Efektywność energetyczna urządzeń w technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej (1). Wymiana dobrze zorganizowana

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf

Szczególnie w zakresie techniki wentylacyjnej i klimatyzacyjnej istnieje olbrzymie zapotrzebowanie na różnego typu wymienniki ciepła stosowane w tzw. centralach tych systemów. Tymi aparatami są zarówno nagrzewnice, jak i chłodnice powietrza. Przeto również w tym dziale techniki intensyfikacja procesu wymiany ciepła w stosownych aparatach ma olbrzymie znaczenie poznawcze i praktyczne.

Co się tam dzieje? W wymiennikach ciepła – zgodnie z ich definicją – zachodzi zorganizowana wymiana ciepła pomiędzy płynami. W dziedzinie wymienników ciepła rozróżniamy trzy główne ich typy.

Są tu rekuperatory, czyli wymienniki przeponowe, w których zachodzi bezpośrednia wymiana ciepła poprzez stosowną przegrodę rozdzielającą oba płyny. Taki przypadek wymiany ciepła opisuje prawo Pécleta.

Innym typem wymiennikiem ciepła jest regenerator, w którym wymiana ciepła pomiędzy płynami zachodzi poprzez specjalne pośredniczące wypełnienie (często ceramiczne), z którym to wypełnieniem naprzemiennie spotyka się płyn cieplejszy z zimniejszym. Wypełnienie może być ruchome lub też nieruchome.

Wreszcie trzecim typem jest wymiennik mieszankowy, w którym następuje mieszanie się obu strumieni identycznych płynów, zapewniając w ten sposób płyn o pośredniej temperaturze.

Prawo Pécleta W związku z takim podziałem typologicznym aparatów do wymiany ciepła do dalszych rozważań wybrano rekuperatory jako przeważnie najczęściej spotykane.

Intensywność przepływu ciepła w takim wymienniku określa wspomniane prawo Pécleta. Mówi ono, że strumień przepływającego ciepła pomiędzy płynami jest wprost proporcjonalny zarówno do powierzchni wymiany ciepła w aparacie, jak i do średniej różnicy temperatury między płynami. Współczynnikiem proporcjonalności w tej zależności jest współczynnik przenikania ciepła. Współczynnik ten jest miarą, a ściślej – odwrotnością oporu cieplnego, wywiązującego się podczas przepływu ciepła między płynami. A zatem przy określonych gabarytach powierzchni wymiany ciepła określonego aparatu i przy narzuconej średniej różnicy temperatury pomiędzy płynami strumień przekazywanego ciepła zależy od wartości współczynnika przenikania ciepła.

Trzy zjawiska Złożony przepływ ciepła między płynami w wymienniku można rozbić na trzy elementarne zjawiska:

  • przejmowanie ciepła między cieplejszym płynem a przegrodą, opisane równaniem Newtona,
  • przewodzenie ciepła przez przegrodę, opisane równaniem Fouriera,
  • przejmowanie ciepła od przegrody przez zimniejszy płyn, też opisane równaniem Newtona.

Często posługujemy się analogią elektryczną zastosowaną do przepływu ciepła. W oparciu o nią wprowadzamy, przez analogię do oporu elektrycznego, pojęcie oporu cieplnego. W najprostszym przypadku stanowi on odwrotność oporu przejmowania ciepła lub stosunek grubości przegrody do jej współczynnika przewodzenia ciepła. Na podstawie analogii elektrycznej, z której wynika, że opór elektryczny szeregowo połączonych oporów elektrycznych jest równy ich sumie, wynika też, że opór cieplny przenikania jest sumą oporów cieplnych – kolejno przejmowania ciepła przez przegrodę od cieplejszego płynu, przewodzenia ciepła przez właściwą przegrodę i wreszcie przejmowania ciepła od tej przegrody przez zimniejszy płyn.

A zatem współczynnik przenikania ciepła zależy od wartości współczynników przejmowania ciepła przez każdy z płynów po obu stronach przegrody oraz od współczynnika przewodzenia ciepła materiału przegrody, a także jej grubości.

Wartość współczynnika przejmowania ciepła może być wyznaczona, np. z odpowiedniej zależności kryterialnej opisującej wymianę ciepła między płynami a każdą ze stron przegrody. Jego wartość zależy zatem od przebiegu samego zjawiska przekazywania ciepła (towarzyszącego lub nie towarzyszącego zmianie fazowej płynu), od kształtu, czyli geometrii powierzchni, na której następuje wymiana ciepła, od własności fizycznych płynu oraz od warunków kinematycznych charakteryzujących przepływ płynu i wreszcie od kierunku przepływu ciepła (od powierzchni rozdzielającej czy do tej powierzchni).

Wartości współczynników przejmowania ciepła dla cieczy przyjmują na ogół znacznie większe wartości niż dla gazów i par. Zmianie stanu skupienia płynu (skraplanie, wrzenie) towarzyszą wyższe wartości współczynników niż w przypadkach wymiany ciepła bez zmiany stanu skupienia płynu.

W następnym odcinku omówiona zostanie m.in. kwestia poprawnej budowy rekuperatorów.

dr inż. Piotr Kubski

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij