Теплообменник

Оборудование, используемое для передачи тепла между жидкостями

Трубчатый теплообменник

Частичный вид на впускную камеру кожухотрубного теплообменника холодильной машины 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 в нагревании. ^[1] Жидкости могут быть разделены сплошной перегородкой, чтобы предотвратить смешивание, или они могут находиться в прямом контакте. ^[2] Они широко используются в системах отопления , охлаждения , кондиционирования воздуха , электростанциях , химических заводах , нефтехимических заводах , нефтеперерабатывающих заводах , переработке природного газа и очистке сточных вод . Классический пример теплообменника можно найти в двигателе внутреннего сгорания , в котором циркулирующая жидкость, известная как охлаждающая жидкость двигателя, протекает через змеевики радиатора , а воздух проходит мимо змеевиков, охлаждая охлаждающую жидкость и нагревая входящий воздух . Другим примером является радиатор , который представляет собой пассивный теплообменник, передающий тепло, генерируемое электронным или механическим устройством, жидкой среде, часто воздуху или жидкому хладагенту. ^[3]

Расположение потока

Противоточные (А) и параллельные (Б) потоки

Существует три основные классификации теплообменников в зависимости от их расположения потока. В теплообменниках с параллельным потоком две жидкости входят в теплообменник с одного конца и перемещаются параллельно друг другу на другую сторону. В противоточных теплообменниках жидкости поступают в теплообменник с противоположных концов. Противоточная конструкция является наиболее эффективной, поскольку она может передавать наибольшее количество тепла от теплоносителя на единицу массы за счет того, что средняя разница температур на любой единице длины выше . См. встречный обмен . В теплообменнике с перекрестным потоком жидкости движутся через теплообменник примерно перпендикулярно друг другу.

• 
  Рис. 1: Кожухотрубный теплообменник , одноходовой (1–1 параллельный поток)
• 
  Рис. 2: Кожухотрубный теплообменник, двухходовая трубная сторона (1–2 поперечного потока)
• 
  Рис. 3: Кожухотрубный теплообменник, 2-ходовой со стороны кожуха, 2-ходовой со стороны труб (2-2 противотока)

Для повышения эффективности теплообменники спроектированы таким образом, чтобы максимизировать площадь поверхности стенки между двумя жидкостями, одновременно сводя к минимуму сопротивление потоку жидкости через теплообменник. На производительность теплообменника также может повлиять добавление ребер или гофров в одном или обоих направлениях, которые увеличивают площадь поверхности и могут направлять поток жидкости или вызывать турбулентность.

Температура движения по поверхности теплопередачи варьируется в зависимости от положения, но можно определить соответствующую среднюю температуру. В большинстве простых систем это « логарифмическая средняя разница температур » (LMTD). Иногда непосредственные сведения о LMTD недоступны и используется метод NTU .

Типы

Двухтрубные теплообменники — самые простые теплообменники, используемые в промышленности. С одной стороны, эти теплообменники дешевы как с точки зрения конструкции, так и с точки зрения обслуживания, что делает их хорошим выбором для небольших производств. С другой стороны, их низкая эффективность в сочетании с большим пространством, занимаемым в больших масштабах, побудила современные отрасли использовать более эффективные теплообменники, такие как кожухотрубные или пластинчатые. Однако, поскольку двухтрубные теплообменники просты, они используются для обучения студентов основам проектирования теплообменников, поскольку основные правила для всех теплообменников одинаковы.

1. Двухтрубный теплообменник.

Когда одна жидкость течет через меньшую трубу, другая течет через кольцевой зазор между двумя трубками. В двухтрубном теплообменнике эти потоки могут быть параллельными или встречными.

(а) Параллельный поток, при котором 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. Эта конфигурация предпочтительна, когда обе жидкости должны достигать одинаковой температуры, поскольку она снижает тепловое напряжение и обеспечивает более равномерную скорость теплопередачи.

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

На рисунке выше показано параллельное и противоточное направления потока жидкостного теплообменника.

2. Теплообменник кожухотрубный.

В кожухотрубном теплообменнике через теплообменник протекают две жидкости с разными температурами. Одна из жидкостей течет через сторону трубки, а другая жидкость течет вне трубок, но внутри оболочки (сторона оболочки).

Перегородки используются для поддержки трубок, направления потока жидкости в трубки почти естественным образом и максимизации турбулентности жидкости в оболочке. Существует множество различных типов перегородок, и выбор формы, расстояния и геометрии перегородок зависит от допустимой скорости потока при падении силы со стороны оболочки, необходимости в опоре трубы и вибраций, вызванных потоком. Доступно несколько вариантов кожухотрубных теплообменников; различия заключаются в расположении конфигураций потока и деталях конструкции.

При охлаждении воздуха с помощью кожухотрубной технологии (например, промежуточного охладителя / охладителя наддувочного воздуха для двигателей внутреннего сгорания ) к трубкам можно добавить ребра, чтобы увеличить площадь теплопередачи на стороне воздуха и создать конфигурацию труб и ребер.

3. Пластинчатый теплообменник.

Пластинчатый теплообменник содержит несколько пластин-теплообменников тонкой формы, соединенных вместе. Расположение прокладок каждой пары пластин обеспечивает две отдельные системы каналов. Каждая пара пластин образует канал, по которому может течь жидкость. Пары соединяются методами сварки и болтового соединения. Ниже показаны компоненты теплообменника.

В одиночных каналах конфигурация прокладок обеспечивает проходимость. Таким образом, это позволяет основной и вторичной средам двигаться в противотоке. Прокладочный пластинчатый теплообменник имеет тепловую область из гофрированных пластин. Прокладка выполняет функцию уплотнения между пластинами и расположена между рамой и нажимными пластинами. Жидкость течет в направлении противотока по всему теплообменнику. Обеспечивается эффективная тепловая производительность. Плиты выпускаются разной глубины, размеров и гофрированной формы. Доступны различные типы пластин, включая пластинчато-рамочные, пластинчато-корпусные и спирально-пластинчатые теплообменники. Зона распределения гарантирует приток жидкости ко всей поверхности теплопередачи. Это помогает предотвратить застойные зоны, которые могут вызвать скопление нежелательного материала на твердых поверхностях. Высокая турбулентность потока между пластинами приводит к большей передаче тепла и снижению давления.

4. Конденсаторы и котлы. Теплообменниками, использующими двухфазную систему теплопередачи, являются конденсаторы, котлы и испарители. Конденсаторы — это приборы, которые поглощают и охлаждают горячий газ или пар до точки конденсации и преобразуют газ в жидкую форму. Точка, в которой жидкость превращается в газ, называется испарением, и наоборот – конденсацией. Поверхностный конденсатор — наиболее распространенный тип конденсатора, в состав которого входит устройство подачи воды. На рисунке 5 ниже показан двухходовой поверхностный конденсатор.

Давление пара на выходе из турбины низкое там, где плотность пара очень низкая, а скорость потока очень высокая. Для предотвращения снижения давления при движении пара от турбины к конденсатору конденсаторный агрегат размещают снизу и соединяют с турбиной. Внутри трубок охлаждающая вода течет параллельно, а пар движется вертикально вниз из широкого отверстия вверху и проходит через трубку. Кроме того, котлы относятся к категории теплообменников первого применения. Слово «парогенератор» регулярно использовалось для описания котельной установки, в которой источником тепла является поток горячей жидкости, а не продуктов сгорания. В зависимости от габаритов и конфигурации изготавливаются котлы. Некоторые котлы способны производить только горячую жидкость, тогда как другие предназначены для производства пара.

Оболочка и трубка

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубные теплообменники состоят из ряда трубок, содержащих жидкость, которую необходимо либо нагревать, либо охлаждать. Вторая жидкость течет по трубкам, которые нагреваются или охлаждаются, так что она может либо обеспечить тепло, либо поглотить необходимое тепло. Совокупность трубок называется пучком труб и может состоять из нескольких типов трубок: гладких, с продольно-оребренными оребрениями и т. д. Кожухотрубные теплообменники обычно используются для применений с высоким давлением (с давлением более 30 бар и температурой выше выше 260 °С). ^[4] Это связано с тем, что кожухотрубные теплообменники прочны благодаря своей форме.
При проектировании трубок кожухотрубных теплообменников необходимо учитывать несколько особенностей теплового проектирования: Может быть множество вариаций конструкции кожухотрубных теплообменников. Обычно концы каждой трубки соединяются с камерами статического давления (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 небольшого диаметра делает теплообменник экономичным и компактным. Однако более вероятно, что теплообменник засорится быстрее, а небольшой размер затрудняет механическую очистку от загрязнений. Чтобы избежать проблем загрязнения и очистки, можно использовать трубки большего диаметра. Таким образом, для определения диаметра трубки необходимо учитывать доступное пространство, стоимость и характер загрязнения жидкостей.
• Толщина трубки: Толщина стенки трубок обычно определяется для обеспечения:
  • Места для коррозии достаточно.
  • Эта вибрация, вызванная потоком, имеет сопротивление.
  • Осевая прочность
  • Наличие запасных частей
  • Прочность кольца (чтобы выдерживать внутреннее давление в трубке)
  • Прочность на изгиб (выдерживать избыточное давление в оболочке)
• Длина трубки: теплообменники обычно дешевле, если они имеют меньший диаметр корпуса и большую длину трубки. Таким образом, обычно существует цель сделать теплообменник настолько длинным, насколько это физически возможно, не превышая при этом производственные возможности. Однако для этого существует множество ограничений, в том числе наличие свободного места на месте установки и необходимость обеспечения наличия трубок длиной, вдвое превышающей требуемую длину (чтобы их можно было снять и заменить). Кроме того, длинные тонкие трубки сложно вынимать и заменять.
• Шаг труб: при проектировании трубок целесообразно обеспечить, чтобы шаг трубок (т. е. расстояние между центрами соседних трубок) был не менее чем в 1,25 раза больше наружного диаметра трубок. Больший шаг трубок приводит к увеличению общего диаметра корпуса, что приводит к более дорогому теплообменнику.
• Гофрирование трубок: этот тип трубок, в основном используемый для внутренних трубок, увеличивает турбулентность жидкостей, что очень важно для теплопередачи, обеспечивая лучшую производительность.
• Расположение трубок: относится к тому, как трубки расположены внутри корпуса. Существует четыре основных типа расположения трубок: треугольная (30°), повернутая треугольная (60°), квадратная (90°) и повернутая квадратная (45°). Треугольные узоры используются для обеспечения большей теплопередачи, поскольку они заставляют жидкость течь более турбулентно вокруг трубопровода. Квадратные модели используются в тех случаях, когда наблюдается сильное загрязнение и очистка является более регулярной.
• Конструкция перегородок: перегородки используются в кожухотрубных теплообменниках для направления жидкости через пучок труб. Они проходят перпендикулярно оболочке и удерживают пучок, не давая трубкам провисать на большой длине. Они также могут предотвратить вибрацию трубок. 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 пучком труб. Расстояние между перегородками имеет большое термодинамическое значение при проектировании кожухотрубных теплообменников. Перегородки должны быть расположены с учетом преобразования перепада давления и теплопередачи. Для термоэкономической оптимизации предлагается располагать перегородки на расстоянии не ближе 20% внутреннего диаметра корпуса. Слишком близкое расположение перегородок приводит к большему перепаду давления из-за перенаправления потока. Следовательно, слишком большое расстояние между перегородками означает, что в углах между перегородками могут быть более прохладные места. Также важно убедиться, что перегородки расположены достаточно близко, чтобы трубы не провисали. Другой основной тип перегородки — дисковая и кольцевая перегородка, состоящая из двух концентрических перегородок. Внешняя, более широкая перегородка выглядит как пончик, а внутренняя перегородка имеет форму диска. Этот тип перегородки заставляет жидкость проходить вокруг каждой стороны диска, а затем через кольцевую перегородку, создавая поток жидкости другого типа.
• Конструкция труб и ребер: при охлаждении 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 возникает необходимость увеличения зона теплопередачи со стороны воздуха. Для этой функции к трубкам можно добавить ребра, чтобы увеличить площадь теплопередачи со стороны воздуха и создать конфигурацию трубок и ребер.

Теплообменники с жидкостным охлаждением с фиксированными трубками, особенно подходящие для морского и сурового применения, могут быть собраны с латунными кожухами, медными трубками, латунными перегородками и цельными концевыми ступицами из кованой латуни. ^{[ нужна ссылка ]} (См.: Медь в теплообменниках ).

Тарелка

Принципиальная схема пластинчато-рамочного теплообменника

Однопластинчатый теплообменник

Сменный пластинчатый теплообменник, непосредственно применяемый в системе бассейна.

Еще один тип теплообменника — пластинчатый теплообменник . Эти теплообменники состоят из множества тонких, слегка разделенных пластин, которые имеют очень большую площадь поверхности и небольшие каналы 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 большие теплообменники этого типа называются пластинчатыми ; при использовании в открытом контуре эти теплообменники обычно имеют прокладочный тип, что позволяет проводить периодическую разборку, очистку и проверку. Существует множество типов пластинчатых теплообменников с неразъемным соединением, например, пластинчатые теплообменники, паяные погружением, вакуумной пайкой и сварные пластины, и они часто предназначены для применений с замкнутым контуром, таких как холодильное оборудование . Пластинчатые теплообменники также различаются по типам используемых пластин и конфигурации этих пластин. На некоторых пластинах могут быть отштампованы «шевроны», ямочки или другие узоры, тогда как другие могут иметь обработанные ребра и/или канавки.

По сравнению с кожухотрубными теплообменниками конструкция из пакетированных пластин обычно имеет меньший объем и стоимость. Еще одно различие между ними заключается в том, что пластинчатые теплообменники обычно подают жидкости с низким и средним давлением, по сравнению с кожухотрубными теплообменниками со средним и высоким давлением. Третье и важное отличие заключается в том, что в пластинчатых теплообменниках используется больший противоток, а не перекрестный ток, что позволяет снизить разницу температур на подходе, большие изменения температуры и повысить эффективность.

Пластина и оболочка

Третий тип теплообменника — это пластинчато-корпусной теплообменник, в котором пластинчатый теплообменник сочетается с технологиями кожухотрубного теплообменника. Сердце теплообменника содержит полностью сварной пакет круглых пластин, изготовленный путем прессования, резки круглых пластин и сварки их вместе. Сопла направляют поток в пакет пластин и из него (тракт потока со стороны пластины). Полностью сварной пакет пластин собирается во внешнюю оболочку, которая создает второй путь потока («сторона корпуса»). Технология пластин и оболочек обеспечивает высокую теплопередачу, высокое давление, высокую рабочую температуру , компактный размер, низкий уровень загрязнения и низкую температуру приближения. В частности, он полностью обходится без прокладок, что обеспечивает безопасность от протечек при высоких давлениях и температурах.

Адиабатическое колесо

Четвертый тип теплообменника использует промежуточный жидкий или твердый аккумулятор для удержания тепла, которое затем перемещается на другую сторону теплообменника для высвобождения. Двумя примерами этого являются адиабатические колеса, которые состоят из большого колеса с тонкой резьбой, вращающегося через горячую и холодную жидкости, и жидкостных теплообменников.

Пластинчатый плавник

В теплообменнике этого типа используются «многослойные» каналы с ребрами для повышения эффективности устройства. Конструкции включают поперечные и противоточные ребра в сочетании с различными конфигурациями ребер, такими как прямые ребра, смещенные ребра и волнистые ребра.

Пластинчато-ребристые теплообменники обычно изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые обеспечивают высокую эффективность теплопередачи. Материал позволяет системе работать при более низкой разнице температур и снизить вес оборудования. Пластинчатые и ребристые теплообменники в основном используются в низкотемпературных системах, таких как заводы по сжижению природного газа, гелия и кислорода , воздухоразделительные установки и транспортная промышленность, такая как автомобильные и авиационные двигатели .

Преимущества пластинчато-ребристых теплообменников:

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

Недостатки пластинчато-ребристых теплообменников:

• Может вызвать засорение, поскольку проходы очень узкие.
• Трудно чистить дорожки.
• Алюминиевые сплавы чувствительны к охрупчиванию ртутной жидкостью.

Ребристая труба

Использование ребер в трубчатом теплообменнике распространено, когда одним из рабочих тел является газ низкого давления, и типично для теплообменников, работающих с использованием окружающего воздуха, таких как автомобильные радиаторы и воздушные конденсаторы систем отопления , вентиляции и кондиционирования . Ребра значительно увеличивают площадь поверхности, с которой может осуществляться теплообмен, что повышает эффективность передачи тепла жидкости с очень низкой теплопроводностью , например воздуху. Ребра обычно изготавливаются из алюминия или меди, поскольку они должны отводить тепло от трубки по длине ребер, которые обычно очень тонкие.

Основными типами конструкции оребренных трубчатых теплообменников являются:

• Пакет равномерно расположенных металлических пластин действует как ребра, а трубки продавливаются через заранее вырезанные отверстия в ребрах, хороший тепловой контакт обычно достигается за счет деформации ребер вокруг трубки. Это типичная конструкция для воздушных змеевиков систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и больших холодильных конденсаторов.
• Ребра наматываются по спирали на отдельные трубки в виде непрерывной ленты, затем трубки можно собирать в банки, сгибать змеевидно или наматывать в большие спирали.
• Зигзагообразные металлические полосы зажаты между плоскими прямоугольными трубками, часто спаяны или спаяны вместе для обеспечения хорошей термической и механической прочности. Это часто встречается в теплообменниках низкого давления, таких как радиаторы водяного охлаждения . Обычные плоские трубки расширяются и деформируются под воздействием высокого давления, но плоские микроканальные трубки позволяют использовать эту конструкцию при высоких давлениях. ^[5]

Конструкция со стопкой ребер или спирально-навитая конструкция может использоваться для трубок внутри кожухотрубных теплообменников, когда требуется высокоэффективная передача тепла газу.

При охлаждении электроники радиаторы , особенно те, которые используют тепловые трубки , могут иметь конструкцию со сложенными ребрами.

Подушка тарелка

Подушкообразный пластинчатый теплообменник обычно используется в молочной промышленности для охлаждения молока в больших резервуарах из нержавеющей стали прямого расширения . Почти вся площадь поверхности резервуара может быть интегрирована с этим теплообменником без зазоров, которые могут возникнуть между трубами, приваренными к внешней части резервуара. Подушки также могут быть выполнены в виде плоских пластин, которые укладываются внутри резервуара. Относительно плоская поверхность пластин облегчает 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 сваривается регулярным узором из точек или змеевидным рисунком линий сварного шва. После сварки замкнутое пространство подвергается давлению с достаточной силой, чтобы тонкий металл выпирал вокруг сварных швов, обеспечивая пространство для потока теплообменных жидкостей и создавая характерный вид раздутой подушки, образованной из металла.

Установки рекуперации отходящего тепла

Установка рекуперации отходящего тепла (WHRU) — это теплообменник, который рекуперирует тепло из потока горячего газа и передает его рабочей среде, обычно воде или маслам. Поток горячего газа может представлять собой выхлопной газ газовой турбины или дизельного двигателя или отработанный газ 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 установке рекуперации отходящего тепла, но эти циклы слишком дороги для небольших систем. Для рекуперации тепла из низкотемпературных систем требуются рабочие жидкости, отличные от пара.

Установка рекуперации отходящего тепла с органическим циклом Ренкина (ORC) может быть более эффективной в низкотемпературном диапазоне, используя хладагенты , которые кипят при более низких температурах, чем вода. Типичными органическими хладагентами являются аммиак , пентафторпропан (R-245fa и R-245ca) и толуол .

Хладагент кипятится источником тепла в испарителе с образованием перегретого пара. Эта жидкость расширяется в турбине для преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию, которая преобразуется в электричество в электрическом генераторе. Этот процесс передачи энергии снижает температуру хладагента, который, в свою очередь, конденсируется. Цикл замыкается и завершается использованием насоса для отправки жидкости обратно в испаритель.

Динамическая царапанная поверхность

Другой тип теплообменника называется « (динамический) скребковый теплообменник ». В основном он используется для нагрева или охлаждения продуктов с высокой вязкостью , процессов кристаллизации , испарения и сильного загрязнения . Длительное время работы достигается за счет непрерывного соскабливания поверхности, что позволяет избежать загрязнения и обеспечить устойчивую скорость теплопередачи во время процесса.

Изменение фазы

Типичный ребойлер котла, используемый в промышленных дистилляционных колоннах.

Типичный поверхностный конденсатор с водяным охлаждением

Помимо нагрева или охлаждения жидкостей за одну фазу , теплообменники можно использовать либо для нагрева жидкости с целью ее испарения (или кипячения), либо использовать в качестве конденсаторов для охлаждения пара и его конденсации в жидкость. На химических и нефтеперерабатывающих заводах ребойлеры , используемые для нагрева поступающего сырья в дистилляционные колонны, часто представляют собой теплообменники. ^{[6] [7]}

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

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

На атомных электростанциях, называемых водо-водяными реакторами , специальные большие теплообменники передают тепло из первичной системы (реакторной установки) во вторичную (паровую установку), производя при этом пар из воды. Их называют парогенераторами . Все электростанции, работающие на ископаемом топливе, и атомные электростанции, использующие паровые турбины, имеют поверхностные конденсаторы для преобразования выхлопного пара турбин в конденсат (воду) для повторного использования. ^{[8] [9]}

Для экономии энергии и холодопроизводительности на химических и других предприятиях регенеративные теплообменники могут передавать тепло от потока, который необходимо охлаждать, к другому потоку, который необходимо нагревать, например, при охлаждении дистиллята и предварительном подогреве сырья в ребойлере.

Этот термин также может относиться к теплообменникам, которые содержат в своей структуре материал, имеющий фазовое изменение. Обычно это фаза от твердой до жидкой из-за небольшой разницы объемов между этими состояниями. Это изменение фазы эффективно действует как буфер, поскольку оно происходит при постоянной температуре, но при этом позволяет теплообменнику принимать дополнительное тепло. Одним из примеров, когда это было исследовано, является использование в авиационной электронике большой мощности.

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

Прямой контакт

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

• Газ – жидкость
• Несмешивающаяся жидкость – жидкость
• Твердое тело-жидкость или твердое тело-газ

Большинство теплообменников с прямым контактом относятся к категории газ – жидкость, где тепло передается между газом и жидкостью в виде капель, пленок или брызг. ^[4]

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

Микроканал

Микроканальные теплообменники представляют собой многоходовые прямоточные теплообменники, состоящие из трех основных элементов: коллекторов (входного и выпускного), многоходовых трубок с гидравлическим диаметром менее 1 мм и ребер. Все элементы обычно спаиваются вместе с использованием процесса пайки в контролируемой атмосфере. Микроканальные теплообменники характеризуются высоким коэффициентом теплопередачи, низким содержанием хладагента, компактными размерами и меньшими перепадами давления на воздушной стороне по сравнению с теплообменниками с оребренными трубками. ^{[ нужна ссылка ]} Микроканальные теплообменники широко используются в автомобильной промышленности в качестве автомобильных радиаторов, а также в качестве конденсатора, испарителя и охлаждающих/нагревательных змеевиков в промышленности HVAC.

Микротеплообменники, микротеплообменники или микроструктурированные теплообменники — это теплообменники, в которых (по крайней мере один) жидкость течет в боковых ограничениях с типичными размерами менее 1 мм. Наиболее типичными такими удержаниями являются микроканалы — каналы с гидравлическим диаметром менее 1 мм. Микроканальные теплообменники могут быть изготовлены из металла или керамики. ^[13] Микроканальные теплообменники можно использовать для многих применений, включая:

• высокопроизводительные авиационные газотурбинные двигатели ^[14]
• тепловые насосы ^[15]
• Охлаждение микропроцессора и микрочипа ^[16]
• кондиционер ^[17]

Змеевики HVAC и холодильного воздуха

Одним из наиболее распространенных применений теплообменников является охлаждение и кондиционирование воздуха . Этот класс теплообменников обычно называют воздушными змеевиками или просто змеевиками из-за их часто змеевидных внутренних трубок или конденсаторами в случае охлаждения и обычно относятся к типу оребренных трубок. Змеевики HVAC с принципами «жидкость-воздух» или «воздух-жидкость» обычно имеют модифицированную конструкцию с перекрестным потоком. В транспортных средствах тепловые катушки часто называют сердечниками обогревателей .

На жидкостной стороне этих теплообменников обычно используются вода, водно-гликолевой раствор, пар или хладагент . Для нагревательных змеевиков наиболее распространены горячая вода и пар, и эта нагретая жидкость подается , например, из котлов . Для охлаждающих змеевиков чаще всего используются охлажденная вода и хладагент. Охлажденная вода подается из чиллера , который потенциально расположен очень далеко, но хладагент должен поступать из ближайшей конденсационной установки. При использовании хладагента охлаждающий змеевик является испарителем , а нагревательный змеевик — конденсатором в парокомпрессионном холодильном цикле. Змеевики HVAC, в которых используются хладагенты прямого расширения, обычно называются змеевиками DX . Некоторые катушки DX относятся к «микроканальному» типу. ^[5]

Что касается воздуха, то в теплообменниках HVAC существует значительная разница между теплообменниками, используемыми для нагрева, и теплообменниками для охлаждения. Согласно психрометрии , в охлажденном воздухе часто конденсируется влага, за исключением очень сухих воздушных потоков. Нагрев некоторого количества воздуха увеличивает способность воздушного потока удерживать воду. Таким образом, нагревательные змеевики не должны учитывать конденсацию влаги на своей воздушной стороне, а охлаждающие змеевики должны быть соответствующим образом спроектированы и выбраны с учетом их конкретной скрытой (влажности), а также ощутимой (охлаждающей) нагрузки. Удаляемую воду называют конденсатом .

Во многих климатических условиях водяные или паровые теплообменники систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха могут подвергаться воздействию низких температур. Поскольку вода при замерзании расширяется, эти довольно дорогие и трудно заменяемые тонкостенные теплообменники могут быть легко повреждены или разрушены всего за одно замерзание. Таким образом, защита змеевиков от замерзания является серьезной проблемой для проектировщиков, монтажников и операторов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Внедрение углублений внутри теплообменных ребер контролировало конденсацию, позволяя молекулам воды оставаться в охлажденном воздухе. ^[18]

Теплообменники в печах прямого сгорания , характерные для многих жилых домов, не являются «змеевиками». Вместо этого они представляют собой газовоздушные теплообменники, 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 спирально-спирального теплообменника, состоящего из корпуса, сердечника и трубок ( проект Скотта С. Харабурды )

Хотя двухтрубные теплообменники являются самыми простыми в конструкции, в следующих случаях лучшим выбором будет спирально-змеевиковый теплообменник (HCHE):

• Основным преимуществом HCHE, как и спирального теплообменника (SHE), является высокоэффективное использование пространства, особенно когда оно ограничено и невозможно проложить достаточно прямых труб. ^[19]
• В условиях низких расходов (или ламинарного потока ), типичные кожухотрубные теплообменники имеют низкие коэффициенты теплопередачи и становятся неэкономичными. ^[19]
• При низком давлении в одной из жидкостей, как правило, из-за накопленных перепадов давления в другом технологическом оборудовании. ^[19]
• Когда одна из жидкостей содержит компоненты в нескольких фазах (твердые тела, жидкости и газы), это приводит к возникновению механических проблем во время работы, таких как закупорка трубок малого диаметра. ^[20] Очистка винтовых змеевиков для этих многофазных жидкостей может оказаться более сложной, чем очистка их кожухотрубных аналогов; однако блок спиральной катушки потребует чистки реже.

Они использовались в атомной промышленности в качестве метода теплообмена в натриевой системе для больших быстрых жидкометаллических реакторов-размножителей с начала 1970-х годов с использованием устройства HCHE, изобретенного Чарльзом Э. Бордманом и Джоном Х. Гермером. ^[21] Существует несколько простых методов проектирования HCHE для всех типов обрабатывающих отраслей, например, использование метода Рамачандры К. Патила (и др.) из Индии и метода Скотта С. Харабурды из США . ^{[19] [20]}

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

Спираль

Схематический чертеж спирального теплообменника

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

Главным преимуществом SHE является высокоэффективное использование пространства. Этот атрибут часто используется и частично перераспределяется для достижения других улучшений производительности в соответствии с хорошо известными компромиссами в конструкции теплообменника. (Заметным компромиссом являются капитальные затраты по сравнению с эксплуатационными расходами.) Компактный SHE может использоваться для того, чтобы занимать меньшую площадь и, таким образом, снижать общие капитальные затраты, или можно использовать SHE увеличенного размера, чтобы иметь меньший перепад давления , меньшую энергию перекачки , более высокую тепловая эффективность и снижение затрат на электроэнергию.

Строительство

Расстояние между листами в спиральных каналах сохраняется за счет использования распорных шпилек, приваренных перед прокаткой. После того, как основной спиральный пакет скручен, поочередные верхние и нижние края привариваются, и каждый конец закрывается плоской или конической крышкой с прокладкой, прикрепленной болтами к корпусу. Это гарантирует отсутствие смешивания двух жидкостей. Любая утечка происходит из периферийной крышки в атмосферу или в канал, содержащий ту же жидкость. ^[25]

Самоочистка

Спиральные теплообменники часто используются для нагрева жидкостей, содержащих твердые частицы и, следовательно, имеющих тенденцию загрязнять внутреннюю часть теплообменника. Низкий перепад давления позволяет SHE легче справляться с загрязнениями. В SHE используется 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 сохранить теплообменник в чистоте. «Внутренние стенки, образующие поверхность теплопередачи, часто бывают довольно толстыми, что делает SHE очень прочным и способным долгое время работать в сложных условиях». ^{[ нужна цитация ]} Их также легко чистить, они открываются, как духовка , где любые скопления загрязнений можно удалить промывкой под давлением .

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

Организация потока

Сравнение операций и эффектов прямоточной и противоточной системы обмена потоками показано на верхней и нижней диаграммах соответственно. В обоих случаях предполагается (и указывается), что красный цвет имеет более высокое значение (например, температуру), чем синий, и поэтому свойство, транспортируемое по каналам, перетекает от красного к синему. Каналы являются смежными, если должен происходить эффективный обмен (т. е. между каналами не может быть разрыва).

В спиральном теплообменнике различают три основных типа потоков:

• Противоток : жидкости текут в противоположных направлениях. Они используются для систем жидкостно-жидкостного охлаждения, конденсации и охлаждения газа. Установки 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 поперечном потоке. Для этого типа спирального теплообменника с каждой стороны приварены спиральные каналы. Этот тип потока подходит для работы с газом низкой плотности, который проходит через поперечный поток, избегая потери давления. Его можно использовать для применений жидкость-жидкость, если одна жидкость имеет значительно больший расход, чем другая.
• Распределенный паровой/спиральный поток: эта конструкция представляет собой конденсатор и обычно устанавливается вертикально. Он предназначен для переохлаждения как конденсата, так и неконденсирующихся веществ. Охлаждающая жидкость движется по спирали и выходит через верх. Поступающие горячие газы выходят в виде конденсата через нижнее выпускное отверстие.

Приложения

Спиральный теплообменник хорошо подходит для таких применений, как пастеризация, нагрев варочных котлов, рекуперация тепла, предварительный нагрев (см. Рекуператор ) и охлаждение сточных вод. Для обработки осадка SHE обычно меньше, чем другие типы теплообменников. ^{[ нужна цитация ]} 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 разработчиками систем, которые обычно являются инженерами , либо поставщиками оборудования.

Чтобы выбрать подходящий теплообменник, проектировщики системы (или поставщики оборудования) сначала должны рассмотреть конструктивные ограничения для каждого типа теплообменника. Хотя стоимость часто является основным критерием, важны и другие критерии выбора:

• Пределы высокого/низкого давления
• Тепловые характеристики
• Диапазоны температур
• Смесь продуктов (жидкость/жидкость, твердые частицы или жидкость с высоким содержанием твердых частиц)
• Падение давления на теплообменнике
• Пропускная способность жидкости
• Очищаемость, обслуживание и ремонт
• Материалы необходимые для строительства
• Возможность и простота будущего расширения
• Выбор материалов, таких как 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 и охлаждения, поскольку они имеют более высокие показатели теплопередачи, чем змеевики конденсатора и испарителя обычного размера с круглыми медными трубками и алюминиевым или медным оребрением, которые были стандартом в отрасли HVAC. Змеевики малого диаметра могут выдерживать более высокие давления, необходимые для нового поколения экологически чистых хладагентов. В настоящее время для систем кондиционирования и охлаждения доступны две технологии змеевиков малого диаметра: медные микроканавки ^[28] и паяные алюминиевые микроканалы. ^{[ нужна цитата ]}

Выбор правильного теплообменника (HX) требует некоторых знаний о различных типах теплообменников, а также об условиях эксплуатации агрегата. 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 жидкости-носителя и плита и рама 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 снижаться со временем из-за загрязнения.

Периодически рассчитывая общий коэффициент теплопередачи на основе скорости потока и температуры теплообменника, владелец теплообменника может оценить, когда очистка теплообменника экономически привлекательна.

Проверка целостности пластинчатого и трубчатого теплообменника может быть проверена на месте с помощью методов проводимости или газообразного гелия. Эти методы подтверждают целостность пластин или трубок, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение и состояние прокладок.

Контроль механической целостности трубок теплообменника может проводиться с помощью неразрушающих методов, таких как вихретоковый контроль.

Засорение

Теплообменник пароэлектростанции, загрязненный макрообрастаниями

Загрязнение происходит, когда примеси откладываются на поверхности теплообмена. Отложение этих примесей может со временем значительно снизить эффективность теплопередачи и вызвано:

• Низкое напряжение сдвига стенки
• Низкая скорость жидкости
• Высокие скорости жидкости
• Продукт реакции, твердый осадок
• Осаждение растворенных примесей из-за повышенной температуры стенок

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

Засорение теплообменника сырой нефти . При промышленной переработке сырой нефти сырую нефть перед подачей в дистилляционную колонну нагревают с 21 °C (70 °F) до 343 °C (649 °F). Ряд кожухотрубных теплообменников обычно обменивается теплом между сырой нефтью и другими потоками нефти, чтобы нагреть нефть до 260 ° C (500 ° F) перед нагревом в печи. Загрязнение происходит на стороне сырой нефти в этих теплообменниках из-за нерастворимости асфальтенов. Природа растворимости асфальтенов в сырой нефти была успешно смоделирована Вие и Кеннеди. ^[30] Осаждение нерастворимых асфальтенов в установках 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. Локализованное осаждение растворенных твердых веществ происходит на поверхности теплообмена из-за того, что температура стенок превышает температуру объемной жидкости. Низкие скорости жидкости (менее 3 футов/с) позволяют взвешенным твердым веществам оседать на поверхности теплообмена. Охлаждающая вода обычно находится на трубной стороне кожухотрубного теплообменника, поскольку ее легко чистить. Чтобы предотвратить загрязнение, проектировщики обычно обеспечивают, чтобы скорость охлаждающей воды превышала 0,9 м/с , а температура жидкости в объеме 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 периодически разбирать и очищать. Трубчатые теплообменники можно очищать такими методами, как кислотная очистка, пескоструйная обработка , струя воды под высоким давлением , очистка пулей или буровыми штангами.

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

Ряд компаний начали использовать технологию водных колебаний для предотвращения биообрастания . Без использования химикатов этот тип технологии помог обеспечить низкий перепад давления в теплообменниках.

Правила проектирования и изготовления

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

Нормы проектирования и производства включают: Нормы ASME для котлов и сосудов под давлением (США); ПД 5500 (Великобритания); BS 1566 (Великобритания); ^[32] EN 13445 (ЕС); CODAP (французский); Правила безопасности оборудования, работающего под давлением, 2016 г. (PER) (Великобритания); Директива по оборудованию, работающему под давлением (ЕС); НОРСОК (норвежский); ТЕМА ; ^[33] API 12; и API 560. ^{[ нужна ссылка ]}

В природе

Люди

Носовые ходы человека служат теплообменником, при этом холодный воздух вдыхается, а теплый воздух выдыхается. Его эффективность можно продемонстрировать, поднеся руку к лицу и выдыхая 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 во время дыхания в холодную погоду.

У видов, у которых есть наружные семенники (например, у человека), артерия, ведущая к семеннику, окружена сетью вен, называемой лозовидным сплетением . Это охлаждает кровь, направляющуюся к яичкам, и одновременно нагревает возвращающуюся кровь.

Птицы, рыбы, морские млекопитающие

Схема сохранения противоточного обмена

« Противоточные » теплообменники естественным образом встречаются в системе кровообращения рыб , китов и других морских млекопитающих . Артерии кожи, несущие теплую кровь, переплетаются с венами кожи, несущими холодную кровь, в результате чего теплая артериальная кровь обменивается теплом с холодной венозной кровью. Это снижает общие потери тепла в холодной воде. Теплообменники также присутствуют на языке усатых китов , поскольку через их рот проходит большой объем воды. ^{[36] [37]} Болотные птицы используют аналогичную систему, чтобы ограничить потери тепла от своего тела через ноги в воду.

Сонная сеть

Сонная сеть — противоточный теплообменный орган у некоторых копытных . Кровь, поднимающаяся по сонным артериям на пути к мозгу, течет через сеть сосудов, где тепло отдается в вены более холодной крови, спускающейся из носовых ходов. Сеть сонных артерий позволяет газели Томсона поддерживать температуру своего мозга почти на 3 °C (5,4 °F) ниже, чем остальная часть тела, и, следовательно, помогает переносить всплески метаболического производства тепла, например, связанные с опережением гепардов (во время которых температура тела превышает максимальная температура, при которой может функционировать мозг). ^[38] У людей и других приматов отсутствует сонная сеть. ^[39]

В промышленности

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

Во многих промышленных процессах происходит потеря энергии или исчерпание теплового потока. Для рекуперации этого тепла и использования его путем нагрева другого потока в процессе можно использовать теплообменники. Такая практика экономит много денег в промышленности, поскольку в противном случае тепло, подаваемое в другие потоки от теплообменников, поступило бы из внешнего источника, который является более дорогим и более вредным для окружающей среды.

Теплообменники используются во многих отраслях промышленности, в том числе:

• Очистки сточных вод
• Охлаждение
• Производство вина и пива
• нефтепереработка
• Атомная энергия

При очистке сточных вод теплообменники играют жизненно важную роль в поддержании оптимальных температур в анаэробных варочных котлах , способствуя росту микробов, удаляющих загрязняющие вещества. Распространенными типами теплообменников, используемых в этом применении, являются двухтрубный теплообменник, а также пластинчатый и рамный теплообменник.

В самолетах

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

Текущий рынок и прогноз

Ожидается, что в 2021 году мировой спрос на теплообменники, оцениваемый в 17,5 миллиардов долларов США, будет устойчиво расти примерно на 5% ежегодно в течение следующих лет. Ожидается, что к 2030 году рыночная стоимость достигнет 27 миллиардов долларов США. С растущим стремлением к экологически чистым вариантам и активным развитием офисов, секторов розничной торговли и общественных зданий расширение рынка будет расти. ^[42]

Модель простого теплообменника

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

Профили температуры для труб: и где x — расстояние вдоль трубы. Предположим, что состояние установилось, так что профили температуры не являются функциями времени. Предположим также, что передача тепла от небольшого объема жидкости в одной трубе осуществляется только к элементу жидкости в другой трубе, находящемуся в том же положении, т. е. передача тепла вдоль трубы отсутствует из-за разницы температур в этой трубе. По закону охлаждения Ньютона скорость изменения энергии небольшого объема жидкости пропорциональна разнице температур между ней 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 с противоположными градиентами температуры, но для противоточного теплообмена противоточного обмена знак противоположный во втором уравнении перед ), где – тепловая энергия на единицу длины, а γ – тепловая энергия константа соединения на единицу длины между двумя трубами. Это изменение внутренней энергии приводит к изменению температуры жидкого элемента. Скорость изменения элемента жидкости, увлекаемого 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 - «массовый тепловой 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 установившемся состоянии, частных производных температуры по времени нет, а поскольку нет теплопередачи вдоль трубы, нет и вторых производных по x , как это находится 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 отрицательным, так что если для одного и того же «массового теплового расхода» в обоих противоположных направлениях градиент температуры постоянен, а температуры линейны по положение x с постоянной разницей вдоль теплообменника, что объясняет, почему противоточный обмен противотоком является наиболее эффективным) ${\displaystyle k_{2}}$ ${\displaystyle k_{2}=k_{1}}$ ${\displaystyle (T_{2}-T_{1})}$

и A и B — две пока неопределенные константы интегрирования. Пусть и будут температурами в точке x=0, и пусть и будут температурами на конце трубы в точке 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 вышеуказанных температур исключает константы интегрирования, позволяя нам найти остальные четыре температуры. Полную переданную энергию находим интегрированием выражений для скорости изменения внутренней энергии на единицу длины во времени:

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

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

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

Смотрите также

• Архитектурное Проектирование
• Химическая инженерия
• Градирни
• Медь в теплообменниках
• Тепловая труба
• Тепловой насос
• Вентиляция с рекуперацией тепла
• Судно с рубашкой
• Логарифм средней разницы температур (LMTD)
• Судовые теплообменники
• Машиностроение
• Микро теплообменник
• Теплообменник с подвижным слоем
• Уплотненный слой и, в частности, уплотненные колонны
• Технология перекачиваемого льда
• Ребойлер
• Рекуператор , или пластинчатый теплообменник.
• Регенератор
• Бегать вокруг катушки
• Парогенератор (атомная энергетика)
• Поверхностный конденсатор
• Тороидальный компенсатор
• Термосифон
• Тепловое колесо или ротационный теплообменник (включая энтальпийное колесо и осушительное колесо)
• Инструмент для трубок
• Отходящее тепло

Рекомендации

1. Аль-Саммаррайе, Ахмед Т.; Вафаи, Камбиз (2017). «Усиление теплопередачи за счет углов схождения в трубе». Численная теплопередача, Часть A: Приложения . 72 (3): 197–214. Бибкод : 2017NHTA...72..197A. дои : 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-Саммаррайе, Ахмед Т.; Салимпур, Мохаммад Реза (2019). «Конструктивное проектирование круглых многослойных микроканальных радиаторов». Журнал тепловых наук и инженерных приложений . 11 . дои : 10.1115/1.4041196. S2CID  126162513.
4. Сондерс, Э.А. (1988). Теплообменники: выбор, проектирование и строительство. Нью-Йорк: Научно-технический журнал Longman.
5. «МИКРОКАНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2013 г.
6. Кистер, Генри З. (1992). Проектирование дистилляции (1-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-034909-4.
7. Перри, Роберт Х.; Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-049479-4.
8. Ориентационный курс по контролю за загрязнением воздуха с веб-сайта Учебного института по борьбе с загрязнением воздуха.
9. Экономия энергии в паровых системах. Архивировано 27 сентября 2007 г. в Wayback Machine. Рисунок 3a. Схема поверхностного конденсатора (перейдите к странице 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 газожидкостных теплообменников с прямым контактом (Hewitt G, Shires G & Bott T, 1994).
13. Ки Роберт Дж.; и другие. (2011). «Проектирование, изготовление и оценка керамического противоточного микроканального теплообменника». Прикладная теплотехника . 31 (11): 2004–2012. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2011.03.009.
14. Норткатт Б.; Мудавар И. (2012). «Усовершенствованная конструкция перекрестноточного микроканального теплообменного модуля для высокопроизводительных авиационных газотурбинных двигателей». Журнал теплопередачи . 134 (6): 061801. дои : 10.1115/1.4006037.
15. Моаллем Э.; Падхманабхан С.; Кремаски Л.; Фишер Д.Э. (2012). «Экспериментальное исследование влияния температуры поверхности и удержания воды на эффективность обледенения компактного микроканального теплообменника для систем тепловых насосов». Международный журнал холодильного оборудования . 35 (1): 171–186. doi : 10.1016/j.ijrefrig.2011.08.010.
16. Сарвар-Арде, С., Рафи, Р., Рашиди, С. (2021). Гибридные наножидкости с термозависимыми свойствами для использования в двухслойных микроканальных радиаторах; гидротермальные исследования. Журнал Тайваньского института инженеров-химиков. цитировать журнал https://doi.org/10.1016/j.jtice.2021.05.007
17. Сюй Б., Ши Дж., Ван Ю., Чен Дж., Ли Ф. и Ли Д. (2014). Экспериментальное исследование эффективности загрязнения системы кондиционирования воздуха с микроканальным теплообменником.
18. Патент 2046968 Джона К. Рэйсли, выданный 7 июля 1936 г.; подано 8 января 1934 г. [1]
19. Патил, Рамачандра К.; Шенде, BW; Гош, Прасанфа К. (13 декабря 1982 г.). «Проектирование спирально-змеевикового теплообменника». Химическая инженерия . 92 (24): 85–88 . Проверено 14 июля 2015 г.
20. Харабурда, Скотт С. (июль 1995 г.). «Трехфазный поток? Рассмотрим теплообменник со спиральным змеевиком». Химическая инженерия . 102 (7): 149–151 . Проверено 14 июля 2015 г.
21. США 3805890, Бордман, Чарльз Э. и Гермер, Джон Х., «Теплообменник со спиральной катушкой», выпущено в 1974 г. 
22. Ренни, Тимоти Дж. (2004). Численные и экспериментальные исследования двухтрубного винтового теплообменника (PDF) (доктор философии). Монреаль: Университет Макгилла. стр. 3–4 . Проверено 14 июля 2015 г.
23. Ренни, Тимоти Дж.; Рагхаван, Виджая Г.С. (сентябрь 2005 г.). «Экспериментальные исследования двухтрубного винтового теплообменника». Экспериментальная тепловая и гидрологическая наука . 29 (8): 919–924. doi :10.1016/j.expthermflusci.2005.02.001.
24. «Охлаждающий текст». Архивировано из оригинала 9 февраля 2009 г. Проверено 9 сентября 2019 г.
25. EADSaunders (1988). Теплообменники: выбор проектирования и конструкции Longman Scientific and Tech ISBN 0-582-49491-5 
26. Хартман, AD; Гердеманн, С.Дж.; Хансен, Дж.С. (1 сентября 1998 г.). «Производство дешевого титана для автомобильной промышленности». ДЖОМ . 50 (9): 16–19. Бибкод : 1998JOM....50i..16H. дои : 10.1007/s11837-998-0408-1. ISSN  1543-1851. S2CID  92992840.
27. Ньямеке, Патрисия; Рахимпур Голрудбари, Саид; Пиили, Хайди; Луукка, Паси; Краславский, Анджей (01 мая 2023 г.). «Влияние аддитивного производства на цепочку поставок титана: пример титановых сплавов в автомобильной и аэрокосмической промышленности». Достижения в области промышленного и производственного машиностроения . 6 : 100112. doi : 10.1016/j.aime.2023.100112 . ISSN  2666-9129. S2CID  255534598. Архивировано из оригинала 4 февраля 2024 г.
28. «Маленькая медная трубка экономична и экологична | Преимущество MicroGroove» . microgroove.net . Архивировано из оригинала 8 декабря 2023 года.{{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». Гео-тепловой центр Джина Калвера . Геотермальные сети. Архивировано из оригинала 29 марта 2008 г.Последнее посещение 17.03.08.
    • «Техническое отопление». процесс-нагревание.com . БНП Медиа. Архивировано из оригинала 16 марта 2008 г.Последнее посещение 17.03.08.
30. Вие, Ирвин А.; Кеннеди, Раймонд Дж. (1 января 2000 г.). «Модель совместимости нефти и несовместимость сырой нефти». Энергетика и топливо . 14 (1): 56–59. дои : 10.1021/ef990133+.
31. Панчал C;B; и Эберт В., Анализ данных о коксовании сырой нефти Exxon, Методика предотвращения загрязнения промышленного теплообменного оборудования, Сан-Луис-Обиспо, Калифорния, США, стр. 451, июнь 1995 г.
32. Руководство по соблюдению требований к бытовому отоплению: соответствие утвержденным документам L1A: Новые жилища и L1B: Существующие жилища: Строительные нормы 2000 г. с поправками 2006 г. Лондон: TSO. 2006. ISBN 978-0-11-703645-1. OCLC  500282471.
33. Эпштейн, Норман (2014), «Правила проектирования и строительства», HEDH Multimedia , Begellhouse, doi : 10.1615/hedhme.a.000413, ISBN 978-1-56700-423-6, получено 12 апреля 2022 г.
34. Потери тепла из дыхательных путей на холоде, Центр технической информации Министерства обороны, апрель 1955 г.
35. Рэндалл, Дэвид Дж.; Уоррен В. Бурггрен; Кэтлин Френч; Роджер Эккерт (2002). Эккерт Физиология животных: механизмы и приспособления . Макмиллан. п. 587. ИСБН 978-0-7167-3863-3.
36. «Музей естественной истории: Исследования и коллекции: История» . Архивировано из оригинала 14 июня 2009 г. Проверено 9 сентября 2019 г.
37. Хейнинг и Мид; Мид, Дж. Г. (ноябрь 1997 г.). «Терморегуляция в ротовой полости кормящихся серых китов». Наука . 278 (5340): 1138–1140. Бибкод : 1997Sci...278.1138H. дои : 10.1126/science.278.5340.1138. ПМИД  9353198.
38. «Сонная сеть 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.
40. «Патент США 4498525, Система теплообмена топливо/масло для двигателя». Ведомство США по патентам и товарным знакам . Проверено 3 февраля 2009 г.
41. «Boeing связывает Хитроу и Атланту с отказом двигателя Trent 895» . FlightGlobal.com . Проверено 3 февраля 2009 г.
42. Исследования, Straits (6 июля 2022 г.). «К 2030 году объем рынка теплообменников, по прогнозам, достигнет 27 миллиардов долларов США, а среднегодовой темп роста составит 5%: Straits Research». Отдел новостей GlobeNewswire (пресс-релиз) . Проверено 15 июля 2022 г.
43. Кей Дж. М. и Неддерман Р. М. (1985) Механика жидкости и процессы переноса , издательство Кембриджского университета
44. «Веб-курс MIT по теплообменникам» . [МИТ].

• Коулсон Дж. и Ричардсон Дж. (1999). Химическая инженерия - поток жидкости. Теплообмен и массоперенос - Том 1; Рид Образовательное и Профессиональное Издательство, ООО
• Доган Эринер (2005), «Термоэкономическая оптимизация расстояния между перегородками для кожухотрубных теплообменников», «Энергосбережение и управление», том 47, выпуск 11–12, страницы 1478–1489.
• Г.Ф.Хьюитт, Г.Л.Ширс, Т.Р.Ботт (1994) Процесс теплопередачи, CRC Press, Inc, Соединенные Штаты Америки.

Внешние ссылки

• Теплообменники в Керли
• Программное обеспечение для проектирования кожухотрубных теплообменников для образовательных приложений (PDF)
• Руководство ЕС по оборудованию, работающему под давлением
• Концепция управления температурным режимом для более широкого применения электрических систем питания самолетов (PDF)