Was ist Wärmetauscher – Definition

Wärmetauscher

Wärmetauscher sind Geräte, mit denen Wärmeenergie von einem Fluid auf ein anderes übertragen wird, ohne die beiden Fluide 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 Kühlerspulen strömt und Luft an den Spulen vorbeiströmt, wodurch das Kühlmittel gekühlt und die einströmende Luft erwärmt wird. In der Energietechnik, gemeinsame Anwendungen von Wärmetauschern gehören Dampferzeuger , Lüfterkühler, Kühlwasserwärmetauscher und Kondensatoren . Beispielsweise wird ein Dampferzeuger verwendet, um Speisewasser aus Wärme, die in einem Kern eines Kernreaktors erzeugt wird, in Dampf umzuwandeln . Der erzeugte Dampf treibt die Turbine an.

Die Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher beinhaltet normalerweise 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 Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bekannt ist . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Kühlung entspricht .

Darüber hinaus verwenden Ingenieure auch die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz ( LMTD ), um die Temperaturtreiberkraft für die Wärmeübertragung in Wärmetauschern zu bestimmen.

Besondere Referenz: John R. Thome, Engineering Data Book III. Wolverine Tube Inc. 2004.

• 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.

Wärmetauscheranalyse – Wärmetauscherberechnung

Wärmetauscher werden üblicherweise in der Industrie verwendet, und die richtige Auslegung eines Wärmetauschers hängt von vielen Variablen ab. Die folgenden Begriffe und Methoden werden häufig verwendet, um einen geeigneten Wärmetauscher auszuwählen .

Wärmedurchgangskoeffizient

Ein Wärmetauscher besteht typischerweise aus zwei fließenden Flüssigkeiten, die durch eine feste Wand getrennt sind. Viele der in der Industrie auftretenden Wärmeübertragungsprozesse umfassen Verbundsysteme und sogar eine Kombination aus Leitung und Konvektion . Die Wärme wird zuerst durch Konvektion von der heißen Flüssigkeit an die Wand übertragen, durch Wärmeleitung durch die Wand und durch Konvektion wieder von der Wand auf die kalte Flüssigkeit.

Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bekannt ist . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Kühlung entspricht :

Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient U, ist , bezogen auf den Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems. Beispielsweise beinhaltet die Wärmeübertragung in einem Dampferzeuger eine Konvektion von der Masse des Reaktorkühlmittels zur Innenrohroberfläche des Dampferzeugers, eine Leitung durch die Rohrwand und eine Konvektion (sieden) von der Außenrohroberfläche zum sekundärseitigen Fluid.

Bei kombinierter Wärmeübertragung für einen Wärmetauscher gibt es zwei Werte für h. Es gibt den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten (h) für den Fluidfilm innerhalb der Rohre und einen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für den Fluidfilm außerhalb der Rohre. Die Wärmeleitfähigkeit (k) und Dicke (Δx) der Rohrwand müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Die Online-Überwachung von kommerziellen Wärmetauschern erfolgt durch Verfolgung des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten , da der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient aufgrund von Verschmutzung im Laufe der Zeit tendenziell abnimmt . Durch periodische Berechnung des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten aus den Durchflussraten und Temperaturen des Wärmetauschers kann der Bediener des Wärmetauschers die Lebensdauer der Wärmetauscher abschätzen.

Logarithmische mittlere Temperaturdifferenz – LMTD

Um bestimmte Wärmetauscherprobleme zu lösen, verwenden Ingenieure häufig eine logarithmische mittlere Temperaturdifferenz (LMTD) , mit der die Temperaturantriebskraft für die Wärmeübertragung in Wärmetauschern bestimmt wird. LMTD wird eingeführt, da die Temperaturänderung, die über den Wärmetauscher vom Eingang zum Ausgang stattfindet, nicht linear ist .

Die Wärmeübertragung durch die Wand des Wärmetauschers an einem bestimmten Ort ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

Hier kann der Wert des gesamten Wärmeübergangskoeffizienten als Konstante angenommen werden. Andererseits variiert die Temperaturdifferenz kontinuierlich mit dem Ort (insbesondere in der Gegenstromanordnung). Um den gesamten Wärmestrom zu bestimmen, sollte entweder der Wärmestrom unter Verwendung der Elementflächen und der Temperaturdifferenz am Standort summiert werden, oder die Ingenieure können den Wert der Temperaturdifferenz bequemer mitteln. Die Wärmetauschergleichung kann viel einfacher gelöst werden, wenn wir einen „mittleren Temperaturunterschied“ (MTD) definieren könnten . Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Temperaturdifferenz entlang des Durchflusses variiert und der arithmetische Durchschnitt möglicherweise nicht der reale Durchschnitt ist. Daher verwenden Ingenieure die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz. Das “Logarithmische mittlere Temperaturdifferenz “ (LMTD) ist ein logarithmischer Durchschnitt der Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Speisen an jedem Ende des Wärmetauschers. Je größer der LMTD, desto mehr Wärme wird übertragen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Temperaturdifferenz entlang des Durchflusses variiert und der arithmetische Durchschnitt möglicherweise nicht der reale Durchschnitt ist.

Für Wärmetauscher mit zwei Enden (die wir “A” und “B” nennen), an denen die heißen und kalten Ströme auf beiden Seiten ein- oder austreten, ist der LMTD wie folgt definiert:

Die Wärmeübertragung ist dann gegeben durch:

Dies gilt sowohl für die Parallelstromanordnung, bei der die Ströme von demselben Ende eintreten, als auch für die Gegenstromanordnung, bei der sie von verschiedenen Enden eintreten.

In einer Querströmung, in der ein System, normalerweise der Kühlkörper, an allen Punkten der Wärmeübertragungsfläche die gleiche Nenntemperatur aufweist, gilt eine ähnliche Beziehung zwischen ausgetauschter Wärme und LMTD, jedoch mit einem Korrekturfaktor. Ein Korrekturfaktor ist auch für andere komplexere Geometrien erforderlich, z. B. einen Rohrbündelaustauscher mit Leitblechen.

LMTD – Kondensatoren und Kessel

Dampferzeuger und Kondensatoren sind auch Beispiele für Komponenten in kerntechnischen Anlagen, in denen das Konzept der LMTD erforderlich ist, um bestimmte Probleme anzugehen. Wenn das unterkühlte Wasser in den Dampferzeuger eintritt, muss es bis zu seinem Siedepunkt erhitzt und dann verdampft werden. Da die Verdampfung bei konstanter Temperatur stattfindet, kann kein einziges LMTD verwendet werden. In diesem Fall muss der Wärmetauscher als eine Kombination von zwei oder drei (bei Überhitzung auftretenden) Wärmetauschern behandelt werden.

Quetschpunkt – Wärmetauscher

Ein weiterer interessanter Aspekt der Konstruktion besteht darin, dass der als “Quetschen” bekannte Temperaturunterschied die Leistung von Wärmetauschern einschränken kann, wenn die Bereiche und Durchflussraten nicht richtig ausgelegt sind. Der Quetschpunkt ist der Ort im Wärmetauscher, an dem der Temperaturunterschied zwischen heißer und kalter Flüssigkeit an diesem Ort minimal ist .

NTU-Wirksamkeitsmethode

Die im vorherigen Abschnitt beschriebene Methode der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz (LMTD) ist bei der Wärmetauscheranalyse einfach anzuwenden, wenn die Einlass- und Auslasstemperaturen der heißen und kalten Flüssigkeiten bekannt sind oder aus einer Energiebilanz bestimmt werden können. Daher eignet sich das LMTD-Verfahren sehr gut zur Bestimmung der Größe und Leistung eines Wärmetauschers.

Wenn keine direkten Kenntnisse der LMTD verfügbar sind und die NTU-Methode ( Number of Transfer Units-Methode ) verwendet werden kann. Diese Methode basiert auf einem dimensionslosen Parameter, der als Wärmeübertragungseffektivität bezeichnet wird und wie folgt definiert ist:

Wie zu sehen ist, ist die Wirksamkeit das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Wärmeübertragungsrate und der maximal möglichen Wärmeübertragungsrate. Um die Wirksamkeit eines Wärmetauschers zu definieren, müssen wir zuerst die maximal mögliche Wärmeübertragungsrate q _max für den Wärmetauscher bestimmen .

Weiterführende Literatur:

1. Grundlagen der Wärme- und Stoffübertragung, 7. Auflage. Theodore L. Bergman, Frank P. Incropera, Adrienne S. Lavine. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
2. Wärme- und Stoffaustausch. Yunus A. Cengel. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.

Beispiel: Berechnung des Wärmetauschers

Stellen Sie sich einen Parallelstrom-Wärmetauscher vor , mit dem Öl mit Wasser von 30 ° C von 70 ° C auf 40 ° C gekühlt wird. Die Austrittstemperatur des Wassers beträgt 36 ° C. Die Fließgeschwindigkeit des Öls beträgt 1 kg / s. Die spezifische Wärme des Öls beträgt 2,2 kJ / kg K. Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient U = 200 W / m ² K .

Berechnen Sie die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz . Bestimmen Sie die für diese Leistung erforderliche Fläche dieses Wärmetauschers.

1. LMTD

Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz kann einfach anhand ihrer Definition berechnet werden:

2. Bereich des Wärmetauschers

Um die Fläche dieses Wärmetauschers zu berechnen, müssen wir den Wärmestrom anhand des Massendurchsatzes von Öl und LMTD berechnen.

Die benötigte Fläche dieses Wärmetauschers kann dann direkt unter Verwendung der allgemeinen Wärmeübertragungsgleichung berechnet werden:

Rekuperator und regenerativer Wärmetauscher

Im Allgemeinen können die   bei der Regeneration verwendeten Wärmetauscher entweder als Regeneratoren  oder als  Rekuperatoren klassifiziert werden  .

• Regenerator  ist eine Art Wärmetauscher, bei dem die Wärme des heißen Fluids zeitweise in einem Wärmespeichermedium gespeichert wird, bevor sie auf das kalte Fluid übertragen wird. Es hat einen einzigen Strömungsweg, durch den die heißen und kalten Flüssigkeiten abwechselnd fließen.

• Rekuperator  ist eine Art Wärmetauscher mit  separaten Strömungswegen  für jedes Fluid entlang seiner eigenen Durchgänge, und Wärme wird durch die Trennwände übertragen. Rekuperatoren (z. B. Economiser) werden in der Energietechnik häufig eingesetzt, um den Gesamtwirkungsgrad thermodynamischer Kreisprozessen zu erhöhen. Zum Beispiel in einem Gasturbinentriebwerk. Der Rekuperator überträgt einen Teil der Abwärme im Abgas auf die Druckluft und erwärmt sie so vor dem Eintritt in die Brennkammer. Viele Rekuperatoren sind als Gegenstromwärmetauscher ausgelegt   .

Wärmeregeneration

In der Theorie der Dampfturbinen kann eine signifikante Steigerung des thermischen Wirkungsgrads der Dampfturbine erreicht werden, indem die Menge an Brennstoff verringert wird, die   in den Kessel gegeben werden muss. Dies kann durch Übertragung von Wärme (z. B. teilweise expandiertem Dampf) von bestimmten Abschnitten der Dampfturbine, die normalerweise weit über der Umgebungstemperatur liegt, auf das Speisewasser erfolgen. Dieser Prozess ist als  Wärmerückgewinnung bekannt  und eine Vielzahl von  Wärmerückgewinnern  kann zu diesem Zweck verwendet werden. Manchmal verwenden Ingenieure den Begriff  Economiser  , bei dem es sich um Wärmetauscher handelt, die den Energieverbrauch senken sollen, insbesondere beim  Vorheizen einer Flüssigkeit .

Wie im Artikel „ Dampferzeuger “ zu sehen ist, kann das Speisewasser (Sekundärkreislauf) am Einlass des Dampferzeugers etwa  ~ 230 ° C (446 ° F) haben und wird dann auf den Siedepunkt dieser Flüssigkeit (280 ) erhitzt  ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) und eingedampft. Das Kondensat am Kondensatorausgang kann jedoch etwa  40 ° C haben , sodass die Wärmerückgewinnung bei typischen PWR signifikant und sehr wichtig ist:

• Die Wärmerückgewinnung erhöht den thermischen Wirkungsgrad, da bei höherer Temperatur mehr Wärme in den Kreislauf fließt.
• Die Wärmerückgewinnung bewirkt eine Verringerung des Massenstroms durch die Niederdruckstufe der Dampfturbine und erhöht somit den Wirkungsgrad der LP-Isentropenturbine. Beachten Sie, dass der Dampf in der letzten Expansionsstufe ein sehr hohes spezifisches Volumen aufweist.
• Die Wärmerückgewinnung führt zu einer Erhöhung der Arbeitsdampfqualität, da sich die Abflüsse am Rand des Turbinengehäuses befinden, wo sich eine höhere Konzentration an Wassertropfen befindet.