Кіріспе
Сұйықтықтар арасында жылу алмасуға арналған жабдық. Жылу алмастырғыш – жылу көзін жұмыс сұйықтығына беруге қолданылатын жүйе. Жылу алмастырғыштар салқындату және жылыту процестерінде пайдаланылады. Сұйықтықтардың араласуын болдырмау үшін олар қатты қабырғамен бөлінуі мүмкін немесе тікелей жанасуда болуы мүмкін. Олар кеңінен кеңістікті жылыту, тоңазыту, кондиционерлеу, электр станцияларында, химиялық өндіріс орындарында, мұнай-химиялық зауыттарда, мұнайды қайта өңдеу заводтарында, табиғи газды өңдеуде және сарқынды суларды тазартуда қолданылады. Жылу алмастырғыштың классикалық мысалы – ішкі жану қозғалтқышында кездеседі, онда айналымдағы сұйықтық, қозғалтқыш салқындатқышы деп аталатын, радиатор орамдары арқылы ағып өтеді, ал ауа орамдардың үстінен өтіп, салқындатқышты салқындатып, кіретін ауаны қыздырады. Тағы бір мысал – жылу таратушы, ол электрондық немесе механикалық құрылғы тудырған жылуды сұйық ортаға, көбінесе ауаға немесе сұйық салқындатқышқа беруге арналған пассивті жылу алмастырғыш.
A heat exchanger is a system used to transfer heat between a source and a working fluid. Heat exchangers are used in both cooling and heating processes. The fluids may be separated by a solid wall to prevent mixing or they may be in direct contact. They are widely used in space heating, refrigeration, air conditioning, power stations, chemical plants, petrochemical plants, petroleum refineries, natural gas processing, and sewage treatment. The classic example of a heat exchanger is found in an internal combustion engine in which a circulating fluid known as engine coolant flows through radiator coils and air flows past the coils, which cools the coolant and heats the incoming air. Another example is the heat sink, which is a passive heat exchanger that transfers the heat generated by an electronic or a mechanical device to a fluid medium, often air or a liquid coolant.
Ағындылық тәртібі
Жылу алмастырғыштар ағыны бойынша үш негізгі түрге бөлінеді. Параллель ағынды жылу алмастырғыштарда екі сұйықтық алмастырғышқа бір жағынан кіріп, бір-біріне параллель түрде қарсы жағына қарай жылжиды. Кері ағынды жылу алмастырғыштарда сұйықтықтар алмастырғышқа қарама-қарсы жақтардан кіреді. Кері ток жүйесі ең тиімді, себебі ол бірлік массасына жылу (беру) ортасынан ең көп жылуды жеткізе алады, өйткені кез келген бірлік ұзындығы бойынша орташа температура айырмасы жоғары болады. Кері ағыммен алмасуға қараңыз. Кросс-ағынды жылу алмастырғышта сұйықтықтар алмастырғыш арқылы бірін-біріне шамамен перпендикуляр бағытта жылжиды. Тиімділік үшін жылу алмастырғыштар екі сұйықтық арасындағы қабырғаның бетін максималды деңгейде ұлғайту және алмастырғыш арқылы сұйықтық ағынына кедергіні азайту үшін жасалады. Алмастырғыштың жұмысына бір немесе екі бағытта қанаттар немесе толқындар қосылуы да әсер ете алады, олар бетті кеңейтіп, сұйықтық ағынын бағыттайды немесе турбуленттілік тудырады. Жылу беру бетіндегі температура қозғалысы орналасуына байланысты өзгереді, бірақ тиісті орташа температураны анықтауға болады. Көптеген қарапайым жүйелерде бұл "логарифмдік орташа температура айырмасы" (LMTD) болып табылады. Кейде LMTD туралы тікелей мәліметтер болмайды және NTU әдісі қолданылады.
Түрлері
Қос құбырлы жылу алмастырғыштар өнеркәсіпте қолданылатын ең қарапайым жылу алмастырғыштар болып табылады. Бір жағынан, бұл жылу алмастырғыштар жобалау және техникалық қызмет көрсетуде арзан, сондықтан оларды шағын өнеркәсіптер үшін жақсы таңдау деп атайды. Екінші жағынан, олардың төмен тиімділігі және үлкен көлемде орналасқанда алатын кеңістік, заманауи өнеркәсіптерді қабықша-түтік немесе тақталық сияқты тиімді жылу алмастырғыштарға көшуге мәжбүр етті. Алайда, қос құбырлы жылу алмастырғыштар қарапайым болғандықтан, оларды студенттерге жылу алмастырғыштардың негізгі қағидаларын оқыту үшін пайдаланады, өйткені барлық жылу алмастырғыштар үшін негізгі ережелер бірдей. 1. Қос құбырлы жылу алмастырғыш
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Бір сұйықтық кіші құбыр арқылы ағып өткенде, екіншісі екі құбыр арасындағы сақина тәрізді кеңістік арқылы ағып өтеді. Бұл ағындар қос құбырлы жылу алмастырғышта параллель немесе қарсы ағым болуы мүмкін. (а) Параллель ағым, онда ыстық және суық сұйықтықтар жылу алмастырғышқа бір жақтан кіріп, бір бағытта ағып, бір шеттен шығады. Бұл конфигурация екі сұйықтықтың дәл бірдей температураға жетуі қажет болғанда артықшылықты, өйткені ол жылулық стресті азайтады және жылу берудің біркелкі жылдамдығын қамтамасыз етеді. (b) Қарсы ағым, онда ыстық және суық сұйықтықтар жылу алмастырғыштың қарама-қарсы жақтарынан кіріп, қарама-қарсы бағытта ағып, қарама-қарсы шеттерінен шығады. Бұл конфигурация сұйықтықтар арасындағы жылу беруді барынша арттыру мақсатында қолданылғанда артықшылықты, өйткені ол басқа жағдайлар бірдей болғанда үлкен температура айырмасын тудырады. Жоғарыдағы суретте сұйықтық алмастырғыштың параллель және қарсы ағым бағыттары көрсетілген. 2. Қабықша-түтік жылу алмастырғыш
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Қабықша-түтік жылу алмастырғышта әртүрлі температурадағы екі сұйықтық ағып өтеді. Сұйықтықтардың бірі түтіктер арқылы, ал екіншісі түтіктердің сыртынан, бірақ қабықшаның ішінде (қабықша жағы) ағып өтеді. Түтіктерді қолдау үшін және сұйықтық ағынын түтіктерге шамамен табиғи бағытта бағыттау үшін, сондай-ақ қабықша сұйықтығының турбуленттілігін арттыру үшін баффлдар қолданылады. Баффлдардың көптеген түрлері бар, ал баффлдың пішінін, арақашықтығын және геометриясын таңдау қабықша жағындағы қысымның төмендеуіне рұқсат етілген ағымға, түтіктерді қолдау қажеттілігіне және ағыннан туындаған дірілдерге байланысты. Қабықша-түтік алмастырғыштардың бірнеше нұсқалары бар; айырмашылықтар ағыс конфигурациясының орналасуында және құрылыстың егжей-тегжейінде жатыр. Қабықша-түтік технологиясын қолданып ауаны салқындату үшін (мысалы, ішкі жану қозғалтқыштары үшін аралық салқындатқыш/құбырлық ауа салқындатқыштары), ауа жағындағы жылу беру аумағын арттыру және түтіктер мен қабырғалар конфигурациясын жасау үшін түтіктерге қабырғалар қосылуы мүмкін. 3. Тақталық жылу алмастырғыш
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Тақталық жылу алмастырғыш бір-біріне түйілген жұқа пішінді жылу беру тақталарынан тұрады. Әрбір екі тақтаның тығыздағыштары екі бөлек канал жүйесін қамтамасыз етеді. Әрбір екі тақта сұйықтықтың ағып өтетін арнасын құрайды. Жұптар дәнекерлеу және бұрандалау әдістерімен бекітіледі. Төменде жылу алмастырғыштың құрамдас бөліктері көрсетілген. Жеке каналдарда тығыздағыштардың конфигурациясы ағысты қамтамасыз етеді. Осылайша, бұл негізгі және екіншілік ортаның қарсы ағымда ағып өтуіне мүмкіндік береді. Тақталық жылу алмастырғыштағы жылу аймағы толқынды тақталардан тұрады. Тығыздағыштар тақталар арасындағы тығыздағыш ретінде жұмыс істейді және олар рама мен қысым тақталары арасында орналасқан. Сұйықтық жылу алмастырғышта қарсы бағытта ағып өтеді. Тиімді жылулық өнімділікке қол жеткізіледі. Тақталар әртүрлі тереңдікте, өлшемде және толқынды пішінде жасалады. Тақталар мен рама, тақталар мен қабықшалар және спиральді тақталық жылу алмастырғыштардың әртүрлі түрлері бар. Тарату аймағы сұйықтықтың бүкіл жылу беру бетіне ағылуын қамтамасыз етеді. Бұл қатты беттерде қажетсіз материалдың жиналуына әкелетін тұрақтанған аймақтың пайда болуын болдырмауға көмектеседі. Тақталар арасындағы жоғары ағыс турбуленттігі жылу беруді арттырады және қысымды төмендетеді. 4. Конденсаторлар мен қазандықтар
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Екі фазалы жылу беру жүйесін пайдаланатын жылу алмастырғыштар конденсаторлар, қазандықтар және буландырғыштар болып табылады. Конденсаторлар - ыстық газды немесе буды тұнбалау нүктесіне дейін суытып, газды сұйық түрге айналдыратын құралдар. Сұйықтың газға айналатын нүктесі булану деп аталады, ал кері процесі - конденсация. Сумен жабдықтау құрылымын қамтитын беттік конденсатор ең көп қолданылатын конденсатор түрі. 5-суретте екі өткелді беттік конденсатор көрсетілген. Түрбина шығысындағы будың қысымы төмен, бу тығыздығы өте төмен және ағым жылдамдығы жоғары. Будың түрбинадан конденсаторға қозғалысы кезінде қысымның төмендеуіне жол бермеу үшін конденсатор бірлігі түрбинаның астына орналастырылып, оған қосылады. Түтіктердің ішінде салқындату суы параллель бағытта ағып өтеді, ал бу жоғарыдан кең ашылған жерден вертикальды төмен қарай қозғалып, түтіктер арқылы өтеді. Сонымен қатар, қазандықтар жылу алмастырғыштардың бастапқы қолданылуы ретінде қарастырылады. Қазандық бірлігін сипаттау үшін «бу генераторы» деген сөз жиі қолданылды, онда жылу көзі жану өнімдері емес, ыстық сұйықтық ағыны болып табылады. Қазандықтар өлшемдеріне және конфигурациясына қарай жасалады. Кейбір қазандықтар тек ыстық сұйықтық өндіруге қабілетті, ал басқалары бу өндіру үшін жасалған.
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Тақта
Жылу алмастырғыштың тағы бір түрі – пластиналық жылу алмастырғыш. Бұл алмастырғыштар көптеген жұқа, сәл бөлінген пластиналардан тұрады, олардың беттері өте үлкен және жылу беру үшін сұйықтық ағынының өте тар арналары бар. Жапсырмалар және дәнекерлеу технологияларындағы жетістіктер пластиналық жылу алмастырғыштарды кеңінен қолдануға мүмкіндік берді. Жылыту, вентиляция және кондиционерлеу (HVAC) жүйелерінде осы типтегі ірі жылу алмастырғыштар пластиналы-рамалық деп аталады; ашық контурларда қолданылғанда, бұл жылу алмастырғыштар әдетте жапсырмалы типте болады, бұл оларды мерзімді түрде бөлшектеуге, тазалауға және тексеруге мүмкіндік береді. Суға батыру, вакуумді дәнекерлеу және дәнекерленген пластиналар сияқты тұрақты жабыстырылған пластиналық жылу алмастырғыштардың көптеген түрлері бар, олар көбінесе тоңазыту сияқты жабық контурларда қолданылады. Пластиналық жылу алмастырғыштар қолданылатын пластиналардың түрлеріне және олардың конфигурациясына қарай да әртүрлі болады. Кейбір пластиналарға «шеврон», бүршік немесе басқа да өрнектер басылуы мүмкін, ал басқаларында машинамен өңделген қанаттар және/немесе ойыстар болуы мүмкін. Қабықшалы-түтікшелі алмастырғыштармен салыстырғанда, пластиналардың тік орналасуы көбінесе кішірек көлем мен төмен құнмен сипатталады. Екі түрдің арасындағы тағы бір айырмашылық – пластиналық алмастырғыштар әдетте қабықшалы-түтікшелі алмастырғыштардың орташа және жоғары қысымына қарағанда төмен және орташа қысымдағы сұйықтықтармен жұмыс істейді. Үшінші және маңызды айырмашылық – пластиналық алмастырғыштар көлденең ағынға қарағанда қарсы ағынды қолдануға бейім, бұл температура айырмасын азайтуға, температураны жоғары өзгертуге және тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді.
Плита және қабықша
Жылу алмастырғыштардың үшінші түрі – пластиналы-қабықшалы жылу алмастырғыштар, олар пластиналы жылу алмастырғыштар мен қабықшалы-түтікшілі жылу алмастырғыштар технологияларын үйлестіреді. Жылу алмастырғыштың негізгі бөлігі – дөңгелек пластиналарды басу, кесу және оларды бірге дәнекерлеу арқылы жасалған, толыққандай дәнекерленген дөңгелек пластиналар жиынтығынан тұрады. Соплолар пластиналық жиынтықтан ("пластина жағындағы") ағынды кіргізіп, шығарады. Толыққандай дәнекерленген пластиналар жиынтығы сыртқы қабықшаға орналастырылады, ол екінші ағын жолын ("қабықша жағындағы") құрайды. Пластиналы-қабықшалы технология жоғары жылу өткізгіштік, жоғары қысым, жоғары жұмыс температурасы, ықшам өлшем, төмен ластану және температураға жақын мәнді ұсынады. Атап айтқанда, ол тығыздағыштарсыз жұмыс істейді, бұл жоғары қысым мен температурада ағып кету қаупін жояды.
Адиабатикалық дөңгелек
Төртінші типтегі жылу алмастырғыш жылуды сақтау үшін аралық сұйықтық немесе қатты материалды пайдаланады, содан кейін ол жылу алмастырғыштың екінші жағына беріліп, шығарылады. Бұған мысалдар – ыстық және суық ағындар арқылы айналатын жіңішке жіптері бар үлкен адиабатикалық дөңгелектер және сұйықтық жылу алмастырғыштар.
Ауа-күйді реттеу және салқындату ауа орамдары
Жылу алмастырғыштардың ең кең қолданылатыны – салқындату және ауа баптау жүйелері. Бұл кластағы жылу алмастырғыштар көбінесе ауа орамдары немесе олардың ішкі түтікшелерінің жиі серпінді құрылымына байланысты конденсаторлар деп аталады және әдетте желбезекшелі түтіктер түрінде болады. Сұйықтан ауаға немесе ауадан сұйыққа АВАК орамдары әдетте модификацияланған көлденең ағын схемасында орналасады. Көлік құралдарында жылу орамдары көбінесе жылытқыш ядро деп аталады. Бұл жылу алмастырғыштардың сұйық жағында су, су-гликоль ерітіндісі, бу немесе тоңазытқыш қолданылады. Жылыту орамдары үшін ыстық су және бу ең көп таралған, ал бұл қыздырылған сұйықтық, мысалы, қазандықтар арқылы беріледі. Салқындату орамдары үшін суытылған су және тоңазытқыш ең көп қолданылады. Суытылған су мүмкін алыс орналасқан салқындатқыштан жеткізіледі, бірақ тоңазытқыш жақын орналасқан конденсациялық агрегаттан келуі керек. Тоңазытқыш қолданылған жағдайда, салқындату орамы буландырғыш, ал жылыту орамы буды қысу салқындату циклында конденсатор болып табылады. Тікелей кеңейтуді пайдаланатын АВАК орамдары әдетте DX орамдары деп аталады. Кейбір DX орамдары "микроканалды" типті болады. АВАК орамдарының ауа жағында жылытуға және салқындатуға арналған орамдар арасында маңызды айырмашылық бар. Психрометриялық ережелерге сәйкес, салқындатылған ауадан ылғал жиі конденсацияланып шығады, бірақ ауа өте құрғақ болса бұл болмайды. Ауаны қыздыру ауа ағынының суды ұстап тұру қабілетін арттырады. Сондықтан жылыту орамдары ауа жағында ылғал конденсациясын ескеруінің қажеті жоқ, бірақ салқындату орамдары латентті (ылғал) және сезімтал (салқындату) жүктемелерді тиісті түрде есепке алуға және таңдауға арналған болуы керек. Алып тасталған су конденсат деп аталады. Көптеген климаттық жағдайларда су немесе бу АВАК орамдарына тоңу жағдайы тууы мүмкін. Су тоңғанда кеңейетіндіктен, бұл қымбат және ауыстыруы қиын жұқа қабырғалы жылу алмастырғыштар бір тоңғанда оңай зақымдануы немесе жойылуы мүмкін. Сондықтан орамдарды тоңудан қорғау АВАК жобалаушыларының, монтаждаушылардың және операторлардың басты мәселесі болып табылады. Жылу алмастырғыш қанаттарының ішіне орналастырылған ойыстар конденсацияны бақылап, суытылған ауада су молекулаларының қалуын қамтамасыз етеді. Көптеген тұрғын үйлерде қолданылатын тікелей жану пештеріндегі жылу алмастырғыштар "орам" емес. Олар газды ауаға жылу алмастырғыштар, олар әдетте штампталған болат парақтан жасалады. Жану өнімдері осы жылу алмастырғыштардың бір жағынан, ал жылытылатын ауа екінші жағынан өтеді. Жарылған жылу алмастырғыш қауіпті жағдай болып табылады, өйткені жану өнімдері тұрғын үйге енуі мүмкін.
Спираль
Типикалық HCHE-нің перпендикуляр ағынына енгізілген өзгерту қабықтың басқа оралған түтікпен алмастырылуын қамтамасыз етеді, бұл екі сұйықтықтың бір-біріне параллель ағуын мүмкін етеді және түрлі есептеулерді қажет етеді. Бұл спиральді жылу алмастырғыштар (SHE) болып табылады, олар спиральді (оралған) түтік конфигурациясын білдіруі мүмкін, бірақ көбінесе бұл термин екі жазық беттің қарсы ағынмен екі арнаны құру үшін оралуын көрсетеді. Әрбір арнада бір ұзын қисық жол болады. Сұйықтық кірістерінің жұбы спиральдің сыртқы бөліктеріне жанама түрде қосылады, ал осьтік кірістер жиі кездеседі, бірақ міндетті емес. SHE-нің басты артықшылығы – кеңістікті өте тиімді пайдалану. Бұл қасиет көбінесе жылу алмастырғыштарды жобалаудағы белгілі айырбастарға сәйкес, өнімділікті жақсарту үшін қолданылады және ішінара қайта бөлінеді. (Мысалы, бастапқы шығын мен пайдалану шығындары арасындағы айырбас бар.) Шағын SHE кішірек аумақты алып, осылайша барлық бастапқы шығындарды төмендету үшін қолданылуы мүмкін, ал үлкен SHE қысымның төмендеуіне, аз сорғы энергиясына, жоғары жылу тиімділігіне және төмен энергия шығындарына қол жеткізу үшін қолданылуы мүмкін.
Құрылыс
Спиральды арналардағы қабаттар арасындағы қашықтық, ораудан бұрын дәнекерленген аралық тіреулер арқылы сақталады. Негізгі спиральді жинақ оралғаннан кейін, кезекпен жоғарғы және төменгі жиектері дәнекерленеді, ал әр жағынан тығыздалған, жазық немесе конустық қақпақтар корпустың үстіне бұрандаланады. Бұл екі сұйықтықтың араласпауын қамтамасыз етеді. Кез келген нөсеу сыртқы қақпақтан атмосфераға немесе сол сұйықтық бар жолға шығады.
Өзін-өзі тазалау
Спиральды жылу алмастырғыштар қатты заттар бар сұйықтықтарды қыздыруда жиі қолданылады, сондықтан жылу алмастырғыштың ішкі беті ластануға бейім. Төмен қысым түсіруі SHE-ге ластануды оңай басқаруға мүмкіндік береді. SHE "өзін-өзі тазартатын" механизмді пайдаланады, онда ластанған беттер сұйықтық жылдамдығының жергілікті жоғарылауына себеп болады, соның салдарынан ластанған бетке түсетін қарсылық күші (немесе сұйықтық үйкелісі) артып, бұл тұйықтарды жоюға және жылу алмастырғышты таза күйде ұстауға көмектеседі. "Жылу алмасу бетін құрайтын ішкі қабырғалар көбінесе қалың болады, бұл SHE-ді өте берік етеді және қиын жағдайларда ұзақ қызмет етуге мүмкіндік береді". Оларды тазалау да оңай, олар пештей ашылады, онда жиналған ластануларды қысыммен жуу арқылы жоюға болады. Өзін-өзі тазартатын су сүзгілері жүйені таза және үздіріссіз жұмыс істеу үшін картридждер мен сүзу қаптарын тоқтату немесе ауыстыру қажеттілігін жояды.
Қолданбалар
Спиральды жылу алмастырғыш пастеризация, дигесторді жылыту, жылуды қайтару, алдын ала жылыту (қараңыз: рекуператор) және сарғыш суды салқындату сияқты қолданулар үшін өте қолайлы. Шламды өңдеуде спиральды жылу алмастырғыштар басқа типтегі жылу алмастырғыштарға қарағанда көбінесе кішірек болады. Олар жылуды беруге арналған.
Бақылау және техникалық қызмет көрсету
Коммерциялық жылу алмастырғыштарды онлайн бақылау жалпы жылу беру коэффициентін қадағалау арқылы жүзеге асырылады. Жалпы жылу беру коэффициенті уақыт өте келе ластану салдарынан төмендеуге бейім. Жылу алмастырғыштың ағыны мен температурасы бойынша жалпы жылу беру коэффициентін мерзімді түрде есептеу арқылы, жылу алмастырғыштың иесі жылу алмастырғышты тазалау экономикалық тұрғыдан тиімді ма екенін бағалай алады. Тақталық және түтікшелік жылу алмастырғыштардың тұтастығын сынау өткізгіштік немесе гелий газы әдісімен орнында тексеруге болады. Бұл әдістер тақталардың немесе түтікшелердің бүтіндігін, кез келген араласып кетуді болдырмау үшін, сондай-ақ тығыздағыштардың жағдайын растайды. Жылу алмастырғыш түтікшелерінің механикалық тұтастығын бақылау, мысалы, едір токтарын сынау сияқты, бұзбайтын әдістер арқылы жүргізілуі мүмкін.
Сақтау
Плиталық және рамалық жылу алмастырғыштарды уақыт-уақыттарына бөлшектеп, тазалауға болады. Түтікшелі жылу алмастырғыштарды қышқылмен тазалау, құм атып тазалау, жоғары қысымды сумен шаю, оқтармен тазалау немесе бұрғы таяқшаларын қолдану сияқты әдістермен тазалауға болады. Жылу алмастырғыштарға арналған кең көлемді салқындату су жүйелерінде, жылу алмастыру жабдығының ластануын азайту үшін суды тазарту, химиялық заттар қосу және сынау сияқты суды өңдеу шаралары қолданылады. Электр станцияларының бу жүйелері және т.б. жабдықтарда да жылу алмастырғыштардың және басқа да жабдықтардың ластануын және коррозиясын азайту үшін басқа су өңдеу түрлері де қолданылады. Көптеген компаниялар биоластануды болдырмау үшін сулы тербеліс технологиясын қолдана бастады. Химиялық заттарды пайдаланбастан, бұл технология жылу алмастырғыштарда қысымның төмендеуін қамтамасыз етуге көмектеседі.
Құрылыс және өндіріс ережелері
Жылу алмастырғыштардың жобалануы мен өндірісі көптеген регламенттерге бағынады, олар қолданылатын аймаққа қарай өзгереді. Жобалау және өндіріс кодекстері: ASME қазандық және қысымды ыдыс кодексі (АҚШ); PD 5500 (Ұлыбритания); BS 1566 (Ұлыбритания); EN 13445 (ЕО); CODAP (Франция); 2016 жылғы қысымды жабдықтар қауіпсіздігі регламенті (PER) (Ұлыбритания); қысымды жабдықтар директивасы (ЕО); NORSOK (Норвегия); TEMA; API 12; және API 560.
Адамдар
Адамның мұрын жолдары жылу алмастырғыш ретінде қызмет етеді, салқын ауа ішке тартылып, жылы ауа сыртқа шығарылады. Оның тиімділігін қолды бетке жақын ұстап, бірінші мұрынмен, содан кейін ауызбен дем алу арқылы байқауға болады. Мұрын арқылы шығарылатын ауа айтарлықтай салқын болады. Бұл эффектіні киім арқылы күшейтуге болады, мысалы, суық ауада дем алғанда бетке шарф тарту арқылы. Сыртқы аталық бездері бар жануарлардың (адам сияқты) аталық безіне баратын артерия пампиниформды тор деп аталатын тамырлар торымен қоршалған. Бұл аталық безге баратын қанды салқындатып, кері қайтатын қанды қыздырады.
Құстар, балықтар, теңіз сүтқоректілері
"Қарсы ағымды" жылу алмастырғыштар балықтардың, киттердің және басқа теңіз жануарларының қан айналымы жүйесінде табиғи түрде кездеседі. Жылы қанды тасымалдайтын артериялар, теріден суық қанды тасымалдайтын веналармен торылысқан, нәтижесінде жылы артериялық қан суық веноздық қанмен жылу алмасады. Бұл суық судағы жалпы жылу шығынын азайтады. Балиен киттерінің тілінде де аузынан өтетін үлкен су көлеміне байланысты жылу алмастырғыштар кездеседі. Суда тұратын құстар денелерінен суға жылу шығынын шектеу үшін осыған ұқсас жүйені пайдаланады.
Таяқ артериясының желісі
Таяқ артериясы - кейбір тұяқты жануарлардағы кері токпен жылу алмасуды қамтамасыз ететін орган. Миға қарай таяқ артерияларымен жоғары көтерілетін қан, тамырлардың желісі арқылы өтеді, онда жылу мұрын жолдарынан төмен ағатын салқын қан тамырларына беріледі. Таяқ артериясының желісі Томсонның газеліне миын дененің қалған бөлігінен шамамен 3 °C (5.4 °F) салқын ұстауға мүмкіндік береді, соның арқасында метаболизмдік жылу өндірісінің кенет күрт өсуіне төзімділік танытады, мысалы, гепардтан қашу кезінде (осы уақытта дене температурасы мидің жұмыс істеуі үшін қажетті ең жоғары температурадан асып кетеді). Адамдар мен басқа приматтарда таяқ артериясының желісі жоқ.
Әуе кемелерінде
Коммерциялық ұшақтарда жылу алмастырғыштар қозғалтқыштың май жүйесінен жылу алып, суық отынды қыздыруға қолданылады. Бұл отынның тиімділігін жақсартады, сондай-ақ отындағы судың мұздап, құралымдарды бітеу мүмкіндігін азайтады.
Қазіргі нарық және болжамы
2021 жылы 17,5 миллиард АҚШ долларына бағаланған жылу алмастырғыштарға әлемдік сұраныс алдағы жылдары жыл сайын шамамен 5% өсуді күтуде. 2030 жылға қарай нарық құны 27 миллиард АҚШ долларына жетеді деп болжануда. Қоршаған ортаға қатысты жайлы нұсқаларға деген сұраныстың артуымен және кеңселер, сауда орталықтары мен қоғамдық ғимараттардың дамуына байланысты нарық кеңейеді деп күтілуде.