Wärmetauscher
Wärmetauscher sind Geräte, mit denen Wärmeenergie von einer Flüssigkeit zu einer anderen übertragen wird, ohne die beiden Flüssigkeiten zu mischen. Die Flüssigkeiten sind normalerweise durch eine feste Wand (mit hoher Wärmeleitfähigkeit ) getrennt, um ein Vermischen zu verhindern, oder sie können in direktem Kontakt stehen.
Das klassische Beispiel eines Wärmetauschers findet sich in einem Verbrennungsmotor, bei dem ein Motorkühlmittel durch Kühlerwindungen strömt und Luft an den Windungen vorbeiströmt, die das Kühlmittel kühlt und die einströmende Luft erwärmt. In der Energietechnik gehören Dampferzeuger , Lüfterkühler, Kühlwasserwärmetauscher und Kondensatoren zu den häufigsten Anwendungen von Wärmetauschern . Beispielsweise wird ein Dampferzeuger verwendet, um Speisewasser aus der in einem Kern eines Kernreaktors erzeugten Wärme in Dampf umzuwandeln . Der erzeugte Dampf treibt die Turbine an.
Die Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher beinhaltet üblicherweise eine Konvektion in jedem Fluid und eine Wärmeleitung durch die Wand, die die beiden Fluide trennt. Bei der Analyse von Wärmetauschern ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht .
Darüber hinaus verwenden Ingenieure auch die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz ( LMTD ), um die Temperatur treibende Kraft für die Wärmeübertragung in Wärmetauschern zu bestimmen.
Besondere Referenz: John R. Thome, Engineering Data Book III. Wolverine Tube Inc. 2004.
Arten von Wärmetauschern – Klassifizierung von Wärmetauschern
Wärmetauscher werden typischerweise nach Strömungsanordnung und Bauart klassifiziert. Der einfachste Wärmetauscher ist einer, bei dem sich die heißen und kalten Flüssigkeiten in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung bewegen. Dieser Wärmetauscher besteht aus zwei konzentrischen Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern.
- Parallelstromanordnung . Bei der Parallelströmungsanordnung treten die heißen und kalten Flüssigkeiten am gleichen Ende ein, fließen in die gleiche Richtung und treten am gleichen Ende aus.
- Gegenstromanordnung . Bei der Gegenstromanordnung treten die Flüssigkeiten an entgegengesetzten Enden ein, fließen in entgegengesetzte Richtungen und treten an entgegengesetzten Enden aus.
Die Abbildung zeigt die Richtungen des Flüssigkeitsstroms in den Parallel- und Gegenstromaustauschern. Unter vergleichbaren Bedingungen wird in einer Gegenstromanordnung mehr Wärme übertragen als in einem Parallelstromwärmetauscher. Die Temperaturprofile der beiden Wärmetauscher weisen auf zwei Hauptnachteile bei der Parallelstromauslegung hin.
- Der große Temperaturunterschied an den Enden verursacht große thermische Spannungen.
- Die Temperatur des aus dem Wärmetauscher austretenden kalten Fluids überschreitet niemals die niedrigste Temperatur des heißen Fluids.
Die Konstruktion eines Parallelstromwärmetauschers ist vorteilhaft, wenn zwei Flüssigkeiten auf nahezu die gleiche Temperatur gebracht werden müssen.
- Doppelrohrwärmetauscher. Doppelrohrwärmetauscher sind sowohl für die Konstruktion als auch für die Wartung günstig, was sie zu einer guten Wahl für kleine Industrien macht. In diesen Wärmetauschern fließt ein Fluid innerhalb des Rohrs und das andere Fluid nach außen. Obwohl sie einfach und billig sind, hat ihr geringer Wirkungsgrad in Verbindung mit dem großen Platzbedarf in großem Maßstab die moderne Industrie dazu veranlasst, effizientere Wärmetauscher wie Rohrbündel zu verwenden.
- Rohrbündelwärmetauscher.Rohrbündelwärmetauscher sind in ihren verschiedenen Konstruktionsmodifikationen wahrscheinlich die am weitesten verbreitete und am häufigsten verwendete grundlegende Wärmetauscherkonfiguration in der Industrie. Rohrbündelwärmetauscher werden weiter nach der Anzahl der beteiligten Rohrbündelkanäle klassifiziert. Rohrbündelwärmetauscher werden typischerweise für Hochdruckanwendungen verwendet (mit Drücken von mehr als 30 bar und Temperaturen von mehr als 260 ° C). Dies liegt daran, dass die Rohrbündelwärmetauscher aufgrund ihrer Form hohen Drücken standhalten können. Bei diesem Wärmetauschertyp sind mehrere Rohrleitungen mit kleiner Bohrung zwischen zwei Rohrplatten angebracht, und Primärflüssigkeit fließt durch diese Rohre. Das Rohrbündel befindet sich in einer Hülle und das Sekundärfluid fließt durch die Hülle und über die Oberfläche der Rohre. In der NukleartechnikSpeisewasser in Dampf aus Wärme, die in einem Kern eines Kernreaktors erzeugt wird . Um die Wärmemenge zu erhöhen übertragen und die Energie erzeugt, die Wärmeaustauschfläche muss maximiert werden. Dies wird durch Verwendung von Rohren erreicht . Jeder Dampferzeuger kann zwischen 3.000 und 16.000 Rohre mit einem Durchmesser von jeweils etwa 19 mm enthalten.
- Plattenwärmetauscher. Ein Plattenwärmetauscher ist eine Art Wärmetauscher, der Metallplatten verwendet, um Wärme zwischen zwei Flüssigkeiten zu übertragen. Diese Anordnung ist beliebt bei Wärmetauschern, die Luft oder Gas sowie einen Fluidstrom mit niedrigerer Geschwindigkeit verwenden. Das klassische Beispiel eines Wärmetauschers findet sich in einem Verbrennungsmotor, bei dem ein Motorkühlmittel durch Kühlerspulen strömt und Luft an den Spulen vorbeiströmt, wodurch das Kühlmittel gekühlt und die einströmende Luft erwärmt wird. 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.
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