Теплообменник

Equipment used to transfer heat between fluids

Трубчатый теплообменник

Частичный вид на входную камеру кожухотрубчатого теплообменника холодильной машины на основе хладагента для кондиционирования воздуха в здании

Теплообменник — это система, используемая для передачи тепла между источником и рабочей жидкостью . Теплообменники используются как в процессах охлаждения, так и нагрева. ^[1] Жидкости могут быть разделены сплошной стенкой для предотвращения смешивания или могут находиться в прямом контакте. ^[2] Они широко используются в отоплении помещений , охлаждении , кондиционировании воздуха , на электростанциях , химических заводах , нефтехимических заводах , нефтеперерабатывающих заводах , переработке природного газа и очистке сточных вод . Классический пример теплообменника — двигатель внутреннего сгорания , в котором циркулирующая жидкость, известная как охлаждающая жидкость двигателя, протекает через змеевики радиатора , а воздух проходит мимо змеевиков, что охлаждает охлаждающую жидкость и нагревает поступающий воздух . Другим примером является радиатор , который представляет собой пассивный теплообменник, который передает тепло, вырабатываемое электронным или механическим устройством, в текучую среду, часто воздух или жидкий охлаждающий агент. ^[3]

Расположение потока

Противоточные (А) и параллельные (Б) потоки

Существует три основных классификации теплообменников в соответствии с их расположением потока. В теплообменниках с параллельным потоком две жидкости входят в теплообменник с одного и того же конца и перемещаются параллельно друг другу на другую сторону. В теплообменниках с противотоком жидкости входят в теплообменник с противоположных концов. Конструкция с противотоком является наиболее эффективной, поскольку она может передавать больше всего тепла от теплоносителя (носителя) на единицу массы из-за того, что средняя разность температур вдоль любой единицы длины выше . См. противоточный обмен . В теплообменнике с перекрестным потоком жидкости перемещаются примерно перпендикулярно друг другу через теплообменник.

• 
  Рис. 1: Кожухотрубчатый теплообменник , одноходовой (параллельный поток 1–1)
• 
  Рис. 2: Кожухотрубчатый теплообменник, двухходовой со стороны труб (1–2 перекрестных потока)
• 
  Рис. 3: Кожухотрубчатый теплообменник, 2-ходовая сторона кожуха, 2-ходовая сторона труб (2-2 противотока)

Для эффективности теплообменники проектируются таким образом, чтобы максимизировать площадь поверхности стенки между двумя жидкостями, одновременно минимизируя сопротивление потоку жидкости через теплообменник. На производительность теплообменника также может влиять добавление ребер или гофр в одном или обоих направлениях, которые увеличивают площадь поверхности и могут направлять поток жидкости или вызывать турбулентность.

Температура движения по поверхности теплопередачи меняется в зависимости от положения, но можно определить соответствующую среднюю температуру. В большинстве простых систем это « логарифмическая средняя разность температур » (LMTD). Иногда прямое знание LMTD недоступно, и используется метод NTU .

Типы

Двухтрубные теплообменники являются самыми простыми теплообменниками, используемыми в промышленности. С одной стороны, эти теплообменники дешевы как в проектировании, так и в обслуживании, что делает их хорошим выбором для небольших производств. С другой стороны, их низкая эффективность в сочетании с большим занимаемым пространством в крупных масштабах привели к тому, что современные отрасли промышленности стали использовать более эффективные теплообменники, такие как кожухотрубные или пластинчатые. Однако, поскольку двухтрубные теплообменники просты, их используют для обучения студентов основам проектирования теплообменников, поскольку основные правила для всех теплообменников одинаковы.

1. Двухтрубный теплообменник

Когда одна жидкость течет по меньшей трубе, другая течет по кольцевому зазору между двумя трубами. Эти потоки могут быть параллельными или встречными в двухтрубном теплообменнике.

(a) Параллельный поток, когда и горячая, и холодная жидкости входят в теплообменник с одной и той же стороны, текут в одном направлении и выходят с одного и того же конца. Такая конфигурация предпочтительна, когда обе жидкости должны достичь одинаковой температуры, поскольку она снижает термическое напряжение и обеспечивает более равномерную скорость теплопередачи.

(b) Противоток, где горячие и холодные жидкости входят в противоположные стороны теплообменника, текут в противоположных направлениях и выходят на противоположных концах. Такая конфигурация предпочтительна, когда целью является максимизация теплопередачи между жидкостями, поскольку она создает большую разницу температур при использовании в других схожих условиях. ^{[ необходима цитата ]}

На рисунке выше показаны параллельные и противоточные направления потоков жидкости в теплообменнике.

2. Кожухотрубчатый теплообменник

В кожухотрубчатом теплообменнике через теплообменник протекают две жидкости с разной температурой. Одна из жидкостей протекает по трубной стороне, а другая — снаружи труб, но внутри кожуха (межтрубная сторона).

Перегородки используются для поддержки трубок, направления потока жидкости к трубкам приблизительно естественным образом и максимизации турбулентности жидкости оболочки. Существует множество различных видов перегородок, и выбор формы перегородки, расстояния и геометрии зависит от допустимой скорости потока падения силы со стороны оболочки, необходимости поддержки трубы и вибраций, вызванных потоком. Существует несколько вариантов кожухотрубчатых теплообменников; различия заключаются в расположении конфигураций потока и деталях конструкции.

При использовании кожухотрубчатой ​​технологии охлаждения воздуха (например, в промежуточных охладителях / охладителях наддувочного воздуха для двигателей внутреннего сгорания ) на трубки можно добавлять ребра для увеличения площади теплопередачи со стороны воздуха и создания конфигурации «трубы и ребра».

3. Пластинчатый теплообменник

Пластинчатый теплообменник содержит некоторое количество тонких формованных пластин теплопередачи, связанных вместе. Расположение прокладок каждой пары пластин обеспечивает две отдельные системы каналов. Каждая пара пластин образует канал, по которому может протекать жидкость. Пары крепятся сваркой и болтовыми соединениями. Ниже показаны компоненты теплообменника.

В одиночных каналах конфигурация прокладок обеспечивает сквозной поток. Таким образом, это позволяет основным и вторичным средам течь в противотоке. Пластинчатый теплообменник с прокладкой имеет область нагрева из гофрированных пластин. Прокладка выполняет функцию уплотнения между пластинами, и они расположены между рамой и прижимными пластинами. Жидкость течет в противоточном направлении по всему теплообменнику. Обеспечивается эффективная тепловая производительность. Пластины производятся разной глубины, размера и гофрированной формы. Существуют различные типы пластин, включая пластинчато-рамные, пластинчато-кожуховые и спиральные пластинчатые теплообменники. Область распределения гарантирует поток жидкости ко всей поверхности теплопередачи. Это помогает предотвратить застойную зону, которая может привести к накоплению нежелательного материала на твердых поверхностях. Высокая турбулентность потока между пластинами приводит к большей передаче тепла и снижению давления.

4. Конденсаторы и котлы Теплообменники, использующие двухфазную систему теплопередачи, — это конденсаторы, котлы и испарители. Конденсаторы — это приборы, которые принимают и охлаждают горячий газ или пар до точки конденсации и преобразуют газ в жидкую форму. Точка, в которой жидкость превращается в газ, называется испарением, а наоборот — конденсацией. Поверхностный конденсатор — наиболее распространенный тип конденсатора, в котором предусмотрено устройство подачи воды. На рисунке 5 ниже показан двухходовой поверхностный конденсатор.

Давление пара на выходе турбины низкое там, где плотность пара очень низкая, где скорость потока очень высокая. Чтобы предотвратить снижение давления при движении пара от турбины к конденсатору, конденсаторный блок размещается снизу и подключается к турбине. Внутри трубок охлаждающая вода течет параллельно, в то время как пар движется вертикально вниз из широкого отверстия наверху и проходит через трубку. Кроме того, котлы относятся к категории начального применения теплообменников. Слово «парогенератор» регулярно использовалось для описания котлового агрегата, в котором источником тепла является поток горячей жидкости, а не продукты сгорания. В зависимости от размеров и конфигураций изготавливаются котлы. Некоторые котлы способны производить только горячую жидкость, в то время как другие изготавливаются для производства пара.

Кожухотрубный

Кожухотрубчатый теплообменник

Кожухотрубчатый теплообменник

Кожухотрубчатые теплообменники состоят из ряда трубок, содержащих жидкость, которую необходимо либо нагреть, либо охладить. Вторая жидкость протекает по трубкам, которые нагреваются или охлаждаются, чтобы она могла либо отдавать тепло, либо поглощать необходимое тепло. Набор трубок называется трубным пучком и может состоять из нескольких типов трубок: гладких, с продольным оребрением и т. д. Кожухотрубчатые теплообменники обычно используются для приложений с высоким давлением (с давлением более 30 бар и температурой более 260 °C). ^[4] Это связано с тем, что кожухотрубчатые теплообменники прочны благодаря своей форме.
При проектировании трубок в кожухотрубчатых теплообменниках необходимо учитывать несколько особенностей тепловых конструкций: Конструкция кожуха и трубки может быть различной. Обычно концы каждой трубки соединяются с камерами (иногда называемыми водяными камерами) через отверстия в трубных решетках. Трубки могут быть прямыми или изогнутыми в форме буквы U, называемыми U-образными трубками.

• Диаметр трубки: Использование трубки малого диаметра делает теплообменник экономичным и компактным. Однако, более вероятно, что теплообменник будет быстрее засоряться, а малый размер затрудняет механическую очистку от загрязнений. Чтобы преодолеть проблемы с загрязнением и очисткой, можно использовать трубки большего диаметра. Таким образом, чтобы определить диаметр трубки, необходимо учитывать имеющееся пространство, стоимость и характер загрязнения жидкостей.
• Толщина трубки: Толщина стенки трубки обычно определяется для обеспечения:
  • Достаточно места для коррозии.
  • Эта вибрация, вызванная потоком, имеет сопротивление
  • Осевая сила
  • Наличие запасных частей
  • Прочность кольца (чтобы выдерживать внутреннее давление трубки)
  • Прочность на изгиб (чтобы выдерживать избыточное давление в оболочке)
• Длина трубки: теплообменники обычно дешевле, когда у них меньший диаметр оболочки и большая длина трубки. Таким образом, обычно есть цель сделать теплообменник настолько длинным, насколько это физически возможно, не превышая при этом производственные возможности. Однако для этого есть много ограничений, включая доступное пространство на месте установки и необходимость обеспечения наличия трубок длиной, которая в два раза превышает требуемую длину (чтобы их можно было вынуть и заменить). Кроме того, длинные тонкие трубки трудно вынимать и заменять.
• Шаг труб: при проектировании труб практично обеспечить, чтобы шаг труб (т. е. расстояние между центрами соседних труб) был не менее 1,25 наружного диаметра труб. Больший шаг труб приводит к большему общему диаметру оболочки, что приводит к более дорогому теплообменнику.
• Гофрирование труб: этот тип труб, используемый в основном для внутренних труб, увеличивает турбулентность жидкостей, и этот эффект очень важен для теплопередачи, обеспечивая лучшую производительность.
• Компоновка труб: относится к тому, как трубки располагаются внутри оболочки. Существует четыре основных типа компоновки труб: треугольная (30°), повернутая треугольная (60°), квадратная (90°) и повернутая квадратная (45°). Треугольные схемы используются для обеспечения лучшей теплопередачи, поскольку они заставляют жидкость течь более турбулентно вокруг трубопровода. Квадратные схемы используются там, где наблюдается сильное загрязнение и очистка более регулярна.
• Конструкция перегородки: перегородки используются в кожухотрубчатых теплообменниках для направления жидкости через трубный пучок. Они располагаются перпендикулярно к кожуху и удерживают пучок, предотвращая провисание труб на большой длине. Они также могут предотвращать вибрацию труб. Наиболее распространенным типом перегородки является сегментная перегородка. Полукруглые сегментные перегородки ориентированы под углом 180 градусов к соседним перегородкам, заставляя жидкость течь вверх и вниз между трубным пучком. Расстояние между перегородками имеет большое термодинамическое значение при проектировании кожухотрубчатых теплообменников. Перегородки должны быть расположены с учетом преобразования перепада давления и теплопередачи. Для термоэкономической оптимизации предлагается, чтобы перегородки располагались не ближе, чем на 20% от внутреннего диаметра кожуха. Слишком близкое расположение перегородок приводит к большему падению давления из-за перенаправления потока. Следовательно, слишком большое расстояние между перегородками означает, что в углах между перегородками могут быть более холодные места. Также важно убедиться, что перегородки расположены достаточно близко друг к другу, чтобы трубки не провисали. Другой основной тип перегородки — это дисковая и пончиковая перегородка, которая состоит из двух концентрических перегородок. Внешняя, более широкая перегородка выглядит как пончик, в то время как внутренняя перегородка имеет форму диска. Этот тип перегородки заставляет жидкость проходить вокруг каждой стороны диска, а затем через пончиковую перегородку, создавая другой тип потока жидкости.
• Конструкция труб и ребер: при использовании для охлаждения воздуха с помощью кожухотрубной технологии (например, промежуточного охладителя / охладителя наддувочного воздуха для двигателей внутреннего сгорания ) разница в теплопередаче между воздухом и холодной жидкостью может быть такой, что возникнет необходимость в увеличении площади теплопередачи со стороны воздуха. Для этой функции на трубы можно добавить ребра, чтобы увеличить площадь теплопередачи со стороны воздуха и создать конфигурацию труб и ребер.

Теплообменники с фиксированной трубкой и жидкостным охлаждением, особенно подходящие для морских и суровых условий, могут быть собраны с латунными кожухами, медными трубками, латунными перегородками и коваными латунными встроенными концевыми втулками. ^{[ необходима ссылка ]} (См.: Медь в теплообменниках ).

Тарелка

Концептуальная схема пластинчато-рамного теплообменника

Один пластинчатый теплообменник

Сменный пластинчатый теплообменник, применяемый непосредственно в системе плавательного бассейна.

Другой тип теплообменника — пластинчатый теплообменник . Эти теплообменники состоят из множества тонких, слегка разделенных пластин, которые имеют очень большую площадь поверхности и небольшие проходы для потока жидкости для передачи тепла. Достижения в области технологий прокладок и пайки сделали пластинчатый теплообменник все более практичным. В системах отопления , вентиляции и кондиционирования воздуха большие теплообменники этого типа называются пластинчато-рамными ; при использовании в открытых контурах эти теплообменники обычно имеют прокладочный тип, что позволяет производить периодическую разборку, очистку и осмотр. Существует много типов пластинчатых теплообменников с постоянным соединением, таких как паяные погружением, вакуумной пайкой и сварные пластинчатые разновидности, и они часто предназначены для замкнутых контуров, таких как охлаждение . Пластинчатые теплообменники также различаются по типам используемых пластин и по конфигурации этих пластин. Некоторые пластины могут быть штампованы с «шевронными», ямочными или другими узорами, тогда как другие могут иметь обработанные ребра и/или канавки.

По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменниками, пакетная пластинчатая конструкция обычно имеет меньший объем и стоимость. Другое различие между ними заключается в том, что пластинчатые теплообменники обычно обслуживают жидкости низкого и среднего давления, по сравнению со средним и высоким давлением кожухотрубчатых теплообменников. Третье и важное отличие заключается в том, что пластинчатые теплообменники используют больше противотока, а не перекрестного тока, что позволяет снизить разницу температур на подходе, высокие перепады температур и повысить эффективность.

Пластина и оболочка

Третий тип теплообменника — пластинчатый кожухотрубчатый теплообменник, который сочетает в себе технологии пластинчатого теплообменника с кожухотрубчатым теплообменником. Сердце теплообменника содержит полностью сварной круглый пакет пластин, изготовленный путем прессования и резки круглых пластин и сварки их вместе. Сопла переносят поток в пакет пластин и из него (путь потока «сторона пластин»). Полностью сварной пакет пластин собран во внешнюю оболочку, которая создает второй путь потока («сторона оболочки»). Технология пластин и кожуха обеспечивает высокую теплопередачу, высокое давление, высокую рабочую температуру , компактный размер, низкое загрязнение и близкий температурный режим. В частности, она полностью обходится без прокладок, что обеспечивает защиту от утечек при высоких давлениях и температурах.

Адиабатическое колесо

Четвертый тип теплообменника использует промежуточный жидкий или твердый накопитель для хранения тепла, которое затем перемещается на другую сторону теплообменника для высвобождения. Двумя примерами этого являются адиабатические колеса, которые состоят из большого колеса с тонкими нитями, вращающимися через горячую и холодную жидкости, и жидкостные теплообменники.

Пластинчатый плавник

Этот тип теплообменника использует "сэндвич"-каналы, содержащие ребра, для повышения эффективности агрегата. Конструкции включают перекрестный и противоточный поток в сочетании с различными конфигурациями ребер, такими как прямые ребра, смещенные ребра и волнистые ребра.

Пластинчатые и ребристые теплообменники обычно изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые обеспечивают высокую эффективность теплопередачи. Материал позволяет системе работать при меньшей разнице температур и снижает вес оборудования. Пластинчатые и ребристые теплообменники в основном используются для низкотемпературных приложений, таких как заводы по сжижению природного газа, гелия и кислорода , заводы по разделению воздуха и транспортные отрасли, такие как автомобильные и авиационные двигатели .

Преимущества пластинчато-ребристых теплообменников:

• Высокая эффективность теплопередачи, особенно при очистке газа
• Большая площадь теплопередачи
• Примерно в 5 раз легче кожухотрубчатого теплообменника. ^{[ необходима цитата ]}
• Способен выдерживать высокое давление

Недостатки пластинчато-ребристых теплообменников:

• Может вызвать засорение, так как проходы очень узкие.
• Трудно чистить дорожки
• Алюминиевые сплавы подвержены разрушению из-за охрупчивания под воздействием ртути

Ребристая труба

Использование ребер в теплообменнике на основе труб является обычным явлением, когда одной из рабочих сред является газ низкого давления, и типично для теплообменников, работающих с использованием окружающего воздуха, таких как автомобильные радиаторы и воздушные конденсаторы HVAC . Ребра значительно увеличивают площадь поверхности, с которой может происходить теплообмен, что повышает эффективность передачи тепла жидкости с очень низкой теплопроводностью , такой как воздух. Ребра обычно изготавливаются из алюминия или меди, поскольку они должны проводить тепло от трубки по всей длине ребер, которые обычно очень тонкие.

Основными типами конструкций теплообменников с оребренными трубами являются:

• Стопка равномерно расположенных металлических пластин действует как ребра, а трубки продавливаются через предварительно вырезанные отверстия в ребрах, хороший тепловой контакт обычно достигается за счет деформации ребер вокруг трубки. Это типичная конструкция для воздушных змеевиков HVAC и больших холодильных конденсаторов.
• Ребра наматываются по спирали на отдельные трубки в виде непрерывной полосы, после чего трубки можно собирать в блоки, изгибать в виде змеевика или скручивать в большие спирали.
• Зигзагообразные металлические полосы зажаты между плоскими прямоугольными трубками, часто спаянными или спаянными вместе для хорошей термической и механической прочности. Это распространено в теплообменниках низкого давления, таких как радиаторы водяного охлаждения . Обычные плоские трубки будут расширяться и деформироваться, если подвергаться высокому давлению, но плоские микроканальные трубки позволяют использовать эту конструкцию для высокого давления. ^[5]

В кожухотрубчатых теплообменниках, где требуется высокоэффективная теплопередача газу, для трубок можно использовать конструкцию с наборными ребрами или спирально-навитую конструкцию.

В системах охлаждения электроники радиаторы , особенно те, в которых используются тепловые трубки , могут иметь конструкцию с многослойными ребрами.

Подушка-тарелка

Теплообменник с подушками обычно используется в молочной промышленности для охлаждения молока в больших резервуарах из нержавеющей стали с прямым расширением . Почти вся поверхность резервуара может быть интегрирована с этим теплообменником, без зазоров, которые могли бы возникнуть между трубами, приваренными к внешней стороне резервуара. Подушки также могут быть выполнены в виде плоских пластин, которые укладываются друг на друга внутри резервуара. Относительно плоская поверхность пластин обеспечивает легкую очистку, особенно в стерильных условиях.

Подушка может быть изготовлена ​​либо из тонкого листа металла, приваренного к более толстой поверхности резервуара или сосуда, либо из двух тонких листов, сваренных вместе. Поверхность пластины сварена с регулярным рисунком точек или змеевидным рисунком линий сварки. После сварки замкнутое пространство подвергается давлению с достаточной силой, чтобы заставить тонкий металл выпирать вокруг сварных швов, обеспечивая пространство для потока жидкостей теплообменника и создавая характерный вид раздутой подушки, образованной из металла.

Установки рекуперации отработанного тепла

Блок рекуперации отработанного тепла (WHRU) — это теплообменник, который извлекает тепло из потока горячего газа, передавая его рабочей среде, обычно воде или маслам. Поток горячего газа может быть выхлопным газом газовой турбины или дизельного двигателя или отработанным газом промышленности или нефтеперерабатывающего завода.

Большие системы с потоками газа большого объема и температуры, типичные для промышленности, могут извлечь выгоду из парового цикла Ренкина (SRC) в блоке рекуперации отработанного тепла, но эти циклы слишком дороги для небольших систем. Рекуперация тепла из низкотемпературных систем требует других рабочих сред, чем пар.

Органический блок утилизации отработанного тепла цикла Ренкина (ORC) может быть более эффективным в диапазоне низких температур, используя хладагенты , которые кипят при более низких температурах, чем вода. Типичные органические хладагенты - аммиак , пентафторпропан (R-245fa и R-245ca) и толуол .

Хладагент кипит под воздействием источника тепла в испарителе , образуя перегретый пар. Эта жидкость расширяется в турбине, преобразуя тепловую энергию в кинетическую, которая преобразуется в электричество в электрогенераторе. Этот процесс передачи энергии снижает температуру хладагента, который, в свою очередь, конденсируется. Цикл замыкается и завершается с помощью насоса, который отправляет жидкость обратно в испаритель.

Динамическая царапающая поверхность

Другой тип теплообменника называется « (динамический) скребковый теплообменник ». Он в основном используется для нагрева или охлаждения высоковязких продуктов , процессов кристаллизации , испарения и сильно загрязняющих приложений. Длительное время работы достигается за счет непрерывного соскабливания поверхности, что позволяет избежать загрязнения и достичь устойчивой скорости теплопередачи во время процесса.

Изменение фазы

Типичный ребойлер котла, используемый в промышленных дистилляционных башнях

Типичный конденсатор с водяным охлаждением поверхности

В дополнение к нагреванию или охлаждению жидкостей в одной фазе , теплообменники могут использоваться либо для нагрева жидкости для ее испарения (или кипения), либо в качестве конденсаторов для охлаждения пара и конденсации его в жидкость. На химических заводах и нефтеперерабатывающих заводах ребойлеры , используемые для нагрева входящего сырья для дистилляционных колонн, часто являются теплообменниками. ^{[6] [7]}

В дистилляционных установках обычно используются конденсаторы для конденсации паров дистиллята обратно в жидкость.

Электростанции , использующие паровые турбины, обычно используют теплообменники для кипячения воды в пар . Теплообменники или аналогичные устройства для получения пара из воды часто называют котлами или парогенераторами.

В атомных электростанциях, называемых реакторами с водой под давлением , специальные большие теплообменники передают тепло из первичной (реакторной) системы во вторичную (паровую) систему, производя в процессе пар из воды. Они называются парогенераторами . Все работающие на ископаемом топливе и атомные электростанции, использующие паровые турбины, имеют поверхностные конденсаторы для преобразования отработанного пара из турбин в конденсат (воду) для повторного использования. ^{[8] [9]}

Для экономии энергии и охлаждающей способности на химических и других заводах регенеративные теплообменники могут передавать тепло из потока, который необходимо охладить, в другой поток, который необходимо нагреть, например, для охлаждения дистиллята и предварительного нагрева сырья ребойлера.

Этот термин может также относиться к теплообменникам, которые содержат в своей структуре материал, который имеет изменение фазы. Обычно это твердое вещество в жидкую фазу из-за небольшой разницы в объеме между этими состояниями. Это изменение фазы эффективно действует как буфер, поскольку происходит при постоянной температуре, но все еще позволяет теплообменнику принимать дополнительное тепло. Одним из примеров, где это было исследовано, является использование в авиационной электронике высокой мощности.

Теплообменники, работающие в режимах многофазного течения, могут быть подвержены неустойчивости Лединегга .

Прямой контакт

Теплообменники прямого контакта осуществляют теплообмен между горячими и холодными потоками двух фаз при отсутствии разделительной стенки. ^[10] Таким образом, такие теплообменники можно классифицировать как:

• Газ – жидкость
• Несмешивающаяся жидкость – жидкость
• Твёрдое тело – жидкость или твёрдое тело – газ

Большинство теплообменников прямого контакта относятся к категории «газ – жидкость», где тепло передается между газом и жидкостью в виде капель, пленок или распылений. ^[4]

Такие типы теплообменников используются преимущественно в системах кондиционирования воздуха , увлажнения , промышленного нагрева горячей воды , охлаждения воды и конденсационных установках. ^[11]

Микроканал

Микроканальные теплообменники представляют собой многоходовые теплообменники с параллельным потоком, состоящие из трех основных элементов: коллекторов (входных и выходных), многопортовых трубок с гидравлическими диаметрами менее 1 мм и ребер. Все элементы обычно спаиваются вместе с использованием процесса пайки в контролируемой атмосфере. Микроканальные теплообменники характеризуются высоким коэффициентом теплопередачи, низкими зарядами хладагента, компактными размерами и меньшими перепадами давления в воздушной зоне по сравнению с теплообменниками с оребренными трубками. ^{[ необходима цитата ]} Микроканальные теплообменники широко используются в автомобильной промышленности в качестве автомобильных радиаторов, а также в качестве конденсаторов, испарителей и охлаждающих/нагревательных змеевиков в отрасли HVAC.

Микротеплообменники , микромасштабные теплообменники или микроструктурированные теплообменники — это теплообменники, в которых (по крайней мере одна) жидкость течет в боковых ограничениях с типичными размерами менее 1 мм. Наиболее типичным таким ограничением являются микроканалы , которые представляют собой каналы с гидравлическим диаметром менее 1 мм. Микроканальные теплообменники могут быть изготовлены из металла или керамики. ^[13] Микроканальные теплообменники могут использоваться для многих приложений, включая:

• высокоэффективные авиационные газотурбинные двигатели ^[14]
• тепловые насосы ^[15]
• Охлаждение микропроцессоров и микросхем ^[16]
• кондиционирование воздуха ^[17]

Воздушные змеевики HVAC и охлаждения

Одно из самых широких применений теплообменников — охлаждение и кондиционирование воздуха . Этот класс теплообменников обычно называют воздушными змеевиками или просто змеевиками из-за их часто змеевидной внутренней трубки, или конденсаторами в случае охлаждения , и обычно они представляют собой ребристые трубки. Жидкостно-воздушные или воздухо-жидкостные змеевики HVAC обычно имеют модифицированную схему перекрестного потока. В транспортных средствах тепловые змеевики часто называют сердечниками нагревателя .

На жидкостной стороне этих теплообменников обычными жидкостями являются вода, водно-гликолевый раствор, пар или хладагент . Для нагревательных змеевиков наиболее распространены горячая вода и пар, и эта нагретая жидкость подается , например, котлами . Для охлаждающих змеевиков наиболее распространены охлажденная вода и хладагент. Охлажденная вода подается из чиллера , который потенциально расположен очень далеко, но хладагент должен поступать из близлежащего конденсаторного блока. Когда используется хладагент, охлаждающий змеевик является испарителем , а нагревательный змеевик является конденсатором в парокомпрессионном холодильном цикле. Змеевики HVAC, которые используют это прямое расширение хладагентов, обычно называются змеевиками DX . Некоторые змеевики DX являются «микроканальными» типами. ^[5]

На воздушной стороне змеевиков HVAC существует значительная разница между теми, которые используются для нагрева, и теми, которые используются для охлаждения. Из-за психрометрии , в охлажденном воздухе часто конденсируется влага, за исключением случаев с очень сухими потоками воздуха. Нагрев некоторого количества воздуха увеличивает способность этого воздушного потока удерживать воду. Таким образом, нагревательные змеевики не должны учитывать конденсацию влаги на своей воздушной стороне, но охлаждающие змеевики должны быть надлежащим образом спроектированы и выбраны для обработки их конкретной скрытой (влажность), а также явной (охлаждение) нагрузки. Удаляемая вода называется конденсатом .

Для многих климатических условий водяные или паровые змеевики HVAC могут подвергаться воздействию замерзания. Поскольку вода расширяется при замерзании, эти довольно дорогие и труднозаменяемые тонкостенные теплообменники могут быть легко повреждены или разрушены всего одним замерзанием. Таким образом, защита змеевиков от замерзания является основной заботой проектировщиков, установщиков и операторов HVAC.

Введение углублений, размещенных внутри ребер теплообмена, контролировало конденсацию, позволяя молекулам воды оставаться в охлажденном воздухе. ^[18]

Теплообменники в печах прямого сгорания , типичных для многих жилых домов, не являются «змеевиками». Вместо этого они представляют собой теплообменники газ-воздух, которые обычно изготавливаются из штампованного стального листа. Продукты сгорания проходят по одной стороне этих теплообменников, а воздух для нагрева — по другой. Поэтому треснувший теплообменник представляет собой опасную ситуацию, требующую немедленного внимания, поскольку продукты сгорания могут попасть в жилое помещение.

Спиральная катушка

Эскиз спирального теплообменника, состоящего из кожуха, сердечника и трубок ( конструкция Скотта С. Харабурды )

Хотя двухтрубные теплообменники являются наиболее простыми в конструкции, в следующих случаях лучшим выбором будет спиральный теплообменник (ССТ):

• Главным преимуществом HCHE, как и спирального теплообменника (SHE), является его высокоэффективное использование пространства, особенно когда оно ограничено и невозможно проложить достаточно прямых труб. ^[19]
• В условиях низких скоростей потока (или ламинарного потока ), когда типичные кожухотрубчатые теплообменники имеют низкие коэффициенты теплопередачи и становятся неэкономичными. ^[19]
• Когда в одной из жидкостей низкое давление, обычно из-за накопленных перепадов давления в другом технологическом оборудовании. ^[19]
• Когда одна из жидкостей имеет компоненты в нескольких фазах (твердые частицы, жидкости и газы), это имеет тенденцию создавать механические проблемы во время работы, такие как засорение труб малого диаметра. ^[20] Очистка спиральных змеевиков для этих многофазных жидкостей может оказаться более сложной, чем для кожухотрубчатых аналогов; однако спиральный змеевик потребует очистки реже.

Они использовались в ядерной промышленности в качестве метода теплообмена в натриевой системе для больших жидкометаллических быстрых реакторов-размножителей с начала 1970-х годов, используя устройство HCHE, изобретенное Чарльзом Э. Бордманом и Джоном Х. Джермером. ^[21] Существует несколько простых методов проектирования HCHE для всех типов производственных отраслей, например, метод Рамачандры К. Патила (и др.) из Индии и метод Скотта С. Харабурды из Соединенных Штатов . ^{[19] [20]}

Однако они основаны на предположениях об оценке внутреннего коэффициента теплопередачи, прогнозировании потока вокруг внешней поверхности змеевика и постоянном тепловом потоке. ^[22]

Спираль

Схематический чертеж спирального теплообменника

Модификация перпендикулярного потока типичного HCHE включает замену оболочки другой спиральной трубкой, что позволяет двум жидкостям течь параллельно друг другу, и что требует использования различных расчетов конструкции. ^[23] Это спиральные теплообменники (SHE), которые могут относиться к спиральной (спиральной) конфигурации труб, в более общем смысле этот термин относится к паре плоских поверхностей, которые свернуты в спираль, образуя два канала в противоточном расположении. Каждый из двух каналов имеет один длинный изогнутый путь. Пара портов для жидкости соединены тангенциально с внешними рукавами спирали, а осевые порты являются обычными, но необязательными. ^[24]

Главным преимуществом SHE является его высокоэффективное использование пространства. Это свойство часто используется и частично перераспределяется для получения других улучшений производительности, согласно хорошо известным компромиссам в конструкции теплообменника. (Значительный компромисс — капитальные затраты против эксплуатационных расходов.) Компактный SHE может использоваться для уменьшения занимаемой площади и, таким образом, снижения общих капитальных затрат, или увеличенный SHE может использоваться для уменьшения перепада давления , снижения энергии на перекачку , повышения тепловой эффективности и снижения затрат на энергию.

Строительство

Расстояние между листами в спиральных каналах поддерживается с помощью распорных шпилек, которые были приварены до прокатки. После того, как основной спиральный пакет был скатан, поочередно свариваются верхние и нижние края, и каждый конец закрывается прокладкой плоской или конической крышки, прикрученной к корпусу. Это гарантирует, что не произойдет смешивания двух жидкостей. Любая утечка происходит из периферийной крышки в атмосферу или в проход, содержащий ту же жидкость. ^[25]

Самоочистка

Спиральные теплообменники часто используются для нагрева жидкостей, содержащих твердые частицы и, таким образом, склонных загрязнять внутреннюю часть теплообменника. Низкий перепад давления позволяет SHE легче справляться с загрязнением. SHE использует механизм «самоочистки», при котором загрязненные поверхности вызывают локальное увеличение скорости жидкости, тем самым увеличивая сопротивление ( или трение жидкости ) на загрязненной поверхности, тем самым помогая устранить засор и поддерживать теплообменник в чистоте. «Внутренние стенки, составляющие поверхность теплопередачи, часто довольно толстые, что делает SHE очень прочным и способным долго служить в сложных условиях». ^{[ необходима цитата ]} Они также легко очищаются, открываясь как печь, где любые скопления загрязнений можно удалить с помощью мойки под давлением .

Самоочищающиеся фильтры для воды используются для поддержания чистоты и бесперебойной работы системы без необходимости ее отключения или замены картриджей и мешков.

Потоки

Сравнение между операциями и эффектами систем обмена с прямоточным и противоточным потоком показано на верхней и нижней диаграммах соответственно. В обеих предполагается (и указывается), что красный цвет имеет более высокое значение (например, температуру), чем синий, и что свойство, переносимое в каналах, поэтому течет из красного в синий. Каналы являются смежными, если должен происходить эффективный обмен (т. е. между каналами не может быть зазора).

В спиральном теплообменнике существует три основных типа потоков:

• Противоточный поток : жидкости текут в противоположных направлениях. Они используются для жидкостно-жидкостных, конденсационных и газовых охлаждающих приложений. Устройства обычно монтируются вертикально при конденсации пара и горизонтально при работе с высокими концентрациями твердых веществ.
• Спиральный поток/Перекрестный поток: одна жидкость находится в спиральном потоке, а другая в перекрестном потоке. Каналы спирального потока приварены с каждой стороны для этого типа спирального теплообменника. Этот тип потока подходит для обработки газа низкой плотности, который проходит через перекрестный поток, избегая потери давления. Его можно использовать для применений жидкость-жидкость, если одна жидкость имеет значительно большую скорость потока, чем другая.
• Распределенный поток пара/спирали: эта конструкция представляет собой конструкцию конденсатора и обычно устанавливается вертикально. Она предназначена для переохлаждения как конденсата, так и неконденсирующихся веществ. Охлаждающая жидкость движется по спирали и выходит через верхнюю часть. Горячие газы, которые поступают, выходят в виде конденсата через нижнее выпускное отверстие.

Приложения

Спиральный теплообменник хорош для таких применений, как пастеризация, нагрев варочного котла, рекуперация тепла, предварительный нагрев (см.: рекуператор ) и охлаждение сточных вод. Для обработки ила SHE обычно меньше других типов теплообменников. ^{[ необходима цитата ]} Они используются для передачи тепла.

Выбор

Из-за множества переменных выбор оптимальных теплообменников является сложной задачей. Ручные расчеты возможны, но обычно требуется много итераций. Таким образом, теплообменники чаще всего выбираются с помощью компьютерных программ, либо проектировщиками систем, которые обычно являются инженерами , либо поставщиками оборудования.

Чтобы выбрать подходящий теплообменник, проектировщики системы (или поставщики оборудования) в первую очередь рассматривают ограничения конструкции для каждого типа теплообменника. Хотя стоимость часто является основным критерием, важны и несколько других критериев выбора:

• Пределы высокого/низкого давления
• Тепловые характеристики
• Диапазоны температур
• Смесь продуктов (жидкость/жидкость, твердые частицы или жидкость с высоким содержанием твердых частиц)
• Падение давления в теплообменнике
• Пропускная способность жидкости
• Очистка, обслуживание и ремонт
• Материалы, необходимые для строительства
• Возможность и простота будущего расширения
• Выбор материала, например , медь , алюминий , углеродистая сталь , нержавеющая сталь , никелевые сплавы , керамика , полимер и титан . ^{[26] [27]}

Технологии змеевиков малого диаметра становятся все более популярными в современных системах кондиционирования воздуха и охлаждения, поскольку они имеют лучшие показатели теплопередачи, чем обычные конденсаторные и испарительные змеевики с круглыми медными трубками и алюминиевым или медным ребром, которые были стандартом в отрасли HVAC. Змеевики малого диаметра могут выдерживать более высокие давления, требуемые новым поколением более экологически чистых хладагентов. В настоящее время для систем кондиционирования воздуха и охлаждения доступны две технологии змеевиков малого диаметра: медные микроканавки ^[28] и паяные алюминиевые микроканалы. ^{[ необходима цитата ]}

Выбор правильного теплообменника (HX) требует определенных знаний о различных типах теплообменников, а также об окружающей среде, в которой должен работать агрегат. Обычно в обрабатывающей промышленности несколько различных типов теплообменников используются только для одного процесса или системы для получения конечного продукта. Например, котел HX для предварительного нагрева, двухтрубный HX для «несущей» жидкости и пластинчатый и рамный HX для окончательного охлаждения. При наличии достаточных знаний о типах теплообменников и эксплуатационных требованиях можно сделать соответствующий выбор для оптимизации процесса. ^[29]

Мониторинг и обслуживание

Онлайн-мониторинг коммерческих теплообменников осуществляется путем отслеживания общего коэффициента теплопередачи. Общий коэффициент теплопередачи имеет тенденцию к снижению со временем из-за загрязнения.

Периодически рассчитывая общий коэффициент теплопередачи на основе расхода и температуры теплообменника, владелец теплообменника может оценить, когда очистка теплообменника экономически выгодна.

Проверка целостности пластинчатого и трубчатого теплообменника может быть проведена на месте с помощью методов проводимости или гелия. Эти методы подтверждают целостность пластин или трубок для предотвращения перекрестного загрязнения и состояние прокладок.

Контроль механической целостности труб теплообменника может осуществляться неразрушающими методами, такими как вихретоковый контроль.

Загрязнение

Теплообменник на паровой электростанции, загрязненный макрообрастаниями

Загрязнение происходит, когда на поверхности теплообмена откладываются примеси. Отложение этих примесей может значительно снизить эффективность теплопередачи с течением времени и вызывается:

• Низкое напряжение сдвига стенки
• Низкие скорости жидкости
• Высокие скорости жидкости
• Продукт реакции твердый осадок
• Осаждение растворенных примесей из-за повышенных температур стенок

Скорость загрязнения теплообменника определяется скоростью осаждения частиц за вычетом повторного уноса/подавления. Эта модель была первоначально предложена в 1959 году Керном и Ситоном.

Загрязнение теплообменника сырой нефти . При коммерческой переработке сырой нефти сырая нефть нагревается от 21 °C (70 °F) до 343 °C (649 °F) перед поступлением в дистилляционную колонну. Ряд кожухотрубчатых теплообменников обычно обменивается теплом между сырой нефтью и другими потоками нефти, чтобы нагреть сырую нефть до 260 °C (500 °F) перед нагревом в печи. Загрязнение происходит на сырой стороне этих теплообменников из-за нерастворимости асфальтенов. Природа растворимости асфальтенов в сырой нефти была успешно смоделирована Вихе и Кеннеди. ^[30] Осаждение нерастворимых асфальтенов в линиях предварительного нагрева сырой нефти было успешно смоделировано как реакция первого порядка Эбертом и Панчалом ^[31], которые расширили работу Керна и Ситона.

Загрязнение охлаждающей воды . Системы охлаждающей воды подвержены загрязнению. Охлаждающая вода обычно имеет высокое общее содержание растворенных твердых веществ и взвешенных коллоидных твердых веществ. Локальное осаждение растворенных твердых веществ происходит на поверхности теплообмена из-за того, что температура стенки выше, чем температура основной жидкости. Низкие скорости жидкости (менее 3 футов/с) позволяют взвешенным твердым веществам осаждаться на поверхности теплообмена. Охлаждающая вода обычно находится на трубной стороне кожухотрубчатого теплообменника, поскольку ее легко чистить. Чтобы предотвратить загрязнение, проектировщики обычно обеспечивают, чтобы скорость охлаждающей воды была больше 0,9 м/с , а температура основной жидкости поддерживалась ниже 60 °C (140 °F). Другие подходы к контролю загрязнения сочетают «слепое» применение биоцидов и химикатов против накипи с периодическими лабораторными испытаниями.

Обслуживание

Пластинчатые и рамные теплообменники можно разбирать и периодически очищать. Трубчатые теплообменники можно очищать такими методами, как кислотная очистка, пескоструйная обработка , очистка струей воды под высоким давлением , очистка пулями или буровыми штангами.

В крупномасштабных системах охлаждения воды для теплообменников обработка воды , такая как очистка, добавление химикатов и тестирование, используется для минимизации загрязнения теплообменного оборудования. Другая обработка воды также используется в паровых системах для электростанций и т. д. для минимизации загрязнения и коррозии теплообменника и другого оборудования.

Различные компании начали использовать технологию колебаний, передаваемых через воду, для предотвращения биообрастания . Без использования химикатов этот тип технологии помог обеспечить низкий перепад давления в теплообменниках.

Правила проектирования и производства

Проектирование и производство теплообменников регламентируется многочисленными правилами, которые различаются в зависимости от региона, в котором они будут использоваться.

В число норм проектирования и производства входят: ASME Boiler and Pressure Vessel Code (США); PD 5500 (Великобритания); BS 1566 (Великобритания); ^[32] EN 13445 (ЕС); CODAP (французский); Pressure Equipment Safety Regulations 2016 (PER) (Великобритания); Pressure Equipment Directive (ЕС); NORSOK (норвежский); TEMA ; ^[33] API 12; и API 560. ^{[ требуется ссылка ]}

В природе

Люди

Носовые ходы человека служат теплообменником, при этом вдыхается прохладный воздух, а выдыхается теплый. Эффективность этого можно продемонстрировать, поднеся руку к лицу и выдохнув сначала через нос, а затем через рот. Воздух, выдыхаемый через нос, значительно прохладнее. ^{[34] [35]} Этот эффект можно усилить с помощью одежды, например, надев шарф на лицо при дыхании в холодную погоду.

У видов, имеющих внешние яички (например, у человека), артерия к яичкам окружена сетью вен, называемых лозовидным сплетением . Это охлаждает кровь, направляющуюся к яичкам, и одновременно нагревает возвращающуюся кровь.

Птицы, рыбы, морские млекопитающие

Схема сохранения противоточного обмена

« Противотоковые » теплообменники встречаются естественным образом в кровеносных системах рыб , китов и других морских млекопитающих . Артерии к коже, несущие теплую кровь, переплетаются с венами от кожи, несущими холодную кровь, заставляя теплую артериальную кровь обмениваться теплом с холодной венозной кровью. Это снижает общую потерю тепла в холодной воде. Теплообменники также присутствуют в языках усатых китов , поскольку через их рот протекают большие объемы воды. ^{[36] [37]} Болотные птицы используют похожую систему, чтобы ограничить потери тепла от своего тела через ноги в воду.

сонная артерия

Каротидная сеть — это противоточный теплообменный орган у некоторых копытных . Кровь, поднимающаяся по сонным артериям на пути к мозгу, течет через сеть сосудов, где тепло отводится в вены более холодной крови, спускающейся из носовых ходов. Каротидная сеть позволяет газели Томсона поддерживать температуру мозга почти на 3 °C (5,4 °F) ниже, чем у остального тела, и, следовательно, помогает переносить всплески метаболического тепловыделения, например, связанные с бегом гепардов (во время которых температура тела превышает максимальную температуру, при которой может функционировать мозг). ^[38] У людей и других приматов отсутствует каротидная сеть. ^[39]

В промышленности

Теплообменники широко используются в промышленности как для охлаждения, так и для нагрева крупномасштабных промышленных процессов. Тип и размер используемого теплообменника могут быть адаптированы к процессу в зависимости от типа жидкости, ее фазы, температуры, плотности, вязкости, давления, химического состава и различных других термодинамических свойств.

Во многих промышленных процессах есть потери энергии или тепловой поток, который истощается, теплообменники могут использоваться для рекуперации этого тепла и его использования путем нагрева другого потока в процессе. Такая практика экономит много денег в промышленности, так как тепло, подаваемое в другие потоки от теплообменников, в противном случае поступало бы из внешнего источника, который является более дорогим и более вредным для окружающей среды.

Теплообменники используются во многих отраслях промышленности, в том числе:

• Очистка сточных вод
• Охлаждение
• Производство вина и пива
• Переработка нефти
• Ядерная энергетика

При очистке сточных вод теплообменники играют важную роль в поддержании оптимальных температур в анаэробных реакторах для содействия росту микробов, которые удаляют загрязняющие вещества. Распространенными типами теплообменников, используемых в этом применении, являются двухтрубный теплообменник, а также пластинчатый и рамный теплообменник.

В самолете

В коммерческих самолетах теплообменники используются для отбора тепла из масляной системы двигателя для нагрева холодного топлива. ^[40] Это повышает топливную эффективность, а также снижает вероятность замерзания воды, содержащейся в топливе, в компонентах. ^[41]

Текущий рынок и прогноз

Ожидается, что глобальный спрос на теплообменники, оцениваемый в 17,5 млрд долларов США в 2021 году, будет расти примерно на 5% в год в течение следующих лет. Ожидается, что рыночная стоимость достигнет 27 млрд долларов США к 2030 году. С ростом спроса на экологически чистые варианты и ростом развития офисов, розничных секторов и общественных зданий, расширение рынка должно расти. ^[42]

Модель простого теплообменника

Простой теплообмен ^{[43] [44]} можно представить как две прямые трубы с потоком жидкости, которые термически связаны. Пусть трубы будут одинаковой длины L , переносящие жидкости с теплоемкостью (энергия на единицу массы на единицу изменения температуры), и пусть массовый расход жидкостей через трубы, обе в одном направлении, будет (масса на единицу времени), где нижний индекс i относится к трубе 1 или трубе 2. ${\displaystyle C_{i}}$ ${\displaystyle j_{i}}$

Профили температуры для труб имеют вид и где x — расстояние вдоль трубы. Предположим, что имеет место устойчивое состояние, так что профили температуры не являются функциями времени. Предположим также, что единственный перенос тепла от небольшого объема жидкости в одной трубе — это перенос тепла к элементу жидкости в другой трубе в том же положении, т. е. нет переноса тепла вдоль трубы из-за разницы температур в этой трубе. По закону охлаждения Ньютона скорость изменения энергии небольшого объема жидкости пропорциональна разнице температур между ним и соответствующим элементом в другой трубе: ${\displaystyle T_{1}(x)}$ ${\displaystyle T_{2}(x)}$

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=\gamma (T_{1}-T_{2})}$

(это для параллельного потока в одном направлении и противоположных градиентов температуры, но для противоточного теплообмена противоточный обмен знак противоположный во втором уравнении перед ), где - тепловая энергия на единицу длины, а γ - тепловая константа связи на единицу длины между двумя трубами. Это изменение внутренней энергии приводит к изменению температуры элемента жидкости. Скорость изменения времени для элемента жидкости, переносимого потоком, равна: ${\displaystyle \gamma (T_{1}-T_{2})}$ ${\displaystyle u_{i}(x)}$

${\displaystyle {\frac {du_{1}}{dt}}=J_{1}{\frac {dT_{1}}{dx}}}$

${\displaystyle {\frac {du_{2}}{dt}}=J_{2}{\frac {dT_{2}}{dx}}}$

где - "тепловой массовый расход". Дифференциальные уравнения, управляющие теплообменником, теперь можно записать как: ${\displaystyle J_{i}={C_{i}}{j_{i}}}$

${\displaystyle J_{1}{\frac {\partial T_{1}}{\partial x}}=\gamma (T_{2}-T_{1})}$

${\displaystyle J_{2}{\frac {\partial T_{2}}{\partial x}}=\gamma (T_{1}-T_{2}).}$

Поскольку система находится в устойчивом состоянии, то нет частных производных температуры по времени, и поскольку нет теплопередачи по трубе, то нет и вторых производных по x, как это найдено в уравнении теплопроводности . Эти два связанных дифференциальных уравнения первого порядка можно решить, чтобы получить:

${\displaystyle T_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}\,e^{-kx}}$

${\displaystyle T_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}\,e^{-kx}}$

где , , ${\displaystyle k_{1}=\gamma /J_{1}}$ ${\displaystyle k_{2}=\gamma /J_{2}}$

${\displaystyle k=k_{1}+k_{2}}$

(это для параллельного потока, но для противотока знак перед отрицательный, так что если , то для одного и того же «теплового массового расхода» в обоих противоположных направлениях градиент температуры постоянен, а температуры линейны в положении x с постоянной разностью вдоль теплообменника, что объясняет, почему противоточная конструкция противоточного обмена является наиболее эффективной) ${\displaystyle k_{2}}$ ${\displaystyle k_{2}=k_{1}}$ ${\displaystyle (T_{2}-T_{1})}$

и A и B — две пока неопределенные константы интегрирования. Пусть и будут температурами при x=0, а и будут температурами на конце трубы при x=L. Определим средние температуры в каждой трубе как: ${\displaystyle T_{10}}$ ${\displaystyle T_{20}}$ ${\displaystyle T_{1L}}$ ${\displaystyle T_{2L}}$

${\displaystyle {\overline {T}}_{1}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{1}(x)dx}$

${\displaystyle {\overline {T}}_{2}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{2}(x)dx.}$

Используя приведенные выше решения, эти температуры составляют:

Выбор любых двух из температур выше исключает константы интегрирования, позволяя нам найти остальные четыре температуры. Мы находим полную переданную энергию, интегрируя выражения для скорости изменения внутренней энергии на единицу длины:

${\displaystyle {\frac {dU_{1}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{1}}{dt}}\,dx=J_{1}(T_{1L}-T_{10})=\gamma L({\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1})}$

${\displaystyle {\frac {dU_{2}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{2}}{dt}}\,dx=J_{2}(T_{2L}-T_{20})=\gamma L({\overline {T}}_{1}-{\overline {T}}_{2}).}$

По закону сохранения энергии сумма двух энергий равна нулю. Эта величина известна как логарифмическая средняя разность температур и является мерой эффективности теплообменника в передаче тепловой энергии. ${\displaystyle {\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1}}$

Смотрите также

• Архитектурное проектирование
• Химическая инженерия
• Градирня
• Медь в теплообменниках
• Тепловая трубка
• Тепловой насос
• Вентиляция с рекуперацией тепла
• Сосуд с рубашкой
• Логарифмическая средняя разность температур (LMTD)
• Судовые теплообменники
• Машиностроение
• Микротеплообменник
• Теплообменник с подвижным слоем
• Насадочный слой и в частности насадочные колонны
• Технология перекачиваемого льда
• Ребойлер
• Рекуператор или теплообменник с крестообразными пластинами
• Регенератор
• Пробег вокруг катушки
• Парогенератор (атомная энергетика)
• Поверхностный конденсатор
• Тороидальный компенсатор
• Термосифон
• Тепловое колесо или роторный теплообменник (включая энтальпийное колесо и осушительное колесо)
• Инструмент для труб
• Отработанное тепло

Ссылки

1. Аль-Саммарраи, Ахмед Т.; Вафаи, Камбиз (2017). «Усиление теплопередачи за счет углов сходимости в трубе». Численная теплопередача, часть A: приложения . 72 (3): 197–214. Bibcode : 2017NHTA...72..197A. doi : 10.1080/10407782.2017.1372670. S2CID  125509773.
2. Садик Какач; Хунтан Лю (2002). Теплообменники: выбор, рейтинг и тепловое проектирование (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-0902-1.
3. Фарзане, Махса; Форузанде, Азаде; Аль-Саммарраи, Ахмед Т.; Салимпур, Мохаммад Реза (2019). «Конструктивное проектирование многослойных микроканальных радиаторов с круглыми каналами». Журнал тепловых наук и инженерных приложений . 11. doi :10.1115/1.4041196. S2CID  126162513.
4. Saunders, EA (1988). Теплообменники: выбор, проектирование и строительство. Нью-Йорк: Longman Scientific and Technical.
5. "MICROCHANNEL TECHNOLOGY" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2013 г.
6. Кистер, Генри З. (1992). Проектирование дистилляции (1-е изд.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-034909-4.
7. Перри, Роберт Х.; Грин, Дон У. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049479-4.
8. Ориентационный курс по контролю загрязнения воздуха с веб-сайта Института обучения по борьбе с загрязнением воздуха
9. Экономия энергии в паровых системах Архивировано 27 сентября 2007 г. на Wayback Machine Рисунок 3а. Схема поверхностного конденсатора (прокрутите страницу до 11 из 34 страниц PDF)
10. Коулсон, Дж. и Ричардсон, Дж. (1983), Химическая инженерия – Проектирование (единицы СИ), Том 6, Pergamon Press, Оксфорд.
11. Хьюитт Г., Шайрс Г., Ботт Т. (1994), Процесс теплопередачи, CRC Press Inc., Флорида.
12. Таблица: Различные типы теплообменников прямого контакта газ-жидкость (Hewitt G, Shires G & Bott T, 1994)
13. Kee Robert J.; et al. (2011). «Проектирование, изготовление и оценка керамического противоточного микроканального теплообменника». Applied Thermal Engineering . 31 (11): 2004–2012. doi :10.1016/j.applthermaleng.2011.03.009.
14. Northcutt B.; Mudawar I. (2012). «Улучшенная конструкция модуля теплообменника с микроканалами с поперечным потоком для высокопроизводительных авиационных газотурбинных двигателей». Journal of Heat Transfer . 134 (6): 061801. doi :10.1115/1.4006037.
15. Moallem E.; Padhmanabhan S.; Cremaschi L.; Fisher DE (2012). «Экспериментальное исследование влияния температуры поверхности и удержания воды на эффективность замораживания компактного микроканального теплообменника для систем тепловых насосов». International Journal of Refrigeration . 35 (1): 171–186. doi :10.1016/j.ijrefrig.2011.08.010.
16. Sarvar-Ardeh, S., Rafee, R., Rashidi, S. (2021). Гибридные наножидкости с температурно-зависимыми свойствами для использования в двухслойных микроканальных теплоотводах; гидротермальное исследование. Журнал Тайваньского института инженеров-химиков. цитировать журнал https://doi.org/10.1016/j.jtice.2021.05.007
17. Сюй, Б., Ши, Дж., Ван, И., Чэнь, Дж., Ли, Ф. и Ли, Д. (2014). Экспериментальное исследование характеристик загрязнения системы кондиционирования воздуха с микроканальным теплообменником.
18. Патент 2,046,968 Джон С. Рейсли ^{[ недействительная ссылка ]} выдан 7 июля 1936 г.; подан 8 января 1934 г. [1]
19. Патил, Рамачандра К.; Шенде, Б. В.; Гхош, Прасанфа К. (13 декабря 1982 г.). «Проектирование спирального теплообменника». Химическая инженерия . 92 (24): 85–88 . Получено 14 июля 2015 г.
20. Haraburda, Scott S. (июль 1995 г.). «Трехфазный поток? Рассмотрим спиральный теплообменник». Chemical Engineering . 102 (7): 149–151 . Получено 14 июля 2015 г. .
21. US 3805890, Бордман, Чарльз Э. и Джермер, Джон Х., «Спиральный теплообменник», выдан в 1974 г. 
22. Ренни, Тимоти Дж. (2004). Численные и экспериментальные исследования двухтрубного спирального теплообменника (PDF) (Ph.D.). Монреаль: Университет Макгилла. стр. 3–4 . Получено 14 июля 2015 г.
23. Ренни, Тимоти Дж.; Рагхаван, Виджая Г.С. (сентябрь 2005 г.). «Экспериментальные исследования двухтрубного спирального теплообменника». Experimental Thermal and Fluid Science . 29 (8): 919–924. doi :10.1016/j.expthermflusci.2005.02.001.
24. "Cooling Text". Архивировано из оригинала 2009-02-09 . Получено 2019-09-09 .
25. EADSaunders (1988). Теплообменники: Выбор, проектирование и строительство Longman Scientific and Technical ISBN 0-582-49491-5 
26. Хартман, А.Д.; Гердеманн, С.Дж.; Хансен, Дж.С. (1998-09-01). «Производство титана с более низкой стоимостью для автомобильных применений». JOM . 50 (9): 16–19. Bibcode :1998JOM....50i..16H. doi :10.1007/s11837-998-0408-1. ISSN  1543-1851. S2CID  92992840.
27. Nyamekye, Patricia; Rahimpour Golroudbary, Saeed; Piili, Heidi; Luukka, Pasi; Kraslawski, Andrzej (2023-05-01). "Влияние аддитивного производства на цепочку поставок титана: случай титановых сплавов в автомобильной и аэрокосмической промышленности". Advances in Industrial and Manufacturing Engineering . 6 : 100112. doi : 10.1016/j.aime.2023.100112 . ISSN  2666-9129. S2CID  255534598. Архивировано из оригинала 4 февраля 2024 г.
28. "Медные трубки малого диаметра экономичны и экологичны | Преимущество MicroGroove". microgroove.net . Архивировано из оригинала 8 декабря 2023 г.{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)
29. • Уайт, Ф.М. «Тепло- и массоперенос» © 1988 Addison-Wesley Publishing Co. стр. 602–604
    • Рафферти, Кевин Д. "Теплообменники". Gene Culver Geo-Heat Center . Геотермальные сети. Архивировано из оригинала 29.03.2008.Последний доступ 17/3/08.
    • "Process Heating". process-heating.com . BNP Media. Архивировано из оригинала 16 марта 2008 г.Последний доступ 17/3/08.
30. Wiehe, Irwin A.; Kennedy, Raymond J. (1 января 2000 г.). «Модель совместимости нефти и несовместимость сырой нефти». Energy & Fuels . 14 (1): 56–59. doi :10.1021/ef990133+.
31. Панчал К. Б. и Эберт В., Анализ данных по коксованию в потоке сырой нефти компании Exxon, Труды по снижению загрязнения промышленного теплообменного оборудования, Сан-Луис-Обиспо, Калифорния, США, стр. 451, июнь 1995 г.
32. Руководство по соблюдению требований к отоплению жилых помещений: соответствие утвержденным документам L1A: Новые жилые помещения и L1B: Существующие жилые помещения: Строительные нормы 2000 г. с поправками 2006 г. Лондон: TSO. 2006. ISBN 978-0-11-703645-1. OCLC  500282471.
33. Эпштейн, Норман (2014), «Проектные и строительные нормы», HEDH Multimedia , Begellhouse, doi :10.1615/hedhme.a.000413, ISBN 978-1-56700-423-6, получено 2022-04-12
34. Потеря тепла через дыхательные пути при холоде, Центр технической информации Министерства обороны, апрель 1955 г.
35. Рэндалл, Дэвид Дж.; Уоррен В. Берггрен; Кэтлин Френч; Роджер Экерт (2002). Физиология животных Экерта: механизмы и адаптации . Macmillan. стр. 587. ISBN 978-0-7167-3863-3.
36. "Natural History Museum: Research & Collections: History". Архивировано из оригинала 2009-06-14 . Получено 2019-09-09 .
37. Хейнинг и Мид; Мид, Дж. Г. (ноябрь 1997 г.). «Терморегуляция во рту кормящихся серых китов». Science . 278 (5340): 1138–1140. Bibcode :1997Sci...278.1138H. doi :10.1126/science.278.5340.1138. PMID  9353198.
38. «Сеть сонной артерии охлаждает мозг: газель Томсона».
39. Брунер, Эмилиано; Мантини, Симона; Муссо, Фабио; Де Ла Куэтара, Хосе Мануэль; Рипани, Маурицио; Шеркат, Шахрам (30 ноября 2010 г.). «Эволюция менингеальной сосудистой системы у человека: от формы мозга к терморегуляции». Американский журнал биологии человека . 23 (1): 35–43. дои : 10.1002/ajhb.21123. ISSN  1042-0533. ПМИД  21120884.
40. "Патент США 4498525, Система теплообмена топливо/масло для двигателя". Патентное и товарное бюро США . Получено 3 февраля 2009 г.
41. Крофт, Джон. "Boeing связывает Heathrow, Atlanta Trent 895 engine rollbacks". FlightGlobal.com . Получено 3 февраля 2009 г.
42. Исследования, Straits (2022-07-06). «Прогнозируется, что к 2030 году объем рынка теплообменников достигнет 27 миллиардов долларов США, а среднегодовой темп роста составит 5%: Straits Research». GlobeNewswire News Room (пресс-релиз) . Получено 2022-07-15 .
43. Кей Дж. М. и Неддерман Р. М. (1985) Механика жидкостей и процессы переноса , Cambridge University Press
44. "Веб-курс MIT по теплообменникам". [MIT].

• Коулсон, Дж. и Ричардсон, Дж. (1999). Химическая инженерия — Течение жидкости. Теплопередача и массообмен — Том 1; Reed Educational & Professional Publishing LTD
• Доган Эринер (2005), «Термоэкономическая оптимизация расстояния между перегородками в кожухотрубчатых теплообменниках», Энергосбережение и управление, том 47, выпуск 11–12, страницы 1478–1489.
• GFHewitt, GLShires, TRBott (1994) Процесс теплопередачи, CRC Press, Inc, Соединенные Штаты Америки.

Внешние ссылки

• Программное обеспечение для проектирования кожухотрубчатых теплообменников для образовательных целей (PDF)
• Руководство ЕС по оборудованию, работающему под давлением
• Концепция управления температурным режимом для более электрических систем питания самолетов (PDF)