Opredelitev izmenjevalnika toplote

Candela Rocío Barbisan
Kemijski inženir

Posoda pod tlakom, v kateri poteka izmenjava energije med dvema tekočinama, to je prenos toplote iz območja visoke temperature v območje nizke temperature. Proces je lahko neposreden, če sta medija v stiku, ali posreden, če je med njima druga tekočina.

Osnove prenosa toplote

Da bi bil prenos toplote iz enega medija v drugega učinkovit, mora obstajati gonilna sila, v tem primeru temperaturno razliko med obema tekočinama imenujemo gonilna sila. V tem smislu se energija prenaša iz toplejšega v hladnejše območje.

Čeprav se pričakuje, da vso toploto, ki jo odda najbolj vroča faza, toplota absorbira ali pridobi najhladnejša faza, ravnovesje ni neposredno, prihaja do toplotnih izgub.

Pojav prenosa toplote temelji na ničelnem principu termodinamike, ki pojasnjuje način, na katerega tekočine pridejo v stik dosežejo svoje toplotno ravnovesje in izenačijo svoje temperature, če sta čas in površina stika dovolj ustrezna, da dosežejo točko ravnovesje.

Tipologije

Ko govorimo o tipologiji, se nanašamo na največjo delitev, ki obstaja glede na vrsto stika med fazami. Kot smo dobro povedali, če je stik med mediji neposreden, torej ni drugega toka prenos toplote med tekočinama, da želi izmenjati energijo, potem se odzove na tak način naravnost. Hladilni stolpi so tipičen primer te vrste izmenjave, saj na primer hladilna voda ali voda iz stolpa vstopa skozi zgornjem delu in spodnjem delu proti toku se inducira zračni tok, tako da pride do prenosa toplote in mase pričakovano.

Po drugi strani pa, ko govorimo o posrednih izmenjevalcih, govorimo o opremi, ki ima vmesna površina za prenos toplote, kot je trdna snov ali celo druga tekoče. V tem primeru se proces pojavi s konvekcijo ali prevodnostjo. V večini izmenjevalnikov so mehanizmi prenosa mase: konvekcija, ko vroča tekočina prenese svojo toploto na steno notranjost cevi, nato pa jo ta prenaša z zunanje stene na drugo tekočino v stiku in na drugi strani notranja prevodnost v steni cevi.

Lahko jih razvrstimo tudi glede na vrsto toka: vzporedni tok, če tokovi tečejo v isti smeri, protitočni, če izmenjujejo toploto, ko potujejo v nasprotnih smereh, ali prečni tok, ko tekočine potujejo skozi opremo pravokotno druga na drugo.

Podobno obstajajo enoprehodni ali večprehodni izmenjevalci, odvisno od tega, kolikokrat tekočina potuje po dolžini izmenjevalnika in pride v stik z drugo fazo.

Končno lahko razvrstitev podamo na podlagi njegove geometrije: v grobem najdemo: cevne in lupinaste toplotne izmenjevalnike ter ploščne toplotne izmenjevalnike. Pri prvem od njih je sestavljen (kot že ime pove) iz ohišja ali ohišja in glav, ki držijo snop cevi v notranjosti. Skozi cevi kroži določena tekočina, ki izmenjuje toploto s tekočino, ki kroži skozi ohišje in ga preplavi. Tekočina lahko gre skozi en sam korak ali pa skozi več kot enega. V tem primeru so njegovi stroški gradnje visoki; vendar lahko delujejo pri visokih tlakih in so zasnovani glede na potrebno kontaktno površino za prenos toplote, zato se lahko njegova velikost spreminja glede na potrebe postopek. Vzdrževanje je preprosto, čeprav je cevi morda nekoliko težko očistiti, je to mogoče kemično ali mehansko in mogoče je odstraniti ploščo nosilca cevi za pregled zamašitve nekaterih oni.

V primeru ploščnih izmenjevalnikov toplote so sestavljeni iz več plošč, ki med seboj krožijo različne izmenjevalne tekočine. Med ploščami je zrak. Kot je bilo pričakovano, je površina plošč veliko večja od površine cevi, zato se zmogljivost izmenjave močno poveča. Medtem ko cevni snopi delujejo pri visokih tlakih, so ploščni toplotni izmenjevalniki omejeni na tlake, ki niso višji od 25 barov. Najpogosteje se uporabljajo v živilski industriji, kjer je potrebna izredna skrb za higieno, saj se zaradi svoje strukture lažje čistijo in preprečujejo usedanje.