Värmeväxlare

Rörformad värmeväxlare

Delvis vy in i inloppskammaren för skal och rörvärmeväxlare till en kylmedelsbaserad kylare för att tillhandahålla luftkonditionering till en byggnad

En värmeväxlare är ett system som används för att överföra värme mellan en källa och en arbetsvätska . Värmeväxlare används i både kyl- och värmeprocesser. Vätskorna kan separeras av en solid vägg för att förhindra blandning eller så kan de vara i direkt kontakt. De används i stor utsträckning inom uppvärmning , kylning , luftkonditionering , kraftverk , kemiska anläggningar , petrokemiska anläggningar , petroleumraffinaderier , naturgasbearbetning och avloppsrening . Det klassiska exemplet på en värmeväxlare finns i en förbränningsmotor där en cirkulerande vätska känd som motorkylvätska strömmar genom kylarslingor och luft strömmar förbi spolarna, vilket kyler kylvätskan och värmer den inkommande luften . Ett annat exempel är kylflänsen , som är en passiv värmeväxlare som överför värmen som genereras av en elektronisk eller en mekanisk anordning till ett flytande medium, ofta luft eller ett flytande kylmedel.

Flödesarrangemang

Motströms (A) och parallella (B) flöden

Det finns tre primära klassificeringar av värmeväxlare beroende på deras flödesarrangemang. I parallellströmsvärmeväxlare kommer de två vätskorna in i växlaren i samma ände och går parallellt med varandra till andra sidan. I motströmsvärmeväxlare kommer vätskorna in i växlaren från motsatta ändar. Motströmskonstruktionen är den mest effektiva, eftersom den kan överföra mest värme från värmemediet (överförings-) per massenhet på grund av att medeltemperaturskillnaden längs varje enhetslängd är högre . Se motströmsväxling . I en tvärströmsvärmeväxlare färdas vätskorna ungefär vinkelrätt mot varandra genom växlaren.

• 

  Fig. 1: Skal och rörvärmeväxlare , enkelpassage (1–1 parallellt flöde)

• 

  Fig. 2: Skal och rörvärmeväxlare, 2-pass rörsida (1–2 tvärflöde)

• 

  Fig. 3: Skal och rörvärmeväxlare, 2-pass mantelsida, 2-pass tubsida (2-2 motström)

För effektivitet är värmeväxlare utformade för att maximera ytarean på väggen mellan de två vätskorna, samtidigt som motståndet mot vätskeflödet genom växlaren minimeras. Värmeväxlarens prestanda kan också påverkas av tillägg av fenor eller korrugeringar i en eller båda riktningarna, vilket ökar ytan och kan kanalisera vätskeflödet eller inducera turbulens.

Körtemperaturen över värmeöverföringsytan varierar med position, men en lämplig medeltemperatur kan definieras. I de flesta enkla system är detta " log medeltemperaturskillnaden " (LMTD). Ibland är direkt kunskap om LMTD inte tillgänglig och NTU-metoden används.

Typer

Dubbelrörsvärmeväxlare är de enklaste växlarna som används i industrier. Å ena sidan är dessa värmeväxlare billiga för både design och underhåll, vilket gör dem till ett bra val för små industrier. Å andra sidan har deras låga verkningsgrad i kombination med det stora utrymmet som tas upp i stor skala, fått moderna industrier att använda mer effektiva värmeväxlare som skal och rör eller plattor. Men eftersom dubbelrörsvärmeväxlare är enkla, används de för att lära eleverna grunderna för värmeväxlardesign eftersom de grundläggande reglerna för alla värmeväxlare är desamma.

1. Dubbelrörsvärmeväxlare (a) När den andra vätskan strömmar in i det ringformiga gapet mellan två rör, strömmar en vätska genom det mindre röret. Flödet kan vara ett strömflöde eller parallellt flöde i en dubbelrörsvärmeväxlare. (b) Parallellt flöde, där de varma och kalla vätskorna vid samma punkt förenas, strömmar i samma riktning och går ut i samma ände.

(c) Motström, där varma och kalla vätskor i motsatta ändar går samman, strömmar i motsatt riktning och går ut i motsatta ändar.

Figuren ovan illustrerar vätskeväxlarens parallella och motströms strömningsriktningar. Om detta görs under jämförbara förhållanden överförs mer värme till motströmsanordningen än till parallellströmsvärmeväxlaren. På grund av den stora temperaturskillnaden som uppstår till följd av den höga termiska spänningen uppvisar temperaturprofilerna för de två värmeväxlarna två betydande nackdelar i parallellflödeskonstruktionen. Vilket indikerar att partnerskapet är en tydlig nackdel om det är tänkt att en design är att höja den kalla vätsketemperaturen. Där två vätskor förväntas tas till exakt samma temperatur, är den parallella flödeskonfigurationen fördelaktig. Medan motströmsvärmeväxlaren har mer betydande fördelar jämfört med parallellflödesdesign. Där det kan minska termisk stress och producera mer enhetlig hastighet för värmeöverföring.

2. Skal-och-rör värmeväxlare

I en skal-och-rörvärmeväxlare strömmar två vätskor med olika temperaturer genom värmeväxlaren. En av vätskorna strömmar genom rörsidan och den andra vätskan strömmar utanför rören, men innanför skalet (skalsidan).

Bafflar används för att stödja rören, rikta vätskeflödet till rören på ett ungefär naturligt sätt och maximera turbulensen i skalvätskan. Det finns många olika typer av baffel, och valet av baffelform, avstånd och geometri beror på den tillåtna flödeshastigheten för minskningen av kraften på skalsidan, behovet av rörstöd och de flödesinducerade vibrationerna. Det finns flera varianter av skal-och-rörväxlare tillgängliga; skillnaderna ligger i arrangemanget av flödeskonfigurationer och konstruktionsdetaljer.

Vid tillämpning på kylluft med skal-och-rör-teknik (såsom intercooler / laddluftkylare för förbränningsmotorer ), kan flänsar läggas till på rören för att öka värmeöverföringsytan på luftsidan och skapa en tub- och flänskonfiguration.

3. Plattvärmeväxlare

En plattvärmeväxlare innehåller en mängd tunt formade värmeöverföringsplattor buntade tillsammans. Packningsarrangemanget för varje par av plattor ger två separata kanalsystem. Varje par av plattor bildar en kanal där vätskan kan strömma igenom. Paren fästs med svets- och bultmetoder. Följande visar komponenterna i värmeväxlaren.

I enstaka kanaler möjliggör konfigurationen av packningarna genomströmning. Detta tillåter således huvud- och sekundärmediet i motströmsflöde. En packningsplattvärmeväxlare har ett värmeområde från korrugerade plattor. Packningen fungerar som tätning mellan plattorna och de är placerade mellan ram och tryckplattor. Vätska flyter i motströmsriktning genom hela värmeväxlaren. En effektiv termisk prestanda produceras. Plåtar tillverkas i olika djup, storlekar och korrugerade former. Det finns olika typer av plattor tillgängliga inklusive platt och ram, platt- och skal och spiralplattvärmeväxlare. Fördelningsområdet garanterar flödet av vätska till hela värmeöverföringsytan. Detta hjälper till att förhindra stillastående område som kan orsaka ansamling av oönskat material på fasta ytor. Hög flödesturbulens mellan plattorna resulterar i en större värmeöverföring och ett minskat tryck.

4. Kondensorer och pannor Värmeväxlare som använder ett tvåfas värmeöverföringssystem är kondensorer, pannor och förångare. Kondensorer är instrument som tar och kyler het gas eller ånga till kondensationspunkten och omvandlar gasen till flytande form. Den punkt där vätska omvandlas till gas kallas förångning och vice versa kallas kondensation. Ytkondensor är den vanligaste typen av kondensor där den innehåller en vattenförsörjningsanordning. Figur 5 nedan visar en tvåpassad ytkondensor.

Ångatrycket vid turbinens utlopp är lågt där ångdensiteten är mycket låg där flödeshastigheten är mycket hög. För att förhindra en minskning av trycket i rörelsen av ånga från turbinen till kondensorn placeras kondensorenheten under och ansluts till turbinen. Inuti rören rinner kylvattnet parallellt, medan ånga rör sig i vertikalt nedåtgående läge från den breda öppningen i toppen och färdas genom röret. Vidare kategoriseras pannor som initial användning av värmeväxlare. Ordet ånggenerator användes regelbundet för att beskriva en pannenhet där en het vätskeström är värmekällan snarare än förbränningsprodukterna. Beroende på dimensioner och konfigurationer tillverkas pannorna. Flera pannor kan bara producera het vätska medan de andra å andra sidan är tillverkade för ångproduktion.

Skal och rör

Huvudartikel: Skal- och rörvärmeväxlare

En skal och rörvärmeväxlare

Skal och rörvärmeväxlare

Skal- och rörvärmeväxlare består av en serie rör som innehåller vätska som antingen måste värmas eller kylas. En andra vätska rinner över rören som värms eller kyls så att den antingen kan ge värmen eller absorbera den värme som krävs. En uppsättning rör kallas rörbunten och kan bestå av flera typer av rör: slätt, längsgående flänsar, etc. Skal- och rörvärmeväxlare används vanligtvis för högtryckstillämpningar (med tryck över 30 bar och temperaturer högre) än 260 °C). Detta beror på att skal- och rörvärmeväxlarna är robusta på grund av sin form. Flera termiska konstruktionsegenskaper måste beaktas vid design av rören i skalet och rörvärmeväxlarna: Det kan finnas många variationer på skalets och rördesignen. Typiskt är ändarna av varje rör anslutna till plenums (ibland kallade vattenlådor) genom hål i rörplåtar. Rören kan vara raka eller böjda i form av ett U, så kallade U-rör.

• Rördiameter: Att använda en liten rördiameter gör värmeväxlaren både ekonomisk och kompakt. Det är dock mer sannolikt att värmeväxlaren smutsar ner snabbare och den lilla storleken gör mekanisk rengöring av nedsmutsningen svår. För att övervinna nedsmutsnings- och rengöringsproblemen kan större rördiametrar användas. För att bestämma rördiametern måste vätskornas tillgängliga utrymme, kostnad och nedsmutsning beaktas.
• Rörtjocklek: Tjockleken på rörens vägg bestäms vanligtvis för att säkerställa:
  • Det finns tillräckligt med utrymme för korrosion
  • Den flödesinducerade vibrationen har motstånd
  • Axiell styrka
  • Tillgång till reservdelar
  • Bågens styrka (för att motstå internt rörtryck)
  • Böjningsstyrka (för att motstå övertryck i skalet)
• Rörlängd: värmeväxlare är vanligtvis billigare när de har en mindre skaldiameter och en lång rörlängd. Sålunda finns det typiskt ett mål att göra värmeväxlaren så lång som fysiskt möjligt samtidigt som produktionskapaciteten inte överskrids. Det finns dock många begränsningar för detta, inklusive utrymme tillgängligt på installationsplatsen och behovet av att säkerställa att rör finns tillgängliga i längder som är dubbelt så långa som krävs (så att de kan dras tillbaka och bytas ut). Dessutom är långa, tunna rör svåra att ta ut och byta ut.
• Rördelning: vid design av rören är det praktiskt att se till att rörstigningen (dvs. centrumavståndet för angränsande rör) inte är mindre än 1,25 gånger rörens ytterdiameter. En större rördelning leder till en större total skaldiameter, vilket leder till en dyrare värmeväxlare.
• Rörkorrugering: denna typ av rör, som främst används för innerrören, ökar turbulensen i vätskorna och effekten är mycket viktig i värmeöverföringen som ger bättre prestanda.
• Tube Layout: hänvisar till hur rören är placerade i skalet. Det finns fyra huvudtyper av rörlayout, som är triangulär (30°), roterad triangulär (60°), kvadratisk (90°) och roterad kvadratisk (45°). De triangulära mönstren används för att ge större värmeöverföring eftersom de tvingar vätskan att strömma på ett mer turbulent sätt runt röret. Fyrkantiga mönster används där hög nedsmutsning upplevs och rengöringen är mer regelbunden.
• Baffeldesign: Baffel används i skal- och rörvärmeväxlare för att rikta vätska över rörbunten. De löper vinkelrätt mot skalet och håller bunten, vilket förhindrar att rören hänger över en lång längd. De kan också förhindra att rören vibrerar. Den vanligaste typen av baffel är segmental baffel. De halvcirkulära segmentformade bafflarna är orienterade i 180 grader mot de intilliggande bafflarna, vilket tvingar vätskan att strömma uppåt och nedåt mellan rörknippet. Avstånd mellan mellanväggar är av stor termodynamisk betydelse vid konstruktion av skal- och rörvärmeväxlare. Bafflar måste placeras på avstånd med hänsyn till omvandlingen av tryckfall och värmeöverföring. För termoekonomisk optimering föreslås att bafflarna inte placeras närmare än 20 % av skalets innerdiameter. Att ha bafflar placerade för tätt orsakar ett större tryckfall på grund av omdirigering av flödet. Att ha bafflarna för långt ifrån varandra innebär följaktligen att det kan finnas kallare ställen i hörnen mellan bafflarna. Det är också viktigt att se till att bafflarna är placerade så nära att rören inte hänger ihop. Den andra huvudtypen av baffel är skiva och munk baffel, som består av två koncentriska baffel. En yttre, bredare baffel ser ut som en munk, medan den inre baffeln är formad som en skiva. Denna typ av baffel tvingar vätskan att passera runt varje sida av skivan och sedan genom munkbaffeln och genererar en annan typ av fluidflöde.
• Rör & flänsar Design: vid applikation på kylluft med skal-och-rör-teknologi (som intercooler / laddluftkylare för förbränningsmotorer ) kan skillnaden i värmeöverföring mellan luft och kall vätska vara sådan att det finns ett behov av att öka värmeöverföringsområde på luftsidan. För denna funktion kan fenor läggas till på rören för att öka värmeöverföringsytan på luftsidan och skapa en konfiguration för rör och fenor.

Vätskekylda värmeväxlare med fasta rör, speciellt lämpade för marina och tuffa applikationer, kan monteras med mässingsskal, kopparrör, mässingsbafflar och smidda mässingsintegrerade ändnav. (Se: Koppar i värmeväxlare ).

Tallrik

Huvudartikel: Plattvärmeväxlare

Konceptuellt diagram av en platt- och ramvärmeväxlare.

En plattvärmeväxlare

En utbytbar plattvärmeväxlare direkt applicerad på systemet i en pool

En annan typ av värmeväxlare är plattvärmeväxlaren . Dessa växlare är sammansatta av många tunna, något åtskilda plattor som har mycket stora ytareor och små vätskeflödespassager för värmeöverföring. Framsteg inom packnings- och hårdlödningsteknik har gjort plattvärmeväxlaren allt mer praktisk. I HVAC- tillämpningar kallas stora värmeväxlare av denna typ platt-och-ram ; när de används i öppna slingor är dessa värmeväxlare normalt av packningstyp för att möjliggöra periodisk demontering, rengöring och inspektion. Det finns många typer av permanent bundna plattvärmeväxlare, såsom dopplödda, vakuumlödda och svetsade plåtsorter, och de är ofta specificerade för applikationer med slutna kretsar såsom kylning . Plattvärmeväxlare skiljer sig också åt i de typer av plattor som används och i konfigurationerna av dessa plattor. Vissa plattor kan vara stämplade med "chevron", gropar eller andra mönster, där andra kan ha bearbetade fenor och/eller spår.

Jämfört med skal- och rörväxlare har det staplade plattarrangemanget vanligtvis lägre volym och kostnad. En annan skillnad mellan de två är att plattväxlare vanligtvis tjänar vätskor med lågt till medeltryck, jämfört med medelhögt och högt tryck av skal och rör. En tredje och viktig skillnad är att plattväxlare använder mer motströmsflöde snarare än korsströmsflöde, vilket tillåter lägre temperaturskillnader, höga temperaturförändringar och ökad effektivitet.

Tallrik och skal

En tredje typ av värmeväxlare är en platt- och skalvärmeväxlare, som kombinerar plattvärmeväxlare med skal- och rörvärmeväxlare. Värmeväxlarens hjärta innehåller ett helsvetsat cirkulärt plattpaket tillverkat genom att man pressar och skär runda plattor och svetsar ihop dem. Munstycken leder flöde in och ut ur plattpaketet (flödesvägen på 'Plåtsidan'). Det helsvetsade plattpaketet är sammansatt till ett yttre skal som skapar en andra flödesväg ('Shellsidan'). Plate and shell-teknologi erbjuder hög värmeöverföring, högt tryck, hög driftstemperatur , kompakt storlek, låg nedsmutsning och närliggande temperatur. I synnerhet klarar den sig helt utan packningar, vilket ger säkerhet mot läckage vid höga tryck och temperaturer.

Adiabatiskt hjul

En fjärde typ av värmeväxlare använder ett mellanliggande vätske- eller fastlager för att hålla värme, som sedan flyttas till andra sidan av värmeväxlaren för att frigöras. Två exempel på detta är adiabatiska hjul, som består av ett stort hjul med fina gängor som roterar genom de varma och kalla vätskorna, och vätskevärmeväxlare.

Plåtfena

Huvudartikel: Plattfenvärmeväxlare

Denna typ av värmeväxlare använder "sandwich" passager som innehåller fenor för att öka enhetens effektivitet. Konstruktionerna inkluderar tvärflöde och motflöde i kombination med olika fenkonfigurationer såsom raka fenor, förskjutna fenor och vågiga fenor.

Platt- och fenvärmeväxlare är vanligtvis gjorda av aluminiumlegeringar, vilket ger hög värmeöverföringseffektivitet. Materialet gör att systemet kan arbeta vid en lägre temperaturskillnad och minska utrustningens vikt. Platt- och fenvärmeväxlare används mest för lågtemperaturtjänster såsom naturgas-, helium- och syrevätskeanläggningar , luftseparationsanläggningar och transportindustrier såsom motor- och flygmotorer .

Fördelar med platt- och flänsvärmeväxlare:

• Hög värmeöverföringseffektivitet speciellt vid gasbehandling
• Större värmeöverföringsyta
• Ungefär 5 gånger lättare i vikt än för skal och rörvärmeväxlare.
• Kan stå emot högt tryck

Nackdelar med platt- och flänsvärmeväxlare:

• Kan orsaka igensättning eftersom vägarna är mycket smala
• Svårt att rengöra banorna
• Aluminiumlegeringar är känsliga för kvicksilvervätskeförsprödningsfel

Finnat rör

arbetsvätskorna är en lågtrycksgas, och är typiskt för värmeväxlare som arbetar med omgivande luft, såsom bilradiatorer och HVAC - luftkondensorer . Fenor ökar dramatiskt den yta med vilken värme kan utbytas, vilket förbättrar effektiviteten av att leda värme till en vätska med mycket låg värmeledningsförmåga , såsom luft. Fenorna är vanligtvis gjorda av aluminium eller koppar eftersom de måste leda värme från röret längs längden av fenorna, som vanligtvis är mycket tunna.

De huvudsakliga konstruktionstyperna av flänsade rörväxlare är:

• En stapel av jämnt fördelade metallplattor fungerar som fenorna och rören pressas genom förskurna hål i fenorna, varvid god termisk kontakt vanligtvis uppnås genom deformation av fenorna runt röret. Detta är typisk konstruktion för HVAC- luftslingor och stora kylkondensorer .
• Fenor spirallindas på enskilda rör som en kontinuerlig remsa, rören kan sedan sättas ihop i banker, böjas i ett serpentinmönster eller lindas till stora spiraler.
• Zig-zag metallremsor är inklämda mellan platta rektangulära rör, ofta lödda eller sammanlödda för god termisk och mekanisk styrka. Detta är vanligt i lågtrycksvärmeväxlare som vattenkylningsradiatorer . Vanliga platta rör kommer att expandera och deformeras om de utsätts för höga tryck, men platta mikrokanalrör tillåter denna konstruktion att användas för höga tryck.

Staplad fena eller spirallindad konstruktion kan användas för rören inuti skal-och-rör värmeväxlare när högeffektiv termisk överföring till en gas krävs.

Inom elektronikkylning kan kylflänsar , särskilt de som använder värmerör , ha en konstruktion med staplade fenor.

Kuddtallrik

En kuddplattvärmeväxlare används ofta inom mejeriindustrin för att kyla mjölk i stora bulktankar av rostfritt stål med direktexpansion . Nästan hela ytan av en tank kan integreras med denna värmeväxlare, utan luckor som skulle uppstå mellan rör svetsade på utsidan av tanken. Kuddplattor kan också konstrueras som plana plattor som staplas inuti en tank. Den relativt plana ytan på plattorna möjliggör enkel rengöring, speciellt vid sterila applikationer.

Kuddplattan kan konstrueras med antingen en tunn metallplåt svetsad till den tjockare ytan av en tank eller ett kärl, eller två tunna plåtar svetsade samman. Plattans yta är svetsad med ett vanligt mönster av prickar eller ett serpentinmönster av svetslinjer. Efter svetsning trycksätts det inneslutna utrymmet med tillräcklig kraft för att få den tunna metallen att bukta ut runt svetsarna, vilket ger ett utrymme för värmeväxlarvätskor att flöda och skapar ett karakteristiskt utseende av en svälld kudde gjord av metall.

Avfallsvärmeåtervinningsenheter

En spillvärmeåtervinningsenhet (WHRU) är en värmeväxlare som återvinner värme från en het gasström samtidigt som den överförs till ett arbetsmedium, vanligtvis vatten eller oljor. Den heta gasströmmen kan vara avgaserna från en gasturbin eller en dieselmotor eller en spillgas från industri eller raffinaderi.

Stora system med gasströmmar med hög volym och temperatur, typiska inom industrin, kan dra nytta av steam Rankine cycle (SRC) i en spillvärmeåtervinningsenhet, men dessa cykler är för dyra för små system. Återvinning av värme från lågtemperatursystem kräver andra arbetsvätskor än ånga.

En organic Rankine cycle (ORC) spillvärmeåtervinningsenhet kan vara mer effektiv vid låga temperaturer med hjälp av köldmedier som kokar vid lägre temperaturer än vatten. Typiska organiska köldmedier är ammoniak , pentafluorpropan (R-245fa och R-245ca) och toluen .

Köldmediet kokas av värmekällan i förångaren för att producera överhettad ånga. Denna vätska expanderas i turbinen för att omvandla termisk energi till kinetisk energi, som omvandlas till elektricitet i den elektriska generatorn. Denna energiöverföringsprocess minskar temperaturen på köldmediet som i sin tur kondenserar. Cykeln avslutas och avslutas med en pump för att skicka vätskan tillbaka till förångaren.

Dynamisk skrapad yta

En annan typ av värmeväxlare kallas " (dynamisk) värmeväxlare med skrapade ytor" . Detta används huvudsakligen för uppvärmning eller kylning med högviskösa produkter , kristallisationsprocesser , förångning och applikationer med hög beväxning . Långa körtider uppnås tack vare den kontinuerliga skrapningen av ytan, vilket undviker nedsmutsning och uppnår en hållbar värmeöverföringshastighet under processen.

Fasbyte

Typisk vattenkokare som används för industriella destillationstorn

Typisk vattenkyld ytkondensor

Förutom att värma upp eller kyla ned vätskor i bara en fas kan värmeväxlare användas antingen för att värma en vätska för att förånga (eller koka) den eller användas som kondensorer för att kyla en ånga och kondensera den till en vätska. I kemiska anläggningar och raffinaderier är omkokare som används för att värma inkommande foder till destillationstorn ofta värmeväxlare.

Destillationsuppsättningar använder vanligtvis kondensorer för att kondensera destillatångor tillbaka till vätska.

Kraftverk som använder ångdrivna turbiner använder vanligtvis värmeväxlare för att koka vatten till ånga . Värmeväxlare eller liknande enheter för att producera ånga från vatten kallas ofta pannor eller ånggeneratorer.

I kärnkraftverken som kallas tryckvattenreaktorer , passerar speciella stora värmeväxlare värme från det primära (reaktoranläggningen) systemet till det sekundära (ångverket) systemet, och producerar ånga från vatten i processen. Dessa kallas ånggeneratorer . Alla fossildrivna och kärnkraftverk som använder ångdrivna turbiner har ytkondensorer för att omvandla avgasångan från turbinerna till kondensat (vatten) för återanvändning.

För att spara energi och kylkapacitet i kemiska och andra anläggningar, kan regenerativa värmeväxlare överföra värme från en ström som måste kylas till en annan ström som måste värmas, såsom kylning av destillat och förvärmning av förvärmning av tillförsel till återkokare.

Denna term kan också syfta på värmeväxlare som innehåller ett material i sin struktur som har en fasförändring. Detta är vanligtvis en fast till flytande fas på grund av den lilla volymskillnaden mellan dessa tillstånd. Denna fasförändring fungerar effektivt som en buffert eftersom den sker vid en konstant temperatur men gör det fortfarande möjligt för värmeväxlaren att ta emot ytterligare värme. Ett exempel där detta har undersökts är för användning i flygplanselektronik med hög effekt.

Värmeväxlare som fungerar i flerfasflödesregimer kan vara föremål för Ledinegg-instabilitet .

Direktkontakt

Direktkontaktvärmeväxlare involverar värmeöverföring mellan varma och kalla strömmar av två faser i frånvaro av en separerande vägg. Således kan sådana värmeväxlare klassificeras som:

• Gas – vätska
• Oblandbar vätska – vätska
• Fast-flytande eller fast - gas

De flesta direktkontaktvärmeväxlare faller under kategorin Gas – Liquid, där värme överförs mellan en gas och vätska i form av droppar, filmer eller sprayer.

Sådana typer av värmeväxlare används främst i luftkonditionering , befuktning , industriell varmvattenuppvärmning, vattenkylning och kondenseringsanläggningar.

Faser	Kontinuerlig fas	Drivkraft	Fasbyte	Exempel
Gas – vätska	Gas	Allvar	Nej	Spraykolonner, packade kolonner
			Ja	Kyltorn , fallande droppförångare
		Tvingade	Nej	Spraykylare/släckare
		Vätskeflöde	Ja	Spraykondensatorer/avdunstning, jetkondensorer
	Flytande	Allvar	Nej	Bubbelpelare , perforerade brickkolonner
			Ja	Bubbelkolonnkondensatorer
		Tvingade	Nej	Gasspridare
		Gas flöde	Ja	Direktkontaktförångare, nedsänkt förbränning

Mikrokanal

Mikrokanalvärmeväxlare är flerpassage parallellflödesvärmeväxlare som består av tre huvudelement: grenrör (inlopp och utlopp), flerportsrör med hydrauliska diametrar mindre än 1 mm och fenor. Alla element löds vanligtvis ihop med en kontrollerbar atmosfärslödningsprocess. Mikrokanalvärmeväxlare kännetecknas av högt värmeöverföringsförhållande, låg kylmedelsladdning, kompakt storlek och lägre tryckfall på luftsidan jämfört med flänsförsedda värmeväxlare. Mikrokanalvärmeväxlare används i stor utsträckning inom bilindustrin som bilradiatorer, och som kondensor, förångare och kyl-/värmeslingor i HVAC-industrin.

Huvudartikel: Mikrovärmeväxlare

Mikrovärmeväxlare, mikroskala värmeväxlare eller mikrostrukturerade värmeväxlare är värmeväxlare i vilka (minst en) vätska strömmar i laterala inneslutningar med typiska dimensioner under 1 mm. Den mest typiska sådan inneslutningen är mikrokanaler , som är kanaler med en hydraulisk diameter under 1 mm. Mikrokanalvärmeväxlare kan tillverkas av metall eller keramik. Mikrokanalvärmeväxlare kan användas för många applikationer inklusive:

• högpresterande gasturbinmotorer för flygplan
• värmepumpar
• Mikroprocessor och mikrochipskylning _
• luftkonditionering

VVS och kylluftslingor

En av de bredaste användningsområdena för värmeväxlare är för kylning och luftkonditionering . Denna klass av värmeväxlare kallas vanligtvis luftslingor , eller bara slingor på grund av deras ofta serpentinformade interna rör, eller kondensorer i fallet med kylning , och är typiskt av typen flänsrör. Vätska-till-luft, eller luft-till-vätska HVAC- spolar är typiskt av modifierat tvärflödesarrangemang. I fordon kallas värmeslingor ofta för värmekärnor .

På vätskesidan av dessa värmeväxlare är de vanliga vätskorna vatten, en vattenglykollösning, ånga eller ett köldmedium . För värmeslingor är varmvatten och ånga de vanligaste, och denna uppvärmda vätska tillförs till exempel av pannor . För kylslingor är kylt vatten och köldmedium vanligast. Kylt vatten tillförs från en kylare som potentiellt är placerad mycket långt borta, men köldmediet måste komma från en närliggande kondenseringsenhet. När ett köldmedium används är kylslingan förångaren och värmeslingan är kondensorn i ångkompressionskylcykeln . HVAC-spolar som använder denna direktexpansion av köldmedier kallas vanligtvis DX-spolar . Vissa DX-spolar är av "mikrokanal"-typ.

På luftsidan av HVAC-batterier finns det en betydande skillnad mellan de som används för uppvärmning och de för kylning. På grund av psykrometri , luft som kyls har ofta fukt som kondenserar ut ur sig, förutom vid extremt torra luftflöden. Att värma upp lite luft ökar luftflödets förmåga att hålla vatten. Så värmebatterier behöver inte ta hänsyn till fuktkondensering på sin luftsida, men kylbatterier måste vara tillräckligt utformade och valda för att hantera deras speciella latenta (fukt) såväl som de förnuftiga (kylnings)belastningarna. Vattnet som tas bort kallas kondensat .

För många klimat kan HVAC-slingor för vatten eller ånga utsättas för frysförhållanden. Eftersom vatten expanderar vid frysning, kan dessa något dyra och svåra att ersätta tunnväggiga värmeväxlare lätt skadas eller förstöras av bara en frysning. Som sådan är frysskydd av spolar ett stort problem för VVS-designers, installatörer och operatörer.

Införandet av fördjupningar placerade i värmeväxlarflänsarna kontrollerade kondensationen, vilket gjorde att vattenmolekyler kunde stanna kvar i den kylda luften.

Värmeväxlarna i direktförbränningsugnar , typiska i många bostäder, är inte "slingor". De är istället gas-till-luft värmeväxlare som vanligtvis är gjorda av stansad stålplåt. Förbränningsprodukterna passerar på ena sidan av dessa värmeväxlare och luft till värme på den andra. En sprucken värmeväxlare är därför en farlig situation som kräver omedelbar uppmärksamhet eftersom förbränningsprodukter kan komma in i bostadsutrymmen.

Helical-coil

Helical-Coil Heat Exchanger skiss, som består av ett skal, kärna och rör ( Scott S. Haraburda design).

Även om dubbelrörsvärmeväxlare är de enklaste att designa, skulle det bättre valet i följande fall vara en spiralformad värmeväxlare (HCHE):

• Den största fördelen med HCHE, som den för spiralvärmeväxlaren (SHE), är dess mycket effektiva användning av utrymmet, särskilt när det är begränsat och inte tillräckligt med raka rör kan läggas.
• Under förhållanden med låga flödeshastigheter (eller laminärt flöde ), så att de typiska skal-och-rörväxlarna har låga värmeöverföringskoefficienter och blir oekonomiska.
• När det är lågt tryck i en av vätskorna, vanligtvis från ackumulerade tryckfall i annan processutrustning.
• När en av vätskorna har komponenter i flera faser (fasta ämnen, vätskor och gaser), vilket tenderar att skapa mekaniska problem under drift, såsom igensättning av rör med liten diameter. Rengöring av spiralformade spolar för dessa flerfasvätskor kan visa sig vara svårare än dess skal och rörmotsvarighet; den spiralformade spolenheten skulle emellertid kräva rengöring mindre ofta.

Dessa har använts i kärnkraftsindustrin som en metod för att utbyta värme i ett natriumsystem för stora snabbuppfödningsreaktorer av flytande metall sedan början av 1970-talet, med hjälp av en HCHE-anordning uppfunnen av Charles E. Boardman och John H. Germer. Det finns flera enkla metoder för att designa HCHE för alla typer av tillverkningsindustrier, som att använda metoden Ramachandra K. Patil (et al.) från Indien och Scott S. Haraburda- metoden från USA .

Dessa är dock baserade på antaganden om att uppskatta inre värmeöverföringskoefficient, förutsäga flöde runt utsidan av spolen och på konstant värmeflöde.

Spiral

Schematisk ritning av en spiralvärmeväxlare.

En modifiering av det vinkelräta flödet av den typiska HCHE innebär att skalet ersätts med ett annat lindat rör, vilket tillåter de två vätskorna att flöda parallellt med varandra, och som kräver användning av olika designberäkningar. Dessa är Spiral Heat Exchangers (SHE), som kan hänvisa till en spiralformad (lindad) rörkonfiguration, mer generellt hänvisar termen till ett par plana ytor som är lindade för att bilda de två kanalerna i ett motströmsarrangemang. Var och en av de två kanalerna har en lång böjd bana. Ett par vätskeportar är anslutna tangentiellt till spiralens yttre armar, och axiella portar är vanliga, men valfria.

Den största fördelen med SHE är dess mycket effektiva användning av utrymmet. Detta attribut utnyttjas ofta och delvis omfördelas för att få andra förbättringar i prestanda, enligt välkända avvägningar i värmeväxlardesign. (En anmärkningsvärd avvägning är kapitalkostnad kontra driftskostnad.) En kompakt SHE kan användas för att ha ett mindre fotavtryck och därmed lägre totala kapitalkostnader, eller en överdimensionerad SHE kan användas för att ha mindre tryckfall, mindre pumpenergi , högre termisk effektivitet och lägre energikostnader.

Konstruktion

Avståndet mellan plåtarna i spiralkanalerna upprätthålls genom att använda distansbultar som svetsades innan valsning. När huvudspiralpaketet väl har rullats svetsas omväxlande övre och nedre kanter och varje ände stängs med en packad platt eller konisk kåpa bultad till kroppen. Detta säkerställer att ingen blandning av de två vätskorna inträffar. Eventuellt läckage sker från periferihöljet till atmosfären eller till en passage som innehåller samma vätska.

Självrengörande

Spiralvärmeväxlare används ofta vid uppvärmning av vätskor som innehåller fasta ämnen och därför tenderar att smutsa ner värmeväxlarens insida. Det låga tryckfallet gör att SHE lättare hanterar nedsmutsning. SHE använder en "självrengörande" mekanism, där nedsmutsade ytor orsakar en lokal ökning av vätskehastigheten, vilket ökar motståndet ( eller vätskefriktionen ) på den nedsmutsade ytan, vilket hjälper till att avlägsna blockeringen och hålla värmeväxlaren ren. "De inre väggarna som utgör värmeöverföringsytan är ofta ganska tjocka, vilket gör SHE mycket robust och kan hålla länge i krävande miljöer." och öppnar sig som en ugn där nedsmutsning kan avlägsnas genom högtryckstvätt .

Självrengörande vattenfilter används för att hålla systemet rent och igång utan att behöva stänga av eller byta ut patroner och påsar.

Flödesarrangemang

En jämförelse mellan operationerna och effekterna av ett medströms- och ett motströmsflödesutbytessystem visas av de övre respektive nedre diagrammen. I båda antas (och indikeras) att rött har ett högre värde (t.ex. temperatur) än blått och att egenskapen som transporteras i kanalerna därför flyter från rött till blått. Observera att kanalerna är sammanhängande om effektivt utbyte ska ske (dvs. det kan inte finnas något mellanrum mellan kanalerna).

Det finns tre huvudtyper av flöden i en spiralvärmeväxlare:

• Motströmsflöde : Vätskor strömmar i motsatta riktningar. Dessa används för vätske-vätska, kondensering och gaskylning. Enheter monteras vanligtvis vertikalt vid kondensering av ånga och monteras horisontellt vid hantering av höga koncentrationer av fasta ämnen.
• Spiralflöde/korsflöde: En vätska är i spiralflöde och den andra i ett tvärflöde. Spiralflödespassager är svetsade på varje sida för denna typ av spiralvärmeväxlare. Denna typ av flöde är lämplig för hantering av gas med låg densitet, som passerar genom tvärflödet och undviker tryckförlust. Den kan användas för vätske-vätskeapplikationer om en vätska har ett betydligt högre flöde än den andra.
• Distribuerat ånga/spiralflöde: Denna design är den för en kondensor och är vanligtvis monterad vertikalt. Den är utformad för att tillgodose underkylning av både kondensat och icke-kondenserbart material. Kylvätskan rör sig i en spiral och lämnar via toppen. Heta gaser som kommer in lämnar som kondensat via bottenutloppet.

Ansökningar

Spiralvärmeväxlaren är bra för applikationer som pastörisering, kokaruppvärmning, värmeåtervinning, förvärmning (se: rekuperator ) och avloppskylning. För slambehandling är SHE i allmänhet mindre än andra typer av värmeväxlare. Dessa används för att överföra värmen.

Urval

På grund av de många variablerna är det svårt att välja optimala värmeväxlare. Handberäkningar är möjliga, men många iterationer behövs vanligtvis. Som sådan väljs värmeväxlare oftast via datorprogram, antingen av systemdesigners, som vanligtvis är ingenjörer , eller av utrustningsleverantörer.

För att välja en lämplig värmeväxlare skulle systemdesignerna (eller utrustningsleverantörerna) först överväga designbegränsningarna för varje värmeväxlartyp. Även om kostnad ofta är det primära kriteriet, är flera andra urvalskriterier viktiga:

• Hög-/lågtrycksgränser
• Termisk prestanda
• Temperaturintervall
• Produktmix (vätska/vätska, partiklar eller vätska med hög fast substans)
• Trycket faller över växlaren
• Vätskeflödeskapacitet
• Rengörbarhet, underhåll och reparation
• Material som krävs för konstruktion
• Förmåga och lätthet för framtida expansion
• Materialval, såsom koppar , aluminium , kolstål , rostfritt stål , nickellegeringar , keramik , polymer och titan .

Slingtekniker med liten diameter blir mer populära i moderna luftkonditionerings- och kylsystem eftersom de har bättre värmeöverföringshastigheter än konventionella kondensor- och förångarslingor med runda kopparrör och aluminium- eller kopparfena som har varit standarden i HVAC-industrin. Batterier med liten diameter tål de högre tryck som krävs av den nya generationen av miljövänligare köldmedier. Två spoleteknologier med liten diameter finns för närvarande tillgängliga för luftkonditionerings- och kylprodukter: mikrospår i koppar och mikrokanal i lödd aluminium.

Att välja rätt värmeväxlare (HX) kräver viss kunskap om de olika värmeväxlartyperna, samt miljön där aggregatet ska fungera. Vanligtvis inom tillverkningsindustrin används flera olika typer av värmeväxlare för bara en process eller ett system för att härleda slutprodukten. Till exempel en vattenkokare HX för förvärmning, ett dubbelrör HX för "bärar"-vätskan och en platta och ram HX för slutlig kylning. Med tillräcklig kunskap om värmeväxlartyper och driftkrav kan ett lämpligt urval göras för att optimera processen.

Övervakning och underhåll

Onlineövervakning av kommersiella värmeväxlare görs genom att spåra den totala värmeöverföringskoefficienten. Den totala värmeöverföringskoefficienten tenderar att minska med tiden på grund av nedsmutsning.

Genom att periodiskt beräkna den totala värmeöverföringskoefficienten från växlarens flödeshastigheter och temperaturer kan ägaren av värmeväxlaren uppskatta när rengöring av värmeväxlaren är ekonomiskt attraktiv.

Integritetsinspektion av plattor och rörformiga värmeväxlare kan testas på plats med konduktivitets- eller heliumgasmetoder. Dessa metoder bekräftar plattornas eller rörens integritet för att förhindra korskontamination och packningarnas tillstånd.

Mekanisk integritetsövervakning av värmeväxlarrör kan utföras genom oförstörande metoder såsom virvelströmstestning .

Nedsmutsning

Huvudartikel: Nedsmutsning

En värmeväxlare i ett ångkraftverk förorenad med makrofouling.

Nedsmutsning uppstår när föroreningar avsätts på värmeväxlingsytan. Avsättning av dessa föroreningar kan minska värmeöverföringseffektiviteten avsevärt över tiden och orsakas av:

• Låg väggskjuvspänning
• Låga vätskehastigheter
• Höga vätskehastigheter
• Reaktionsprodukt fast utfällning
• Utfällning av lösta föroreningar på grund av förhöjda väggtemperaturer

Graden av nedsmutsning av värmeväxlaren bestäms av hastigheten för partikelavsättning minus återindragning/dämpning. Denna modell föreslogs ursprungligen 1959 av Kern och Seaton.

Nedsmutsning av råoljeväxlare . Vid kommersiell råoljeraffinering värms råolja från 21 °C (70 °F) till 343 °C (649 °F) innan den kommer in i destillationskolonnen. En serie av skal- och rörvärmeväxlare utbyter vanligtvis värme mellan råolja och andra oljeströmmar för att värma råoljan till 260 °C (500 °F) innan den värms i en ugn. Nedsmutsning sker på den råa sidan av dessa växlare på grund av asfaltenolöslighet. Naturen för asfaltens löslighet i råolja modellerades framgångsrikt av Wiehe och Kennedy. Utfällningen av olösliga asfaltener i råa förvärmningståg har framgångsrikt modellerats som en första ordningens reaktion av Ebert och Panchal som utökade Kerns och Seatons arbete.

Nedsmutsning av kylvatten . Kylvattensystem är känsliga för nedsmutsning. Kylvatten har vanligtvis en hög total halt av lösta fasta ämnen och suspenderade kolloidala fasta ämnen. Lokal utfällning av lösta fasta ämnen sker vid värmeväxlingsytan på grund av väggtemperaturer högre än bulkvätsketemperaturen. Låga vätskehastigheter (mindre än 3 ft/s) gör att suspenderade fasta ämnen kan sedimentera på värmeväxlingsytan. Kylvatten finns vanligtvis på rörsidan av en skal- och rörväxlare eftersom det är lätt att rengöra. För att förhindra nedsmutsning ser konstruktörer vanligtvis till att kylvattnets hastighet är högre än 0,9 m/s och att bulkvätsketemperaturen hålls lägre än 60 °C (140 °F). Andra tillvägagångssätt för kontroll av nedsmutsning kombinerar den "blinda" appliceringen av biocider och anti-kalk kemikalier med periodiska laboratorietester.

Underhåll

Platt- och ramvärmeväxlare kan tas isär och rengöras med jämna mellanrum. Rörformade värmeväxlare kan rengöras med metoder som syrarengöring, sandblästring , högtrycksvattenstråle , kulrengöring eller borrstavar.

I storskaliga kylvattensystem för värmeväxlare används vattenbehandling såsom rening, tillsats av kemikalier och testning för att minimera nedsmutsning av värmeväxlarutrustningen. Annan vattenrening används också i ångsystem för kraftverk etc. för att minimera nedsmutsning och korrosion av värmeväxlaren och annan utrustning.

En mängd olika företag har börjat använda vattenburen oscillationsteknik för att förhindra biofouling . Utan användning av kemikalier har denna typ av teknik hjälpt till att ge ett lågt tryckfall i värmeväxlare.

Konstruktions- och tillverkningsbestämmelser

Utformningen och tillverkningen av värmeväxlare har många regler, som varierar beroende på i vilken region de kommer att användas.

Design- och tillverkningskoder inkluderar: ASME Boiler and Pressure Vessel Code (US); PD 5500 (UK); BS 1566 (UK); EN 13445 (EU); CODAP (franska); Säkerhetsföreskrifter för tryckutrustning 2016 (PER) (Storbritannien); Direktivet om tryckutrustning (EU); NORSOK (norska); TEMA ; API 12; och API 560.

I naturen

Människor

De mänskliga näsgångarna fungerar som en värmeväxlare, med kall luft som andas in och varm luft andas ut. Dess effektivitet kan påvisas genom att lägga handen framför ansiktet och andas ut, först genom näsan och sedan genom munnen. Luft som andas ut genom näsan är betydligt svalare. Denna effekt kan förstärkas med kläder, genom att till exempel bära en halsduk över ansiktet när du andas i kallt väder.

Hos arter som har yttre testiklar (som människan), är artären till testikeln omgiven av ett nät av vener som kallas pampiniform plexus . Detta kyler ner blodet på väg till testiklarna, samtidigt som det återkommande blodet värms upp igen.

Fåglar, fiskar, marina däggdjur

Motströmsutbytesbevarande krets

Ytterligare information: Motströmsutbyte i biologiska system

" Motströms " värmeväxlare förekommer naturligt i cirkulationssystemet hos fiskar , valar och andra marina däggdjur . Artärer till huden som bär varmt blod är sammanflätade med vener från huden som bär kallblod, vilket gör att det varma artärblodet byter värme med det kalla venblodet. Detta minskar den totala värmeförlusten i kallt vatten. Värmeväxlare finns också i tungan på bardvalar eftersom stora volymer vatten strömmar genom deras mun. Vadarfåglar använder ett liknande system för att begränsa värmeförlusterna från kroppen genom benen ner i vattnet.

Carotis rete

Carotis rete är ett motströms värmeväxlande organ hos vissa hovdjur . Blodet som stiger upp i halspulsåderna på väg till hjärnan, strömmar via ett nätverk av kärl där värme släpps ut till venerna av kallare blod som kommer ner från näsgångarna. Halspulsådern tillåter Thomsons gasell att hålla sin hjärna nästan 3 °C (5,4 °F) svalare än resten av kroppen, och hjälper därför till att tolerera utbrott i metabolisk värmeproduktion som associeras med geparder som springer ut (under vilken kroppstemperaturen överstiger den maximala temperaturen vid vilken hjärnan kan fungera).

I industrin

Värmeväxlare används i stor utsträckning inom industrin både för kylning och uppvärmning av storskaliga industriella processer. Typen och storleken på värmeväxlaren som används kan skräddarsys för att passa en process beroende på typen av vätska, dess fas, temperatur, densitet, viskositet, tryck, kemisk sammansättning och olika andra termodynamiska egenskaper.

I många industriella processer finns det slöseri med energi eller en värmeström som håller på att förbrukas, värmeväxlare kan användas för att återvinna denna värme och använda den genom att värma upp en annan ström i processen. Denna praxis sparar mycket pengar inom industrin, eftersom värmen som tillförs andra strömmar från värmeväxlarna annars skulle komma från en extern källa som är dyrare och mer skadlig för miljön.

Värmeväxlare används i många industrier, inklusive:

• Avloppsrening
• Kylning
• Vin och öltillverkning _
• oljeraffinering
• Kärnkraft

Vid rening av avloppsvatten spelar värmeväxlare en viktig roll för att upprätthålla optimala temperaturer i anaeroba rötkammare för att främja tillväxten av mikrober som tar bort föroreningar. Vanliga typer av värmeväxlare som används i denna applikation är dubbelrörsvärmeväxlaren samt platt- och ramvärmeväxlaren.

I flygplan

I kommersiella flygplan används värmeväxlare för att ta värme från motorns oljesystem för att värma kallt bränsle. Detta förbättrar bränsleeffektiviteten, samt minskar risken för att vatten fastnar i bränslet att frysa i komponenter.

Aktuell marknad och prognos

Uppskattad till 17,5 miljarder USD 2021, förväntas den globala efterfrågan på värmeväxlare uppleva en robust tillväxt på cirka 5 % årligen under de kommande åren. Marknadsvärdet förväntas uppgå till 27 miljarder USD år 2030. Med en växande önskan om miljövänliga alternativ och ökad utveckling av kontor, detaljhandel och offentliga byggnader kommer marknadsexpansionen att växa.

En modell av en enkel värmeväxlare

En enkel värmeväxling kan ses som två raka rör med vätskeflöde, som är termiskt sammankopplade. Låt rören vara lika långa L och transportera vätskor med värmekapacitet $C_{i}$ (energi per massenhet per enhet förändring i temperatur) och låt vätskornas massflödeshastighet genom rören, både i samma riktning, vara $j_{i}$ (massa per tidsenhet), där sänkningen i gäller för rör 1 eller rör 2.

Temperaturprofiler för rören är $T_{1}(x)$ och $T_{2}(x)$ där x är avståndet längs röret. Antag ett stabilt tillstånd, så att temperaturprofilerna inte är funktioner av tid. Antag också att den enda värmeöverföringen från en liten volym vätska i ett rör är till vätskeelementet i det andra röret i samma position, dvs det sker ingen värmeöverföring längs ett rör på grund av temperaturskillnader i det röret. Enligt Newtons lag om kylning är förändringshastigheten i energi för en liten volym vätska proportionell mot skillnaden i temperaturer mellan den och motsvarande element i det andra röret:

${\frac {du_{1}}{dt}}=\gamma (T_{2}-T_{1})$

${\frac {du_{2}}{dt}}=\gamma (T_{1}-T_{2})$

motströmsutbyte av värmeväxlare är tecknet motsatt i den andra ekvationen framför $\gamma (T_ {1}-T_{2})$ ), där $u_{i}(x)$ är den termiska energin per längdenhet och γ är den termiska anslutningskonstanten per längdenhet mellan de två rören . Denna förändring i inre energi resulterar i en förändring i vätskeelementets temperatur. Tidshastigheten för förändring för vätskeelementet som bärs med av flödet är:

${\frac {du_{1}}{dt}}=J_{1}{\frac {dT_{1}}{dx}}$

${\frac {du_{2}}{dt}}=J_{2}{\frac {dT_{2}}{dx}}$

där $J_{i}={C_{i}}{j_{i}}$ är den "termiska massflödeshastigheten". Differentialekvationerna som styr värmeväxlaren kan nu skrivas som:

$J_{1}{\frac {\partial T_{1}}{\partial x}}=\gamma (T_{2}-T_ {1})$

$J_{2}{\frac {\partial T_{2}}{\partial x}}=\gamma (T_{1}-T_{2}).$

Observera att eftersom systemet är i ett stabilt tillstånd finns det inga partiella derivator av temperatur med avseende på tid, och eftersom det inte finns någon värmeöverföring längs röret, finns det inga andraderivator i x som finns i värmeekvationen . Dessa två kopplade differentialekvationer av första ordningen kan lösas för att ge:

$T_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}\,e^{-kx}$

$T_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}\,e^{-kx}$

där $k_{1}=\gamma /J_{1}$ , $k_{2}=\gamma /J_{2}$ ,

$k=k_{1}+k_{2}$

(detta är för parallellt flöde, men för motflöde är tecknet framför $k_{2}$ negativt, så att om $k_{2}=k_{1 }$ , för samma "termiska massflödeshastighet" i båda motsatta riktningarna, är temperaturgradienten konstant och temperaturerna linjära i position x med en konstant skillnad $(T_{2}- T_{1})$ längs växlaren, som förklarar varför motströmsutformningen av motströmsutbyte är den mest effektiva )

och A och B är två ännu obestämda integrationskonstanter. Låt $T_{10}$ och $T_{20}$ vara temperaturerna vid x=0 och låt $T_{1L}$ och $T_ {2L}$ är temperaturerna i slutet av röret vid x=L. Definiera medeltemperaturerna i varje rör som:

${\overline {T}}_{1}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L} T_{1}(x)dx$

${\overline {T}}_{2}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{2}(x)dx.$

Med hjälp av lösningarna ovan är dessa temperaturer:

$T_{10}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}$	$T_{20}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}$
$T_{1L}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}e^{-kL}$	$T_{2L}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}e^{-kL}$
${\overline {T}}_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k^{ 2}L}}(1-e^{-kL})$	${\overline {T}}_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k^{2}L}}(1-e^{-kL}).$

Att välja två av temperaturerna ovan eliminerar integreringskonstanterna, vilket låter oss hitta de andra fyra temperaturerna. Vi finner den totala energin som överförs genom att integrera uttrycken för tidshastigheten för förändring av intern energi per längdenhet:

${\frac {dU_{1}} {dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{1}}{dt}}\,dx=J_{1}(T_{1L}-T_{10})=\gamma L({\överlinje {T}}_{2}-{\överlinje {T}}_{1})$

${\frac {dU_{2}}{dt}}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{2}}{dt}}\,dx=J_{2}(T_ {2L}-T_{20})=\gamma L({\overline {T}}_{1}-{\overline {T}}_{2}).$

Genom att bevara energi är summan av de två energierna noll. Kvantiteten ${\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1}$ är känd som logga medeltemperaturskillnaden och är ett mått på värmeväxlarens effektivitet vid överföring av värmeenergi.

Se även

• Arkitektteknik
• Kemiteknik
• Kyltorn
• Koppar i värmeväxlare
• Värmeledning
• Värmepump
• Värmeåtervinningsventilation
• Mantlad kärl
• Logga medeltemperaturskillnad (LMTD)
• Marina värmeväxlare
• Maskinteknik
• Mikrovärmeväxlare
• Rörlig sängvärmeväxlare
• Packad bädd och i synnerhet Packade kolonner
• Pumpbar isteknik
• Återkokare
• Recuperator eller korsplattvärmeväxlare
• Regenerator
• Kör runt spolen
• Ånggenerator (kärnkraft)
• Ytkondensor
• Toroidal expansionsfog
• Termosifon
• Termohjul , eller roterande värmeväxlare (inklusive entalpihjul och torkmedelshjul)
• Rörverktyg
• Spillvärme

• Coulson, J. och Richardson, J (1999). Kemiteknik- Fluid Flow. Värmeöverföring och massöverföring- Volym 1; Reed Educational & Professional Publishing LTD
• Dogan Eryener (2005), 'Termoekonomisk optimering av baffelavstånd för skal- och rörvärmeväxlare', Energy Conservation and Management, Volym 47, Issue 11–12, Sidorna 1478–1489.
• GFHewitt, GLShires, TRBott (1994) Process Heat Transfer, CRC Press, Inc, USA.

externa länkar

• Värmeväxlare hos Curlie
• Designprogramvara för skal och rörvärmeväxlare för utbildningsapplikationer ( PDF)
• EU:s riktlinjer för tryckutrustning
• Ett termiskt hanteringskoncept för fler applikationer för elkraftsystem för flygplan ( PDF)