Οι εναλλάκτες θερμότητας, είναι συσκευές που επιτρέπουν τη μεταφορά θερμότητας (ενέργειας) από ένα ρευστό υψηλής θερμοκρασίας σε ένα άλλο ρευστό χαμηλότερης θερμοκρασίας.
Τα δύο ρευστά μπορεί να είναι σε υγρή ή αέρια φάση.
Οι εναλλάκτες ταξινομούνται σε δύο βασικά είδη:
- οι εναλλάκτες άμεσης επαφής όπου ρευστά διαφορετικής φάσης έρχονται σε άμεση επαφή μεταξύ τους, ανταλλάσσουν θερμότητα και στη συνέχεια διαχωρίζονται πάλι, όπως στο παρακάτω σχήμα όπου ο ατμός ανακατεύεται με το ζεστό νερό και το ζεσταίνει.
- οι εναλλάκτες έμμεσης επαφής στους οποίους τα δύο ρευστά ανταλλάσουν θερμότητα χωρίς να ανακατεύονται μεταξύ τους, μέσω μιας διαχωριστικής επιφάνειας.
Στο άρθρο αυτό δε θα ασχοληθούμε με τους εναλλάκτες άμμεσης επαφής, καθώς αυτοί αφορούν κυρίως βιομηχανικές εφαρμογές και θα επικεντρωθούμε στους εναλλάκτες έμμεσης ροής που είναι και οι εναλλάκτες που χρησιμοποιούνται κατά κόρον στις εγκαταστάσεις θέρμανσης.
Βασικές μορφές εναλλακτών έμμεσης επαφής.
1. Απλοί εναλλάκτες αυλών - κελύφους (shell and tube).
Εϊναι η πλέον απλή μορφή εναλλάκτη και αποτελείται από δυο σωλήνες όπως στο παρακάτω σχήμα:
όπου το ρευστό (α) ανταλλάσει θερμότητα με το ρευστό β μέσω της επιφάνειας της ενδιάμεσης σωλήνας k.
Αν και τα δυο ρευστά κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση σε παράλληλη ροή, η διεργασία χαρακτηρίζεται ομορροή (parallel-flow). ενώ αν κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις χαρακτηρίζεται ως αντιρροή (counter-flow).
2. Εναλλάκτες σταυρωτής ροής (cross flow).
Ετσι ονομάζονται οι εναλλάκτες θερμότητας που η ροή του ενός ρευστού είναι κάθετη προς το επίπεδο ροής του δεύτερου ρευστού όπως στο παρακάτω σχήμα:
3. Εναλλάκτες μικτής ροής.
Ετσι ονομάζονται οι εναλλάκτες στους οποίους η ροή δεν είναι καθαρά ένα από τα παραπάνω είδη, αλλά συνδυασμός αυτών, όπως στον εναλλάκτη δέσμης σωλήνων με ανακλαστήρες στο ακόλουθο σχήμα
όπου η ροή είναι συνδυασμός ομορροής, αντιρροής και σταυρωτής ροής.
Υπολογισμός εναλλακτών θερμότητας.
Τα κατασκευαστικά στοιχεία των εναλλακτών θερμότητας, υπολογίζονται με δύο βασικές μεθόδους υπολογισμού, τη μέθοδο της θερμοκρασιακής διαφοράς και τη μέθοδο αποδοτικότητας εναλλάκτη.Η ανάλυση των μεθόδων ξεφεύγει από το σκοπό του άρθρου αυτού. Περισσότερες λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε εδώ
http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/fd/heat_exchangers/heat01.pdf
εδώ http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/fd/heat_exchangers/ch05_enallaktes_A4.pdf
και εδώ http://users.uoi.gr/brapt/unit_oper/...re_05_2011.pdf
Εναλλάκτες θερμότητας σε εγκαταστάσεις θέρμανσης.
Στις εγκαταστάσεις θέρμανσης χρησιμοποιούνται ευρέως εναλλάκτες θερμότητας, κάθε είδους για την μετάδοση της ενέργειας από την πηγή στις καταναλώσεις.
Τα θερμαντικά σώματα είναι εναλλάκτες θερμότητας αέρα / νερού. Τα στοιχεία των fan coils, είναι εναλλάκτες αέρα / νερού. Το δάπεδο μιας ενδοδαπέδιας θέρμανσης, είναι στην ουσία ένας μεγάλος εναλλάκτης θερμότητας αέρα / νερού.
Οι εναλλάκτες θερμότητας που χρησιμοποιούνται στη θέρμανση, ανάλογα με τη φάση των ρευστών εκατέρωθεν του εναλλάκτη διακρίνονται σε:
εναλλάκτες αέρα / αέρα, όπου τα δύο ρευστά που ανταλλάσουν θερμότητα είναι αέρια. Η πιο συχνή εφαρμογή τους είναι σε εγκαταστάσεις εξαερισμού, όπου ο αέρας που πετάμε (απαγωγή), διασταυρώνεται (χωρίς να ανακατεύεται) με τον αέρα προσαγωγής, και του προσδίδει θερμότητα πριν πεταχτεί στο περιβάλλον. (Αν έχουμε ψύξει έναν χώρο στους π.χ. 25οC το καλοκαίρι, ο αέρας που απορρίπτουμε με την απαγωγή θα είναι θερμοκρασίας 25οC και ο αέρας που εισέρχεται στο χώρο θα είναι π.χ. 40οC. Με την παρεμβολή ενός τέτοιου εναλλάκτη, τα δύο ρεύματα αέρα ανταλλάσουν θερμότητα στον εναλλάκτη, και έτσι ο αέρας που απορρίπτουμε θα έχει θερμοκρασία π.χ. 30οC αντί για 25, και ο αέρας που προσάγουμε στο χώρο θα έχει π.χ. 33oC αντί για 40, πράγμα που σημαίνει ότι προσθέτουμε στο χώρο λιγότερο ψυκτικό φορτίο αερισμού, και συνεπώς κάνουμε οικονομία. Οι εναλλάκτες αυτού του τύπου είναι πιο αποδοτικοί στην ψύξη και λιγότερο στη θέρμανση.
εναλλάκτες νερού / αέρα, όπου τα ρευστά που ανταλλάσουν ενέργεια είναι από τη μία πλευρά ένα υγρό (όχι απαραίτητα νερό) και από την άλλη αέριο (όχι απαραίτητα αέρας).
Οι εναλλάκτες αυτού του τύπου ονομάζονται στοιχεία και ανάλογα με το ρευστό που κυκλοφορεί μέσα στους σωλήνες, διαχωρίζονται σε στοιχεία νερού (όπου το νερό ανταλλάσει θερμότητα με τον αέρα όπως π.χ. στο ψυγείο του αυτοκινήτου), στοιχεία φρέον (όπου το ρευστό που κυκλοφορεί μέσα στους σωλήνες είναι ψυκτικό υγρό όπως στα κλιματιστικά), στοιχεία λαδιού κ.λ.π .
Στις συνήθεις εφαρμογές, στην εξωτερική των σωλήνων πλευρά του εναλλάκτη ρέει αέρας με βεβιασμένη κυκλοφορία με την προσθήκη ενός ανεμιστήρα. Ο ανεμιστήρας μπορεί να είναι αξονικός (ψυγείο αυτοκινήτου) ή φυγοκεντρικός.
Η συσκευή που αποτελείται από ανεμιστήρα και στοιχείο και επεξεργάζεται τον αέρα του χώρου, ονομάζεται fan coil.
Δεν είναι λάθος να αναφερόμαστε σε όλες τις συσκευές που αποτελούνται από ανεμιστήρα και στοιχείο με τον όρο fan coil, ακόμα και αν αναφερόμαστε στο π.χ. ψυγείο αυτοκινήτου, αλλά έχει επικρατήσει η χρήση του όρου στον κλιματισμό, σε συσκευές που θερμαίνουν ή ψύχουν τον αέρα του χώρου.
Τα fan coils θα εξεταστούν σε ξεχωριστό άρθρο.
σωληνωτοί εναλλάκτες (shell and tube). Οι εναλλάκτες αυτοί είναι εναλλάκτες μικτής ροής που αποτελούνται από κέλυφος και δέσμη σωλήνων.
Το ένα ρευστό κυκλοφορεί στο κέλυφος (επάνω συνδέσεις) και το άλλο κυκλοφορεί ανάμεσα στους σωλήνες.
Το ρευστό που κυκλοφορεί στο κέλυφος αναγκάζεται να ακολουθήσει τεθλασμένη διαδρομή με την παρεμβολή μεταλλικών πλακών που του αλλάζουν τη διεύθυνση. Με τον τρόπο αυτόν η ροή είναι τυρβώδης, ώστε να πετυχαίνουμε καλύτερους συντελεστές μετάδοσης θερμότητας.
Οι σωληνωτοί εναλλάκτες χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις με θερμό νερό, διαθερμικό λάδι, ατμό και άλλες. Eίναι το πιο ευρέως εγκατεστημένο είδος εναλλάκτη με εφαρμογές στη βιομηχανία τροφιμων, τη χημική βιομηχανία, παραγωγή ζεστού νερού σε μεγάλα κτίρια κ.λ.π.
Οι εναλλάκτες αυτοί στη θέρμανση χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ζεστού νερού, τόσο σε νερό χρήσης (οπότε θα πρέπει να είναι ανοξείδωτοι ή να φέρουν εσωτερικά επιστρώσεις), όσο και σε πισίνες και όπου αλλού απαιτείται θέρμανση νερού.
Οι εναλλάκτες αυτού του τύπου έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν βουλώνουν εύκολα και δεν απαιτούν συχνή συντήρηση, έχουν όμως χαμηλότερες αποδόσεις από τους πλακοειδείς εναλλάκτες για τον ιδιο όγκο συσκευής.
Εναλλάκτες shell and tube κατασκευάζονται μέχρι πολύ μεγάλα μεγέθη.
2. Πλακοειδείς εναλλάκτες
Οι πλακοειδείς εναλλάκτες, είναι κατασκευασμένοι από ανοξείδωτες πλάκες που είναι μεταξύ τους ενωμένες με συγκόλληση ή σύσφιξη.
Οι πλάκες είναι έτσι διαμορφωμένες με τέτοιο τρόπο ώστε ανάμεσα σε κάθε στρώση να κυκλοφορεί το ένα από τα δύο ρευστά. Ετσι, τα ρευστά που ανταλλάσουν θερμοκρασία, καταλαμβάνουν τον χώρο μεταξύ πλακών εναλλάξ το ένα μετά το άλλο. Με την κατασκευή αυτή, η επιφάνεια εναλλαγής είναι πολύ μεγάλη σε σχέση με το μέγεθος του εναλλάκτη, αφού τα δύο ρευστά ανταλλάσουν ενέργεια σε ΟΛΕΣ τις πλάκες ταυτόχρονα.
Οι πλάκες είναι κυματοειδείς ώστε η ροή μέσα στα διάκενα να είναι τυρβώδης για να επιτυγχάνεται καλύτερη μετάδοση θερμότητας.
Στο εμπρόσθιο μέρος του εναλλάκτη υπάρχουν τέσσερα στόμια σύνδεσης.
Αναλόγως του μεγέθους του εναλλάκτη, τα στόμια μπορεί να είναι βιδωτά ή φλαντζωτά. Τα στόμια κλείνουν κύκλωμα ανά ζευγάρι, πάνω - κάτω.
Στο ένα κύκλωμα κυκλοφορεί το μέσο θέρμανσης (συνήθως νερό) και στο άλλο το θερμαινόμενο ρευστό.
Τα πλεονεκτήματα των πλακοειδών εναλλακτών είναι η μεγάλη ισχύς σε σχέση με τον όγκο του εναλλάκτη, η δυνατότητα ακριβούς ελέγχου των θερμοκρασιών, μικρές απώλειες, υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις λειτουργίας.
Στα μειονεκτήματα του εναλλάκτη μπορεί να αναφέρει κανείς το υψηλό κόστος και την συχνή συντήρηση, διότι οι πλακοειδείς εναλλάκτες είναι ευαισθητοι σε κακής ποιότητας νερό.
Οι πλακοειδείς εναλλάκτες χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων και τη χημική βιομηχανία τόσο για τη θέρμανση όσο και για την ψύξη ρευστών.
Boiler ζεστού νερού χρήσης με μανδύα. Πρόκειται για το πιο απλό είδος εναλλάκτη σωλήνα κελύφους, όπου το νερό χρήσης που θέλουμε να θερμάνουμε βρίσκεται σε ένα μεταλλικό δοχείο με διπλό τοίχωμα.
Εντός του διπλού τοιχώματος (κόκκινη περιοχή), ρέει το νερό θέρμανσης το οποίο ανταλλάσει θερμότητα με το νερό χρήσης μέσω της διεπιφάνειας των δύο δοχείων.
Τα boiler μπορεί να διαθέτουν ηλεκτρική αντίσταση οπότε ονομάζονται boiler διπλής ενέργειας (λέβητας και ηλεκτρισμός), ή να φέρουν και εσωτερική σερμπατίνα για σύνδεση άλλης πηγής ενέργειας (π.χ. ηλιακοί συλλέκτες) οπότε ονομάζονται boiler τριπλής ενέργειας.
Εκτός από τα boiler με μανδύα, άλλη μορφή boiler είναι τα boiler με σερμπαντίνα. To νερό χρήσης βρίσκεται επίσης σε ένα κλειστό μεταλλικό δοχείο, το νερό θέρμανσης όμως σε αυτού του τύπου boiler δεν κυκλοφορεί σε μανδύα, αλλά σε κυκλική σωλήνα μεγάλης διαδρομής (και συνεπώς επιφάνειας εναλλαγής) που βρίσκεται μέσα στη μάζα του νετού και το ζεσταίνει.
Τα boiler αυτού του τύπου μπορούν να διαθέτουν περισσότερες από μια σερμπαντίνες για σύνδεση με άλλες πηγές ενέργειας, καθώς και υποδοχή για ηλεκτρική αντίσταση, οπότε πάλι ονομάζονται διπλής / τριπλής ενέργειας, ανάλογα με τον αριθμό των πηγών.
Θα ακολουθήσει άρθρο ειδικά για τα boiler, λόγω του μεγάλου ενδιαφέροντος που παρουσιαζουν στις εφαρμογές θέρμανσης.
Γ.Μ.
Πηγές / Βιβλιογραφία στο διαδίκτυο.
Μετάδοση θερμότητας
http://www.lat.upatras.gr/pdf/public...9ermothtas.pdf
Εναλλάκτες θερμότητας
http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/fd/heat_exchangers/heat01.pdf
Foundamentals of heat exchangers
http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-2/iss-4/p18.pdf
Εναλλάκτες θερμότητας / υπολογισμός
http://www.metal.ntua.gr/uploads/2263/enallaktes.pdf
Ενα εκπαιδευτικό πρόγραμμα για εναλλάκτες θερμότητας
http://www.iq.uva.es/integ/Hint.zip και οι οδηγίες χρήσης του
http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/energeia/mar08_martin_hint%20program.pdf
Ευρετήριο
FACEBOOK
Τελευταία έγγραφα
Μηνυμα συστήματος