• IZMJENJIVAČI TOPLINE: toplinski aparati u kojima se izmjenjuje toplina između dva ili više fluida radi zagrijavanja ili ohlađivanja jednog fluida drugim.
• Primjena: grijanje kondenzatori isparivači hladnjak bojleri ventilacija klima uređaji elektronička oprema
KLASIFIKACIJA IZMJENJIVAČA TOPLINE
• Obzirom na:
- princip rada
- konstrukciju
- smjer strujanja fluida
- mehanizam prijenosa topline
1. Obzirom na princip rada Rekuperativni Regenerativni Sa direktnim dodirom fluida (miješajući)
• Rekuperativni fluidi različitih temperatura razdvojeni su krutom stijenkom te izmjenjuju toplinu konvekcijom s površinom stijenke i provođenjem kroz stijenku (prolaz topline).
• Regenerativni izmjenjivači izmjena topline između dva plina vrši se posredstvom krute mase.
• Plinovi – topla i hladna struja• Kruta masa – akumulacijska masa• Topla struja u nekom vremenskom intervalu grije krutu masu,
a zatim akumulacijska masa u sljedećem vremenskom intervalu grije hladnu struju (Ljungström rotacijski izmjenjivač topline)
• Direktni (miješajući) izmjenjivači izmjena topline između fluida odvija se direktnim (izravnim) dodirom struja u prostoru mješališta.
• Prema mehanizmu prijenosa topline konvekcija (izmjena topline između fluida i krute stijenke) kondukcija (transport topline kroz krutu stijenku) radijacija (izmjena topline putem elektromagnetskih
valova između dviju stijenki)• Za opis izmjene topline do koje dolazi u izmjenjivaču
topline potrebno je poznavanje principa izmjene topline kondukcijom, konvekcijom i često radijacijom.
DIMENZIONISANJE IZMJENJIVAČA TOPLINE
• Obuhvata:
toplotnu analizu procesa procjenu veličine i težine uređaja pad pritiska cijenu odabir fluida u cijevi i u plaštu odabir materijala plašta i cijevnog snopa
Dimenzije
• Preduslovi:• definisani uslovi procesa (protoci, T, p)• poznata fizikalna svojstva u radnom intervalu• odabir vrste izmjenjivača topline• veličina uređaja (površina izmjene)• ekonomski aspekt
• TOPLINSKA ANALIZA– ulazne i izlazne temperature oba fluida,– specifični toplinski kapaciteti toplog i hladnog
fluida,– količina topline koja se mora razmijeniti,– koeficijenti prijenosa topline α, i koeficijent
toplinske vodljivosti stijenke λ,– otpori naslaga.
• ODABIR KONFIGURACIJE IT-a- površina izmjene topline → veličina značajna za
dizajn
• Toplotni bilans izmjenjivača topline• Bilansna jednačina
hladni fluid
topli fluid
Q, količina prenesene topline, W m, maseni protok, kg s-1
cp, specifični toplinski kapacitet, J kg-1 K-1
T, temperatura, K
Vodena vrijednost fluida• vodeni ekvivalent ili toplotni kapacitet fluida
(W/K)
• uz pretpostavku da nema gubitaka topline
• fluid koji ostvari veću razliku temperatura ima manju vodenu vrijednost
• Kinetička jednačina
• Q, količina prenesene topline, W• K, koeficijent prolaza topline, W m-2 K-1
• A, površina izmjene topline, m2
• ΔTLm, pokretačka sila procesa, K
• KOEFICIJENT PROLAZA TOPLINE• definira se kao recipročna vrijednost sume
svih otpora prisutnih u sistemu
α, koeficijent prijelaza topline , W m-1 K-1
λ, koeficijent toplinske vodljivosti, W m-2 K-1
Rfl - Fouling faktor
• za prijenos topline preko ravne plohe
• kod cijevnog izmjenjivača topline:- u kinetičku jednačinu potrebno je uvrstiti površinu uz
koju se nalazi najveći otpor prijenosu topline
• površina izložena konvekcijskom prijenosu topline nije ista za oba fluida (kod cijevnih izmjenjivača topline)
• za preliminarni dizajn uređaja preporučuje se procjena koeficijenta prolaza topline
• (literatura nudi velik broj podataka za različite geometrije izmjenjivača topline, uslove strujanja i materijale od kojih su načinjeni)
Fouling faktor, Rf, m2 K W-1
• rad izmjenjivača topline ovisi o površini izmjene topline koja mora biti čista i nekorodirana
• otpori naslaga povećavaju otpore prijenosu topline i Δp, što rezultira smanjenjem djelotvornosti uređaja
• Fouling faktor se određuje ekperimentalno testirajući izmjenjivač topline sa i bez naslaga
Otpori naslaga
• bilo koja promjena na stijenci izmjenjivača topline što ima za posljedicu smanjen prijenos topline
• kristalizacija• taloženje organskih tvari• polimerizacija i oksidacija• taloženje mulja, hrđe ili prašine• biološke naslage• korozija
Taloženje• muljevi• hrđa• prašina• u fluidu prisutne čvrste čestice (npr. rashladna
voda)• taloženje ovisi o karakteristikama čestica i
brzini strujanja• neke se čestice mogu zapeći na površini
Biološke naslage• alge• gljivice• vlaknaste bakterije• hvataju se za suspendirane hranjive tvari i
tvore sluz koja se lijepi na površinu IT• redukcija protoka i prijenosa topline
• kloriranje• Cu-Ni materijali
Uklanjanje naslaga
• Mehaničko čišćenje– struganje, četkanje– fluid u cijev• Hemijsko čišćenje– otapalo ili hemijska reakcija• Ispiranje
Pokretačka sila, ΔTlm
• kod realnog izmjenjivača topline K=f(L) jer se koeficijenti prijelaza topline mijenjaju po dužini izmjenjivača,
• ukupna količina prenesene topline računa se iz kinetičke jednačine.
• za preliminarni se proračun uzima da je K=const.• α - koeficijent prijelaza topline ovisi o vodljivosti
fluida i debljini toplinskog graničnog sloja• debljina sloja ovisi o režimu strujanja (Re=f(v, d,
ρ,η)), pri čemu su ρ, η podložni temperaturnoj promjeni.
Odabir fluida u cijevi i plaštu
• značajan uticaj na izvedbu, ekonomski aspekt i održavanje izmjenjivača topline
• naslage• radni pritisak• korozija• viskoznost• protoci
Naslage
• fluid koji izaziva stvaranje više naslaga na cijevi trebao bi strujati kroz cijevi,
• mnogo jednostavnije čišćenje,• brzina strujanja fluida u cijevima je veća, što rezultira otkidanjem
naslaga.
Radni pritisak
• kroz cijevi fluid sa većim radnim pritiskom• ukoliko kroz plašt struji fluid pod visokim pritiskom debljina stijenke
bi morala biti veća
Korozija
• korozivniji fluid kroz cijevi