Do czego służą wymienniki ciepła?
Wymienniki ciepła można spotkać we wszystkich rodzajach miejsc, zazwyczaj służą do ogrzewania lub chłodzenia budynków lub pomagają silnikom i maszynom pracować bardziej wydajnie.Lodówki i klimatyzatory, na przykład, wykorzystują wymienniki ciepła w sposób odwrotny niż systemy centralnego ogrzewania: usuwają ciepło z komory lub pomieszczenia, w którym nie jest ono potrzebne i pompują je w płynie do innego miejsca, gdzie może zostać usunięte. Płyn chłodzący jest całkowicie zamknięty w sieci rur, więc nigdy nie wchodzi w kontakt z powietrzem: pobiera energię cieplną z powietrza wewnątrz i wyrzuca ją do powietrza na zewnątrz, ale nigdy nie miesza się bezpośrednio z tym powietrzem.
Zdjęcie: Pompa ciepła pobiera ciepło z naturalnego gorącego źródła geotermalnego, wykorzystywanego do ogrzewania budynków w Hot Springs Lodge and Pool w Glenwood Springs, Colorado. Wymiennik to pokryta algami płyta pełna miedzianych rurek w środku wody. Zdjęcie autorstwa Warrena Gretza dzięki uprzejmości US DOE/NREL (Departament Energii/Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej).
W elektrowniach lub silnikach, gazy spalinowe często zawierają ciepło, które bezużytecznie ucieka w powietrze. Jest to strata energii i coś, co wymiennik ciepła może z pewnością zmniejszyć (choć nie całkowicie wyeliminować – część ciepła zawsze będzie tracona). Sposobem na rozwiązanie tego problemu są wymienniki ciepła umieszczone wewnątrz rur wydechowych lub kominów. Gdy gorące spaliny unoszą się w górę, omijają miedziane żebra z przepływającą przez nie wodą, która odprowadza ciepło z powrotem do zakładu. Tam, może być ono bezpośrednio przetworzone, być może ogrzewając zimne gazy, które trafiają do silnika lub pieca, oszczędzając energię, która w przeciwnym razie byłaby potrzebna do ich ogrzania. Orit może zostać wykorzystany w inny dobry sposób, na przykład do ogrzewania biura w pobliżu komina.
Foto: Jak działa prysznicowy wymiennik ciepła wody odpadowej. Hot outgoing waste-water warms incoming cold water,reducing the energy you need to get the water hot and making the whole thing more efficient.
W autobusach, fluid used to cool down thediesel engine is often passedthrough a heat exchanger and the heat it reclaims is used to warm cold air from outsidethat is pump up from the floor of the passenger compartment. To oszczędza potrzebę posiadania dodatkowych, nieekonomicznych grzejników elektrycznych wewnątrz autobusu.Innym rodzajem wymiennika ciepła jest chłodnica samochodowa. Woda, która chłodzi silnik przepływa przez chłodnicę, która ma wiele równoległych, aluminiowych żeberek otwartych na powietrze. Gdy samochód jedzie wzdłuż, zimne powietrze wydmuchiwaneprzez chłodnicę usuwa część ciepła, chłodząc wodę i ogrzewając powietrze i utrzymując silnik pracujący wydajnie. Ciepło odpadowe chłodnicy jest wykorzystywane do ogrzewania przedziału pasażerskiego, podobnie jak w autobusie.
Jeśli masz energooszczędny prysznic, może on mieć wymiennik ciepła zainstalowany w wylocie ścieków.Gdy woda ścieka po twoim ciele i spływa po korku, przepływa przez miedziane cewki wymiennika ciepła.W międzyczasie zimna woda, która trafia do prysznica, aby zostać ogrzana, przepompowuje się przez te same wężownice, nie mieszając się z brudną wodą, ale odbierając część jej ciepła odpadowego i ogrzewając się nieznacznie, dzięki czemu prysznic nie musi jej ogrzewać tak bardzo.
Typy wymienników ciepła
Wszystkie wymienniki ciepła wykonują tę samą pracę – przekazują ciepło z jednego płynu do drugiego – ale pracują na wiele różnych sposobów. Dwa najczęstsze rodzaje wymienników ciepła to płaszczowo-rurowy i płytowo-żebrowy. W wymiennikach płaszczowo-rurowych jeden płyn przepływa przez zestaw metalowych rurek, podczas gdy drugi płyn przechodzi przez szczelną powłokę, która je otacza. Taką konstrukcję przedstawiono na naszym schemacie powyżej. Dwa płyny mogą przepływać w tym samym kierunku (tzw. przepływ równoległy), w przeciwnych kierunkach (przepływ przeciwny lub przeciwprąd) lub pod kątem prostym (przepływ krzyżowy). W ten sposób działają kotły w lokomotywach parowych.Płytowo-żebrowe wymienniki ciepła mają dużo cienkich metalowych płytek lub żeberek o dużej powierzchni (ponieważ w ten sposób szybciej wymienia się więcej ciepła); w ten sposób działają wymienniki ciepła w piecach gazowych (kotłach gazowych).
Zdjęcie: Dwa rodzaje wymienników ciepła. 1) Wymiennik płaszczowo-rurowy z elektrowni jądrowej Savannah Rivernuclear w Południowej Karolinie, Stany Zjednoczone. W tym jest dużo rurek i łatwo je dostrzec. Zdjęcie dzięki uprzejmości Departamentu Energii USA (DOE).2) Płytowo-żebrowy wymiennik ciepła z wnętrza gazowego kotła centralnego ogrzewania/pieca.
Wymienniki ciepła używane do minimalizowania strat ciepła z budynków, silników i maszyn są czasami nazywane rekuperatorami lub regeneratorami. Są to dwie zupełnie różne rzeczy. Rekuperator jest zwykle używany do przechwytywania ciepła, które w przeciwnym razie zostałoby utracone, na przykład podczas wentylacji dusznego powietrza z budynku: zimny, przychodzący płyn jest kierowany w przeciwnym kierunku niż ciepły, wychodzący płyn, aby zminimalizować straty ciepła. Oba płyny przepływają przez oddzielne kanały, pozostają oddzielne i nie mieszają się.Ponieważ płyny wchodzące i wychodzące poruszają się w przeciwnych kierunkach, rekuperatory są przykładami przeciwprądowych wymienników ciepła.Wymiennik ciepła w systemie wentylacji z odzyskiem ciepła (HRV) jest codziennym przykładem rekuperatora.
Opracowanie graficzne: Przykład wymiennika ciepła rekuperatora pracującego w systemie wentylacji z odzyskiem ciepła (HRV). Ciepłe, duszne powietrze wypływające z budynku (pomarańczowa rura pochyła z góry po prawej stronie do dołu po lewej) oddaje swoje ciepło zimnemu, świeżemu powietrzu napływającemu z zewnątrz (brązowa rura pochyła z góry po lewej stronie do dołu po prawej).
Regenerator jest podobny, ale płyn wpływający i wypływający poruszają się tym samym kanałem w przeciwnych kierunkach i w różnym czasie. Ciepły płyn przepływa więc przez regenerator, oddając po drodze część swojego ciepła.Później zimny płyn przepływa przez ten sam kanał, z powrotem przez regenerator, odbierając część zmagazynowanego tam ciepła. Regenerator jest jedną z kluczowych części w wysoce wydajnej formie energii zwanej silnikiem Stirlinga, w którym tłok popycha uwięziony gaz tam i z powrotem pomiędzy źródłem ciepła (takim jak ogień) a miejscem, w którym ciepło jest tracone („zlew”). Regenerator redukuje ciepło, które w przeciwnym razie zostałoby utracone, gdy silnik obraca się tam i z powrotem.
Jakie materiały są najlepsze do produkcji wymienników ciepła?
Zdjęcie: Tworzywa sztuczne są doskonale nadającymi się materiałami do niskotemperaturowych wymienników ciepła.
Można by pomyśleć, że wymienniki ciepła zawsze będą musiały być wykonane z metali, które szybko pochłaniają i przewodzą ciepło – i wiele z nich jest. Ale wymienniki ciepła mogą być również wykonane z ceramiki, kompozytów (na bazie metali lub ceramiki), a nawet z tworzyw sztucznych (polimerów).
Wszystkie te materiały mają swoje zalety. Ceramika jest szczególnie dobrym wyborem do zastosowań wysokotemperaturowych (ponad 1000°C lub 2000°F), w których topią się metale takie jak miedź, żelazo i stal, chociaż są one również popularne do stosowania z cieczami korozyjnymi i ściernymi w wysokich lub niskich temperaturach.Tworzywa sztuczne generalnie ważą i kosztują mniej niż metale, są odporne na korozję i zanieczyszczenia oraz mogą być zaprojektowane tak, aby miały dobrą przewodność cieplną, chociaż mają tendencję do bycia mechanicznie słabymi i mogą z czasem ulegać degradacji. Mimo, że nie nadają się do zastosowań wysokotemperaturowych, plastikowe wymienniki mogą być dobrym wyborem dla czegoś takiego jak basen lub prysznic, działające w codziennych, pokojowych temperaturach.Kompozytowe wymienniki ciepła łączą najlepsze cechy swoich macierzystych materiałów – np. wysoką przewodność cieplną metalu z mniejszą wagą i lepszą odpornością na korozję tworzywa sztucznego.Nanorurki węglowe, na przykład (cienkie sześciokątne arkusze węgla owinięte w „rurki”), mają niesamowite właściwości przewodzenia ciepła i są już stosowane w radiatorach (urządzeniach odprowadzających ciepło, używanych głównie w elektronice).Obecnie prowadzi się wiele badań, aby zobaczyć, jak można je zastosować w wymiennikach ciepła.