Skraplacz (wymiana ciepła)

W przypadku skraplaczy, które nie obejmują wymiany ciepła, zobacz Skraplacz (ujednoznacznienie) .

Cewka skraplacza lodówki

W systemach obejmujących wymianę ciepła skraplacz jest wymiennikiem ciepła służącym do skraplania substancji gazowej do stanu ciekłego poprzez chłodzenie. W ten sposób utajone ciepło jest uwalniane przez substancję i przekazywane do otaczającego środowiska. Skraplacze są używane do wydajnego odprowadzania ciepła w wielu systemach przemysłowych. Skraplacze mogą być wykonane według wielu projektów i występują w wielu rozmiarach, od raczej małych (ręczne) do bardzo dużych (jednostki na skalę przemysłową stosowane w procesach zakładowych). Na przykład lodówka wykorzystuje skraplacz, aby pozbyć się ciepła wydobywanego z wnętrza urządzenia do powietrza zewnętrznego.

Skraplacze są stosowane w klimatyzacji , przemysłowych procesach chemicznych, takich jak destylacja , elektrownie parowe i inne systemy wymiany ciepła. Stosowanie wody chłodzącej lub otaczającego powietrza jako chłodziwa jest powszechne w wielu skraplaczach.

Historia

Najwcześniejszy skraplacz laboratoryjny, „ Gegenstromkühler ” (skraplacz przeciwprądowy), został wynaleziony w 1771 roku przez szwedzko-niemieckiego chemika Christiana Weigela . W połowie XIX wieku niemiecki chemik Justus von Liebig dostarczył własne ulepszenia poprzednich projektów Weigela i Johanna Friedricha Augusta Göttlinga , a urządzenie stało się znane jako kondensator Liebiga .

Zasada działania

Skraplacz jest przeznaczony do przenoszenia ciepła z płynu roboczego (np. wody w elektrowni parowej) do płynu wtórnego lub otaczającego powietrza. Skraplacz opiera się na wydajnym przekazywaniu ciepła, które zachodzi podczas przemian fazowych, w tym przypadku podczas skraplania pary w ciecz. Para zwykle wchodzi do skraplacza w temperaturze wyższej od temperatury płynu wtórnego. Gdy para stygnie, osiąga temperaturę nasycenia , skrapla się do stanu ciekłego i uwalnia duże ilości ciepła utajonego . Ponieważ proces ten zachodzi wzdłuż skraplacza, ilość pary maleje, a ilość cieczy wzrasta; na wylocie skraplacza pozostaje tylko ciecz. Niektóre konstrukcje skraplaczy zawierają dodatkową długość do dochładzania tej skroplonej cieczy poniżej temperatury nasycenia.

Istnieją niezliczone odmiany konstrukcji skraplacza, ze zmiennymi projektowymi, w tym płynem roboczym, płynem wtórnym, geometrią i materiałem. Typowe płyny wtórne obejmują wodę, powietrze, czynniki chłodnicze lub materiały zmiennofazowe .

Skraplacze mają dwie istotne zalety konstrukcyjne w porównaniu z innymi technologiami chłodzenia:

• Wymiana ciepła przez ciepło utajone jest znacznie bardziej wydajna niż tylko przez ciepło jawne
• Temperatura płynu roboczego pozostaje względnie stała podczas skraplania, co maksymalizuje różnicę temperatur między płynem roboczym a wtórnym.

Przykłady kondensatorów

Kondensator powierzchniowy

Skraplacz powierzchniowy to taki, w którym czynnik skraplający i opary są fizycznie oddzielone i używany, gdy bezpośredni kontakt nie jest pożądany. Jest to płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła instalowany na wylocie z każdej turbiny parowej w elektrociepłowniach . Zwykle woda chłodząca przepływa przez stronę rury, a para wchodzi do strony płaszcza, gdzie na zewnątrz rur wymiany ciepła występuje kondensacja. Kondensat ścieka i zbiera się na dnie, często we wbudowanej misce zwanej komorą termiczną . Strona płaszcza często działa w próżni lub częściowej próżni, wytwarzanej przez różnicę objętości właściwej między parą a kondensatem. I odwrotnie, para może być dostarczana przez rurki z wodą chłodzącą lub powietrzem przepływającym na zewnątrz.

Chemia

Główny artykuł: Skraplacz (laboratorium)

W chemii skraplacz to urządzenie, które chłodzi gorące opary , powodując ich kondensację w ciecz . Przykłady obejmują kondensator Liebiga , kondensator Grahama i kondensator Allihna . Nie należy tego mylić z reakcją kondensacji , która łączy dwa fragmenty w jedną cząsteczkę poprzez reakcję addycji i reakcję eliminacji.

destylacji laboratoryjnej , refluksie i wyparkach obrotowych powszechnie stosuje się kilka typów skraplaczy. Skraplacz Liebiga jest po prostu prostą rurką w płaszczu wody chłodzącej i jest najprostszą (i stosunkowo najtańszą) formą skraplacza. Skraplacz Grahama to spiralna rura w płaszczu wodnym, a skraplacz Allihna ma szereg dużych i małych przewężeń na rurze wewnętrznej, z których każde zwiększa powierzchnię, na której składniki pary mogą się skraplać. Będąc bardziej złożonymi kształtami w produkcji, te ostatnie typy są również droższe w zakupie. Te trzy rodzaje skraplaczy to ze szkła laboratoryjnego , ponieważ zazwyczaj są wykonane ze szkła. Dostępne na rynku skraplacze są zazwyczaj wyposażone w szlifowane złącza szklane i mają standardowe długości 100, 200 i 400 mm. Skraplacze chłodzone powietrzem nie mają płaszcza, podczas gdy skraplacze chłodzone wodą zawierają płaszcz wodny.

Destylacja przemysłowa

Większe skraplacze są również używane w procesach destylacji na skalę przemysłową do schładzania destylowanej pary do ciekłego destylatu. Zwykle chłodziwo przepływa przez stronę rurki, a para destylowana przez stronę płaszcza, przy czym destylat zbiera się na dnie lub wypływa z niego.

Klimatyzacja

Agregat skraplający do centralnej klimatyzacji dla typowego domu

Skraplacz używany w centralnych systemach klimatyzacji ma zazwyczaj sekcję wymiennika ciepła do schładzania i skraplania wchodzącej pary czynnika chłodniczego w ciecz, sprężarkę do podnoszenia ciśnienia czynnika chłodniczego i jego przemieszczania oraz wentylator do wdmuchiwania powietrza z zewnątrz przez ciepło sekcja wymiennika do chłodzenia czynnika chłodniczego w środku. Typowa konfiguracja takiej jednostki skraplacza jest następująca: Sekcja wymiennika ciepła otacza boki jednostki ze sprężarką wewnątrz. W tej sekcji wymiennika ciepła czynnik chłodniczy przechodzi przez wiele rur, które są otoczone żebrami przenoszącymi ciepło, przez które powietrze chłodzące może krążyć z zewnątrz do wnętrza urządzenia. Wewnątrz skraplacza blisko góry znajduje się napędzany silnikiem wentylator , który jest przykryty kratką, aby zapobiec przypadkowemu wpadnięciu jakichkolwiek przedmiotów do wentylatora. Wentylator służy do zasysania powietrza chłodzącego z zewnątrz przez sekcję wymiennika ciepła po bokach i wydmuchiwania go od góry przez kratkę. Te jednostki skraplacza znajdują się na zewnątrz budynku, który próbują schłodzić, z rurami między jednostką a budynkiem, jedną do wlotu pary czynnika chłodniczego, a drugą do ciekłego czynnika chłodniczego opuszczającego jednostkę. Oczywiście elektryczne sprężarki i wentylatora wewnątrz urządzenia.

Bezpośredni kontakt

W skraplaczu z bezpośrednim kontaktem gorąca para i chłodna ciecz są wprowadzane do naczynia i bezpośrednio mieszane, zamiast oddzielać je barierą, taką jak ściana rury wymiennika ciepła. Para oddaje swoje ciepło utajone i skrapla się do postaci cieczy, podczas gdy ciecz pochłania to ciepło i ulega wzrostowi temperatury. Dostająca się para i ciecz zwykle zawierają pojedynczą substancję skraplającą się, taką jak rozpylona woda używana do chłodzenia powietrza i regulacji jego wilgotności.

Równanie

Dla idealnego jednoprzebiegowego skraplacza, którego chłodziwo ma stałą gęstość, stałą pojemność cieplną, entalpię liniową w całym zakresie temperatur, doskonały przekrój poprzeczny i zerowy wzdłużny przepływ ciepła oraz którego rurki mają stały obwód, stałą grubość i stałe ciepło przewodność i której skraplający się płyn jest doskonale wymieszany i ma stałą temperaturę, temperatura płynu chłodzącego zmienia się wzdłuż jego rurki zgodnie z:

$${\ Displaystyle \ Theta (x) ={\frac {T_{H}-T(x)}{T_{H}-T(0)}}=e^{-NTU}=e^{-{\frac {hPx}{{\kropka { m}}c}}}=e^{-{\frac {Gx}{{\kropka {m}}cL}}}}$$

Gdzie:

• ${\ displaystyle x}$ to odległość od wlotu chłodziwa
• ${\ Displaystyle T (x)}$ to temperatura płynu chłodzącego, a T (0) temperatura płynu chłodzącego na jego wlocie
• ${\ displaystyle T_ {H}}$ to temperatura gorącego płynu
• ${\ displaystyle NTU}$ to liczba jednostek transferu
• jest masowym (lub innym) natężeniem przepływu chłodziwa ${\ displaystyle m}$
• ${\ displaystyle c}$ to pojemność cieplna chłodziwa przy stałym ciśnieniu na jednostkę masy (lub inną)
• ${\ displaystyle h}$ jest współczynnikiem przenikania ciepła rurki chłodziwa
• ${\ displaystyle P}$ to obwód rurki chłodziwa
• ${\ displaystyle G}$ to przewodność cieplna rurki chłodziwa (często oznaczana ) ${\ displaystyle UA$ }
• ${\ displaystyle L}$ to długość rurki chłodziwa

Zobacz też

• Skraplacz (laboratorium)
• Studnia powietrzna (skraplacz)