Wymienniki ciepła równoległe
Wymienniki ciepła są wykorzystywane w wielu zastosowaniach technicznych. Przykładami są skraplacze, kolumny rektyfikacyjne, pompy ciepła, układy chłodzenia silników napędowych, klimatyzacje, instalacje do odzyskiwania energii oraz systemy grzewcze z płynami termicznymi. Celem jest zawsze przeniesienie energii cieplnej z cieplejszego medium do zimniejszego. Nie dochodzi przy tym do mieszania się mediów.
Siłą napędową wymiany ciepła jest różnica temperatur. Przenoszoną moc strumienia ciepła Q˙ można ogólnie opisać wzorem
dQ/dt = dm/dt · cp · ΔT
Q˙= m˙· cp · ΔT
m˙ jest przepływem masowym, cp jest pojemnością cieplną właściwą, a ΔT jest zmianą temperatury medium. Wzór ten ma zastosowanie do przepływu jednofazowego o stałej wartości cp.
W równoległym wymienniku ciepła oba media przepływają w tym samym kierunku wzdłuż powierzchni wymiany ciepła. Największe różnice temperatur występują w obszarze wlotu. Wzdłuż kierunku przepływu temperatury obu mediów szybko się zbliżają. Średnia różnica temperatur napędowa staje się coraz mniejsza.
Do obliczeń często stosuje się logarytmiczną średnią różnicę temperatur. Warunki wstępne to: brak reakcji chemicznych i brak zmiany fazy:
ΔTlm = (ΔT1−ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2)
Przeciwieństwem wymiennika ciepła z przepływem równoległym jest wymiennik ciepła z przepływem przeciwprądowym. W wymienniku ciepła z przepływem przeciwprądowym przeciwny kierunek przepływu powoduje wyższą średnią różnicę temperatur ΔTlm. Przy tej samej powierzchni wymiany ciepła i tym samym współczynniku wymiany ciepła prowadzi to do wyższej sprawności cieplnej w porównaniu z równoległym wymiennikiem ciepła.
- ΔTlm jest logarytmiczną średnią różnicą temperatur
- Th,in jest temperaturą wejściową gorącego medium
- Th,out jest temperaturą wyjściową gorącego medium
- Tc,in to temperatura wejściowa zimnego medium
- Tc,out to temperatura wyjściowa zimnego medium
- Q˙ to strumień ciepła
- Indeks G oznacza przeciwprąd
- Indeks P oznacza prąd równoległy
- Indeks c oznacza zimny
- Indeks h oznacza ciepły
- U to całkowity współczynnik przenikania ciepła
- A to powierzchnia wymiany ciepła