Hogyan működnek a hőcserélők?

Hőcserélők

A hőcserélő egy olyan berendezés,  amelyben egyik közegből a másikba folyamatos hőátadás történik. Két fő hőcserélő-típust különböztetünk meg.

• A direkt hőcserélőben a két közeg közvetlenül érintkezik egymással. Feltételezzük, hogy a két közeg nem keveredik. Ilyen típusú hőcserélő például a hűtőtorony, amelyben a víz hűtése a levegővel közvetlenül érintkezve történik.

• Az indirekt hőcserélőben a két közeget elkülöníti egymástól egy felület, amin keresztül a hőátadás történik.

A hőcserélők típusai

Ebben a cikkben csak a direkt hőcserélőkkel foglalkozunk, vagyis azokkal, amelyekben a közegek nem keverednek, és a hőcsere egy hőátadó felületen keresztül történik. A direkt hőcserélőknek több fő típusa létezik, például lemezes, csöves, vagy spirál. Ezek közül a legnagyobb hatékonysággal a lemezes hőcserélő rendelkezik.

Hogyan működik?

A szerelt lemezes hőcserélő kialakítása

A lemezes hőcserélőben a hőátadó felületet egy fémlemezekből álló köteg alkotja. Ezek különböző anyagokból készülhetnek a melegítendő vagy hűtendő közegtől függően. A tömítésekkel ellátott lemezköteg két vastag keretlemez közé kerül, amelyeket szorítócsavarok segítségével préselnek össze.

Működési elv

A szerelt lemezes hőcserélőben a folyadékok, a lemezek és gumitömítések által képzett csatornákban áramlanak. A lemezek sarkainál vannak bemeneti/kimeneti nyílások, amelyeken keresztül két különböző folyadék - az egyik hideg, a másik meleg - áramolhat az egyes csatornákba. A közegeket a lemezek közötti tömítések vezetik. A hő áthatol az egyes lemezek falán, így történik a hőcsere a közegek között.

A lemezes hőcserélő kialakítása

A lemezes hőcserélő méretezéséhez számos paraméter ismerete szükséges.
Ezek alapján határozhatók meg a további adatok. Itt a tervezéshez szükséges hat legfontosabb paramétert tüntetjük fel:

• Átadott hőmennyiség (hőteljesítmény).
• Be- és kilépő hőmérséklet a hőcserélő primer és szekunder oldalán.
• A hőcserélő primer és szekunder oldalán megengedhető legnagyobb nyomásesés.
• Maximális üzemi hőmérséklet.
• Maximális üzemi nyomás.

A hőcserélő egyszerű kiválasztásához, kattintson ide.

A hőátadás elmélete

A fizika természetes törvényei mindaddig lehetővé teszik az energia egy rendszeren belüli áramlását, amíg egyensúlyi állapot nem áll elő. Amennyiben két test vagy közeg hőmérséklete eltérő, a magasabb hőmérsékletű testből vagy közegből a hő az alacsonyabb hőmérsékletű testbe vagy közegbe kerül át.

A hőcserélő az említett hőmérséklet-kiegyenlítődés elvén működik. A lemezes hőcserélőben a hő könnyen átjut egy vékony falon, amely a hideg és melegoldalt választja el. A két közeg/folyadék közötti hőátadás elmélete a következő néhány szabályon alapszik:

•  A hőátadás mindig a melegebből a hidegebb közegbe történik.

• A közegek között hőmérsékletkülönbségnek kell lennie.

• A melegebb közeg által elvesztett hő megegyezik a hűvösebb közeg által felvett hőmennyiséggel, ha a környezetbe történő hőveszteséget elhanyagoljuk.

Hőátadás háromféle módon lehetséges:

Sugárzás - az energia elektromágneses hullámokon keresztül kerül átadásra. Erre példa, ahogy a nap sugarai melegítik a Földet.

Vezetés - a szilárd anyagok vagy statikus folyadékok közötti energiaátadás az atom- és molekulamozgás révén történik.

Áramlás - az energia átadására kis mennyiségű, különböző hőmérsékletű folyadékok mozgása vagy keveredése révén kerül sor.

• Természetes áramlás - a folyadék mozgása teljes mértékben a sűrűségkülönbségtől függ, és a hőmérsékletkülönbségek kiegyenlítődnek.

• Kényszeráramlás - a közeg mozgása részben vagy egészben külső hatásoktól függ. Ez lehet például egy szivattyú, amely a folyadékot mozgatja.

Áramlás a hőcserélőben

Amikor a folyadék zárt csatornában, például csőben, vagy két lemez között mozog, a sebességtől függően kétféle áramlás lehetséges: lamináris vagy turbulens.

Lamináris áramlás

Lamináris áramlás akkor fordul elő, amikor a folyadék részecskék különböző párhuzamos kontúrok mentén haladnak át egy kör keresztmetszetű csövön. Ezeket középen maximális, a szélen pedig csaknem nulla sebességű, parabolikus sebességprofil jellemzi. Lamináris áramlásnál főként konduktív hőátadás történik.

Turbulens áramlás

Turbulens áramlásról akkor beszélünk, ha a folyadék áramlása nem szabályos, hanem véletlenszerű, örvénylő, így keveredés következik be. Amennyiben egy csőben turbulens áramlás áll elő, a sebességprofil nem parabolikus, hanem szinte konstans. Hőátadási szempontból ez esetben hőáramlásról van szó. A folyadék turbulens áramlása esetén is lesz azonban a falnál egy vékony, továbbra is laminárisan áramló réteg.

Ellenáramú és egyenáramú bekötés

A felső görbe a hőcserélőn átfolyó meleg, az alsó görbe pedig a hideg folyadék hőmérsékletének változását mutatja. A felső grafikon az ellenáramú, az alsó az egyenáramú megoldást szemlélteti. Ellenáram esetén a két folyadék a hőcserélő két ellentétes oldalán, míg egyenáramnál ugyanazon az oldalán lép be a hőcserélőbe.

Ellenáramú bekötés

Egyenáramú bekötés

T1in = belépő hőmérséklet - meleg oldal

T1out = kilépő hőmérséklet - meleg oldal

T2in = belépő hőmérséklet - hideg oldal

T2out = kilépő hőmérséklet - hideg oldal

Milyen bekötést alkalmazzunk, és miért?

Lemezes hőcserélőknél leginkább az ellenáramú bekötést alkalmazzák. Ezzel a bekötéssel keresztezhetők a be- és kilépő hőmérsékletek, és nagyobb hőmérséklet-közelítés érhető el.
Egyenáramú bekötést akkor alkalmazunk, ha a túl magas vagy alacsony lemezfal hőmérséklet károsítaná a melegre- vagy hidegre érzékeny folyadékokat.

Hőmérleg-egyenlet

Amennyiben két test vagy közeg hőmérséklete eltérő, a magasabb hőmérsékletű testből vagy közegből a hő az alacsonyabb hőmérsékletű testbe vagy közegbe kerül át. Amint a következőkből látható, a meleg folyadék által leadott hő megegyezik a hideg folyadék által felvett hővel. Mivel a hősugárzás okozta környezeti hőveszteségek elhanyagolhatók, nyilvánvaló, hogy Q1 = Q2.

Definíció

Q = hőteljesítmény, W

m = tömegáram, kg/s

Cp = fajlagos hőkapacitás, J/kg.K

Áramlási sebesség

Az áramlási sebesség két különböző egységgel - tömeggel vagy térfogattal - fejezhető ki. Tömeg használata esetén az áramlási sebességet kg/s-ban vagy kg/h-ban, térfogat használata esetén pedig m3/h-ban vagy l/min-ben adjuk meg. A térfogategységek tömegegységekre történő átváltásakor a térfogatáramot meg kell szorozni a sűrűséggel.

Fajlagos hőkapacitás

A fajlagos hőkapacitás (cp) az az energiamennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy 1 kg tömegű anyag hőmérséklete 1 °C-kal emelkedjen. 

A víz fajlagos hőkapacitása 20 °C-on 4,182 kJ/kg °C vagy 1,0 kcal/kg °C.

A meleg közeg által leadott hő:     Q₁=m₁*Cp₁*(T_{1 In}-T_{1 Out})

A hideg közeg által felvett hő:   Q₂=m₂*Cp₂*(T_{2 Out} -T_{2 In})

A hőveszteség elhanyagolható             Q₁= Q₂

Hőátadási egyenlet

Definíció

Q = hőteljesítmény, W

k = k-együttható, hőátadási tényező, W/m² °C

A = Hőcserélő felület, m²

LMTD = logaritmikus közepes hőmérsékletkülönbség

Q=k*A*LMTD=Q₁=m₁*C_p1*(T1_In-T1_Out)=Q₂=m₂*C_p2*(T2_Out-T2_In)

Hőátadási tényező

A hőátadási tényező (k) a hőátadással szembeni ellenállást fejezi ki, amelyet a lemez anyagának ellenállása, a szennyeződés, a folyadékok jellege és az alkalmazott hőcserélő típusa határoz meg.

Az alábbi ábrán a lemezfal egy pontján meglévő hőmérsékletprofil látható. A lemezfal mindkét oldalán látható szaggatott görbék (szürke téglalap) a vékony lamináris áramlás határait mutatják (hővezetéssel történő hőátadás), a folyadék teljes egészében turbulens áramlással mozog (áramlással történő hőátadás).

A hőátadási együttható definíciója a következő:

α1 = a meleg közeg és a hőcserélő felület közötti hőátadási tényező (W/m2 °C)

α2 = a hideg közeg és a hőcserélő felület közötti hőátadási tényező (W/m2 °C)

δ = falvastagság (m)

λ = a fal hővezető képessége (W/m °C)

Logaritmikus közepes hőmérsékletkülönbség

A logaritmikus közepes hőmérsékletkülönbség (LMTD) a hőcserélőben történő hőátadás hajtóereje.Ez a hőmérsékletkülönbség logaritmikus átlaga a hőcserélő be- és kilépő oldalán lévő hideg és meleg oldal között.

A logaritmikus közepes hőmérsékletkülönbség (LMTD) ellenáramú és egyenáramú bekötésre vonatkozó definíciója eltérő:

Ellenáramú bekötés

Egyenáramú bekötés

NTU (Number of Transfer Unit)

Hasznos fogalom az Alfa Laval-nál használt NTU-érték, más néven a theta-érték - θ. Ez az átadott egységek mennyisége, amely kifejezi, hogy a hőátadás mennyire hőigényes. Néha ezt az értéket termikus hossznak is nevezik. Minél kisebb az LMTD-érték és minél nagyobb az egyik oldalon a be- és kilépő hőmérsékletkülönbség, annál nagyobb az NTU-érték, azaz a theta-érték. Az NTU érték a következőképpen számítható ki a hideg és a meleg oldalra egyaránt:

Melegoldal

Hidegoldal

Alacsony théta (kis különbség a be- és kilépő hőmérséklet között, nagy LMTD)

Magas théta (nagy különbség a be- és kilépő hőmérséklet között, kis LMTD)

Termikus hossz

A termikus hossz leírja, hogy hőmérséklet szempontjából mennyire megterhelő az adott alkalmazás. A termikus hossz a már korábban is említett két módon írható le:

• Az átviteli egységek száma (NTU) - matematikai módszer
• Théta - általános kifejezés

Egy magasabb theta-üzemmódhoz általában nehezebb alkalmazkodni, mint egy alacsonyabb theta-üzemmódhoz. Nem létezik "helyes" vagy "helytelen" NTU- vagy theta-érték; minden attól függ, hogy az alkalmazás követelményeinek megfelelően milyen konkrét hőátadást érünk el.

Lemezek

Két különböző - alacsony és magas théta értékkel rendelkező - lemeztípusunk van. Az alacsony thétájú lemezek halszálka-minta szöge kisebb, azok rövidebbek, és mélyebb rovátkákkal rendelkeznek.

A. Kisebb mélységű rovátkák
B. Hosszabb lemez
C. Nagyobb halszálka-minta szög

A. Mélyebb rovátkák
B. Rövidebb lemez
C. Kisebb halszálka-minta szög

Csatornák

A két lemez közötti rést csatornának hívjuk. A csatornák alacsony, közepes vagy magas théta értékűek. Attól függ, hogy az alacsony és a magas thétájú lemezek milyen kombinációjával jön létre a csatorna.

Nyomásveszteség

A nyomásveszteség (Δp) közvetlenül függ a hőcserélő méretétől és fordítva. Amennyiben lehetséges a megengedett nyomásesés és a szivattyúzási költségek növelése, a hőcserélő kisebb és olcsóbb lesz.

A nyomásesés egyenletét a következőképpen határozzuk meg:

ΔP = nyomásesés (Pa)

G = tömegáram vagy áramlási sebesség (kg/m2s)

ρ = sűrűség (kg/m3)

Dh = átlagos hidraulikus átmérő (m)

L = hossz (m)

f = súrlódási tényező

n = véghatások

Nyírófeszültség

A nyírófeszültség a lemezes hőcserélő fala menti áramlás ereje, amely a hőcserélőben fennálló turbulencia mértéke. A nyírófeszültség Tao-érték (τ) néven is ismert.

A nyírófeszültséget csak akkor kell figyelembe venni, ha a felhasznált folyadék vagy folyadékok hajlamosak eltömődést okozni.

A nyírófeszültség definíciója:

τw = falnyírófeszültség, N/m2 (Pa)

f = súrlódási tényező

ρ = a folyadék sűrűsége, kg/m3

V = áramlási sebesség, m/s

L = a csatorna hossza, m

ΔP = nyomásesés, kPa

Dh = hidraulikus átmérő, m (2 × a hőcserélő lemezek rovátkamélysége)