acel

de Chris Woodford. Ultima actualizare: 26 martie 2020.

Ați văzut vreodată fâșii de fum care pluteau din coșurile de fum și v-ați întrebat câtă energie pompează inutil în aer? Poate mai puțin decât ai putea crede! Economisirea energiei este o problemă uriașă și costisitoare pentru șefii fabricii și este un motiv pentru care instalează deseori dispozitive numite schimbătoare de căldură pentru a salva cât mai multă căldură posibilă din gazele reziduale. Schimbătoarele de căldură au și multe alte utilizări familiare. Motoarele din mașini, nave și avioane folosesc schimbătoare de căldură pentru a funcționa mai eficient, cazanele pe gaz le folosesc pentru a încălzi apa fierbinte, iar dacă aveți un frigider sau un aparat de aer condiționat în casă, acestea folosesc și schimbătoare de căldură. Deci, ce anume sunt schimbătoarele de căldură și cum funcționează acestea? Să aruncăm o privire mai atentă!

Foto: Schimbătoarele de căldură sunt utilizate în multe motoare și mașini pentru a-și îmbunătăți eficiența. Fotografie de Michael J. Lieberknecht, prin amabilitatea US Navy.

Cuprins

  1. Ce este un schimbător de căldură?
  2. La ce se folosesc schimbătoarele de căldură?
  3. Tipuri de schimbătoare de căldură
  4. Care sunt cele mai bune materiale pentru un schimbător de căldură?
  5. Schimbător de căldură. sau nu?
  6. Află mai multe

Ce este un schimbător de căldură?

Să presupunem că aveți un cuptor de încălzire centrală pe gaz (cazan) care încălzește calorifere cu apă caldă în diferite camere din casa dvs. Funcționează prin arderea gazului natural, realizând o linie sau o rețea de jeturi de gaz fierbinte care trag în sus peste apa care curge printr-o rețea de conducte. Pe măsură ce apa pompează prin conducte, absoarbe energia termică și se încălzește. Acest aranjament este ceea ce înțelegem prin schimbător de căldură: jeturile de gaz se răcesc și apa se încălzește.

Un schimbător de căldură este un dispozitiv care permite trecerea căldurii dintr-un fluid (un lichid sau un gaz) către un al doilea fluid (un alt lichid sau gaz) fără ca cele două fluide să fie nevoite să se amestece sau să intre în contact direct. Dacă acest lucru nu este complet clar, ia în considerare acest lucru. În teorie, am putea obține căldura de la jeturile de gaz doar aruncând apă rece asupra lor, dar apoi flăcările s-ar stinge! Principiul esențial al unui schimbător de căldură este acela că acesta transferă căldura fără a transfera fluidul care transportă căldura.


Foto: Cum funcționează un simplu schimbător de căldură. Un fluid fierbinte (prezentat în roșu) curge printr-un tub înfășurat în interiorul unei carcase mai mari, prin care un alt fluid mai rece (prezentat în albastru) rulează în direcția opusă. Căldura este schimbată de fluide: fluidul fierbinte se răcește și fluidul rece se încălzește, fără ca acestea să intre în contact și să se amestece. Acesta este un exemplu simplificat de schimbător de tuburi și tuburi: în general, schimbătoarele de căldură de acest design au multe tuburi subțiri care trec printr-o carapace mare.

La ce se folosesc schimbătoarele de căldură?

Puteți vedea schimbătoare de căldură în tot felul de locuri, de obicei lucrând la încălzirea sau răcirea clădirilor sau ajutând motoarele și mașinile să funcționeze mai eficient. Frigiderele și aparatele de aer condiționat, de exemplu, folosesc schimbătoare de căldură în sens opus față de sistemele de încălzire centrală: elimină căldura dintr-un compartiment sau cameră în care nu se dorește și o pompează într-un fluid într-un alt loc unde poate fi aruncat de drum. Fluidul de răcire este complet sigilat în interiorul unei rețele de țevi, astfel încât nu intră niciodată în contact cu aerul: preia energie termică din aerul din interior și o aruncă în aerul exterior, dar nu se amestecă niciodată direct cu aerul respectiv.

Foto: O pompă de căldură extrage căldura dintr-un izvor termic geotermal natural, folosit pentru încălzirea clădirilor de la Hot Springs Lodge and Pool din Glenwood Springs, Colorado. Schimbătorul este placa acoperită cu alge plină de tuburi de cupru în centrul apei. Fotografie de Warren Gretz, prin amabilitatea US DOE/NREL (Departamentul Energiei/Laboratorul Național de Energie Regenerabilă).

În centralele electrice sau motoare, gazele de eșapament conțin adesea căldură care se îndreaptă inutil în aer liber. Aceasta este o risipă de energie și ceva ce un schimbător de căldură poate reduce cu siguranță (deși nu elimină în totalitate - o anumită căldură se va pierde întotdeauna). Modul de a rezolva această problemă este cu schimbătoarele de căldură poziționate în interiorul țevilor de evacuare ale evacuării sau a fumarelor. Pe măsură ce gazele de evacuare fierbinți se îndreaptă în sus, trec prin aripioare de cupru cu apă care curge prin ele. Apa duce căldura departe, înapoi în plantă. Acolo, ar putea fi reciclat direct, poate încălzi gazele reci care se alimentează în motor sau cuptor, economisind energia care altfel ar fi necesară pentru a le încălzi. Sau ar putea fi folosit la o altă utilizare bună, de exemplu, încălzirea unui birou lângă coșul de fum.

Foto: Cum funcționează un schimbător de căldură de apă uzată. Apele reziduale calde de ieșire încălzesc apa rece, reducând energia de care aveți nevoie pentru a încălzi apa și făcând totul mai eficient.

În autobuze, fluidul folosit pentru răcirea motorului diesel este adesea trecut printr-un schimbător de căldură, iar căldura pe care o recuperează este utilizată pentru încălzirea aerului rece din exterior, care este pompat din podeaua habitaclului. Acest lucru economisește necesitatea de a avea încălzitoare electrice suplimentare și risipitoare în interiorul autobuzului. Un radiator auto este un alt tip de schimbător de căldură. Apa care răcește motorul curge prin radiator, care are o mulțime de aripioare din aluminiu deschise spre aer. Pe măsură ce mașina circulă, aerul rece care trece pe lângă radiator îndepărtează o parte din căldură, răcind apa și încălzind aerul și menținând motorul funcționând eficient. Căldura uzată a radiatorului este utilizată pentru încălzirea habitaclului, la fel ca într-un autobuz.

Dacă aveți un duș eficient din punct de vedere energetic, acesta ar putea avea instalat un schimbător de căldură în orificiul de evacuare a apelor uzate. Pe măsură ce apa se scurge pe lângă corpul tău și pe priză, aceasta trece prin bobinele de cupru ale unui schimbător de căldură. Între timp, apa rece care se alimentează în duș pentru a fi încălzită pompează pe lângă aceleași bobine, nu se amestecă cu apa murdară, ci preia o parte din căldura reziduală și se încălzește ușor - astfel încât dușul nu trebuie să o încălzească atât de mult.

Tipuri de schimbătoare de căldură

Toți schimbătorii de căldură fac aceeași treabă - trecând căldura dintr-un fluid în altul - dar funcționează în multe moduri diferite. Cele mai comune două tipuri de schimbător de căldură sunt carcasa și tubul și placa/aripioara. În schimbătoarele de căldură cu coajă și tuburi, un fluid curge printr-un set de tuburi metalice, în timp ce al doilea fluid trece printr-o carcasă etanșă care le înconjoară. Acesta este designul prezentat în diagrama noastră de mai sus. Cele două fluide pot curge în aceeași direcție (cunoscută sub numele de flux paralel), în direcții opuse (contracurent sau contracurent), sau în unghi drept (flux transversal). Cazanele din locomotivele cu abur funcționează astfel. Schimbătoarele de căldură cu plăci/aripioare au o mulțime de plăci metalice subțiri sau aripioare cu o suprafață mare (deoarece schimbă mai multă căldură mai repede); schimbătoarele de căldură din cuptoarele cu gaz (cazane pe gaz) funcționează astfel.


Foto: Două tipuri de schimbător de căldură. 1) Un schimbător de coajă și tuburi de la centrala nucleară Savannah River din Carolina de Sud, Statele Unite. Există o mulțime de tuburi în acesta și sunt ușor de văzut. Fotografie prin amabilitatea Departamentului Energiei din SUA (DOE). 2) Schimbătorul de căldură cu plăci și aripioare din interiorul unui cazan/cuptor de încălzire centrală pe gaz.

Schimbătoarele de căldură utilizate pentru a minimiza pierderile de căldură din clădiri, motoare și mașini sunt uneori numite recuperatoare sau regeneratoare. Acestea sunt două lucruri destul de diferite. Un recuperator este de obicei folosit pentru a captura căldura care altfel s-ar pierde, de exemplu, deoarece aerul înfundat este ventilat dintr-o clădire: fluidul rece și de intrare este canalizat în direcția opusă fluidului cald, care iese, pentru a minimiza pierderile de căldură. Cele două fluide curg prin canale separate, rămân separate și nu se amestecă. Deoarece fluidele de intrare și de ieșire se deplasează în direcții opuse, recuperatoarele sunt exemple de schimbătoare de căldură cu contracurent. Schimbătorul de căldură dintr-un sistem de ventilație de recuperare a căldurii (HRV) este un exemplu zilnic de recuperator.

Lucrare: Un exemplu de recuperator cu schimbător de căldură care lucrează într-un sistem de ventilație de recuperare a căldurii (HRV). Aerul cald înfundat care curge din clădire (țeava portocalie înclinată de sus în dreapta în jos stânga) renunță la căldura aerului rece și curat care curge din exterior (țeava maro înclinată de sus în stânga în jos dreapta).

Un regenerator este similar, dar fluidele de intrare și de ieșire se deplasează prin același canal în direcții opuse și în momente diferite. Așadar, fluidul cald va curge prin balsam, renunțând la o parte din căldura sa pe drum. Mai târziu, fluidul rece va curge prin același canal, înapoi prin regenerator, preluând o parte din căldura stocată acolo. Un regenerator este una dintre părțile cheie într-o formă extrem de eficientă de putere numită motor Stirling, în care un piston împinge gazul prins înainte și înapoi între o sursă de căldură (cum ar fi un incendiu) și un loc în care căldura se pierde "a chiuvetă "). Regeneratorul reduce căldura care altfel s-ar pierde pe măsură ce motorul se deplasează înainte și înapoi.

Care sunt cele mai bune materiale pentru un schimbător de căldură?

Foto: Materialele plastice sunt materiale perfect potrivite pentru schimbătoarele de căldură la temperatură scăzută.

S-ar putea crede că schimbătoarele de căldură ar trebui să fie întotdeauna fabricate din metale, care absorb și conduc rapid căldura - și multe dintre ele sunt. Dar schimbătoarele de căldură pot fi realizate și din ceramică, compozite (pe bază de metale sau ceramică) și chiar din materiale plastice (polimeri).

Toate aceste materiale au avantajele lor. Ceramica este o alegere deosebit de bună pentru tipul de aplicații la temperaturi ridicate (peste 1000 ° C sau 2000 ° F) care ar topi metale precum cuprul, fierul și oțelul, deși sunt populare și pentru utilizarea cu fluide corozive și abrazive la fie temperaturi ridicate, fie scăzute. Materialele plastice, în general, cântăresc și costă mai puțin decât metalele, rezistă la coroziune și murdărire și pot fi proiectate pentru a avea o conductivitate termică bună, deși tind să fie slabe mecanic și se pot degrada în timp. Deși în general nu sunt potrivite pentru aplicații la temperaturi ridicate, schimbătoarele de plastic ar putea fi o alegere bună pentru ceva precum o piscină sau un duș, care funcționează la temperatura camerei zilnică. Schimbătoarele de căldură compozite combină cele mai bune caracteristici ale materialelor de bază - de exemplu, conductivitatea termică ridicată a unui metal cu greutatea redusă și rezistența mai bună la coroziune a unui plastic.

În viitor, este clar posibil să folosim materiale și mai interesante în radiatoare. Nanotuburile de carbon, de exemplu (foi subțiri hexagonale de carbon înfășurate pentru a face „țevi”), au proprietăți uimitoare de conducere a căldurii și sunt deja utilizate în radiatoare (dispozitive de îndepărtare a căldurii utilizate în principal în electronică). În prezent se fac multe cercetări pentru a vedea cum pot fi implementate în schimbătoarele de căldură.

Schimbător de căldură. sau nu?

Ați văzut acel site numit fierbinte sau nu? Ei bine, iată echivalentul meu: schimbător de căldură sau nu.

Dacă sunteți încă confuz cu privire la ceea ce este un schimbător de căldură, s-ar putea să vă fie de ajutor să vă gândiți la două exemple de dispozitive zilnice, care se deplasează căldură, care transportă căldura, dar nu sunt într-adevăr schimbătoare de căldură.

Un ventilator de bucătărie sau baie (stânga) este conceput pentru a aspira aerul fierbinte și umed din casă și a-l arunca afară. Deoarece ia un fluid (aerul cald din casa ta) și îl amestecă cu altul (aerul rece de afară), nu este un schimbător de căldură. Este doar un extractor de căldură.

Un radiator cu apă caldă (dreapta) este mai dificil. Apa fierbinte este conductată prin ea de la un cazan de încălzire centrală pe gaz, cedând o parte din căldura sa către aerul din cameră în timpul procesului și revenind la cazan pentru mai mult. Acesta este un fel de schimbător de căldură deoarece căldura dintr-un fluid (apa fierbinte din conductă) este dată unui alt fluid (aerul rece din cameră) fără ca cele două fluide să se amestece. Unii oameni ar spune că acesta nu este un schimbător de căldură, deoarece al doilea fluid (aerul rece) nu este conținut și nu este canalizat sau pompat după primul într-un mod sistematic. Apoi, din nou, oricum îl priviți, căldura este schimbată!

Oricum, nu te agăța prea mult de cuvinte. Gândiți-vă doar unde merge energia termică, cum se comportă fluidele, ce materiale devin mai fierbinți sau mai reci și de ce, și aflați lucrurile de acolo.