Εναλλάκτες θερμότητας

Εναλλάκτης θερμότητας ονομάζεται η συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της θερμικής ενέργειας μεταξύ δύο ρευστών διαφορετικής θερμοκρασίας. Οι εναλλάκτες, ανάλογα με τη διαδικασία μεταφοράς της θερμότητας, μπορούν να διακριθούν σε άμεσης και έμμεσης επαφής. Στους άμεσης επαφής εναλλάκτες δύο διαφορετικής φάσης ρευστά έρχονται σε άμεση επαφή, ανταλλάσουν θερμότητα και διαχωρίζονται πάλι. Στους έμμεσης επαφής, τα δύο ρευστά παραμένουν χωρισμένα και η θερμότητα μεταφέρεται μέσω μιας διαχωριστικής επιφάνειας.

Στην περίπτωση που η επιφάνεια θερμοεναλλαγής έχει αρκετά μεγάλη θερμοχωρητικότητα ώστε να παίζει σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο της μεταφοράς, οι έμμεσης επαφής εναλλάκτες ονομάζονται και «αναγεννητές» (regenerators).

Στους εναλλάκτες θερμότητας δεν καταναλώνεται άμεσα καύσιμο, η βέλτιστη όμως χρήση τους και η καλή λειτουργία τους επηρεάζει άμεσα την συνολική κατανάλωση του καυσίμου σε μια βιομηχανία.

Οι εναλλάκτες θερμότητας αποτελούν τις βασικότερες συνιστώσες των συστημάτων ανάκτησης θερμότητας.

Aνάλογα με το μηχανισμό μεταφοράς της θερμότητας οι εναλλάκτες διακρίνονται σε:

α) συναγωγής μιας φάσης και από τις δύο πλευρές

β) συναγωγής μιας φάσης από τη μια πλευρά και συναγωγής δύο φάσεων από την άλλη

γ) συναγωγής δύο φάσεων και από τις δύο πλευρές και

δ) συνδυασμένης συναγωγής και μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία

Ανάλογα με την κατασκευή τους οι εναλλάκτες διακρίνονται σε:

α) Ομοκεντρικούς κυκλικής διατομής

β) Εναλλάκτες κελύφους

γ) Πλακοειδείς

δ) Προεκτεταμένης επιφάνειας με πτερύγια. Τα πτερύγια αυξάνουν την επιφάνεια συναλλαγής από την πλευρά του αέρα και, επομένως, το συντελεστή συναγωγής.

ε) Εναλλάκτες αναγέννησης (αναγεννητές).

Τέλος, ανάλογα με το είδος της ροής μέσα στους εναλλάκτες, αυτοί διακρίνονται σε:

α) Ομορροής

β) Αντιρροής

γ) Σταυρορροής

δ) Σύνθετους

Εναλλάκτες νερού - νερού εγκατεστημένοι σε βιομηχανία τροφίμων

Ανάλογα με την πυκνότητα των κατασκευαστικών στοιχείων οι εναλλάκτες διαχωρίζονται σε συμπαγείς και μη συμπαγείς. Οι συμπαγείς εναλλάκτες παρουσιάζουν υψηλές τιμές του λόγου της επιφάνειας θερμοεναλλαγής προς τον όγκο τους και, εξ ορισμού, ο λόγος αυτός (πυκνότητα επιφάνειας) λαμβάνει τιμές μεγαλύτερες από 700 m²/m³.

Ειδική μορφή των εναλλακτών θερμότητας, που χρησιμοποιείται για την ανάκτηση θερμότητας στη βιομηχανία και τη θέρμανση χώρων, είναι ο θερμικός τροχός (heat wheel). Ο θερμικός τροχός, γνωστός και ως περιστροφικός εναλλάκτης, χρησιμοποιείται όταν τα θερμικά ρευστά είναι αέρια. Αποτελείται από ένα δίσκο, περατό στη ροή των αερίων, που κατασκευάζεται από υλικό μεγάλης θερμοχωρητικότητας. Ο δίσκος περιστρέφεται μεταξύ δύο γειτονικών αγωγών, από τους οποίους διέρχονται δύο ρεύματα αερίων διαφορετικής θερμοκρασίας. Ο άξονας περιστροφής του δίσκου είναι παράλληλος με τη ροή των ρευστών και βρίσκεται στην επιφάνεια επαφής των δύο αγωγών.

Καθώς ο δίσκος περιστρέφεται, αισθητή και πιθανόν λανθάνουσα θερμότητα μεταφέρεται μέσω αυτού από το θερμό αέριο στο ψυχρό. Η συνολική απόδοση μεταφοράς θερμότητας στους θερμικούς τροχούς μπορεί να ανέλθει στο 85%. Η διάμετρός τους κυμαίνεται από 1,5 μέχρι 22 μέτρα και οι παροχές των αερίων μπορούν να φθάσουν μέχρι και τα 68.000 m³/h .

Το υλικό κατασκευής των θερμικών τροχών είναι συνήθως ατσάλι ή σύρμα αλουμινίου, ενώ για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών (της τάξης των 900°C ) αυτοί κατασκευάζονται από κεραμικά υλικά. Είναι δυνατόν το υλικό κατασκευής των τροχών να είναι υγροσκοπικό, ώστε να γίνεται παράλληλα και ανάκτηση υγρασίας. Ως μειονέκτημα του θερμικού τροχού θεωρείται η πιθανότητα ανάμιξης των δύο αερίων (θερμού και ψυχρού), που σε μερικές περιπτώσεις μπορεί να φθάσει σε μερικές ποσοστιαίες μονάδες.

Τα ρευστά που μεταδίδουν τη θερμότητα περιέχουν συχνά αιρούμενες ή διαλυμένες ουσίες, με συνέπεια οι επιφάνειες των εναλλακτών, μετά από μια περίοδο λειτουργίας, να καλύπτονται από διάφορες επικαθίσεις ή/και να διαβρώνονται. Οι επικαθίσεις αυτές έχουν συνήθως πολύ μικρό συντελεστή αγωγιμότητας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα λεπτό στρώμα επικαθίσεων να προκαλεί μια πρόσθετη αντίσταση στη μετάδοση της θερμότητας, μειώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του εναλλάκτη.

Η διαδικασία της εναπόθεσης των διαφόρων υλικών στις επιφάνειες θερμοεναλλαγής ονομάζεται ρύπανση αυτών, ενώ η αντίσταση στη μετάδοση της θερμότητας που προκαλείται από τις επικαθίσεις ονομάζεται αντίσταση ρύπανσης. Στον πίνακα που ακολουθεί δίνονται οι συνηθέστερες επικαθίσεις και ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητάς τους.

Για την αντιμετώπιση των επικαθίσεων στους εναλλάκτες θερμότητας το σημαντικότερο βήμα είναι ο σωστός σχεδιασμός τους, ο οποίος πρέπει να περιλαμβάνει:

α) την επιλογή του κατάλληλου τύπου εναλλάκτη θερμότητας

β) την αναζήτηση των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας, όπως για παράδειγμα τη βέλτιστη ταχύτητα ροής των ρευστών και

γ) την όσο το δυνατόν καλύτερη κατασκευή του εναλλάκτη.

Η απομάκρυνση της ρύπανσης μπορεί να γίνει με μηχανικά μέσα, όπως με πεπιεσμένο αέρα ή ατμό, βούρτσισμα ή ξύσιμο, αλλά και με χημικά μέσα, όπως με το πλύσιμο των επιφανειών του εναλλάκτη με κατάλληλα χημικά που προσβάλλουν το υλικό επικαθίσεων. Προληπτικά, η χρήση χημικών ουσιών μπορεί να μειώσει σημαντικά το φαινόμενο των επικαθίσεων από διαλυμένες ουσίες, αλλά και η επιλογή των κατάλληλων υλικών για την κατασκευή των εναλλακτών μπορεί να ελαχιστοποιήσει τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης της ροής των ρευστών με το υλικό των επιφανειών.