Ieder van ons heeft de eenvoudigste warmtewisselaars ontmoet. Een sprekend voorbeeld hiervan is het ontwerp van "pijp in pijp" of iets dergelijks. Het zou moeilijk zijn om ons leven voor te stellen als de warmtewisselaar niet was uitgevonden. Tegenwoordig zijn er een groot aantal warmtewisselaars. Ze verschillen niet alleen van elkaar in technische kenmerken, maar ook in omvang, ontwerp, enz. Laten we meer in detail over dit onderwerp praten en interessante punten behandelen.
Algemene informatie
Een warmtewisselaar is een apparaat dat wordt gebruikt om warmte van het ene medium naar het andere over te dragen. Tegelijkertijd moet u begrijpen dat de warmtewisselaar zelf, zonder verwarmingsapparatuur, volkomen nutteloos is, maar in het complex kunt u prachtige resultaten behalen en zelfs zeer grote en koude kamers met succes verwarmen. Bovendien hebben wetenschappers constant geprobeerd het verlies van warmte te minimaliseren wanneer het naar een andere omgeving wordt overgebracht. Vandaag is het niet mogelijkbogen op 100% efficiëntie, maar we kunnen gerust praten over de efficiëntie van 90-95%. Zowel operationele als technische kenmerken van het product worden verhoogd door het gebruik van speciaal voorbereide materialen, evenals een koelmiddel. Dit alles verhoogt natuurlijk de prijs van apparatuur enigszins, maar het is het waard.
Bij het ontwerpen worden ingenieurs voortdurend geconfronteerd met tegenstrijdige eisen die in één fles moeten worden gecombineerd. Het is bijvoorbeeld noodzakelijk om de hydraulische weerstand te verminderen en tegelijkertijd de warmteoverdrachtscoëfficiënt te verhogen. De warmtewisselaar moet bestand zijn tegen corrosie, maar niet te moeilijk te onderhouden zijn. Dit alles leidde ertoe dat er veel soorten warmtewisselaars verschenen. Degene die het beste bij de situatie past, wordt gebruikt.
Classificatie van warmtewisselaars
Zoals hierboven vermeld, zijn er momenteel een groot aantal warmtewisselaars. Allereerst moeten ze worden gescheiden volgens de methode van warmteoverdracht naar het medium. Hier zijn de warmtewisselaars onderverdeeld in de volgende groepen:
- recuperatief;
- regeneratief;
- mengen;
- elektrisch verwarmd.
Laten we recuperatieve warmtewisselaars eens nader bekijken. Het ontwerp van het product impliceert de aanwezigheid van een enkellaagse of meerlaagse wand waardoor warmte wordt overgedragen. Meestal gebeurt dit al in gestage beweging. Het is interessant dat in dergelijke apparaten warmteoverdracht wordt uitgevoerd met geforceerde beweging zonder de fase te veranderenstaten. Maar dit geldt alleen voor permanent werkende warmtewisselaars. Als we het hebben over eenheden met een periodieke werkingsmodus, worden gedurende een bepaalde periode verwarming, verdamping en koeling uitgevoerd, en dit alles in de sequentiële modus. Dergelijke apparaten behoren tot warmtewisselaars met onstabiele thermische beweging. Dit komt door het feit dat de temperatuur van het koelmiddel bij de inlaat en uitlaat aanzienlijk verschilt. Vaak worden dergelijke aggregaten aangetroffen in de vorm van spiralen en zijn ze lamellaire, geribbelde en andere vormen. Even later zullen we verschillende soorten bekijken. Maar daar houdt de classificatie van warmtewisselaars niet op.
Regeneratie-units en elektrische verwarming
In dit geval wordt, net als in het vorige, het warmtewisselingsoppervlak gebruikt om warmte-energie over te dragen. Dit oppervlak is echter een soort mondstuk. Het speelt de rol van een intermediair accumulatief middel dat warmte accumuleert. Over het algemeen kan het hele proces in verschillende fasen worden verdeeld. In de eerste fase neemt het mondstuk een bepaalde hoeveelheid warmte waar. Dan is er een overgang naar de tweede fase en wordt het koelmiddel over het oppervlak van het mondstuk overgebracht. Dit gebeurt bij het veranderen van de koelvloeistofstroom. In dit stadium koelt het mondstuk geleidelijk af en wordt de opgehoopte warmte afgegeven aan de verwarmde omgeving, die uw kamer kan zijn.
Regeneratoren zijn niet-stationaire eenheden. Het mondstuk is vaak onbeweeglijk en thermische processen worden synchroon herhaald. Apparaten van dit type worden vaak scrubbers ofkoeltorens.
De essentie van elektrisch verwarmde warmtewisselaars is dat elektriciteit wordt gebruikt als de belangrijkste warmtebron. Lichtbooginstallaties worden gebruikt om elektrische energie om te zetten in thermische energie. Ze kunnen zowel directe als indirecte verwarming zijn. De meest voorkomende warmtewisselaars in de industrie zijn inductie- en weerstandsverwarmers. Zoals u kunt zien, kan warmtewisselaarapparatuur anders zijn, nu zullen we elk type, de reikwijdte en ontwerpkenmerken van naderbij bekijken.
Spiraalwarmtewisselaars
Het apparaat is een paar spiraalvormige kanalen. Ze winden meestal rond de centrale scheidingswand. Om dit te doen, zijn ze gemaakt van opgerold materiaal. Het is vermeldenswaard dat spiraalwarmtewisselaars zeer geschikt zijn voor het verwarmen en koelen van vloeistoffen met een hoge viscositeit.
Over het algemeen wordt het verwarmingsoppervlak gevormd door twee metalen platen, die door middel van een las aan de kern zijn bevestigd. De unit zelf bestaat uit slechts 2 kanalen, meestal rechthoekig, gemaakt in de vorm van een spiraal. Het uiteinde van de spiraal (inwendig) heeft een scheidingswand en wordt vastgezet met pinnen. Warmtewisselaars kunnen zowel verticaal als horizontaal worden gemaakt. Als het niet mogelijk is om één type te installeren vanwege onvoldoende ruimte of een complexe configuratie van de kamer, dan wordt de tweede, meer bij voorkeur, gebruikt. Interessant is ook dat de consument kan kiezen voor spiraalwarmtewisselaars met verschillende spiraalbreedtes, van 20 tot 150 centimeter. Tegelijkertijd kan het verwarmingsoppervlak variëren van 3,2 tot 100 vierkante meter met een maximale systeemdruk van 1 MPa.
Opgemerkt moet worden dat deze warmtewisselaarapparatuur een aantal belangrijke voordelen heeft. Ten eerste is het een verminderde hydraulische weerstand. Ten tweede, compactheid en hoge efficiëntie en warmteoverdrachtsintensiteit. Maar dit alles droeg ertoe bij dat er nadelen waren in de vorm van een complex ontwerp en reparatie.
Over platenwarmtewisselaars
Momenteel worden inklapbare en niet-scheidbare platenwarmtewisselaars vervaardigd. Natuurlijk heeft het eerste type om vele redenen meer de voorkeur. Ten eerste is het onderhoudsgemak. Dergelijke apparatuur wordt zeer snel gedemonteerd en gemonteerd, zodat eventuele storingen in korte tijd worden geëlimineerd. Niet-scheidbare modellen worden meestal niet gerepareerd, en als ze dat wel zijn, veel langer.
De naam doet eigenlijk vermoeden dat deze apparatuur bestaat uit een pakket geprefabriceerde platen. Ze kunnen worden gemaakt van verschillende materialen zoals koper, titanium, grafiet, enz. Bijna altijd worden de platen gegolfd om de prestatie-eigenschappen te verbeteren. In platenwarmtewisselaars passeren de stromen van koude en warme koelvloeistof in lagen.
De apparatuur zelf is goed omdat het een competente lay-out heeft. Dit maakte het mogelijk om het oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak te vergroten en dit alles in relatief kleine afmetingen in te passen. In ieder geval wordt vóór aankoop een berekening van warmtewisselaars uitgevoerd, waarmee u gegevens kunt verkrijgen over hoeveel stroom het apparaat in een bepaald geval nodig heeft. Het moet duidelijk zijn dat alle platen die in een pakket samengetrokken zijn, onderling kanalen vormen vanwege dezelfde vorm. Er stroomt vloeistof doorheen. Nou, nu zullen we kijken naar een paar meer interessante details die betrekking hebben op deze apparatuur.
Pakkingen gebruiken
Zoals hierboven vermeld, zijn platen het belangrijkste element van warmteoverdracht. Ze zijn koud gestempeld. Hiervoor worden corrosiebestendige legeringen gebruikt, die de duurzaamheid en efficiëntie van de unit aanzienlijk kunnen verhogen. De dikte van de platen kan, afhankelijk van het model, variëren van 0,4 tot 1,0 mm. In de werkstand worden de platen stevig tegen elkaar gedrukt. In dit geval worden kleine sleufkanalen gevormd. Aan de voorkant bevindt zich een speciale groef, daar is een rubberen pakking (afdichting) geïnstalleerd. Daarnaast hebben de pakkingen gaten die nodig zijn voor de aan- en afvoer van vloeistof. In het geval dat een van de gaten doorbreekt, is een systeem van drainagegroeven voorzien om vermenging van koude en warme media te voorkomen.
Door het creëren van een tegenstroom tussen de twee media was het mogelijk om niet alleen een verbetering van de ingestelde temperatuur te bereiken, maar ook een snellere warmteoverdracht met relatief kleine hydraulische weerstanden. Het zou niet overbodig zijn om te zeggen dat het basisprincipe van de werking is gebaseerd op tegenstroom, dat wil zeggen de beweging van verwarming enverwarmingsvloeistof in verschillende richtingen. Om vermenging te voorkomen, wordt een dubbele rubberen afdichting of een metalen plaat geïnstalleerd. Het aantal platen en kanalen kan variëren afhankelijk van de operationele vereisten van de apparatuur. Vóór de creatie wordt een thermische berekening van warmtewisselaars uitgevoerd, waardoor de optimale werkingsmodus kan worden bepaald. Soms worden dure legeringen gebruikt die niet bang zijn voor langdurig gebruik in een agressieve omgeving.
Plaat-fin warmtewisselaars
PRT worden gebruikt om warmte over te dragen in niet-agressieve en gasvormige media in een breed temperatuurbereik, van -270 tot +200 graden Celsius. In dit geval kan de druk in het systeem 100 atmosfeer bereiken en beginnen bij een vacuüm. Het ontwerp is gebaseerd op het idee om aan beide zijden van de platen een geribbeld oppervlak aan te brengen. Het product zelf bestaat uit verschillende ribben, waardoor warmteoverdracht tussen media wordt uitgevoerd. Het is vermeldenswaard dat het de geribde platenwarmtewisselaar is die een grote verscheidenheid aan vinvormen heeft. Hiermee kunt u de operationele en technische kenmerken enigszins wijzigen. Meestal zie je doorlopende en golvende ribben. Maar daarnaast zijn er ook meer exotische, zoals geperforeerde en geschubde. Als materiaal wordt meestal plaatstaal gebruikt. Hun dikte is instelbaar afhankelijk van de druk in het systeem en de gebruikte vloeistof.
Vaak zijn dit soort warmtewisselaars gemaakt met verschillende soorten stroming. Meestal wordt tegenstroom gebruikt, maar er zijn ookrechtdoor en kruiscircuits. Als we het kort hebben over de sterke punten van dergelijke apparatuur, dan zijn er veel. Ten eerste zijn dit operationele eigenschappen, zoals snelle en intensieve warmteoverdracht. Ten tweede is het klein van formaat. Tegenwoordig zeggen velen dat warmtewisselaars met vinnen het meest geavanceerd zijn. Meestal wordt PRT gebruikt in industrieën zoals de energie-, olieraffinage-, chemische en luchtvaartindustrie. Dit alles is te danken aan een groot aantal voordelen, evenals een breed scala aan vloeistoffen en drukken die in het systeem worden gebruikt.
Shell-and-tube warmtewisselaar: ontwerp en kenmerken
Warmtewisselaarapparatuur van het oppervlaktype, die we al hebben beoordeeld, is niet zo populair als shell-and-tube-units. Dit zijn slechts de apparaten die aan het begin werden genoemd, in de eenvoudigste versie - dit is het "pipe in pipe" -systeem. Een warmtewisselaar van dit type is een systeem (bundel) van buizen die in een omkasting worden geplaatst. De buizen worden gerold en gelast aan het lichaam van het product. In sommige gevallen worden ze bovendien gebroeid. Dit wordt gedaan om 100% dichtheid te garanderen. De body wordt geleverd met extra nozzles. Sommige zijn nodig voor de toevoer van stoom, andere voor het verwijderen van condensaat. Daarnaast zijn er dwarsroosters in de behuizing, die worden gebruikt om de warmtewisselaarbuizen over de gehele lengte van de unit te ondersteunen. Interessant is dat shell-and-tube warmtewisselaars worden gebruikt bij temperaturen van 190 graden Celsius ofverzadigde stoomdruk boven 15 bar.
Elk systeem dat vloeistofbewegingen met zich meebrengt, kan onderhevig zijn aan waterslag. Dit fenomeen kan de apparatuur gedeeltelijk of volledig uitschakelen. Om dit te voorkomen worden verschillende soorten opslagelementen gebruikt, de zogenaamde expansievaten. Maar in ons geval is dat niet nodig, omdat shell-and-tube warmtewisselaars daar zeer goed tegen bestand zijn. Daarnaast zijn er geen strenge eisen aan de netheid van de omgeving. Een belangrijk nadeel van dergelijke apparatuur is dat alle typen warmtewisselaars van dit type zeer metaalintensief zijn, wat de uiteindelijke kosten en afmetingen beïnvloedt.
Warmtewisselaars voor gasapparatuur
Het is geen geheim dat elke vaste brandstof- of gasketel een warmtewisselaar in zijn ontwerp heeft, ze worden ook wel heaters genoemd. We hebben de belangrijkste soorten al overwogen. Zoals je waarschijnlijk hebt gemerkt, worden deze of die typen in verschillende industrieën gebruikt. Sommige apparaten hebben een bredere toepassing gevonden, andere worden in bepaalde industrieën gebruikt en passen niet in andere. In ons geval vindt het gebruik van buis- en platenwarmtewisselaars plaats. In het eerste geval hebben we te maken met een buizenstelsel, in het tweede geval met platen. Een warmtewisselaar voor een geiser moet in principe ongeacht het type aan een aantal eisen voldoen. Ten eerste om een hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt te hebben en ten tweede om duurzaam en bestand te zijn tegen hoge temperaturen. De meest populaire materialen zijn koper, aluminium enstaal. De laatste optie heeft minder de voorkeur, aangezien een dergelijk metaal zwaar is, wat de efficiëntie vermindert. In ieder geval moet de warmtewisselaar voor de geiser minimaal 5 jaar meegaan.
Conclusie
Dus we hebben de belangrijkste soorten warmtewisselaars bekeken. Soorten als schaal-en-plaat werden zonder aandacht gelaten. In principe verschillen ze iets van de klassieke lamellair of geribbeld. Maar je vindt vaak badkachels met een warmtewisselaar met omkasting. Het belangrijkste kenmerk is echter dat de apparatuur bestand is tegen hoge temperaturen en werkdrukken. De behuizing kan worden gemaakt van materialen zoals titanium, roestvrij staal of koolstofstaal. Interessant is dat badkachels met een plaat- en plaatwarmtewisselaar goed geregeld zijn voor stoom of condensaat, wat ongetwijfeld een belangrijk voordeel is. In principe kan dit het verhaal compleet maken, aangezien je nu alles weet wat je nodig hebt over warmtewisselaars.
