Waarvoor worden warmtewisselaars gebruikt?
Warmtewisselaars zie je op allerlei plaatsen, meestal om gebouwen te verwarmen of te koelen, of om motoren en machines efficiënter te laten werken.Koelkasten en airconditioners, bijvoorbeeld, gebruiken warmtewisselaars op de tegenovergestelde manier als centrale verwarmingssystemen: ze verwijderen warmte uit een compartiment of ruimte waar die niet gewenst is en pompen die in een vloeistof weg naar een andere plaats waar ze kan worden geloosd. De koelvloeistof is volledig afgesloten in een netwerk van pijpen, zodat het nooit in contact komt met de lucht: het onttrekt warmte-energie aan de lucht binnen en dumpt die in de lucht buiten, maar het mengt zich nooit direct met die lucht.
Photo: Een warmtepomp onttrekt warmte aan een natuurlijke geothermische warmwaterbron, die wordt gebruikt om gebouwen te verwarmen bij Hot Springs Lodge and Pool in Glenwood Springs, Colorado. De warmtewisselaar is de met algen bedekte plaat vol koperen buizen in het midden van het water. Foto door Warren Gretz met dank aan US DOE/NREL (Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory).
In elektriciteitscentrales of motoren bevatten uitlaatgassen vaak warmte die nutteloos wegvloeit in de open lucht. Dat is energieverspilling en iets wat een warmtewisselaar zeker kan verminderen (hoewel niet helemaal te elimineren – er gaat altijd wat warmte verloren). De manier om dit probleem op te lossen is met warmtewisselaars die in de uitlaatpijpen of schoorstenen worden geplaatst. Terwijl de hete uitlaatgassen naar boven stromen, borstelen ze langs koperen vinnen waar water doorheen stroomt. Het water voert de warmte af, terug de fabriek in. Daar kan het rechtstreeks worden gerecycleerd, misschien de koude gassen verwarmen die de motor of oven in gaan, en de energie besparen die anders nodig zou zijn om ze op te warmen. Orit kan ook voor andere doeleinden worden gebruikt, bijvoorbeeld om een kantoor bij de schoorsteen te verwarmen.
Foto: hoe een douche-afvalwater-warmtewisselaar werkt. Het hete afvalwater verwarmt het koude water dat binnenkomt, waardoor er minder energie nodig is om het water warm te krijgen en het geheel efficiënter werkt.
In bussen wordt de vloeistof die wordt gebruikt om de dieselmotor af te koelen, vaak door een warmtewisselaar geleid en de warmte die daarbij vrijkomt, wordt gebruikt om koude buitenlucht op te warmen die vanaf de vloer van het passagierscompartiment omhoog wordt gepompt. Een radiator in een auto is een ander soort warmtewisselaar. Water dat de motor afkoelt stroomt door de radiator, die veel parallelle, aluminium vinnen heeft die open staan voor de lucht. Terwijl de auto rijdt, verwijdert de koude lucht die langs de radiator blaast een deel van de warmte, waardoor het water afkoelt en de lucht opwarmt en de motor efficiënt blijft werken. De afvalwarmte van de radiator wordt gebruikt om het passagierscompartiment te verwarmen, net als in een bus.
Als u een energiezuinige douche hebt, is er misschien een warmtewisselaar geïnstalleerd in de afvoer van het afvalwater. Terwijl het water langs uw lichaam druppelt en langs de plug naar beneden loopt, loopt het door de koperen spoelen van een warmtewisselaar.Ondertussen stroomt het te verwarmen koude water langs dezelfde spoelen, waarbij het zich niet mengt met het vuile water, maar een deel van de afvalwarmte oppikt en iets opwarmt, zodat de douche minder hoeft te verwarmen.
Soorten warmtewisselaars
Alle warmtewisselaars doen hetzelfde werk – warmte van de ene vloeistof naar de andere overbrengen – maar ze werken op veel verschillende manieren. De twee meest voorkomende soorten warmtewisselaars zijn de schillen-buizen-wisselaar en de platen-buizen-wisselaar. In shell and tube-warmtewisselaars stroomt een vloeistof door een stel metalen buizen terwijl de tweede vloeistof door een afgesloten omhulsel stroomt dat hen omringt. Dat is het ontwerp dat in ons diagram hierboven is afgebeeld. De twee vloeistoffen kunnen in dezelfde richting stromen (bekend als parallelle stroming), in tegengestelde richtingen (tegenstroom of tegenstroom), of in een rechte hoek (kruisstroom). Plaat/vin warmtewisselaars hebben veel dunne metalen platen of vinnen met een groot oppervlak (omdat daardoor meer warmte sneller wordt uitgewisseld); warmtewisselaars in gasovens (gasketels) werken op deze manier.
Foto: Twee soorten warmtewisselaars. 1) Een “shell and tube”-warmtewisselaar van de Savannah River-kerncentrale in South Carolina, Verenigde Staten. Er zitten hier veel buizen in en ze zijn gemakkelijk te zien. Foto met dank aan het Amerikaanse ministerie van energie (DOE).2) De platen- en vinnenwarmtewisselaar van een gasgestookte verwarmingsketel/oven.
Warmtewisselaars die worden gebruikt om warmteverliezen van gebouwen, motoren en machines tot een minimum te beperken, worden soms recuperatoren of regeneratoren genoemd. Dit zijn twee heel verschillende dingen. Een recuperator wordt meestal gebruikt om warmte op te vangen die anders verloren zou gaan, bijvoorbeeld wanneer benauwde lucht uit een gebouw wordt geventileerd: koude, inkomende vloeistof wordt in de tegenovergestelde richting geleid van warme, uitgaande vloeistof om het warmteverlies te minimaliseren. De twee vloeistoffen stromen door afzonderlijke kanalen, blijven gescheiden en vermengen zich niet.Aangezien inkomende en uitgaande vloeistoffen in tegengestelde richting bewegen, zijn recuperatoren voorbeelden van tegenstroomwarmtewisselaars.De warmtewisselaar in een warmteterugwinnend ventilatiesysteem (HRV) is een alledaags voorbeeld van een recuperator.
Artwork: Een voorbeeld van een recuperatiewarmtewisselaar die werkt in een warmteterugwinnend ventilatiesysteem (HRV). Warme, stoffige lucht die uit het gebouw stroomt (oranje pijp schuin van rechtsboven naar linksonder) geeft zijn warmte af aan koude, frisse lucht die van buiten naar binnen stroomt (bruine pijp schuin van linksboven naar rechtsonder).
Een regenerator is vergelijkbaar, maar de inkomende en uitgaande vloeistoffen bewegen door hetzelfde kanaal in tegengestelde richtingen en op verschillende tijdstippen. De warme vloeistof stroomt dus door de regenerator naar buiten en geeft onderweg wat van zijn warmte af. Later stroomt de koude vloeistof door hetzelfde kanaal terug naar de regenerator en neemt daarbij wat van de daar opgeslagen warmte op. Een regenerator is een van de belangrijkste onderdelen van een zeer efficiënte energiebron, de Stirlingmotor, waarin een zuiger opgesloten gas heen en weer duwt tussen een warmtebron (zoals een vuur) en een plaats waar de warmte verloren gaat (“een gootsteen”). De regenerator vermindert de warmte die anders verloren zou gaan als de motor heen en weer zou draaien.
Wat zijn de beste materialen voor een warmtewisselaar?
Photo: Kunststoffen zijn perfect geschikte materialen voor warmtewisselaars bij lage temperaturen.
Je zou misschien denken dat warmtewisselaars altijd van metaal moeten zijn gemaakt, dat snel warmte absorbeert en geleidt – en veel van die metalen zijn dat ook. Maar warmtewisselaars kunnen ook worden gemaakt van keramiek, composieten (op basis van metalen of keramiek), en zelfs kunststoffen (polymeren).
Al deze materialen hebben hun voordelen. De keramiek is een bijzonder goede keus voor het soort toepassingen bij hoge temperatuur (meer dan 1000°C of 2000°F) die metalen zoals koper, ijzer, en staal zouden smelten, hoewel zij ook populair voor gebruik withcorrosive en schurende vloeistoffen bij zowel hoge als lage temperaturen zijn. De plastieken wegen en kosten over het algemeen minder dan metalen, verzetten zich tegen corrosie en vervuiling, en kunnen worden ontworpen om goede warmtegeleidingsvermogen te hebben, hoewel zij mechanisch zwak neigen te zijn en na verloop van tijd kunnen degraderen. Hoewel ze over het algemeen niet geschikt zijn voor toepassingen met hoge temperaturen, zouden kunststof warmtewisselaars een goede keuze kunnen zijn voor iets als een zwembad of douche, die bij alledaagse kamertemperaturen werken. Composiet warmtewisselaars combineren de beste eigenschappen van hun moedermaterialen – bijvoorbeeld het hoge warmtegeleidingsvermogen van een metaal – met het lagere gewicht en de betere corrosieweerstand van een kunststof.
In de toekomst is het goed mogelijk dat we nog interessantere materialen gaan gebruiken in warmtewisselaars.Koolstofnanobuisjes, bijvoorbeeld (dunne zeshoekige velletjes koolstof die omwikkeld zijn tot “buizen”), hebben verbazingwekkende warmtegeleidende eigenschappen en worden nu al gebruikt in warmtewisselaars (apparaten die warmte afvoeren en vooral in elektronica worden gebruikt).Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan om te zien hoe ze in warmtewisselaars kunnen worden toegepast.