefelülettel rendelkezik , ami a nem kompakt hőcserélők kategóriájába sorolja. A hőcsere nem olyan jó, mint a lemezes hőcserélőé, mert a cserefelületnek általában nincs profilja, de ugyanolyan cserekapacitás érdekében a spirálcserélő 20% -kal kevesebb hőcserélő felületet igényel, mint egy csőköteg-váltó.

Használható viszkózus folyadékokhoz vagy folyékony-szilárd keverékekhez, és öntisztító képességgel rendelkezik, amely garantálja a szennyeződés csökkentését a csőköteg-cserélőhöz képest. Csak korlátozott hőmérséklet- és nyomáskülönbségekkel működhet.

A spirálcserélő típusa

Előnyök	Hátrányok	használat
Nagy érintkezési felület Széles átjárás Kis lábnyom Kiváló kondenzátor Öntisztító	Nem levehető Korlátozott T eltérések	Víz / víz Gőz / víz Túlmelegített víz / víz

Lemezes hőcserélő

A lemezcserélő egyfajta hőcserélő, amelyet egyre növekvő mértékben alkalmaznak az iparban és az éghajlatváltozás területén . Nagyszámú lemezből áll, amelyeket millefeuille alakban rendeznek el, és néhány milliméteres távolság választja el egymástól, ahol a folyadékok keringenek. A lemezek kerületét egy tömítés határolja, amely az egység összenyomásával megakadályozza a szivárgást mind a két folyadék között, mind pedig kifelé.

Víz-vízcserélő

A lemezek nem laposak, de nagyon pontos mintázatú hullámos felülettel rendelkeznek annak érdekében, hogy létrejöjjön egy turbulens áramlás, amely egyet jelent a hatékonyabb hőátadással, és a folyadékokat elosztják a teljes cserefelületen. Minél több lemez van, annál nagyobb a cserefelület és annál hatékonyabb a hőcserélő.

A szemközti ábrákon a kék folyadék mozog (minden más intervallumban) a lemezek bal felső sarkától a jobb alsó sarokig; keringését a vörös folyadék számára fenntartott csatornákban a pecsét helyzete blokkolja, az ábra szerint. A vörös folyadék áthalad a másik átlón; a tömítést át kell fordítani a kék folyadék számára fenntartott csatornák bezárásához.

Az ilyen típusú hőcserélők előnye az egyszerűsége, ami olcsó, helytakarékos hőcserélővé teszi, amely lemezek hozzáadásával / eltávolításával könnyen adaptálható a cserealap szükség szerinti növelése / csökkentése érdekében. A külsővel érintkező felület minimálisra csökken, ami lehetővé teszi a hőveszteségek korlátozását; a folyadékok körforgásának térének keskenysége, valamint a lemezek profilja turbulens áramlást biztosít, amely kiváló hőátadást tesz lehetővé, de jelentős nyomásesések árán. Ezt a nyomásesést nem tudja kompenzálni a magas folyadékbemeneti nyomás (amely nem haladhatja meg a 2,5 MPa-t ), mert a túl nagy nyomás szivárgást okozhat a tömítéseken vagy akár a lemezeket is összetörheti a folyadékok közötti nyomáskülönbség miatt, ami jelentősen csökkentené az átjáró szakaszokat.

Ezenkívül a két folyadék közötti hőmérséklet-különbség nem lehet túl nagy ahhoz, hogy elkerülje a lemezek deformációját az utóbbi tágulásával / összehúzódásával, amely megakadályozná a lemezek közötti kötések tartós tökéletes lezárását.

A turbulencia lehetővé teszi a hőcserélő felület szennyeződésének 10-25% -kal történő csökkentését a csőkötegű hőcserélőhöz képest. A csőkötegű hőcserélőhöz képest a lemezes hőcserélő cserealapja 50% -kal kisebb ugyanazon teljesítmény esetén.

Víz-vízcserélő típusa

Előnyök	Hátrányok	használat
Kompakt Nagyon jó átadási együtthatók Kis lábnyom Versenyképes ár Kis hőveszteség Moduláris	Korlátozott hőmérséklet-különbség Finom szabályozás Jelentős nyomásesés Korlátozott üzemi nyomás	Víz / víz Olaj / víz Túlmelegített víz / víz

Levegő-légcserélő

Ezek hőcserélők óta használják hosszú ideig, különösen az acélipar előmelegítjük égési levegő befecskendezése a nagyolvasztókba beszedik az energia, amely a füst. A szemétégető művek is rendelkezésre állnak; ugyanazon az elven működnek.

A kettős áramlású légkezelő egységekben egyre gyakrabban fordul elő, hogy az elszívott levegőben lévő energiát visszanyeri, mielőtt a természetes környezetbe engedné; A drága energiafogyasztás és az üvegházhatásúgáz-kibocsátás csökkentése mellett a globális felmelegedést is korlátozza .

Víz-víz unokatestvéreikhez hasonlóan, ezek is több, a misfeuille-ben összeállított lemezből állnak, amelyek intervallumait felváltva friss levegő (külső hőmérsékleten beszívva) és elszívott levegő (a kezelt helyiség hőmérsékletén) váltogatja. Működésükhöz nincs szükségük más energiára, mint amennyi a levegő mozgatásához szükséges, a telep által szállított üzem által szolgáltatott energiához. Az energia visszanyerése fűtési és hűtési üzemmódban egyaránt megtörténik.

Annak érdekében, hogy hatékonyak maradjanak, a rajtuk áthaladó levegőt szűrni kell, ami megakadályozza a lemezeken található káros porlerakódásokat. Ugyanebben az értelemben és amikor a friss levegő nagyon hideg, az elszívott levegőben lévő vízgőz kondenzálódhat (ami még mindig energiát szolgáltat, de a kondenzátumok kiürítését igényli) vagy akár fagyot is okozhat, ami elzárhatja az elszívott levegő csatornáit és ezáltal csökkenti a az üzem semmire sem használható. Ilyen szélsőséges körülmények között a hőcserélő friss levegő beömlő nyílásának egy része ciklikusan zárva van, amely lehetővé teszi az elszívott levegőnek, hogy sorban felmelegítse a lemezeket, és ezáltal megakadályozza azok jegesedését.

Rotációs hőcserélő

Bouhy oszlop

A sűrített levegős szárítók lemezcserélőinek kiváló alternatívája , a Bouhy oszlop valójában tűcserélő, amelyhez az alsó részében centrifugális levegő / víz szeparátort adtak. A készülék két koaxiális hőcserélővel rendelkezik, az első a levegőt a harmatpontja alá hozza , a második a levegő használatának megfelelő hőmérsékletre történő felhozatalát szolgálja, és mindenekelőtt a hűtés hatékonyságának növelését szolgálja. Ezt a típusú hőcserélőt nagyon alacsony nyomásesés jellemzi .

Blokkolja a hőcserélőt

A blokkcserélő egyfajta hőcserélő, amely bizonyos alkalmazásokhoz van fenntartva. Több csatornával áttört hővezető anyagból álló blokkból áll, amelyben a 2 folyadék kering. A blokk leggyakrabban grafitból áll, amelyet néha polimerekhez adnak a hőcserélő mechanikai tulajdonságainak javítása érdekében. A tömb olyan struktúrába kerül, amely biztosítja a folyadékok eloszlását a csatornákban.

A tömb különböző alakú lehet: hengeres vagy köbös. Szintén állhat egy tömbből vagy több részből, amelyek egymásra vannak rakva úgy, hogy a folyadékok átjussanak az egyik részből a másikba. Az ilyen típusú hőcserélők előnye elsősorban a korrozív folyadékokkal szembeni kémiai ellenálló képességük, valamint moduláris kapacitásuk: szivárgás esetén a blokk könnyen cserélhető. Az a tény, hogy a folyadék áthaladásának / a blokk térfogatának a térfogataránya nagyon kicsi, nagy tehetetlenséget eredményez a hőmérsékletváltozás esetén: a blokk tárolóként működik, és elsimíthatja a hőmérséklet-különbségeket.

A blokkok azonban törékenyek mind ütések, mind nagy hőmérséklet-változások szempontjából (az egyenetlen tágulás problémája, amely a blokk repedéséhez vezethet). Az ár viszonylag magas más típusú hőcserélőkhöz képest, és a hőátadás általában átlagos: a csőfal vastagsága a törékenység miatt nagyobb, mint egy fémcserélő felületé, ami növeli az átadással szembeni ellenállást.

A blokk hőcserélő típusa

Előnyök	'Hátrányok	használat
Jó vegyszerállóság Tehetetlenség Kis hőveszteség Moduláris	Érzékeny a T nagy eltéréseire Érzékeny a sokkokra Átlagos átviteli együtthatók Ár	Gőz / víz Víz / víz Túlmelegített víz / víz Maró folyadékok

Hűtőtorony

Bordázott hőcserélő

A bordás hőcserélő viszonylag egyszerű hőcserélő: hengeres vagy téglalap alakú csatornából áll, amelyre különböző alakú fémcsíkok vannak rögzítve. A hűtőfolyadék általában a környezeti levegő. A hőt a forró keringő folyadék a fő csatorna a fém lapátok által hővezetéssel ; ezek a pengék levegővel érintkezve hűlnek.

Ezt a típusú hőcserélőt az épületek fűtésére használják: a vizet a fűtőberendezésben melegítik, és a fűtőtestekben keringenek, amelyek bordázott hőcserélők. Ezt a fajta telepítést autó- vagy mindenféle motor hűtésére is használják. Ez utóbbi esetben a súrlódás és a mágneses indukció miatti hő (villanymotor esetén) közvetlenül átkerül a motor külső védelmére, amelynek felületei uszonyokkal vannak ellátva.

A hőátadás különösen a hűtőfolyadék oldalán korlátozott a cirkulációs rendszer hiánya miatt: a levegő főleg természetes konvekcióval kering a hőcserélő körül. Ez a korlátozás azonban megszüntethető szellőzőrendszer hozzáadásával. Ez a hőcserélő nagyon egyszerű, és bizonyos formákat ölthet, ami az elektronikában érdekessé teszi.

Pelyhesített hőcserélő típusa

Előnyök	Hátrányok	használat
Jó hozam Pontos formákat ölthet	A félelmek sokkolnak	víz / levegő olaj / levegő szilárd / levegő

Finomhuzalos hőcserélő

Az új finomvezetékes hőcserélők lehetővé teszik a víz / levegő cseréjét nagyon alacsony hőmérséklet-különbségek mellett a fűtésben vagy a hűtésben.

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

Abban az esetben, ha a folyadékoknak hőkapacitása van, egyszerűsödnek az egyenlő viszonyok, különösen szisztematikus csere esetén . A két folyadék közötti hőmérséklet-különbség ekkor állandó a cserében. ${\ displaystyle T_ {e} -T_ {s} = t_ {s} -t_ {e}}$
Észreveheti, hogy 1/10 000 ° C eltérés elegendő a hőmérsékletekre megállapított értékekkel ahhoz , hogy a számítás megvalósítható legyen anélkül , hogy a számításban szándékosan bevitt hiba használhatatlanná tenné. ${\ displaystyle T_ {e}, T_ {s}, t_ {e} ~ {\ text {és}} ~ t_ {s}}$ ${\ displaystyle \ Delta T \ operátornév {Log}}$

Hivatkozások

Hőcserélők , az École nationale supérieure des mines de Paris-ból (hozzáférés: 2015. február 2.).
" MOTA szabványos csőcserélők (olaj, víz, levegő, üzemanyag ...) " , a www.motaindustrialcooling.com webhelyen (hozzáférés : 2020. szeptember 17. ) , lásd: "Megbízhatóság".
(en) Ramesh K. Shah1, Alfred C. Mueller, "Hőcsere" az Ullmann ipari kémiai enciklopédiájában , DOI: 10.1002 / 14356007.b03_02, Wiley-VCH ,2000. június 15, 114 p..

Kapcsolódó cikkek

Termodinamika
Minergie
Radiátor
Dudgeonnage
Energiamegtakarítás
Magas környezeti minőség (HQE), koncepció az építészetre
Légkondicionáló
Hőáram
Hűtőfolyadék
Hővisszanyerés hűtőegységekből
Héj és cső hőcserélő
Kondenzátor területenként