Топлообменник

Топлообменник се нарича апарат, който служи за предаване на топлина от един топлоносител на друг. Когато задачата на топлообменника е нагряването на даден флуид, той се нарича нагревател, в противния случай – охладител (хладник). Ако при топлообмена става и фазов преход, апаратът се нарича (според предназначението на топообменника) изпарител или кондензатор.

Примери за топлообменници, намиращи широко приложение в бита, са радиаторите (автомобилен, домашен, в хладилниците и климатиците) и изпарителят в хладилниците.

Като топлоносители в топлообменниците се използват вещества с голям топлинен капацитет или топлина на изпарение/кондензация. Най-често в практиката се използва вода или водна пара. Други разпространени носители са въздух, фреони, силиконово масло, а в екзотични случаи може да се използват разтопени метали (натрий). В зависимост от взаимното движение на носителите се различават правоток (двата носителя се движат в една посока) и противоток (двата носителя се движат в противоположни посоки). Топлоносителите може да са разделени с преграда или да имат директен контакт един с друг. Разделянето на флуидите става с материал с висока топлопроводимост. Най-често това е метал (мед, алуминий, стомана), но при специални случаи разделянето може да стане и със стъкло, пластмаса, графит и др.

За да се осъществи топлообмен между носителите, е необходимо техните температури да се различават. От практически съображения, за да се постигне по-ефективен топлообмен и по-малки апарати, тази разлика е минимум 5-10 °C. Най-често топлоносителите са флуиди (течности и газове/па̀ри). В този случай предаването на топлина от по-горещия флуид към преградата става чрез конвекция. В преградата предаването става чрез топлопроводност, а от преградата към другия (студения) флуид отново чрез конвекция. Сумарният процес се нарича топлопреминаване. Топлинният поток от единия флуид към другия се изчислява по формулата:

${\dot {Q}}=K\cdot F\cdot \Delta T\$ [W]

той е пропорционален на коефициента на топлопреминаване К [W*m⁻²*K⁻¹], топлообменната повърхност F [m²] и температурната разлика ΔT [K]. Топлообменниците се характеризират със сравнително високи топлообменни площи и коефициенти на топлопреминаване. Коефициентът на топлопреминаване зависи от вида на флуида и нараства с неговата скорост на движение. Тъй като предаването на топлина към газове и (напр. въздух) се характеризира със сравнително ниски стойности на К, топлообменната повърхност от страната на газа се увеличава изкуствено чрез оребряване, а в някои случаи скоростта на газа се увеличава принудително с вентилатор (автомобилни радиатори, климатици и др.).

Разпространени форми на топлообменниците са кожухотръбният топлообменник (предимно в индустрията), радиаторът, серпентината (напр. лабораторен хладник, при варене на ракия), топлообменникът тип тръба в тръба и др. Пример за топлообменник с директен контакт на потоците е охладителната кула.

Кожухотръбни топлообменници

Кожухотръбен топлообменник
Кожухотръбен топлообменник
Кожухотръбен топлообменник (с отворен капак)
Кожухотръбен топлообменник (кондензатор)
Тръбен сноп (преди сглобяването на топлообменника)
Сноп с U-образни тръби
Разрез на кожухотръбен топлообменник
Кожухотръбен топлообменник (с един ход в тръбното и един ход в междутръбното пространство)
Кожухотръбен топлообменник (с два хода в тръбното и един ход в междутръбното пространство)

Пластинчат топлообменник

Пластинчат топлообменник (принцип на действие)
Пластинчат топлообменник
Разглобен пластинчат топлообменник
Отделна пластина

Топлообменници с въздушно охлаждане (радиатори)

Радиатор
Автомобилен радиатор (вентилаторът е демонтиран)
Кондензатор на хладилник
Кондензатор (климатична инсталация)
Радиатор (CPU)
Оребрена радиаторна повърхност
Радиатор с вентилатор

Други примери

Схема на спирален топлообменник
Лабораторен хладник със серпентина
Съд със змиевик
Съд (напр. реактор) със змиевик
Съд с риза
Охладителна кула с вентилатор (отляво) и охладителна кула с естествена тяга (вдясно)

Вижте също