Níže jsou uvedeny některé termodynamické principy, které jsou užitečné pro pochopení toho, jak tepelné výměníky fungují:
- První zákon termodynamiky:První zákon je označován jako zákon zachování energie, který říká, že energii (ve formě tepla a práce) nelze vytvořit ani zničit. Lze jej pouze přenést do jiného systému nebo převést do té či oné podoby. Ve výměnících tepla je toto tvrzení přeloženo rovnicí tepelné bilance zapsanou jako:
(Heat In) plus (Generation of Heat)=(Heat Out) plus (Akumulace tepla)
Za předpokladu, že funguje v ustáleném toku, to znamená, že tepelné vlastnosti zůstávají konstantní ve všech bodech, jak se mění čas, a systém je adiabatický (dokonale izolovaný), rovnice tepelné bilance se zjednoduší na Heat In=Heat Out . Toto je jedna z nejzákladnějších rovnic, která se používá při návrhu a provozu výměníků tepla.
- Druhý termodynamický zákon:Druhý zákon zavádí pojem entropie, stupeň neuspořádanosti a náhodnosti systému. Entropie vesmíru neustále roste a nikdy nemůže klesnout. Říká nám směr toku energie mezi dvěma vzájemně se ovlivňujícími systémy, ve kterých je generována nejvyšší entropie. Teplo se vždy přenáší z tělesa s vyšší teplotou do teploty nižší, což je přirozená tendence všech systémů. U výměníků tepla studená tekutina získává teplo a zvyšuje svou teplotu a horká tekutina teplo ztrácí a snižuje svou teplotu.
Mechanismus přenosu tepla
Mechanismus přenosu tepla ve výměnících tepla je kombinací vedení a konvekce. Hnací silou přenosu tepla je teplotní rozdíl mezi vstupní a výstupní teplotou mínus vstupní a výstupní teplota procesního proudu.
Teplota přiblížení:Teplota přiblížení tepelného výměníku je rozdíl mezi výstupní a vstupní teplotou proudu tekutiny mínus rozdíl mezi vstupní a výstupní teplotou procesního proudu. U horkých náběhových teplot je rozdíl mezi horkou vstupní teplotou a studenou výstupní teplotou. Při nízkých náběhových teplotách dochází k obrácené studené náběhové teplotě a vysoké výstupní teplotě.
Všechny výměníky tepla mají optimální náběhovou teplotu, kterou je třeba vzít v úvahu při rozhodování o koupi výměníku tepla, protože nesprávný výpočet náběhové teploty může vést k tomu, že pro proces bude použit nesprávný typ výměníku tepla.
Vedení:Jedná se o přenos tepelné energie přímými srážkami sousedních molekul. Molekula s vyšší kinetickou energií předá tepelnou energii molekule s nižší kinetickou energií. Snáze se vyskytuje v pevných látkách. U výměníků tepla se odehrává na stěně oddělující obě tekutiny. Fourierův zákon vedení tepla říká, že rychlost přenosu tepla normálová k průřezu materiálu je úměrná zápornému teplotnímu gradientu. Konstanta úměrnosti je tepelná vodivost materiálu.
Q = -k A
Kde Q je rychlost přenosu tepla, k je tepelná vodivost materiálu, A je plocha kolmá ke směru toku tepla a dT/dx je teplotní gradient.
Proudění:Konvekce ve výměnících tepla nastává prostřednictvím hromadného pohybu tekutiny proti povrchu stěny, čímž dochází k přenosu tepelné energie. Tento jev je reprezentován Newtonovým zákonem ochlazování, který říká, že rychlost tepelných ztrát je úměrná rozdílu teplot tělesa a jeho okolí (v tomto případě stěny a tekutiny).Q = h A ΔT
Kde Q je rychlost přenosu tepla, A je plocha kolmá ke směru toku tepla a ΔT je teplotní rozdíl mezi stěnou a objemem tekutiny. Koeficient prostupu tepla konvekcí, označovaný h, se vyhodnocuje na základě rozměrů stěny, fyzikálních vlastností tekutiny a charakteristik proudění tekutiny.Během provozu tepelného výměníku s vodivou přepážkou se teplo přenáší z horké tekutiny do studené tekutiny v tomto pořadí:
- Z horké tekutiny na přilehlý povrch stěny konvekcí.
- Přes povrch stěny stranou vedením.
- Ze stěny do studené tekutiny konvekcí.
