Hoofdstuk 1
Classificatie van warmtewisselaars 1.1 Inleiding 1.1.1 Definitie Een warmtewisselaar is een apparaat dat wordt gebruikt om overdracht van thermische energie (enthalpie) te realiseren tussen twee of meer fluïda op verschillende temperaturen. Warmtewisselaars worden in een groot aantal verschillende toepassingen gebruikt, zoals o.a. elektriciteitsproductie, proces- en voedingsindustrie, chemische nijverheid, elektronica, milieutechnologie, warmte-kracht-koppeling, stoomproductie, airconditioning, koeling en refrigeratie, ruimtevaart, ... . Warmtewisselaars kunnen geclassificeerd worden volgens (zie figuren 1.1 en 1.2): 1. overdrachtsproces 2. constructie 3. stromingsrichting van de fluïda 4. warmteoverdrachtsmechanisme 5. oppervlakte compactheid.
1
Figuur 1.1. Classificatie van warmtewisselaars
2
Figuur 1.2. Criteria voor classificatie van warmtewisselaars
3
1.2 Overdrachtsproces In een direct-contact-warmtewisselaar, wordt warmte overgedragen tussen een koud en een warm fluïdum door een direct contact tussen de beide fluïda. Er bevindt zich geen vaste wand tussen de warme en de koude stroom en de warmteoverdracht gebeurt doorheen het fysisch scheidingsvlak tussen de twee stromen (figuur 1.2(c)). In een direct-contactwarmtewisselaar bestaan de twee stromen uit niet-mengbare vloeistoffen, een combinatie van een vloeistof met een gas of vaste deeltjes met een vloeistof of gas. Voorbeelden van dit type warmtewisselaars zijn koeltorens en mengcondensors (figuur 1.3).
Figuur 1.3. Mengcondensor met plateaus en met sproeiers
In een indirect-contact-warmtewisselaar, wordt de warmte tussen het koude en warme fluïdum overgedragen doorheen een warmtegeleidende wand. Beide stromen worden niet gemengd. Voorbeelden zijn dubbele-pijp, trommel-en-pijp- en plaatwarmtewisselaars , ... (zie figuren 1.4, 1.5 en 1.6). Ook regeneratoren (figuur 1.14) en wervelbedden vallen onder deze categorie. In deze laatste twee is het contactoppervlak niet vast ten opzichte van de fluïda.
1.3 Constructie 1.3.1 Recuperatoren Figuur 1.2(a) stelt een conventionele warmtewisselaar voor. In deze recuperator wordt de warmte afgestaan door de warme stroom B en opgenomen (gerecupereerd) door de koude stroom A. De warmteoverdracht gebeurt door een vaste wand of doorheen het scheidingsoppervlak tussen de fluïda. Recuperatoren kunnen opgedeeld worden in drie verschillende categorieën naargelang het soort oppervlak waardoor de warmteoverdracht gebeurt (figuur 1.2(h),(i) en (j)): 1. buistypes 2. plaattypes 3. warmtewisselaars met vergrote oppervlaktes.
4
Figuur 1.4. Dubbele-pijp-warmtewisselaar
De meest eenvoudige buiswarmtewisselaar is de dubbele-pijp-warmtewisselaar. Zoals getoond in figuur 1.4 bestaat deze uit twee concentrische buizen. De aansluitingen zorgen ervoor dat het ene fluïdum in de binnenste buis en het andere tussen de twee buizen stroomt. Dubbele-pijp-warmtewisselaars kunnen worden geschikt in verschillende combinaties van serie- en parallelschakelingen om het gewenste temperatuursprogramma en de gewenste drukval te bekomen. Dubbele-pijp-warmtewisselaars worden gebruikt als procesfluïda worden gekoeld met kleine warmteoverdrachtoppervlaktes (tot 50 m2). Als beide fluïda op hoge druk staan, is deze configuratie eveneens voordelig. Het grootste nadeel is dat de warmtewisselaars lijvig zijn en duur per eenheid van overdrachtsoppervlakte. Aan de binnenzijde kunnen één of meerdere buizen worden gebruikt. Deze kunnen eventueel worden voorzien van vinnen. Trommel-en-pijp-warmtewisselaars worden gebouwd uit ronde pijpen die worden gemonteerd in een cilindrische trommel, waarbij de as van de pijpen evenwijdig is met de as van de trommel. Deze warmtewisselaars worden zowat overal gebruikt in de industrie, als oliekoelers, condensors, stoomketels en in de chemische en procesindustrie. De eenvoudigste vorm wordt getoond in figuur 1.5. Het ene fluïdum stroomt doorheen de pijpen. Het tweede fluïdum stroomt dwars of langs de pijpen doorheen de trommel. In de trommel worden meestal schotten geplaatst, waardoor de stroming in de trommel dwars over de pijpen stroomt tussen de schotten en evenwijdig met de pijpen bij overgang tussen twee compartimenten. De spiraal-pijp-warmtewisselaar bestaat uit een pijp die in een spiraal is gewonden en in een trommel wordt geplaatst. De warmteoverdracht is groter voor een gewonden pijp dan voor een rechte pijp. Deze warmtewisselaars zijn enkel geschikt voor niet vervuilde vloeistoffen, omdat schoonmaken van de warmtewisselaar nagenoeg onmogelijk is. Warmtewisselaars kunnen ook opgebouwd worden door middel van platen die de kanalen vormen waardoor de fluïda stromen. Deze warmtewisselaars van het plaattype worden gebruikt in allerlei combinaties van gas-, vloeistof- en twee-fase-stromingen.
5
Figuur 1.5. Trommel-en-pijp-warmtewisselaar
De plaatwarmtewisselaar bestaat uit een aantal parallelle rechthoekige platen, waarin een golfprofiel is voorgeperst. De platen zijn op de hoeken voorzien van openingen die zo zijn gevormd dat de ruimte tussen de platen alternerend door één van beide fluïda wordt doorstroomd. Dit principe wordt geïllustreerd in figuur 1.6. De platen worden voorzien van een dichtingsring en met trekstangen samengeperst. Andere worden ook samengelast of gesoldeerd, wat het nadeel heeft dat ze niet meer kunnen worden gedemonteerd. Reiniging kan in dat geval alleen chemisch gebeuren.
Figuur 1.6. Plaatwarmtewisselaar
6
Figuur 1.7. Werkingsschema van de plaatwarmtewisselaar
Een spiraalwarmtewisselaar wordt gevormd door twee dunne metalen platen die spiraalvormig worden opgewonden rond een kern (figuur 1.8). De platen worden onderaan en bovenaan aan elkaar gelast, zodat kanalen ontstaan. De platen worden op constante afstand gehouden door afstandhouders tussen de twee platen. De afstand tussen de platen kan worden gevarieerd zodat voor ieder massadebiet de ideale stromingscondities kunnen worden verkregen, wat leidt tot een kleinst mogelijke warmteoverdrachtsoppervlakte.
Figuur 1.8. Spiraalwarmtewisselaar
7
Een derde plaattype-warmtewisselaar is de lamellenwarmtewisselaar (figuur 1.9). De lamellen bestaan uit een aantal evenwijdige, gelaste dunne-plaat-kanalen, die longitudinaal in een trommel worden geplaatst. De platen worden dikwijls voorzien van uitstulpingen, die tot doel hebben de afstand tussen de platen te behouden en de stijfheid van de lamellen te vergroten. De trommel heeft geen schotten waardoor het fluïdum in één pas doorheen de trommel stroomt, meestal in longitudinale richting. Er is hier dan ook sprake van een zuivere tegen- of gelijkstroom opstelling.
Figuur 1.9. De lamellenwarmtewisselaar
Tenslotte is er de gedrukte-schakeling-warmtewisselaar, zoals voorgesteld in figuur 1.10. De warmtewisselaar bestaat volledig uit platen, waarin fijne kanalen worden geëtst, op dezelfde wijze als bij de productie van gedrukte schakelingen ("IC"). Zeer hoge oppervlaktedensiteiten zijn hierdoor mogelijk. Dit is een relatief nieuw type warmtewisselaar en werd reeds succesvol toegepast met relatief zuivere gassen, vloeistoffen en fase-veranderingen. Warmtewisselaars met vergrote oppervlakte bezitten vinnen of andere extensies op een primair oppervlak (buis of plaat), die tot doel hebben de oppervlakte die bijdraagt in de warmteoverdracht te vergroten. Gevinde oppervlakken worden vaak gebruikt aan de gaszijde, omdat de warmteoverdrachtscoëfficiënt bij een gas veel kleiner is dan bij een vloeistof. Er kunnen twee soorten gevinde oppervlaktes onderscheiden worden: 1. plaat-vin-warmtewisselaars 2. buis-vin-warmtewisselaars.
8
Figuur 1.10. Onderdeel van een warmtewisselaar op basis van een gedrukte schakeling
De plaat-vin-warmtewisselaars worden vooral gebruikt voor gas-gas-toepassingen, terwijl buis-vin-warmtewisselaars typisch voor vloeistof-gas-toepassingen worden ingezet. Voor veel toepassingen (vrachtwagens, auto's en vliegtuigen) is gewichts- en volumereductie van groot belang. Gevinde warmtewisselaars zijn compact en worden dan ook vaak gebruikt in energierecuperatie, koeling en airconditioning. Figuur 1.11 toont een algemene vorm van een plaat-vin-warmtewisselaar . De warmtewisselaar is opgebouwd uit evenwijdige platen, waartussen golfplaten werden aangebracht. De golfplaat dient enkel als vin, terwijl de platen de verschillende fluïda scheiden. De verschillende lagen kunnen parallel of dwars geschikt worden.
Figuur 1.11. Plaat-vin-warmtewisselaar
9
Een buis-vin-warmtewisselaar bestaat uit een pijpenbundel waarbij vinnen aan de buitenzijde van de buizen werden bevestigd. Deze vinnen kunnen individuele vinnen, transversale vinnen, helicoïdale vinnen of longitudinale (axiale) vinnen zijn. Deze laatste worden vooral toegepast in dubbele-pijp-warmtewisselaars en trommel-en-pijp-warmtewisselaars zonder dwarsschotten. Alternatief kunnen ook dunne platen als vinnen vastgemaakt worden op de pijpenbundel, zoals bijvoorbeeld getoond in figuur 1.12. De buizen zelf kunnen rond, ellipsvormig of rechthoekig zijn. Deze warmtewisselaars worden gebruikt voor airconditioning, verwarming en ventilatie. Ook aan de binnenzijde van de buizen kunnen vinnen worden aangebracht. Deze kunnen bijvoorbeeld bestaan uit gleuven die in de pijpwand worden gefreesd. Soms worden ook helicoïdaal gewonden strips in de buizen ingebracht die de stroming turbulent maken en de warmteoverdracht verbeteren.
Figuur 1.12. Pijpenbundel met plaatvormige vinnen
1.3.2 Regeneratoren In een regenerator wordt gedurende een zekere tijd warmte opgeslagen in een matrix. Men spreekt hier dan ook van een warmtewisselaar van het opslag-type. De matrix wordt afwisselend doorstroomd door één van beide fluïda. Het warme fluïdum slaat thermische energie op in de matrix. Wanneer het koude fluïdum doorheen de matrix stroomt wordt het opgewarmd omdat het de energie die in de matrix werd opgeslagen eraan onttrekt. Het cyclisch principe van de warmtewisselaar wordt geïllustreerd in figuren 1.2(b) en 1.13. Wanneer de matrix zich in de koude stroom A bevindt verliest hij warmte, wanneer hij zich in de warme stroom B bevindt, warmt hij terug op (regenereert hij). Voorbeelden van regeneratoren zijn roterende regeneratoren als luchtvoorverwarmers in grote stoomketels, roterende regeneratoren in gasturbines, vaste regeneratoren in hoogovens, glasovens, ... .
Figuur 1.13. Werkingsprincipe van een regenerator
10
Figuur 1.14. Uitvoeringsvoorbeeld van een regenerator
Regeneratoren kunnen verder nog opgedeeld worden in: 1. roterende-matrix regeneratoren 2. vaste-matrix regeneratoren 3. roterende-kap regeneratoren. In de roterende-matrix regenerator stromen het koude en het warme fluïdum door twee gescheiden kanalen. De matrix draait rond zodat de ene helft van de matrix zich afwisselend in het koude en het warme kanaal bevindt, zoals voorgesteld in figuur 1.15(a). In een regenerator met vaste matrix worden de koude en de warme stroom achtereenvolgens door de matrix geleid. Zoals geïllustreerd in figuur 1.15(b) worden er twee matrices gebruikt, die afwisselend door warm en koud worden doorstroomd. Een variant hierop is de regenerator waarbij een kap ervoor zorgt dat de koude stroom geleid wordt over een deel van de matrix. Door het andere deel stroomt de warme stroom. De kap draait rond zodat ieder deel van de matrix opeenvolgend het warme en koude fluïdum waarneemt (figuur 1.15(c)).
11
Figuur 1.15. Regenerator types: (a) roterende matrix, (b) vaste matrix, (c) roterende kap
1.4 Stromingsrichting van de fluïda Warmtewisselaars kunnen ook worden opgedeeld volgens de wijze waarop de fluïda ten opzicht van elkaar stromen. Er zijn drie configuraties te onderscheiden: 1. gelijkstroom 2. tegenstroom 3. dwarsstroom. Bij gelijkstroom-warmtewisselaars treden de beide fluïda aan eenzelfde zijde de warmtewisselaar binnen, stromen doorheen de warmtewisselaar in dezelfde richting en verlaten samen de warmtewisselaar aan de andere zijde (figuur 1.16(a)). In de tegenstroom-opstelling stromen de beide fluïda in tegengestelde richting (figuur 1.16(b)). Het ene fluïdum treedt binnen waar het andere buitengaat. Bij een enkelvoudige dwarsstroomopstelling maakt de stromingsrichting van het ene fluïdum een rechte hoek met de stromingsrichting van het andere fluïdum (figuur 1.16(c)). Hierbij kunnen de fluïda gemengd of ongemengd stromen. Wanneer het fluïdum door individuele kanalen stroomt, zonder dat er een menging is tussen de onderlinge kanalen, spreekt men van de ongemengde stroming. Bij de schikking zoals getoond in figuur 1.16(d) bevindt fluïdum 2 zich in de buizen, waardoor het niet vrij is om in de transversale richting te bewegen. Fluïdum nummer 1 daarentegen kan vrij bewegen in de transversale richting en kan zo zichzelf mengen. Men spreekt in dit geval van de ongemengde-gemende opstelling. Onder gesplitste stroming verstaat men de configuratie getoond in figuur 1.17(b) en met verdeelde stroming wordt de opstelling zoals in figuur 1.17(a) bedoeld. Deze laatste twee opstellingen komen voor bij trommel-en-pijp-warmtewisselaars.
12
Figuur 1.16. Stromingsconfiguraties in een warmtewisselaar
Figuur 1.17. Gesplitste en verdeelde stroming in een trommel-en-pijp-warmtewisselaar
Er kunnen ook meervoudige doorstromingen in dwarsstroom gerealiseerd worden door de verschillende configuraties in serie te plaatsen. Zo stroomt in een trommel-en-pijpwarmtewisselaar het ene fluïdum in dwarsstroom over de pijpen, tussen de schotten, terwijl het bij het passeren van de schotten in gelijk- of tegenstroom vloeit, afhankelijk van de opstelling van de warmtewisselaar. Bij compacte warmtewisselaars worden de verschillende fluïda in iedere laag telkens 90° gedraaid ten opzichte van elkaar. Hierdoor bekomt men een meervoudige dwarsstroomopstelling.
13
1.5 Warmteoverdrachtsmechanisme Naargelang de fysische verschijnselen die optreden in een warmtewisselaar kan een onderscheid gemaakt worden tussen 1. een-fasige convectie aan beide zijden 2. een-fasige convectie aan de ene zijde, twee-fasige convectie aan de andere zijde 3. twee-fasige convectie aan beide zijden. De principes van de types zijn geïllustreerd in figuren 1.2(e), 1.2(f) en 1.2(g). In figuur 1.2(f) verdampt fluïdum A door de warmte afgestaan door fluïdum B. In figuur 1.2(g) condenseert fluïdum A, waarbij het warmte afgeeft aan fluïdum B. In warmtewisselaars zoals economisers, luchtvoorverwarmers, compressor-tussenkoelers, olie-koelers, auto-radiatoren, ... treft men één-fasige convectie aan beide zijden aan. Condensors, verdampers, stoomgeneratoren, bevatten aan één zijde een faseverandering. Twee-fasige-warmteoverdracht aan beide zijden zou kunnen optreden als de condensatie van een fluïdum verantwoordelijk is voor de verdamping van een ander fluïdum. De tweefasige stroming treedt echter ook op in een wervelbed, waar een mengsel van vaste deeltjes met een gas de warmte transporteren van en naar een wand.
1.6 Oppervlakte compactheid De oppervlaktedensiteit (β) van een warmtewisselaar wordt uitgedrukt als de verhouding van de warmteoverdrachtsoppervlakte tot het volume ingenomen door de warmtewisselaar. De warmteoverdrachtsoppervlakte is het oppervlak dat in contact is met beide fluïda en waardoor de overgedragen warmte wordt geleid door middel van conductie. Voor warmtewisselaars met minstens één gas, spreekt men van een compacte warmtewisselaar als de oppervlaktedensiteit hoger is dan 700 m2/m3. Er is sprake van een laminaire-stroming-warmtewisselaar als de oppervlaktedensiteit hoger is dan 3000 m2/m3 en van een micro-warmtewisselaar bij een oppervlaktedensiteit van meer dan 10000 m2/m3. Bij een vloeistof-vloeistof-warmtewisselaar of een vloeistof-twee-fase-warmtewisselaar spreekt men van een compacte warmtewisselaar indien de oppervlaktedensiteit hoger is dan 400 m2/m3. Een klassieke trommel-en-pijp-warmtewisselaar heeft een oppervlaktedensiteit in de buurt van de 100 m2/m3, door het aanbrengen van vinnen kan de oppervlaktedensiteit met een factor 2 à 3 verhoogd worden. Plaat-vin, buis-vin en regeneratoren zijn voorbeelden van compacte warmtewisselaars voor gassen, terwijl plaatwarmtewisselaars compacte warmtewisselaars zijn bij gebruik van vloeistoffen. Compacte warmtewisselaars nemen niet alleen minder plaats in, ze zijn eveneens goedkoper te produceren, wegen minder en vragen dus minder zware constructies om ze op te stellen. Verder verbruiken ze minder energie en hebben ze een kleine fluïduminhoud waardoor snellere opwarming of afkoeling kan bekomen worden (kleine thermische inertie). Bevuiling is een belangrijk probleem bij compacte warmtewisselaars. Vaak is het onmogelijk om de kleine kanalen of de vinnen op mechanische wijze te reinigen. Chemische reiniging is meestal noodzakelijk. Compacte warmtewisselaars kunnen dan ook niet ingezet worden indien zwaar bevuilde fluïda aanwezig zijn.
14
