Як працюють теплообмінники Поясніть це

Кріс Вудфорд. Останнє оновлення: 26 березня 2020 р.

Ви коли-небудь спостерігали, як з димових трубок дрейфує дим, і дивувались, скільки енергії вони марно викачують у повітря? Можливо, менше, ніж ви можете подумати! Економія енергії є величезною і дорогою проблемою для керівників заводів, і це одна з причин, чому вони часто встановлюють пристрої, які називаються теплообмінниками, щоб уберегти якомога більше тепла від відпрацьованих газів. Теплообмінники також мають багато інших звичних застосувань. Двигуни в автомобілях, кораблях і літаках використовують теплообмінники для ефективнішої роботи, газові котли використовують їх для підігріву гарячої води, і якщо у вас вдома є холодильник або кондиціонер, вони використовують і теплообмінники. То що саме являють собою теплообмінники і як вони працюють? Давайте розглянемо уважніше!

Фото: Теплообмінники використовуються у багатьох двигунах і машинах для підвищення їх ефективності. Фото Майкла Дж. Ліберкнехта люб'язно надано ВМС США.

Зміст

Що таке теплообмінник?
Для чого використовуються теплообмінники?
Види теплообмінників
Які найкращі матеріали для теплообмінника?
Теплообмінник. чи ні?
Дізнатися більше

Що таке теплообмінник?

Припустимо, у вас є газова піч центрального опалення (котел), яка нагріває радіатори гарячої води у різних кімнатах вашого будинку. Він працює, спалюючи природний газ, роблячи лінію або сітку струменів гарячого газу, які стріляють вгору над водою, що протікає через мережу труб. Коли вода прокачується по трубах, вона поглинає теплову енергію і нагрівається. Таке розташування ми розуміємо під теплообмінником: струмені газу охолоджуються, а вода нагрівається.

Теплообмінник - це пристрій, що дозволяє теплу від рідини (рідини або газу) проходити до другої рідини (іншої рідини або газу), не маючи необхідності змішувати дві рідини або безпосередньо контактувати. Якщо це не зовсім зрозуміло, розгляньте це. Теоретично ми могли отримати тепло від газових струменів, просто кинувши на них холодну воду, але тоді полум'я загасне! Основним принципом теплообмінника є те, що він передає тепло, не передаючи рідину, яка несе тепло.

Фото: Як працює простий теплообмінник. Гаряча рідина (показана червоним кольором) протікає через трубку, згорнуту всередині більшої оболонки, через яку інша, холодніша рідина (показана синім кольором) протікає в протилежному напрямку. Тепло обмінюється рідинами: гаряча рідина охолоджується, а холодна рідина нагрівається, фактично вони не контактують і не змішуються. Це спрощений приклад кожухотрубного теплообмінника: як правило, теплообмінники цієї конструкції мають безліч тонких трубок, що проходять через велику оболонку.

Для чого використовуються теплообмінники?

Ви можете побачити теплообмінники в будь-яких місцях, зазвичай працюючи для обігріву або охолодження будівель або допомагаючи двигунам і машинам працювати ефективніше. Наприклад, холодильники та кондиціонери використовують теплообмінники протилежним чином від систем центрального опалення: вони відводять тепло з відсіку або приміщення, де воно не потрібне, і відкачують його в рідині в інше місце, де його можна скинути шляху. Охолоджуюча рідина повністю герметична всередині мережі труб, тому насправді вона ніколи не контактує з повітрям: вона забирає теплову енергію з повітря всередині і скидає її в повітря зовні, але ніколи не змішується безпосередньо з цим повітрям.

Фото: Тепловий насос витягує тепло з природного геотермального гарячого джерела, що використовується для обігріву будівель у котеджі та басейні Hot Springs у місті Гленвуд-Спрінгс, штат Колорадо. Обмінник - це покрита водоростями пластина, повна мідних трубок у центрі води. Фото Уоррена Греца люб’язно надано американським DOE/NREL (Департамент енергетики/Національна лабораторія поновлюваних джерел енергії).

В електростанціях або двигунах відпрацьовані гази часто містять тепло, яке марно спрямовується на відкрите повітря. Це втрата енергії, і те, що теплообмінник може, безумовно, зменшити (хоча і не повністю усунути - деяке тепло завжди буде втрачено). Шлях вирішення цієї проблеми - теплообмінники, розміщені всередині вихлопних труб або димових труб. Коли гарячі вихлопні гази дрейфують вгору, вони проходять повз мідні плавники водою, що протікає через них. Вода несе тепло назад, назад у рослину. Там він може бути перероблений безпосередньо, можливо, нагріваючи холодні гази, що подаються в двигун або піч, заощаджуючи енергію, яка в іншому випадку була б потрібна для їх нагрівання. Або це може бути використано для іншого корисного використання, наприклад, для опалення кабінету біля димової труби.

Фото: Як працює теплообмінник стічних вод для душу. Гаряча стічна вода, що виходить, нагріває надходить холодну воду, зменшуючи енергію, необхідну для нагрівання води, і роблячи все це більш ефективним.

У автобусах рідина, яка використовується для охолодження дизельного двигуна, часто пропускається через теплообмінник, а тепло, яке він відводить, використовується для нагрівання холодного повітря ззовні, яке закачується з підлоги салону. Це економить необхідність мати додаткові марнотратні електричні обігрівачі всередині автобуса. Автомобільний радіатор - це ще один вид теплообмінника. Вода, яка охолоджує двигун, протікає через радіатор, який має безліч паралельних алюмінієвих ребер, відкритих для повітря. Поки машина їде, холодне повітря, що дме повз радіатора, відводить частину тепла, охолоджуючи воду та нагріваючи повітря та забезпечуючи ефективну роботу двигуна. Відпрацьоване тепло радіатора використовується для обігріву салону, як і в автобусі.