Podstawowe właściwości wymiany ciepła
Patrząc na parę jako czynnik , posiada ona wyjątkowe właściwości, których nie posiadają inne czynniki grzewcze. Wśród nich dwoma najważniejszymi są :
- Równomierny rozkład grzania
- Szybki proces grzania
Poniżej przyjrzymy się tym dwóm cechom pod katem wymiany ciepła.
Dlaczego para zapewnia równomierny, stabilny proces grzania ?
W przypadku pary wodnej nasyconej, gdy znamy jej ciśnienie możemy również określić jej temperaturę. Zmiany ciśnienia zachodzą natychmiastowo w danej przestrzeni. Gdy para nasycona kondensuje się , następuje to w temperaturze nasycenia. Kondensat ,który powstał ze skroplenia pary ma tą samą temperaturę. Oznacza to, że jeżeli ciśnienie w przestrzeni wymiany ciepła (płaszczu wymiennika lub wężownicy) jest utrzymywane na stałym poziomie , wymiana ciepła będzie zachodziła w tej samej temperaturze w każdym punkcie wymiany ciepła.
Jeżeli ciśnienie na powierzchni wymiany ciepła (płaszcz , wężownica itp) jest utrzymywane na stałej wartości , ciągła wymiana ciepła zachodzi przy stałej temperaturze w każdym punkcie powierzchni wymiany ciepła. Z drugiej strony gdy ogrzewamy wodą lub np olejem temperatura czynnika grzewczego spada na skutek oddawania ciepła do produktu. Z tego powodu gradient temperatury spada gdyż wzrost temperatury produktu powoduje ciągłe obniżannie temperatury czynnika grzewczego, co z kolei może prowadzić to nierównomiernego grzania.
Dlaczego para zapewnia szybką wymianę ciepła ?
Wymiana ciepła przez kondensację (Para wodna)
Sekretem wymiany jest transfer ciepła za pomocą procesu kondensacji.
Ciepło skraplania zawarte w parze jest oddawane podczas procesu kondensacji do fazy ciekłej. Ciepło skraplania jest od 2 do 5 razy większe od ciepła zawartego w kondensacie (skroplonej parze). Ciepła skraplania jest przekazywane za pomocą wymiennika ciepła do czynnika ogrzewanego.
Wymiana ciepła przez konwekcję (Gorąca woda i Olej)
Dla kontrastu, woda oraz olej są czynnikami oddającymi ciepło przez konwekcję, bez zmiany stanu skupienia. Czynnik grzewczy przekazuje ciepło do czynnika ogrzewanego obniżając swoją temperaturę. Dla polepszenia warunków wymiany przez konwekcję zwykle stosuje się rozwiązania z konwekcją wymuszoną za pomocą urządzeń takich jak pompy, aby uzyskać zwiększony przepływ czynnika na powierzchni wymiany ciepła.
Prędkość wymiany ciepła ?
Strumień wymiany ciepła jest charakteryzowany przez współczynnik wymiany ciepła .
Jego jednostką jest [W/m2 K].
Ponieważ W = J/sec , oznacza to że dla danej wielkości powierzchni wymiany ciepła i tej samej różnicy temperatur, im większy współczynnik wymiany ciepła tym krótszy czas wymagany do procesu grzania.
Wartości współczynnika wymiany ciepła wody i pary wynoszą:
- Strumień ciepła przekazywany przez daną jednostkę powierzchni wymiany ciepła
wykorzystując jako czynnik grzewczy wodę wynosi od 1000 - 6000 [W/m2 K]
- Strumień ciepła przekazywany przez daną jednostkę powierzchni wymiany ciepła
wykorzystując jako czynnik grzewczy parę wynosi od 6000 - 15000 [W/m2 K]
W rzeczywistych warunkach, proces wymiany ciepła jest kombinacją wielu czynników takich jak mechanizm wymiany ciepła przez przegrodę , mechanizm wymiany ciepła od przegrody do czynnika ogrzewanego itp. Określenie procesu wymiany ciepła bazuje na ogólnym współczynniku wymiany ciepła , ale nawet wtedy , wymiana ciepła dla pary wodnej jest od 1.5 do 2 razy lepsza niż dla wody.
|
