¿Cuál es la función del intercambiador de calor?
Un intercambiador de calor es un dispositivo que transfiere parte del calor de un fluido caliente a un fluido frío, también conocido como intercambiador de calor.
Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente. Los disipadores de calor utilizados para calentar en la vida diaria, los condensadores en los dispositivos de turbinas de vapor y los enfriadores de aceite en los cohetes espaciales son todos intercambiadores de calor. También se utiliza ampliamente en sectores industriales como el químico, el petrolero, el eléctrico y el de energía atómica. Su función principal es asegurar la temperatura específica requerida para el medio durante el proceso, y también es uno de los principales equipos para mejorar el aprovechamiento de la energía.
Un intercambiador de calor puede ser un dispositivo separado, como un calentador, un enfriador, un condensador, etc. o puede ser un componente de un determinado equipo de proceso, como un intercambiador de calor en un Torre de síntesis de amoniaco.
Debido a las limitaciones de la tecnología de fabricación y el nivel científico, los primeros intercambiadores de calor solo podían adoptar estructuras simples, con área de transferencia de calor pequeña, gran volumen y peso pesado, como los intercambiadores de calor de tubos de serpiente. Con el desarrollo de la tecnología de fabricación, se ha formado gradualmente un intercambiador de calor de carcasa y tubos. No solo tiene una gran área de transferencia de calor por unidad de volumen, sino que también tiene un buen efecto de transferencia de calor. Ha sido durante mucho tiempo un intercambiador típico en la industria. producción.
Los intercambiadores de calor de placas aparecieron en los años 20 y se utilizaban en la industria alimentaria. Los intercambiadores de calor fabricados con placas en lugar de tubos tienen estructuras compactas y buenos efectos de transferencia de calor, por lo que se han desarrollado en diversas formas. A principios de la década de 1930, Suecia fabricó el primer intercambiador de calor de placas en espiral. Luego, el Reino Unido utilizó soldadura fuerte para crear un intercambiador de calor de placas y aletas hecho de cobre y sus materiales de aleación, que se utilizó para disipar el calor de los motores de los aviones. A finales de la década de 1930, Suecia fabricó el primer intercambiador de calor de placas y carcasa, que se utilizó en fábricas de celulosa. Durante este período, para resolver el problema del intercambio de calor en medios altamente corrosivos, la gente comenzó a prestar atención a los intercambiadores de calor fabricados con nuevos materiales.
Alrededor de la década de 1960, debido al rápido desarrollo de la tecnología espacial y la ciencia de vanguardia, existía una necesidad urgente de varios intercambiadores de calor compactos de alta eficiencia, junto con el desarrollo de tecnologías de estampado, soldadura fuerte y sellado. , intercambiadores de calor El proceso de fabricación del intercambiador de calor se ha mejorado aún más, promoviendo así el desarrollo vigoroso y la aplicación generalizada de los intercambiadores de calor de placas compactos. Además, desde la década de 1960, para satisfacer las necesidades de intercambio de calor y ahorro de energía en condiciones de alta temperatura y alta presión, también se han seguido desarrollando los típicos intercambiadores de calor de carcasa y tubos. A mediados de la década de 1970, para mejorar la transferencia de calor, se creó un intercambiador de calor de tubos de calor basado en la investigación y el desarrollo de tubos de calor.
Los intercambiadores de calor se pueden dividir en tres tipos según los diferentes métodos de transferencia de calor: tipo híbrido, tipo regenerativo y tipo partición.
El intercambiador de calor híbrido es un intercambiador de calor que intercambia calor mediante el contacto directo y la mezcla de fluidos fríos y calientes, también conocido como intercambiador de calor de contacto. Dado que los dos fluidos deben separarse a tiempo después de mezclar e intercambiar calor, este tipo de intercambiador de calor es adecuado para el intercambio de calor entre fluidos gaseosos y líquidos. Por ejemplo, en las torres de agua de refrigeración utilizadas en plantas químicas y centrales eléctricas, se rocía agua caliente de arriba a abajo, mientras que se aspira aire frío de abajo hacia arriba sobre la superficie de la película de agua del relleno o la superficie de las gotas y el agua. Las gotas, el agua caliente y el aire frío entran en contacto entre sí para intercambiar calor, el agua caliente se enfría, el aire frío se calienta y luego los dos fluidos se separan en el tiempo según la diferencia de densidad de los dos fluidos.
El intercambiador de calor regenerativo es un intercambiador de calor que utiliza fluidos fríos y calientes para fluir alternativamente a través de la superficie del regenerador (relleno) en el regenerador para intercambiar calor, como el precalentamiento debajo del regenerador de aire del horno de coque. Este tipo de intercambiador de calor se utiliza principalmente para recuperar y utilizar el calor de los gases de escape a alta temperatura. Un equipo similar destinado a recuperar energía fría se denomina regenerador y se utiliza principalmente en dispositivos de separación de aire.
Los fluidos fríos y calientes del intercambiador de calor de pared divisoria están separados por paredes divisorias sólidas y el intercambiador de calor intercambia calor a través de la pared divisoria. Por lo tanto, también se le llama intercambiador de calor de superficie. El intercambiador de calor es el más utilizado.
Los intercambiadores de calor de pared divisoria se pueden dividir en tipo de tubo, tipo de placa y otros tipos según la estructura de la superficie de transferencia de calor. Los intercambiadores de calor tubulares utilizan la superficie del tubo como superficie de transferencia de calor, incluidos los intercambiadores de calor de tipo bobina, los intercambiadores de calor de manga y los intercambiadores de calor de carcasa y tubos que utilizan la superficie de placa como superficie de transferencia de calor; incluyendo intercambiadores de calor de placas, intercambiadores de calor de placas en espiral, intercambiadores de calor de placas y aletas, intercambiadores de calor de placas y carcasa, intercambiadores de calor de placas tipo paraguas, etc., son intercambiadores de calor diseñados para cumplir con ciertos requisitos especiales, como la superficie raspada. Intercambiadores de calor, intercambiadores de calor de discos giratorios y enfriadores de aire, etc.
Las direcciones de flujo relativas de los fluidos en los intercambiadores de calor generalmente incluyen aguas abajo y contracorriente. Cuando fluye aguas abajo, la diferencia de temperatura entre los dos fluidos es mayor en la entrada, disminuye gradualmente a lo largo de la superficie de transferencia de calor y alcanza la diferencia de temperatura más pequeña en la salida. Durante el flujo a contracorriente, la diferencia de temperatura entre los dos fluidos a lo largo de la superficie de transferencia de calor se distribuye de manera más uniforme. Bajo la condición de que las temperaturas de entrada y salida de los fluidos fríos y calientes sean constantes, cuando no hay cambio de fase entre los dos fluidos, la diferencia de temperatura promedio entre el flujo a contracorriente es la mayor y el flujo aguas abajo es la más pequeña.
Bajo la condición de completar la misma cantidad de transferencia de calor, el uso de contraflujo puede aumentar la diferencia de temperatura promedio y reducir el área de transferencia de calor del intercambiador de calor si el área de transferencia de calor permanece sin cambios; , el uso de contraflujo puede provocar que se reduzca el consumo de fluido en calefacción o refrigeración. El primero puede ahorrar costos de equipo y el segundo puede ahorrar costos operativos. Por lo tanto, el intercambio de calor a contracorriente debe utilizarse tanto como sea posible en el diseño o la producción.
Cuando ambos o uno de los fluidos frío y caliente cambian de fase (ebullición o condensación), solo se libera o absorbe el calor latente de vaporización durante el cambio de fase, y la temperatura del fluido en sí no cambia. Por lo tanto, las temperaturas de entrada y salida del fluido son iguales, entonces la diferencia de temperatura entre los dos fluidos no tiene nada que ver con la selección de la dirección del flujo del fluido. Además de las dos direcciones de flujo, flujo directo y contraflujo, también existen direcciones de flujo como flujo cruzado y flujo deflector.
En el proceso de transferencia de calor, es una cuestión importante reducir la resistencia térmica en el intercambiador de calor de pared divisoria para mejorar el coeficiente de transferencia de calor. La resistencia térmica proviene principalmente de la fina capa de fluido adherida a la superficie de transferencia de calor en ambos lados de la pared divisoria (llamada capa límite) y de la capa de suciedad formada en ambos lados de la pared durante el uso del intercambiador de calor. La resistencia térmica de la pared metálica es relativamente pequeña.
Aumentar el caudal y la turbulencia del fluido puede adelgazar la capa límite, reducir la resistencia térmica y aumentar el coeficiente de transferencia de calor. Sin embargo, aumentar el caudal de fluido aumentará el consumo de energía, por lo que se debe hacer una coordinación razonable entre la reducción de la resistencia térmica y la reducción del consumo de energía durante el diseño. Para reducir la resistencia térmica de la suciedad, intente retrasar la formación de suciedad y limpie la superficie de transferencia de calor con regularidad.
Generalmente, los intercambiadores de calor están hechos de materiales metálicos, entre los cuales el acero al carbono y el acero de baja aleación se utilizan principalmente para fabricar intercambiadores de calor de media y baja presión; el acero inoxidable se utiliza principalmente en diferentes condiciones de resistencia a la corrosión. El acero inoxidable de temperatura también se puede utilizar como material resistente a altas y bajas temperaturas; el cobre, el aluminio y sus aleaciones se utilizan principalmente para fabricar intercambiadores de calor de baja temperatura; las aleaciones de níquel se utilizan en condiciones de alta temperatura, además de fabricar piezas de juntas; , se han comenzado a utilizar algunos materiales no metálicos adecuados para fabricar intercambiadores de calor resistentes a la corrosión de materiales no metálicos, como intercambiadores de calor de grafito, intercambiadores de calor fluoroplásticos e intercambiadores de calor de vidrio.