Wärmetauscher – Wikipedia

Geräte zur Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeiten

Teilansicht in die Einlasskammer des Rohrbündelwärmetauschers eines Kältemittelkühlers zur Klimatisierung eines Gebäudes

EIN Wärmetauscher ist ein System zur Wärmeübertragung zwischen zwei oder mehr Flüssigkeiten. Wärmetauscher werden sowohl beim Kühlen als auch beim Heizen eingesetzt.^[1] Die Flüssigkeiten können durch eine feste Wand getrennt sein, um ein Vermischen zu verhindern, oder sie können in direktem Kontakt stehen.^[2] Sie werden häufig in der Raumheizung, Kühlung, Klimatisierung, in Kraftwerken, Chemiefabriken, petrochemischen Anlagen, Erdölraffinerien, bei der Erdgasaufbereitung und bei der Abwasserbehandlung eingesetzt. Das klassische Beispiel eines Wärmetauschers findet sich in einem Verbrennungsmotor, in dem eine als Motorkühlmittel bekannte zirkulierende Flüssigkeit durch Kühlerspulen strömt und Luft an den Spulen vorbeiströmt, wodurch das Kühlmittel gekühlt und die einströmende Luft erwärmt wird. Ein weiteres Beispiel ist der Kühlkörper, bei dem es sich um einen passiven Wärmetauscher handelt, der die von einem elektronischen oder mechanischen Gerät erzeugte Wärme auf ein flüssiges Medium, häufig Luft oder ein flüssiges Kühlmittel, überträgt.^[3]

Durchflussanordnung[edit]

Gegenstrom (A) und Parallelstrom (B) fließen

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  Abb. 2: Rohrbündelwärmetauscher, 2-Pass-Rohrseite (1–2 Querstrom)
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  Abb. 3: Rohrbündelwärmetauscher, 2-Pass-Mantelseite, 2-Pass-Rohrseite (2-2 Gegenstrom)

Es gibt drei Hauptklassifikationen von Wärmetauschern gemäß ihrer Strömungsanordnung. Im Parallelstrom Wärmetauscher, die beiden Flüssigkeiten treten am gleichen Ende in den Wärmetauscher ein und wandern parallel zueinander auf die andere Seite. Im Gegenstrom Wärmetauscher Die Flüssigkeiten gelangen von entgegengesetzten Enden in den Wärmetauscher. Das Gegenstromdesign ist insofern am effizientesten, als es die größte Wärme vom Wärme- (Übertragungs-) Medium pro Masseneinheit übertragen kann, da der durchschnittliche Temperaturunterschied entlang einer Einheitslänge beträgt höher. Siehe Gegenstromaustausch. In einem Querstrom Wärmetauscher, die Flüssigkeiten bewegen sich ungefähr senkrecht zueinander durch den Wärmetauscher.

Aus Gründen der Effizienz sind Wärmetauscher so ausgelegt, dass sie die Oberfläche der Wand zwischen den beiden Flüssigkeiten maximieren und gleichzeitig den Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss durch den Wärmetauscher minimieren. Die Leistung des Wärmetauschers kann auch durch Hinzufügen von Rippen oder Wellen in einer oder beiden Richtungen beeinträchtigt werden, die die Oberfläche vergrößern und den Flüssigkeitsstrom kanalisieren oder Turbulenzen hervorrufen können.

Die Antriebstemperatur über die Wärmeübertragungsfläche variiert mit der Position, es kann jedoch eine geeignete mittlere Temperatur definiert werden. In den meisten einfachen Systemen ist dies die “log mittlere Temperaturdifferenz” (LMTD). Manchmal ist keine direkte Kenntnis der LMTD verfügbar und die NTU-Methode wird verwendet.

Doppelrohrwärmetauscher sind die einfachsten in der Industrie verwendeten Wärmetauscher. Einerseits sind diese Wärmetauscher sowohl für die Konstruktion als auch für die Wartung günstig, was sie zu einer guten Wahl für kleine Industrien macht. Andererseits hat ihr geringer Wirkungsgrad in Verbindung mit dem großen Platzbedarf in großem Maßstab die moderne Industrie dazu veranlasst, effizientere Wärmetauscher wie Rohrbündel oder Platten zu verwenden. Da Doppelrohrwärmetauscher jedoch einfach sind, werden sie verwendet, um den Schülern die Grundlagen der Wärmetauscherkonstruktion beizubringen, da die Grundregeln für alle Wärmetauscher gleich sind. 1. Doppelrohrwärmetauscher (a) Wenn das andere Fluid in den Ringspalt zwischen zwei Rohren fließt, fließt ein Fluid durch das kleinere Rohr. Der Fluss kann ein Stromfluss oder ein paralleler Fluss in einem Doppelrohrwärmetauscher sein. (b) Parallele Strömung, bei der sich an derselben Stelle die heißen und kalten Flüssigkeiten verbinden, in dieselbe Richtung fließen und am selben Ende austreten.

(c) Gegenstrom, bei dem sich an entgegengesetzten Enden heiße und kalte Flüssigkeiten verbinden, in die entgegengesetzte Richtung fließen und an entgegengesetzten Enden austreten.

Die obige Abbildung zeigt die Parallel- und Gegenströmungsrichtung des Fluidaustauschers. Wenn dies unter vergleichbaren Bedingungen erfolgt, wird mehr Wärme an die Gegenstromvorrichtung übertragen als an den Parallelstromwärmetauscher. Aufgrund des großen Temperaturunterschieds, der sich aus der hohen thermischen Spannung ergibt, weisen die Temperaturprofile der beiden Wärmetauscher bei der Parallelstromauslegung zwei wesentliche Nachteile auf. Dies weist darauf hin, dass die Partnerschaft ein deutlicher Nachteil ist, wenn beabsichtigt ist, die Temperatur der kalten Flüssigkeit zu erhöhen. Wenn erwartet wird, dass zwei Flüssigkeiten genau die gleiche Temperatur haben, ist die Konfiguration der parallelen Strömung vorteilhaft. Während der Gegenstromwärmetauscher im Vergleich zum Parallelstromdesign größere Vorteile bietet. Wo es die thermische Belastung reduzieren und eine gleichmäßigere Wärmeübertragungsrate erzeugen kann.

2. Rohrbündelwärmetauscher

Die Hauptbestandteile dieses Wärmetauschertyps scheinen der Rohrkasten, die Schale, die vorderen hinteren Endstücke und die Leitbleche zu sein. Die Leitbleche werden verwendet, um die Rohre zu stützen, den Flüssigkeitsstrom auf ungefähr natürliche Weise zu den Rohren zu leiten und die Turbulenzen der Mantelflüssigkeit zu maximieren. Es gibt viele verschiedene Arten von Leitblechen und die Wahl der Leitblechform, des Abstands und der Geometrie in Abhängigkeit von der zulässigen Durchflussrate des Abfalls der mantelseitigen Kraft, der Notwendigkeit einer Rohrunterstützung und den durch die Strömung verursachten Vibrationen. Es gibt verschiedene Varianten von Rohrbündelaustauschern. Die Unterschiede liegen in der Anordnung der Strömungskonfigurationen und Konstruktionsdetails. 3. Plattenwärmetauscher Ein Plattenwärmetauscher enthält eine Menge dünn geformter Wärmeübertragungsplatten, die zusammengebündelt sind. Die Dichtungsanordnung jedes Plattenpaares stellt zwei getrennte Kanalsysteme bereit. Jedes Plattenpaar bildet einen Kanal, durch den die Flüssigkeit fließen kann. Die Paare werden durch Schweißen und Verschrauben befestigt. Das Folgende zeigt die Komponenten im Wärmetauscher.

In einzelnen Kanälen ermöglicht die Konfiguration der Dichtungen den Durchfluss. Dies ermöglicht somit das Haupt- und Sekundärmedium im Gegenstromfluss. Ein Dichtungsplattenwärmetauscher hat einen Wärmebereich von Wellplatten. Die Dichtung fungiert als Dichtung zwischen den Platten und befindet sich zwischen Rahmen und Druckplatten. Die Flüssigkeit fließt in Gegenstromrichtung durch den Wärmetauscher. Eine effiziente Wärmeleistung wird erzeugt. Platten werden in verschiedenen Tiefen, Größen und Wellformen hergestellt. Es gibt verschiedene Arten von Platten, einschließlich Platten- und Rahmen-, Platten- und Schalen- und Spiralplatten-Wärmetauschern. Der Verteilungsbereich garantiert den Flüssigkeitsfluss zur gesamten Wärmeübertragungsfläche. Dies hilft, stagnierende Bereiche zu vermeiden, in denen sich unerwünschtes Material auf festen Oberflächen ansammeln kann. Hohe Strömungsturbulenzen zwischen den Platten führen zu einer stärkeren Wärmeübertragung und einem Druckabfall.

4. Kondensatoren und Kessel Wärmetauscher, die ein Zweiphasen-Wärmeübertragungssystem verwenden, sind Kondensatoren, Kessel und Verdampfer. Kondensatoren sind Instrumente, die heißes Gas oder Dampf bis zur Kondensation aufnehmen und abkühlen und das Gas in eine flüssige Form umwandeln. Der Punkt, an dem sich Flüssigkeit in Gas umwandelt, wird als Verdampfung und umgekehrt als Kondensation bezeichnet. Oberflächenkondensator ist der häufigste Kondensatortyp, bei dem eine Wasserversorgungsvorrichtung enthalten ist. Abbildung 5 zeigt einen Oberflächenkondensator mit zwei Durchgängen.

Der Dampfdruck am Turbinenausgang ist niedrig, wenn die Dampfdichte sehr niedrig ist, wenn die Durchflussrate sehr hoch ist. Um einen Druckabfall bei der Bewegung von Dampf von der Turbine zum Kondensator zu verhindern, wird die Kondensatoreinheit darunter platziert und mit der Turbine verbunden. In den Rohren läuft das Kühlwasser parallel, während sich der Dampf von der breiten Öffnung oben vertikal nach unten bewegt und durch das Rohr fließt. Darüber hinaus werden Kessel als Erstanwendung von Wärmetauschern eingestuft. Das Wort Dampferzeuger wurde regelmäßig verwendet, um eine Kesseleinheit zu beschreiben, bei der ein heißer Flüssigkeitsstrom eher die Wärmequelle als die Verbrennungsprodukte ist. Abhängig von den Abmessungen und Konfigurationen werden die Kessel hergestellt. Einige Kessel können nur heiße Flüssigkeit produzieren, während die anderen für die Dampferzeugung hergestellt werden

Rohrbündelwärmetauscher[edit]

Ein Rohrbündelwärmetauscher

Rohrbündelwärmetauscher bestehen aus einer Reihe von Rohren, die Flüssigkeit enthalten, die entweder erwärmt oder gekühlt werden muss. Eine zweite Flüssigkeit läuft über die Rohre, die erwärmt oder gekühlt werden, so dass sie entweder die Wärme liefern oder die erforderliche Wärme absorbieren kann. Ein Satz von Rohren wird als Rohrbündel bezeichnet und kann aus verschiedenen Arten von Rohren bestehen: glatt, in Längsrichtung gerippt usw. Rohrbündelwärmetauscher werden typischerweise für Hochdruckanwendungen verwendet (mit Drücken von mehr als 30 bar und höheren Temperaturen als 260 ° C).^[4] Dies liegt daran, dass die Rohrbündelwärmetauscher aufgrund ihrer Form robust sind.
Bei der Konstruktion der Rohre in den Rohrbündelwärmetauschern müssen verschiedene thermische Konstruktionsmerkmale berücksichtigt werden: Es kann viele Variationen bei der Rohrbündelkonstruktion geben. Typischerweise sind die Enden jedes Rohrs durch Löcher in Rohrböden mit Plenums (manchmal auch als Wasserkästen bezeichnet) verbunden. Die Rohre können gerade oder in Form eines U gebogen sein, das als U-Rohre bezeichnet wird.

• Rohrdurchmesser: Durch die Verwendung eines kleinen Rohrdurchmessers ist der Wärmetauscher sowohl wirtschaftlich als auch kompakt. Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass der Wärmetauscher schneller verschmutzt, und die geringe Größe erschwert die mechanische Reinigung des Verschmutzens. Um die Verschmutzungs- und Reinigungsprobleme zu überwinden, können größere Rohrdurchmesser verwendet werden. Um den Rohrdurchmesser zu bestimmen, müssen daher der verfügbare Platz, die Kosten und die Verschmutzung der Flüssigkeiten berücksichtigt werden.
• Rohrdicke: Die Dicke der Rohrwand wird normalerweise bestimmt, um Folgendes sicherzustellen:
  • Es ist genügend Platz für Korrosion vorhanden
  • Diese strömungsinduzierte Schwingung hat Widerstand
  • Axiale Festigkeit
  • Verfügbarkeit von Ersatzteilen
  • Umfangsfestigkeit (um dem Rohrinnendruck standzuhalten)
  • Knickfestigkeit (um Überdruck in der Schale zu widerstehen)
• Rohrlänge: Wärmetauscher sind normalerweise billiger, wenn sie einen kleineren Manteldurchmesser und eine lange Rohrlänge haben. Daher besteht typischerweise das Ziel, den Wärmetauscher so lange wie möglich physikalisch zu machen, ohne die Produktionskapazitäten zu überschreiten. Hierfür gibt es jedoch viele Einschränkungen, einschließlich des verfügbaren Platzes am Installationsort und der Notwendigkeit, sicherzustellen, dass Rohre in Längen verfügbar sind, die doppelt so lang sind wie die erforderliche Länge (damit sie zurückgezogen und ersetzt werden können). Außerdem sind lange, dünne Röhren schwer herauszunehmen und zu ersetzen.
• Rohrabstand: Bei der Konstruktion der Rohre ist darauf zu achten, dass der Rohrabstand (dh der Mittenabstand benachbarter Rohre) nicht weniger als das 1,25-fache des Außendurchmessers der Rohre beträgt. Ein größerer Rohrabstand führt zu einem größeren Gesamtmanteldurchmesser, was zu einem teureren Wärmetauscher führt.
• Rohrwelligkeit: Diese Art von Rohren, die hauptsächlich für die Innenrohre verwendet werden, erhöht die Turbulenzen der Flüssigkeiten und der Effekt ist sehr wichtig für die Wärmeübertragung, um eine bessere Leistung zu erzielen.
• Röhrenlayout: Bezieht sich auf die Position der Röhren innerhalb der Schale. Es gibt vier Haupttypen der Rohranordnung: dreieckig (30 °), gedreht dreieckig (60 °), quadratisch (90 °) und gedreht quadratisch (45 °). Die dreieckigen Muster werden verwendet, um eine größere Wärmeübertragung zu erzielen, da sie das Fluid dazu zwingen, turbulenter um die Rohrleitung zu fließen. Quadratische Muster werden verwendet, wenn eine hohe Verschmutzung auftritt und die Reinigung regelmäßiger ist.
• Leitblechdesign: Leitbleche werden in Rohrbündelwärmetauschern verwendet, um Flüssigkeit über das Rohrbündel zu leiten. Sie verlaufen senkrecht zur Schale und halten das Bündel, wodurch verhindert wird, dass die Rohre über eine lange Länge durchhängen. Sie können auch verhindern, dass die Rohre vibrieren. Die häufigste Art der Schallwand ist die segmentale Schallwand. Die halbkreisförmigen Segmentleitbleche sind in einem Winkel von 180 Grad zu den benachbarten Leitblechen ausgerichtet, wodurch das Fluid gezwungen wird, zwischen dem Rohrbündel nach oben und unten zu fließen. Der Abstand der Leitbleche ist bei der Konstruktion von Rohrbündelwärmetauschern von großer thermodynamischer Bedeutung. Die Leitbleche müssen unter Berücksichtigung der Umwandlung von Druckabfall und Wärmeübertragung beabstandet sein. Zur thermoökonomischen Optimierung wird empfohlen, die Leitbleche nicht näher als 20% des Innendurchmessers der Schale zu beabstanden. Ein zu enger Abstand der Leitbleche führt aufgrund der Strömungsumleitung zu einem größeren Druckabfall. Folglich bedeutet ein zu großer Abstand der Leitbleche, dass sich in den Ecken zwischen den Leitblechen möglicherweise kühlere Stellen befinden. Es ist auch wichtig sicherzustellen, dass die Leitbleche so weit voneinander entfernt sind, dass die Rohre nicht durchhängen. Der andere Haupttyp der Schallwand ist die Scheiben- und Donut-Schallwand, die aus zwei konzentrischen Leitblechen besteht. Eine äußere, breitere Schallwand sieht aus wie ein Donut, während die innere Schallwand wie eine Scheibe geformt ist. Diese Art von Prallfläche zwingt das Fluid, um jede Seite der Scheibe herum und dann durch die Donut-Prallfläche zu fließen, wodurch eine andere Art von Fluidströmung erzeugt wird.

Flüssigkeitsgekühlte Wärmetauscher mit festem Rohr, die besonders für Schiffs- und Einsatzzwecke geeignet sind, können mit Messingschalen, Kupferrohren, Messingleitblechen und integrierten Endnaben aus geschmiedetem Messing zusammengebaut werden.^{[citation needed]}(Siehe: Kupfer in Wärmetauschern).

Konzeptdiagramm eines Platten- und Rahmenwärmetauschers.

Ein Einzelplattenwärmetauscher

Ein austauschbarer Plattenwärmetauscher, der direkt auf das System eines Schwimmbades angewendet wird

Plattenwärmetauscher[edit]

Ein anderer Wärmetauschertyp ist der Plattenwärmetauscher. Diese Wärmetauscher bestehen aus vielen dünnen, leicht getrennten Platten mit sehr großen Oberflächen und kleinen Fluidströmungskanälen zur Wärmeübertragung. Fortschritte in der Dichtungs- und Löttechnologie haben den Plattenwärmetauscher zunehmend praktikabler gemacht. In HLK-Anwendungen werden große Wärmetauscher dieses Typs genannt Platte und Rahmen;; Bei Verwendung in offenen Kreisläufen sind diese Wärmetauscher normalerweise vom Dichtungstyp, um eine regelmäßige Demontage, Reinigung und Inspektion zu ermöglichen. Es gibt viele Arten von permanent gebundenen Plattenwärmetauschern, wie beispielsweise tauchgelötete, vakuumgelötete und geschweißte Plattenvarianten, und sie werden häufig für Anwendungen mit geschlossenem Regelkreis wie Kühlung spezifiziert. Plattenwärmetauscher unterscheiden sich auch in den verwendeten Plattentypen und in den Konfigurationen dieser Platten. Einige Platten können mit “Chevron” -, Noppen- oder anderen Mustern versehen sein, während andere bearbeitete Rippen und / oder Rillen aufweisen können.

Im Vergleich zu Rohrbündelaustauschern weist die Stapelplattenanordnung typischerweise ein geringeres Volumen und geringere Kosten auf. Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass Plattenaustauscher im Vergleich zu mittleren und hohen Drücken von Mantel und Rohr typischerweise Flüssigkeiten mit niedrigem bis mittlerem Druck bedienen. Ein dritter und wichtiger Unterschied besteht darin, dass Plattenaustauscher eher einen Gegenstrom als einen Querstrom verwenden, was geringere Annäherungstemperaturunterschiede, hohe Temperaturänderungen und höhere Wirkungsgrade ermöglicht.

Platten- und Mantelwärmetauscher[edit]

Ein dritter Wärmetauschertyp ist ein Plattenwärmetauscher, der Plattenwärmetauscher mit Rohrbündelwärmetauschertechnologien kombiniert. Das Herzstück des Wärmetauschers enthält eine vollständig geschweißte kreisförmige Plattenpackung, die durch Pressen, Schneiden und Zusammenschweißen runder Platten hergestellt wird. Düsen befördern den Durchfluss in das Plattenpaket hinein und aus diesem heraus (der „plattenseitige“ Strömungsweg). Das vollständig geschweißte Plattenpaket wird zu einer Außenschale zusammengebaut, die einen zweiten Fließweg (die “Schalen-Seite”) erzeugt. Die Platten- und Schalentechnologie bietet hohe Wärmeübertragung, hohen Druck, hohe Betriebstemperatur, kompakte Größe, geringe Verschmutzung und Annäherungstemperatur. Insbesondere verzichtet es vollständig auf Dichtungen, was bei hohen Drücken und Temperaturen Sicherheit gegen Leckage bietet.

Adiabatischer Radwärmetauscher[edit]

Ein vierter Wärmetauschertyp verwendet einen Zwischenspeicher aus Flüssigkeit oder Feststoff, um Wärme zu speichern, die dann auf die andere Seite des Wärmetauschers bewegt wird, um freigesetzt zu werden. Zwei Beispiele hierfür sind adiabatische Räder, die aus einem großen Rad mit feinen Gewinden bestehen, die sich durch die heißen und kalten Flüssigkeiten drehen, und Flüssigkeitswärmetauscher.

Plattenrippenwärmetauscher[edit]

Diese Art von Wärmetauscher verwendet “eingeklemmte” Durchgänge, die Rippen enthalten, um die Wirksamkeit der Einheit zu erhöhen. Die Konstruktionen umfassen Quer- und Gegenstrom in Verbindung mit verschiedenen Lamellenkonfigurationen wie geraden Lamellen, versetzten Lamellen und gewellten Lamellen.

Platten- und Lamellenwärmetauscher bestehen üblicherweise aus Aluminiumlegierungen, die eine hohe Wärmeübertragungseffizienz bieten. Das Material ermöglicht es dem System, bei einer geringeren Temperaturdifferenz zu arbeiten und das Gewicht der Ausrüstung zu reduzieren. Platten- und Lamellenwärmetauscher werden hauptsächlich für Niedertemperaturbetriebe wie Erdgas-, Helium- und Sauerstoffverflüssigungsanlagen, Luftzerlegungsanlagen und Transportindustrien wie Motor- und Flugzeugtriebwerke eingesetzt.

Vorteile von Platten- und Lamellenwärmetauschern:

• Hohe Wärmeübertragungseffizienz insbesondere bei der Gasbehandlung
• Größerer Wärmeübertragungsbereich
• Etwa fünfmal leichter als der Rohrbündelwärmetauscher.
• Kann hohem Druck standhalten

Nachteile von Platten- und Lamellenwärmetauschern:

• Kann zu Verstopfungen führen, da die Wege sehr eng sind
• Es ist schwierig, die Wege zu reinigen
• Aluminiumlegierungen sind anfällig für Versprödung durch Quecksilber

Kissenplattenwärmetauscher[edit]

Ein Kissenplattenwärmetauscher wird üblicherweise in der Milchindustrie zum Kühlen von Milch in großen Edelstahl-Massentanks mit direkter Expansion verwendet. Die Kissenplatte ermöglicht die Kühlung über nahezu die gesamte Oberfläche des Tanks, ohne dass Lücken zwischen Rohren entstehen, die an der Außenseite des Tanks angeschweißt sind.

Die Kissenplatte besteht aus einem dünnen Metallblech, das mit der Oberfläche eines anderen dickeren Blechs punktgeschweißt ist. Die dünne Platte wird in einem regelmäßigen Punktmuster oder mit einem Serpentinenmuster aus Schweißlinien geschweißt. Nach dem Schweißen wird der geschlossene Raum mit ausreichender Kraft unter Druck gesetzt, damit sich das dünne Metall um die Schweißnähte ausbaucht, wodurch ein Raum für das Fließen von Wärmetauscherflüssigkeiten geschaffen wird und ein charakteristisches Erscheinungsbild eines aus Metall gebildeten, gequollenen Kissens entsteht.

Flüssigkeitswärmetauscher[edit]

Dies ist ein Wärmetauscher, bei dem ein Gas durch eine Flüssigkeitsdusche (häufig Wasser) nach oben strömt. Die Flüssigkeit wird dann vor dem Abkühlen an eine andere Stelle gebracht. Dies wird üblicherweise zum Kühlen von Gasen verwendet, während gleichzeitig bestimmte Verunreinigungen entfernt werden, wodurch zwei Probleme gleichzeitig gelöst werden. Es wird häufig in Espressomaschinen als energiesparende Methode zum Kühlen von überhitztem Wasser zur Extraktion von Espresso verwendet.

Abwärmerückgewinnungsgeräte[edit]

Eine Abwärmerückgewinnungseinheit (WHRU) ist ein Wärmetauscher, der Wärme aus einem heißen Gasstrom zurückgewinnt, während er auf ein Arbeitsmedium, typischerweise Wasser oder Öl, übertragen wird. Der heiße Gasstrom kann das Abgas einer Gasturbine oder eines Dieselmotors oder ein Abgas aus der Industrie oder Raffinerie sein.

Große Systeme mit in der Industrie typischen Gasströmen mit hohem Volumen und hoher Temperatur können vom Dampf-Rankine-Kreislauf (SRC) in einer Abwärmerückgewinnungsanlage profitieren, aber diese Kreisläufe sind für kleine Systeme zu teuer. Die Rückgewinnung von Wärme aus Niedertemperatursystemen erfordert andere Arbeitsflüssigkeiten als Dampf.

Eine Abwärmerückgewinnungsanlage mit organischem Rankine-Kreislauf (ORC) kann bei niedrigen Temperaturen effizienter sein, wenn Kältemittel verwendet werden, die bei niedrigeren Temperaturen als Wasser kochen. Typische organische Kältemittel sind Ammoniak, Pentafluorpropan (R-245fa und R-245ca) und Toluol.

Das Kältemittel wird von der Wärmequelle im Verdampfer gekocht, um überhitzten Dampf zu erzeugen. Dieses Fluid wird in der Turbine expandiert, um Wärmeenergie in kinetische Energie umzuwandeln, die im elektrischen Generator in Elektrizität umgewandelt wird. Dieser Energieübertragungsprozess senkt die Temperatur des Kältemittels, das wiederum kondensiert. Der Kreislauf wird geschlossen und mit einer Pumpe abgeschlossen, um die Flüssigkeit zum Verdampfer zurückzusenden.

Dynamischer Kratzflächenwärmetauscher[edit]

Ein anderer Wärmetauschertyp wird als “(dynamischer) Kratzflächenwärmetauscher” bezeichnet. Dies wird hauptsächlich zum Erhitzen oder Abkühlen mit hochviskosen Produkten, Kristallisationsprozessen, Verdampfung und Anwendungen mit hoher Verschmutzung verwendet. Durch das kontinuierliche Abkratzen der Oberfläche werden lange Laufzeiten erreicht, wodurch Verschmutzungen vermieden und eine nachhaltige Wärmeübertragungsrate während des Prozesses erreicht werden.

Phasenwechsel-Wärmetauscher[edit]

Typischer Kesselaufkocher für industrielle Destillationstürme

Typischer wassergekühlter Oberflächenkondensator

Zusätzlich zum Aufheizen oder Abkühlen von Flüssigkeiten in nur einer Phase können Wärmetauscher entweder zum Erhitzen einer Flüssigkeit zum Verdampfen (oder Kochen) oder als Kondensatoren zum Kühlen eines Dampfes und zum Kondensieren zu einer Flüssigkeit verwendet werden. In Chemiefabriken und Raffinerien sind Aufkocher, mit denen eingehende Futtermittel für Destillationstürme erwärmt werden, häufig Wärmetauscher.^[5][6]

Destillationsaufbauten verwenden typischerweise Kondensatoren, um Destillatdämpfe wieder in Flüssigkeit zu kondensieren.

Kraftwerke, die dampfbetriebene Turbinen verwenden, verwenden üblicherweise Wärmetauscher, um Wasser zu Dampf zu kochen. Wärmetauscher oder ähnliche Einheiten zur Erzeugung von Dampf aus Wasser werden oft als Kessel oder Dampferzeuger bezeichnet.

In den Kernkraftwerken, die als Druckwasserreaktoren bezeichnet werden, leiten spezielle große Wärmetauscher Wärme vom Primärsystem (Reaktoranlage) zum Sekundärsystem (Dampfkraftwerk) und erzeugen dabei Dampf aus Wasser. Diese werden Dampferzeuger genannt. Alle fossilen und Kernkraftwerke mit dampfbetriebenen Turbinen verfügen über Oberflächenkondensatoren, um den Abgasdampf der Turbinen zur Wiederverwendung in Kondensat (Wasser) umzuwandeln.^[7][8]

Um Energie und Kühlleistung in chemischen und anderen Anlagen zu sparen, können regenerative Wärmetauscher Wärme von einem Strom, der gekühlt werden muss, auf einen anderen Strom übertragen, der erwärmt werden muss, z. B. Destillatkühlung und Vorheizung der Aufkocherzufuhr.

Dieser Begriff kann sich auch auf Wärmetauscher beziehen, die ein Material in ihrer Struktur enthalten, das eine Phasenänderung aufweist. Dies ist normalerweise eine feste bis flüssige Phase aufgrund des geringen Volumenunterschieds zwischen diesen Zuständen. Dieser Phasenwechsel wirkt effektiv als Puffer, da er bei einer konstanten Temperatur auftritt, der Wärmetauscher jedoch weiterhin zusätzliche Wärme aufnehmen kann. Ein Beispiel, bei dem dies untersucht wurde, ist die Verwendung in der Hochleistungsflugzeugelektronik.

Wärmetauscher, die in Mehrphasenströmungsregimen arbeiten, können der Ledinegg-Instabilität unterliegen.

Direktkontaktwärmetauscher[edit]

Direktkontakt-Wärmetauscher beinhalten eine Wärmeübertragung zwischen heißen und kalten Strömen von zwei Phasen ohne Trennwand.^[9] Somit können solche Wärmetauscher klassifiziert werden als:

• Gas – Flüssigkeit
• Nicht mischbare Flüssigkeit – Flüssigkeit
• Fest-Flüssig oder Fest – Gas

Die meisten Direktkontaktwärmetauscher fallen unter die Kategorie Gas – Flüssigkeit, bei der Wärme in Form von Tropfen, Filmen oder Sprays zwischen Gas und Flüssigkeit übertragen wird.^[4]

Solche Arten von Wärmetauschern werden vorwiegend in Klima-, Befeuchtungs-, industriellen Warmwasserheizungs-, Wasserkühlungs- und Kondensationsanlagen eingesetzt.^[10]

Mikrokanal-Wärmetauscher[edit]

Mikrokanal-Wärmetauscher sind Mehrfachdurchlauf-Parallelstrom-Wärmetauscher, die aus drei Hauptelementen bestehen: Verteiler (Einlass und Auslass), Mehrkanalrohre mit hydraulischen Durchmessern von weniger als 1 mm und Rippen. Alle Elemente werden normalerweise unter Verwendung eines Lötprozesses mit kontrollierbarer Atmosphäre zusammengelötet. Mikrokanal-Wärmetauscher zeichnen sich durch ein hohes Wärmeübertragungsverhältnis, niedrige Kältemittelfüllungen, eine kompakte Größe und geringere Druckabfälle auf der Luftseite im Vergleich zu Rippenrohrwärmetauschern aus.^[12] Mikrokanal-Wärmetauscher werden in der Automobilindustrie häufig als Autokühler und als Kondensator-, Verdampfer- und Kühl- / Heizspulen in der HLK-Industrie eingesetzt.

Mikro-Wärmetauscher, Wärmetauscher im Mikromaßstab, oder mikrostrukturierte Wärmetauscher sind Wärmetauscher, bei denen (mindestens ein) Fluid in seitlichen Begrenzungen mit typischen Abmessungen unter 1 mm fließt. Die typischste derartige Begrenzung sind Mikrokanäle, die Kanäle mit einem hydraulischen Durchmesser unter 1 mm sind. Mikrokanal-Wärmetauscher können aus Metall oder Keramik hergestellt werden.^[13] Mikrokanal-Wärmetauscher können für viele Anwendungen verwendet werden, einschließlich:

HLK-Luftspulen[edit]

Eine der am weitesten verbreiteten Anwendungen von Wärmetauschern ist die Klimatisierung von Gebäuden und Fahrzeugen. Diese Klasse von Wärmetauschern wird allgemein genannt Luftspulen, oder nur Spulen aufgrund ihrer oft schlangenförmigen Innenschläuche. Flüssig-Luft- oder Luft-Flüssig-HLK-Spulen weisen typischerweise eine modifizierte Querstromanordnung auf. In Fahrzeugen werden Wärmespulen oft als Heizkerne bezeichnet.

Auf der Flüssigkeitsseite dieser Wärmetauscher sind die üblichen Flüssigkeiten Wasser, eine Wasser-Glykollösung, Dampf oder ein Kältemittel. Zum HeizwendelAm häufigsten sind heißes Wasser und Dampf, und diese erhitzte Flüssigkeit wird beispielsweise von Kesseln geliefert. Zum Kühlspulen, gekühltes Wasser und Kältemittel sind am häufigsten. Das gekühlte Wasser wird von einem Kühler geliefert, der sich möglicherweise sehr weit entfernt befindet. Das Kältemittel muss jedoch von einer nahe gelegenen Kondensationseinheit stammen. Wenn ein Kältemittel verwendet wird, ist die Kühlschlange der Verdampfer im Dampfkompressionskühlkreislauf. HLK-Spulen, die diese direkte Expansion von Kältemitteln verwenden, werden allgemein als solche bezeichnet DX-Spulen. Etwas DX-Spulen sind vom Typ “Mikrokanal”.^[17]

Auf der Luftseite von HLK-Spulen besteht ein signifikanter Unterschied zwischen denen, die zum Heizen und denen zum Kühlen verwendet werden. Aus psychrometrischen Gründen kondensiert bei gekühlter Luft häufig Feuchtigkeit, außer bei extrem trockenen Luftströmen. Durch Erhitzen von Luft wird die Fähigkeit des Luftstroms erhöht, Wasser zu halten. Heizschlangen müssen also nicht die Feuchtigkeitskondensation auf ihrer Luftseite berücksichtigen, sondern Kühlschlangen Muss angemessen gestaltet und ausgewählt sein, um ihren besonderen Anforderungen gerecht zu werden latent (Feuchtigkeit) sowie die sinnvoll (Kühl-) Lasten. Das Wasser, das entfernt wird, heißt Kondensat.

In vielen Klimazonen können Wasser- oder Dampf-HLK-Spulen Gefrierbedingungen ausgesetzt sein. Da sich das Wasser beim Gefrieren ausdehnt, können diese etwas teuren und schwer zu ersetzenden dünnwandigen Wärmetauscher durch nur ein Gefrieren leicht beschädigt oder zerstört werden. Daher ist der Frostschutz von Spulen ein Hauptanliegen von HLK-Konstrukteuren, Installateuren und Betreibern.

Das Einbringen von Vertiefungen in die Wärmeaustauschrippen kontrollierte die Kondensation, sodass Wassermoleküle in der gekühlten Luft verbleiben konnten. Diese Erfindung ermöglichte das Kühlen ohne Vereisung des Kühlmechanismus.^[18]

Die in vielen Wohnhäusern typischen Wärmetauscher in Direktverbrennungsöfen sind keine „Spulen“. Sie sind stattdessen Gas-Luft-Wärmetauscher, die typischerweise aus gepresstem Stahlblech bestehen. Die Verbrennungsprodukte gelangen auf einer Seite dieser Wärmetauscher und Luft auf die andere. EIN gerissener Wärmetauscher ist daher eine gefährliche Situation, die sofortige Aufmerksamkeit erfordert, da Verbrennungsprodukte in den Wohnraum gelangen können.

Helix-Coil-Wärmetauscher[edit]

Helical-Coil-Wärmetauscherskizze, die aus einer Hülle, einem Kern und Rohren besteht (Entwurf von Scott S. Haraburda).

Obwohl Doppelrohrwärmetauscher am einfachsten zu konstruieren sind, wäre in den folgenden Fällen der Helix-Coil-Wärmetauscher (HCHE) die bessere Wahl:

• Der Hauptvorteil des HCHE, wie der des Spiralwärmetauschers (SHE), ist seine hocheffiziente Raumnutzung, insbesondere wenn es begrenzt ist und nicht genügend gerade Rohre verlegt werden können.^[19]
• Unter Bedingungen niedriger Durchflussraten (oder laminarer Strömung), so dass die typischen Rohrbündelaustauscher niedrige Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen und unwirtschaftlich werden.^[19]
• Wenn in einer der Flüssigkeiten ein niedriger Druck herrscht, normalerweise aufgrund von akkumulierten Druckabfällen in anderen Prozessanlagen.^[19]
• Wenn eine der Flüssigkeiten Komponenten in mehreren Phasen aufweist (Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase), kann dies zu mechanischen Problemen während des Betriebs führen, z. B. zum Verstopfen von Rohren mit kleinem Durchmesser.^[20] Das Reinigen von Wendelspulen für diese mehrphasigen Flüssigkeiten kann sich als schwieriger erweisen als das Gegenstück zwischen Rohrbündel und Rohr. Die Spiralspuleneinheit würde jedoch weniger häufig gereinigt werden müssen.

Diese werden in der Nuklearindustrie seit den frühen 1970er Jahren unter Verwendung einer von Charles E. Boardman und John H. Germer erfundenen HCHE-Vorrichtung als Verfahren zum Wärmeaustausch in einem Natriumsystem für große Flüssigmetall-Schnellbrüterreaktoren verwendet.^[21] Es gibt verschiedene einfache Methoden zum Entwerfen von HCHE für alle Arten von Fertigungsindustrien, beispielsweise die Methode Ramachandra K. Patil (et al.) Aus Indien und die Methode Scott S. Haraburda aus den USA.^[19][20]

Diese basieren jedoch auf Annahmen zur Schätzung des inneren Wärmeübergangskoeffizienten, zur Vorhersage des Flusses um die Außenseite der Spule und auf einem konstanten Wärmefluss.^[22] Jüngste experimentelle Daten zeigten jedoch, dass die empirischen Korrelationen für das Design von HCHEs mit kreisförmigen und quadratischen Mustern durchaus übereinstimmen.^[23] In 2015 veröffentlichten Studien stellten mehrere Forscher fest, dass die Randbedingungen der Außenwand von Wärmetauschern im Wesentlichen konstante Wärmeflussbedingungen in Kraftwerkskesseln, Kondensatoren und Verdampfern waren. Konvektive Wärmeübertragungsbedingungen waren in der Lebensmittel-, Automobil- und Prozessindustrie besser geeignet.^[24]

Spiralwärmetauscher[edit]

Schematische Darstellung eines Spiralwärmetauschers.

Eine Modifikation der senkrechten Strömung des typischen HCHE beinhaltet den Austausch der Hülle durch ein anderes gewickeltes Rohr, wodurch die beiden Flüssigkeiten parallel zueinander fließen können und unterschiedliche Konstruktionsberechnungen erforderlich sind.^[25] Dies sind die Spiralwärmetauscher (SHE), die sich auf eine spiralförmige (gewickelte) Rohrkonfiguration beziehen können. Allgemeiner bezieht sich der Begriff auf ein Paar flacher Oberflächen, die gewickelt sind, um die zwei Kanäle in einer Gegenstromanordnung zu bilden. Jeder der beiden Kanäle hat einen langen gekrümmten Pfad. Ein Paar von Fluidöffnungen ist tangential mit den äußeren Armen der Spirale verbunden, und axiale Öffnungen sind üblich, aber optional.^[26]

Der Hauptvorteil des SHE ist seine hocheffiziente Raumnutzung. Dieses Attribut wird häufig genutzt und teilweise neu zugewiesen, um andere Leistungsverbesserungen zu erzielen, wie aus bekannten Kompromissen bei der Konstruktion von Wärmetauschern hervorgeht. (Ein bemerkenswerter Kompromiss sind die Kapitalkosten gegenüber den Betriebskosten.) Ein kompaktes SHE kann verwendet werden, um eine geringere Stellfläche und damit niedrigere Gesamtkapitalkosten zu haben, oder ein übergroßes SHE kann verwendet werden, um einen geringeren Druckabfall, weniger Pumpenergie und einen höheren Wert zu erzielen thermischer Wirkungsgrad und niedrigere Energiekosten.

Konstruktion[edit]

Der Abstand zwischen den Blechen in den Spiralkanälen wird durch Verwendung von Distanzbolzen eingehalten, die vor dem Walzen geschweißt wurden. Sobald das Hauptspiralpaket gerollt wurde, werden abwechselnd die Ober- und Unterkante geschweißt und jedes Ende durch eine abgedichtete flache oder konische Abdeckung verschlossen, die mit dem Körper verschraubt ist. Dies stellt sicher, dass keine Vermischung der beiden Flüssigkeiten auftritt. Jegliche Leckage erfolgt von der Peripherie-Abdeckung in die Atmosphäre oder zu einem Durchgang, der dieselbe Flüssigkeit enthält.^[27]

Selbstreinigend[edit]

Spiralwärmetauscher werden häufig zum Erhitzen von Flüssigkeiten verwendet, die Feststoffe enthalten und daher dazu neigen, das Innere des Wärmetauschers zu verschmutzen. Durch den geringen Druckabfall kann die SHE das Fouling leichter handhaben. Das SHE verwendet einen “Selbstreinigungs” -Mechanismus, bei dem verschmutzte Oberflächen eine lokalisierte Erhöhung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit verursachen, wodurch der Luftwiderstand (oder die Flüssigkeitsreibung) auf der verschmutzten Oberfläche erhöht wird, wodurch die Verstopfung gelöst und der Wärmetauscher sauber gehalten wird. “Die Innenwände, aus denen sich die Wärmeübertragungsfläche zusammensetzt, sind oft ziemlich dick, was die SHE sehr robust macht und in anspruchsvollen Umgebungen eine lange Lebensdauer hat.”^{[citation needed]}

Sie lassen sich auch leicht reinigen und öffnen sich wie ein Ofen, in dem Schmutzablagerungen durch Druckwäsche entfernt werden können.

Selbstreinigende Wasserfilter sorgen dafür, dass das System sauber bleibt und läuft, ohne dass Patronen und Beutel heruntergefahren oder ausgetauscht werden müssen.

Strömungsanordnungen[edit]

Ein Vergleich zwischen den Operationen und Auswirkungen von a Gleichstrom- und Gegenstrom-Austauschsystem wird durch das obere bzw. untere Diagramm dargestellt. In beiden Fällen wird angenommen (und angezeigt), dass Rot einen höheren Wert (z. B. der Temperatur) als Blau hat und dass die in den Kanälen transportierte Eigenschaft daher von Rot nach Blau fließt. Beachten Sie, dass Kanäle zusammenhängend sind, wenn ein effektiver Austausch stattfinden soll (dh es darf keine Lücke zwischen den Kanälen bestehen).

In einem Spiralwärmetauscher gibt es drei Hauptströmungsarten:

• Gegenstromfluss: Flüssigkeiten fließen in entgegengesetzte Richtungen. Diese werden für Flüssig-Flüssig-, Kondensations- und Gaskühlanwendungen verwendet. Einheiten werden normalerweise vertikal montiert, wenn Dampf kondensiert, und horizontal montiert, wenn hohe Feststoffkonzentrationen gehandhabt werden.
• Spiralfluss / Querfluss: Eine Flüssigkeit befindet sich in einer Spiralströmung und die andere in einer Querströmung. Bei diesem Spiralwärmetauschertyp sind an jeder Seite Spiralströmungskanäle angeschweißt. Diese Art der Strömung eignet sich für die Handhabung von Gas niedriger Dichte, das durch die Querströmung strömt, um Druckverluste zu vermeiden. Es kann für Flüssig-Flüssig-Anwendungen verwendet werden, wenn eine Flüssigkeit eine erheblich größere Durchflussrate als die andere hat.
• Verteilter Dampf- / Spiralfluss: Diese Konstruktion ist die eines Kondensators und wird normalerweise vertikal montiert. Es ist für die Unterkühlung von Kondensat und nicht kondensierbaren Stoffen ausgelegt. Das Kühlmittel bewegt sich spiralförmig und tritt über die Oberseite aus. Eindringende heiße Gase treten über den unteren Auslass als Kondensat aus.

Anwendungen[edit]

Der Spiralwärmetauscher eignet sich für Anwendungen wie Pasteurisierung, Fermenterheizung, Wärmerückgewinnung, Vorheizen (siehe: Rekuperator) und Abwasserkühlung. Für die Schlammbehandlung sind SHEs im Allgemeinen kleiner als andere Arten von Wärmetauschern.^{[citation needed]} Diese dienen zur Wärmeübertragung.

Auswahl[edit]

Aufgrund der vielen Variablen ist die Auswahl optimaler Wärmetauscher eine Herausforderung. Handberechnungen sind möglich, aber normalerweise sind viele Iterationen erforderlich. Daher werden Wärmetauscher am häufigsten über Computerprogramme ausgewählt, entweder von Systemdesignern, die in der Regel Ingenieure sind, oder von Geräteherstellern.

Um einen geeigneten Wärmetauscher auszuwählen, würden die Systemdesigner (oder Gerätehersteller) zunächst die Konstruktionsbeschränkungen für jeden Wärmetauschertyp berücksichtigen. Obwohl die Kosten häufig das Hauptkriterium sind, sind mehrere andere Auswahlkriterien wichtig:

• Hohe / niedrige Druckgrenzen
• Thermische Leistung
• Temperaturbereiche
• Produktmix (Flüssigkeit / Flüssigkeit, Partikel oder Flüssigkeit mit hohem Feststoffgehalt)
• Der Druck fällt über den Wärmetauscher ab
• Flüssigkeitsströmungskapazität
• Reinigungsfähigkeit, Wartung und Reparatur
• Für den Bau benötigte Materialien
• Fähigkeit und Leichtigkeit der zukünftigen Expansion
• Materialauswahl wie Kupfer, Aluminium, Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Nickellegierungen, Keramik, Polymer und Titan.

Spulentechnologien mit kleinem Durchmesser werden in modernen Klima- und Kühlsystemen immer beliebter, da sie eine bessere Wärmeübertragung aufweisen als Kondensator- und Verdampferregister herkömmlicher Größe mit runden Kupferrohren und Aluminium- oder Kupferlamellen, die in der HLK-Industrie Standard sind. Spulen mit kleinem Durchmesser können den höheren Drücken standhalten, die von der neuen Generation umweltfreundlicherer Kältemittel benötigt werden. Derzeit sind zwei Spulentechnologien mit kleinem Durchmesser für Klima- und Kühlprodukte verfügbar: Kupfer-Mikrorillen^[28] und gelöteter Aluminium-Mikrokanal.^{[citation needed]}

Die Auswahl des richtigen Wärmetauschers (HX) erfordert einige Kenntnisse der verschiedenen Wärmetauschertypen sowie der Umgebung, in der das Gerät betrieben werden muss. Typischerweise werden in der Fertigungsindustrie mehrere unterschiedliche Arten von Wärmetauschern für nur einen Prozess oder ein System verwendet, um das Endprodukt abzuleiten. Zum Beispiel ein Wasserkocher HX zum Vorheizen, ein Doppelrohr HX für die Trägerflüssigkeit und eine Platte und ein Rahmen HX für die Endkühlung. Bei ausreichender Kenntnis der Wärmetauschertypen und Betriebsanforderungen kann eine geeignete Auswahl getroffen werden, um den Prozess zu optimieren.^[29]

Überwachung und Wartung[edit]

Die Online-Überwachung von kommerziellen Wärmetauschern erfolgt durch Verfolgung des gesamten Wärmeübergangskoeffizienten. Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient neigt dazu, im Laufe der Zeit aufgrund von Verschmutzung abzunehmen.

Durch periodische Berechnung des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten aus den Durchflussraten und Temperaturen des Wärmetauschers kann der Eigentümer des Wärmetauschers abschätzen, wann die Reinigung des Wärmetauschers wirtschaftlich attraktiv ist.

Die Integritätsprüfung von Platten- und Rohrwärmetauschern kann vor Ort mit der Leitfähigkeits- oder Heliumgasmethode getestet werden. Diese Methoden bestätigen die Unversehrtheit der Platten oder Röhrchen, um eine Kreuzkontamination und den Zustand der Dichtungen zu verhindern.

Die Überwachung der mechanischen Integrität von Wärmetauscherrohren kann durch zerstörungsfreie Verfahren wie Wirbelstromprüfungen durchgeführt werden.

Verschmutzung[edit]

Ein Wärmetauscher in einem mit Makrofouling kontaminierten Dampfkraftwerk.

Verschmutzung tritt auf, wenn sich Verunreinigungen auf der Wärmeaustauschoberfläche ablagern. Die Ablagerung dieser Verunreinigungen kann die Wärmeübertragungseffektivität im Laufe der Zeit erheblich verringern und wird verursacht durch:

• Geringe Wandschubspannung
• Niedrige Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
• Hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten
• Feste Ausfällung des Reaktionsprodukts
• Ausfällung gelöster Verunreinigungen durch erhöhte Wandtemperaturen

Die Verschmutzungsrate des Wärmetauschers wird durch die Geschwindigkeit der Partikelablagerung abzüglich der erneuten Mitnahme / Unterdrückung bestimmt. Dieses Modell wurde ursprünglich 1959 von Kern und Seaton vorgeschlagen.

Verschmutzung durch Rohölaustauscher. Bei der kommerziellen Rohölraffinierung wird Rohöl vor dem Eintritt in die Destillationskolonne von 21 ° C (70 ° F) auf 343 ° C (649 ° F) erhitzt. Eine Reihe von Rohrbündelwärmetauschern tauscht typischerweise Wärme zwischen Rohöl und anderen Ölströmen aus, um das Rohöl vor dem Erhitzen in einem Ofen auf 260 ° C (500 ° F) zu erwärmen. Auf der Rohseite dieser Austauscher tritt aufgrund der Asphaltenunlöslichkeit eine Verschmutzung auf. Die Art der Asphaltenlöslichkeit in Rohöl wurde von Wiehe und Kennedy erfolgreich modelliert.^[30] Die Ausfällung unlöslicher Asphaltene in rohen Vorheizzügen wurde von Ebert und Panchal erfolgreich als Reaktion erster Ordnung modelliert^[31] der die Arbeit von Kern und Seaton erweiterte.

Kühlwasserverschmutzung. Kühlwassersysteme sind anfällig für Verschmutzungen. Kühlwasser hat typischerweise einen hohen Gesamtgehalt an gelösten Feststoffen und suspendierte kolloidale Feststoffe. Eine lokalisierte Ausfällung gelöster Feststoffe tritt an der Wärmeaustauschoberfläche aufgrund von Wandtemperaturen auf, die höher als die Temperatur des Schüttguts sind. Niedrige Flüssigkeitsgeschwindigkeiten (weniger als 3 ft / s) ermöglichen es suspendierten Feststoffen, sich auf der Wärmeaustauschoberfläche abzusetzen. Kühlwasser befindet sich normalerweise auf der Rohrseite eines Rohrbündelaustauschers, da es leicht zu reinigen ist. Um Verschmutzungen zu vermeiden, stellen Konstrukteure normalerweise sicher, dass die Kühlwassergeschwindigkeit größer als ist 0,9 m / s und die Schüttfluidtemperatur wird unter 60 ° C (140 ° F) gehalten. Andere Ansätze zur Kontrolle von Verschmutzungen kombinieren die “blinde” Anwendung von Bioziden und Anti-Scale-Chemikalien mit regelmäßigen Labortests.

Instandhaltung[edit]

Platten- und Rahmenwärmetauscher können regelmäßig zerlegt und gereinigt werden. Rohrwärmetauscher können durch Säurereinigung, Sandstrahlen, Hochdruckwasserstrahl, Geschossreinigung oder Bohrstangen gereinigt werden.

In großen Kühlwassersystemen für Wärmetauscher wird eine Wasseraufbereitung wie Reinigung, Zugabe von Chemikalien und Prüfung verwendet, um die Verschmutzung der Wärmetauscherausrüstung zu minimieren. Eine andere Wasseraufbereitung wird auch in Dampfsystemen für Kraftwerke usw. verwendet, um Verschmutzung und Korrosion des Wärmeaustauschs und anderer Geräte zu minimieren.

Eine Vielzahl von Unternehmen hat begonnen, wasserbasierte Schwingungstechnologie einzusetzen, um Biofouling zu verhindern. Ohne den Einsatz von Chemikalien hat diese Art von Technologie dazu beigetragen, einen geringen Druckabfall in Wärmetauschern zu erzielen.

In der Natur[edit]

Menschen[edit]

Die menschlichen Nasengänge dienen als Wärmetauscher, wobei kühle Luft eingeatmet und warme Luft ausgeatmet wird. Die Wirksamkeit kann demonstriert werden, indem die Hand vor das Gesicht gelegt und zuerst durch die Nase und dann durch den Mund ausgeatmet wird. Durch die Nase ausgeatmete Luft ist wesentlich kühler.^[32][33] Dieser Effekt kann durch Kleidung verstärkt werden, indem beispielsweise bei kaltem Wetter ein Schal über dem Gesicht getragen wird.

Bei Arten mit äußeren Hoden (z. B. beim Menschen) ist die Arterie des Hodens von einem Venengeflecht umgeben, das als Plexus pampiniformis bezeichnet wird. Dies kühlt das Blut in Richtung der Hoden ab, während das zurückkehrende Blut wieder erwärmt wird.

Vögel, Fische, Meeressäuger[edit]

Gegenstromaustausch-Erhaltungsschaltung

“Gegenstrom” -Wärmeaustauscher kommen auf natürliche Weise im Kreislaufsystem von Fischen, Walen und anderen Meeressäugern vor. Arterien der Haut, die warmes Blut tragen, sind mit Venen der Haut verflochten, die kaltes Blut tragen, wodurch das warme arterielle Blut Wärme mit dem kalten venösen Blut austauscht. Dies reduziert den Gesamtwärmeverlust in kaltem Wasser. Wärmetauscher sind auch in der Zunge von Bartenwalen vorhanden, da ein großes Wasservolumen durch ihren Mund fließt.^[34][35] Watvögel verwenden ein ähnliches System, um Wärmeverluste von ihrem Körper durch ihre Beine ins Wasser zu begrenzen.

Karotis rete[edit]

Die Karotis ist bei einigen Huftieren ein Gegenstrom-Wärmeaustauschorgan. Das Blut, das auf dem Weg zum Gehirn die Halsschlagadern hinaufsteigt, fließt über ein Netzwerk von Gefäßen, in denen Wärme an die Venen von kühlerem Blut abgegeben wird, die von den Nasengängen herabsteigen. Die Karotis-Rete ermöglicht es der Thomson-Gazelle, ihr Gehirn fast 3 ° C (5,4 ° F) kühler als der Rest des Körpers zu halten, und hilft daher dabei, Ausbrüche der metabolischen Wärmeproduktion zu tolerieren, wie sie mit dem Auslaufen von Geparden (bei denen die Körpertemperatur übersteigt) verbunden sind die maximale Temperatur, bei der das Gehirn funktionieren könnte).^[36]

In der Industrie[edit]

Wärmetauscher werden in der Industrie häufig zum Kühlen und Heizen von industriellen Großprozessen eingesetzt. Die Art und Größe des verwendeten Wärmetauschers kann abhängig von der Art des Fluids, seiner Phase, Temperatur, Dichte, Viskosität, Drücken, chemischen Zusammensetzung und verschiedenen anderen thermodynamischen Eigenschaften an einen Prozess angepasst werden.

In vielen industriellen Prozessen gibt es Energieverschwendung oder einen Wärmestrom, der erschöpft wird. Wärmetauscher können verwendet werden, um diese Wärme zurückzugewinnen und durch Erhitzen eines anderen Stroms im Prozess zu nutzen. Diese Vorgehensweise spart in der Industrie viel Geld, da die Wärme, die von den Wärmetauschern an andere Ströme abgegeben wird, ansonsten von einer externen Quelle stammt, die teurer und umweltschädlicher ist.

Wärmetauscher werden in vielen Branchen eingesetzt, darunter:

Bei der Abwasserbehandlung spielen Wärmetauscher eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung optimaler Temperaturen in anaeroben Fermentern, um das Wachstum von Mikroben zu fördern, die Schadstoffe entfernen. Übliche Arten von Wärmetauschern, die in dieser Anwendung verwendet werden, sind der Doppelrohrwärmetauscher sowie der Platten- und Rahmenwärmetauscher.

In Flugzeugen[edit]

In Verkehrsflugzeugen werden Wärmetauscher verwendet, um dem Ölsystem des Motors Wärme zu entziehen und kalten Kraftstoff zu erhitzen.^[37] Dies verbessert die Kraftstoffeffizienz und verringert die Möglichkeit, dass Wasser beim Einfrieren des Kraftstoffs in Bauteilen eingeschlossen wird.^[38]

Aktueller Markt und Prognose[edit]

Die weltweite Nachfrage nach Wärmetauschern wird 2012 auf 42,7 Milliarden US-Dollar geschätzt und in den nächsten Jahren ein robustes Wachstum von etwa 7,8% pro Jahr verzeichnen. Der Marktwert wird voraussichtlich bis 2016 57,9 Milliarden US-Dollar erreichen und bis 2020 78,16 Milliarden US-Dollar erreichen. Rohrwärmetauscher und Plattenwärmetauscher sind nach wie vor die am häufigsten verwendeten Produkttypen.^[39]

Ein Modell eines einfachen Wärmetauschers[edit]

Ein einfacher Wärmeaustausch ^[40][41] Man könnte sich zwei gerade Rohre mit Flüssigkeitsstrom vorstellen, die thermisch verbunden sind. Lassen Sie die Rohre gleich lang sein L., Flüssigkeiten mit Wärmekapazität tragen

(Energie pro Masseneinheit pro Temperaturänderung) und lassen Sie den Massenstrom der Flüssigkeiten durch die Rohre, beide in die gleiche Richtung, sein

(Masse pro Zeiteinheit), wobei der Index ich gilt für Rohr 1 oder Rohr 2.

Temperaturprofile für die Rohre sind

und

wo x ist der Abstand entlang des Rohres. Nehmen Sie einen stationären Zustand an, damit die Temperaturprofile keine Funktionen der Zeit sind. Es sei auch angenommen, dass die einzige Wärmeübertragung von einem kleinen Flüssigkeitsvolumen in einem Rohr auf das Fluidelement im anderen Rohr an derselben Position erfolgt, dh es erfolgt keine Wärmeübertragung entlang eines Rohrs aufgrund von Temperaturunterschieden in diesem Rohr. Nach dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung ist die Änderungsrate der Energie eines kleinen Flüssigkeitsvolumens proportional zur Temperaturdifferenz zwischen ihm und dem entsprechenden Element im anderen Rohr:

${ displaystyle { frac {du_ {1}} {dt}} = gamma (T_ {2} -T_ {1})}$

${ displaystyle { frac {du_ {2}} {dt}} = gamma (T_ {1} -T_ {2})}$

(Dies gilt für parallele Strömung in die gleiche Richtung und entgegengesetzte Temperaturgradienten, aber für Gegenstrom-Wärmeaustausch-Gegenstromaustausch ist das Vorzeichen in der zweiten Gleichung vor entgegengesetzt

), wo

ist die Wärmeenergie pro Längeneinheit und γ ist die Wärmeverbindungskonstante pro Längeneinheit zwischen den beiden Rohren. Diese Änderung der inneren Energie führt zu einer Änderung der Temperatur des Fluidelements. Die zeitliche Änderungsrate für das Fluidelement, das von der Strömung mitgeführt wird, beträgt:

${ displaystyle { frac {du_ {1}} {dt}} = J_ {1} { frac {dT_ {1}} {dx}}}$

${ displaystyle { frac {du_ {2}} {dt}} = J_ {2} { frac {dT_ {2}} {dx}}}$

wo

ist der “thermische Massenstrom”. Die Differentialgleichungen, die den Wärmetauscher regeln, können nun wie folgt geschrieben werden:

${ displaystyle J_ {1} { frac { partielle T_ {1}} { partielle x}} = gamma (T_ {2} -T_ {1})}$

${ displaystyle J_ {2} { frac { partielle T_ {2}} { partielle x}} = gamma (T_ {1} -T_ {2}).}$

Da sich das System in einem stationären Zustand befindet, gibt es keine partiellen Ableitungen der Temperatur in Bezug auf die Zeit, und da es keine Wärmeübertragung entlang des Rohrs gibt, gibt es keine zweiten Ableitungen in x wie in der Wärmegleichung gefunden. Diese zwei gekoppelten Differentialgleichungen erster Ordnung können gelöst werden, um Folgendes zu ergeben:

${ displaystyle T_ {1} = A – { frac {Bk_ {1}} {k}} , e ^ {- kx}}$

${ displaystyle T_ {2} = A + { frac {Bk_ {2}} {k}} , e ^ {- kx}}$

wo

,

,

${ displaystyle k = k_ {1} + k_ {2}}$

(Dies ist für Parallelfluss, aber für Gegenfluss das Schild vor

ist negativ, so dass wenn

Bei gleichem “thermischen Massenstrom” in beiden entgegengesetzten Richtungen ist der Temperaturgradient konstant und die Temperaturen in ihrer Position linear x mit einem konstanten Unterschied

entlang des Wärmetauschers erklären, warum der Gegenstromaustausch im Gegenstromdesign am effizientesten ist)

und EIN und B. sind zwei noch unbestimmte Integrationskonstanten. Lassen

und

sei die Temperatur bei x = 0 und lass

und

seien die Temperaturen am Rohrende bei x = L. Definieren Sie die Durchschnittstemperaturen in jedem Rohr wie folgt:

${ displaystyle { overline {T}} _ {1} = { frac {1} {L}} int _ {0} ^ {L} T_ {1} (x) dx}$

${ displaystyle { overline {T}} _ {2} = { frac {1} {L}} int _ {0} ^ {L} T_ {2} (x) dx.}$

Unter Verwendung der obigen Lösungen sind diese Temperaturen:

Wenn Sie zwei der oben genannten Temperaturen wählen, werden die Integrationskonstanten eliminiert, sodass wir die anderen vier Temperaturen finden können. Wir finden die übertragene Gesamtenergie durch Integration der Ausdrücke für die zeitliche Änderungsrate der inneren Energie pro Längeneinheit:

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

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

Durch die Energieeinsparung ist die Summe der beiden Energien Null. Die Quantität

ist bekannt als die Log mittlere Temperaturdifferenzund ist ein Maß für die Wirksamkeit des Wärmetauschers bei der Übertragung von Wärmeenergie.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

• J. Coulson und J. Richardson (1999). Chemieingenieurwesen – Flüssigkeitsfluss. Wärmeübertragung und Stoffübertragung – Band 1; Reed Educational & Professional Publishing LTD
• Dogan Eryener (2005), „Thermoökonomische Optimierung des Leitblechabstands für Rohrbündelwärmetauscher“, Energy Conservation and Management, Band 47, Ausgabe 11–12, Seiten 1478–1489.
• GFHewitt, GLShires, TRBott (1994), Prozesswärmeübertragung, CRC Press, Inc., Vereinigte Staaten von Amerika.

Externe Links[edit]