IZMJENJIVAČI TOPLINE

• 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.

2. Obzirom na konstrukciju Pločasti Cijevni Spiralni

Pločasti izmjenjivači topline

Cijevni izmjenjivači topline

• Spiralni izmjenjivači topline

• Prema načinu strujanja fluida istostrujni protustrujni unakrsni

unakrsni

• 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

• obzirom na vanjsku površinu cijevi

• obzirom na unutarnju površinu cijevi

• 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)

• Cijevni izmjenjivači topline

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