Πώς λειτουργούν οι μονάδες ανταλλαγής θερμότητας;

Απομόνωση υγρών (κύρια λειτουργία)Οι περισσότερες συσκευές ανταλλαγής θερμότητας βιομηχανικού και εξωτερικού εμπορίου διαχωρίζουν αυστηρά τα ζεστά και τα κρύα ρευστά μέσω στερεών τοιχωμάτων υψηλής θερμικής αγωγιμότητας (όπως τοιχώματα μεταλλικών σωλήνων, κυματοειδείς μεταλλικές πλάκες) για να αποφευχθεί η ανάμειξη και η μόλυνση των δύο ρευστών και επιτρέπουν μόνο τη μεταφορά θερμότητας μέσω του τοίχου.

Κινητήρια δύναμη: Διαφορά θερμοκρασίας (ΔT)Η βασική κινητήρια δύναμη της μεταφοράς θερμότητας είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ζεστών και κρύων ρευστών. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας. Εφόσον υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο ρευστών, η μεταφορά θερμότητας θα γίνεται αυθόρμητα έως ότου η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο ρευστών πλησιάσει το μηδέν και επιτευχθεί μια δυναμική ισορροπία, οπότε ουσιαστικά σταματά η αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας.

Βασική διαδικασία:Τρία-Βήμα μεταφοράς θερμότητας Λαμβάνοντας για παράδειγμα τον πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο έμμεσο εναλλάκτη θερμότητας, η μεταφορά θερμότητας αποτελείται από τρία διαδοχικά βήματα, κανένα από τα οποία δεν μπορεί να παραλειφθεί:

- Μεταφορά θερμότητας με συναγωγή (ρευστό → τοίχος): Όταν ένα ρευστό υψηλής- θερμοκρασίας ρέει πάνω από τη μία πλευρά ενός τοίχου, τα μόρια του ρευστού συγκρούονται με τον τοίχο και μεταφέρουν θερμότητα στον τοίχο. Ταυτόχρονα, η μακροσκοπική ροή του ίδιου του ρευστού (στροβιλισμός) μεταφέρει συνεχώς εσωτερική θερμότητα στον τοίχο. Όσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός ροής και όσο πιο ισχυρός είναι ο στροβιλισμός, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση μεταφοράς θερμότητας.

- Αγωγή θερμότητας (μέσα στον τοίχο): Η θερμότητα μεταφέρεται από το πλευρικό τοίχωμα υψηλής-θερμοκρασίας στο πλευρικό τοίχωμα χαμηλής-θερμοκρασίας μέσω της μοριακής δόνησης του υλικού στερεού τοιχώματος. Η θερμική αγωγιμότητα του υλικού του τοίχου (όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο, που έχουν καλύτερη θερμική αγωγιμότητα από τον ανοξείδωτο χάλυβα) και το πάχος του τοιχώματος και ο βαθμός ρύπανσης επηρεάζουν άμεσα την απόδοση αγωγιμότητας.

- Μεταφορά θερμότητας με συναγωγή (τοίχος → υγρό): Το πλευρικό τοίχωμα χαμηλής- θερμοκρασίας μεταφέρει θερμότητα στα μόρια ρευστού χαμηλής- θερμοκρασίας κοντά στον τοίχο. Το υγρό χαμηλής- θερμοκρασίας μεταφέρει τη θερμότητα μέσω της ροής του, διατηρώντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του τοίχου και του ρευστού και εξασφαλίζοντας συνεχή μεταφορά θερμότητας.

Ενεργειακό Ισοζύγιο:Διατήρηση θερμότητας Υπό ιδανικές συνθήκες (αγνοώντας μια μικρή απώλεια θερμότητας), η συνολική θερμότητα που εκλύεται από το υγρό υψηλής-θερμοκρασίας ισούται με τη συνολική θερμότητα που απορροφάται από το ρευστό χαμηλής{{1} θερμοκρασίας, το οποίο συμμορφώνεται με τον νόμο διατήρησης της ενέργειας. Καθώς μεταφέρεται θερμότητα, η θερμοκρασία της υψηλής{{3} θερμοκρασίας του ρευστού, αυξάνεται σταδιακά η θερμοκρασία του ρευστού και αυξάνεται σταδιακά η θερμοκρασία του ρευστού η διαφορά μεταξύ των δύο μειώνεται σταδιακά, μειώνοντας έτσι τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας.