thumb|Cijevni izmjenjivač topline. Izmjenjivač topline je naprava namijenjena prelazu topline s jednog medija na drugi, a može biti izveden da se mediji dodiruju, ili da su odvojeni pregradom koja sprječava njihov izravni kontakt. Njihova je upotreba vrlo rasprostranjena, od kućnih grijača i hladnjaka, automobilskih rashladnika, industrijskih izmjenjivača...
Strujanje u izmjenjivačima mini|300px|desno|Protustrujni (A) i paralelni (B) tok
Izmjenjivači topline se mogu podijeliti na više načina. Jedan od načina je prema namjeni gdje ih dijelimo na: rashladnike grijače Kako samo ime govori, rashladnici hlade medij, ponekad služe i kao kondenzatori,a grijači služe za zagrijavanje, a ponekad služe i kao isparivači.
Izmjenjivači topline se mogu podijeliti i prema strujanju u njima. Po tome poznamo tri tipa izmjenjivača: izmjenjivači s paralelnim tokom fluida izmjenjivači s protustrujnim tokom križni izmjenjivači topline
U izmjenjivačima s paralelnim tokom fluida, dva fluida ulaze u izmjenjivač na istom kraju, te struje paralelno prema drugom kraju. U izmjenjivačima s protustrujnim tokom fluida, fluidi ulaze u izmjenjivač na suprotnim krajevima. Protustrujna konstrukcija je najefikasnija pošto može prenijeti najviše topline s toplinskog medija zbog činjenice da je srednja temperaturna razlika duž bilo koje jedinice duljine veća. U križnom izmjenjivaču topline, fluidi struje okomito jedan na drugoga kroz izmjenjivač
Izmjenjivači topline, kao i sve naprave se izrađuju da bi bili što ekonomičniji. Kod izmjenjivača topline to znači da imaju što veću površinu izmjene topline smještenu u što manji volumen, te što veći koeficijent prijelaza topline. Kako razne vrste strujanja imaju različite koeficijente prijelaza topline, izmjenjivačima se često ugrađuju umeci koji usmjeruju tok fluida kroz njih kako bi, ili stvorili ili pospješili turbulenciju.
Ukupna toplina koja se u izmjenjivaču topline izmjenjuje ovisi o nekoliko čimbenika, a računa se po formuli za prijelaz topline:
Iz gornje formule možemo izvesti površinu na kojoj se izmjenjuje toplina:
(m2)
gdje su:
K - koeficijent prijelaza topline A - površina prijelaza topline Q - izmijenjena toplina - temperaturni pad Za proračun prijelaza topline u izmjenjivačima topline potrebno je poznavati koeficijent, vrste materijala izmjenjivača, kao i srednje temperature medija koji će izmjenjivati toplinu.
Koeficijent prijelaza topline s jednog medija na drugi se općenito računa po formuli:
gdje su:
- koeficijent prijelaza topline s medija na stijenku
- koeficijent toplinske provodljivosti stijenke
- debljina stijenke izmjenjivača
Vrste izmjenjivača topline
Izmjenjivač topline cijev u plaštu (shell and tube) thumb|right|Izmjenjivač topline cijev u plaštu (shell and tube) Izmjenjivači topline tipa cijev u plaštu su načinjeni od niza cijevi. Snop tih cijevi sadrži fluid koji se mora hladiti ili zagrijavati. Drugi fluid struji preko cijevi koje se griju ili hlade tako da može dati ili apsorbirati traženu količinu topline. Snop cijevi može biti načinjen od nekoliko vrsta cijevi: običnih, uzdužno orebrenih itd. Ovi se izmjenjivači u pravilu koriste u visokotlačnim primjenama (s tlakovima iznad 30 bara i temperaturama većim od 260 °C).Saunders, E. A. (1988). Heat Exchanges: Selection, Design and Construction. New York: Longman Scientific and Technical. To je iz razloga što su izmjenjivači cijev u plaštu robusni radi njihova oblika. Pri konstruiranju cijevi u izmjenjivačima topline tipa cijev u cijevi potrebno je uzeti u obzir više značajki : Promjer cijevi: Korištenje malih promjera cijevi čini izmjenjivač topline ekonomičnim i kompaktnim. S druge strane veća je vjerojatnost da dođe do bržeg stvaranja naslaga u izmjenjivaču topline, a zbog male veličine mehaničko čišćenje naslaga je teško. Da bi se prevladali problemi začepljenja i čišćenja, mogu se koristiti veći promjeri cijevi. Stoga, da bi odredili promjer cijevi moraju se uzeti u obzir cijena, raspoloživ prostor te mogućnost pojave naslaga. Debljina cijevi: Debljina stijenke cijevi se najčešće određuje na način da se osigura sljedeće: da ima dovoljno mjesta za koroziju da vibracija inducirana protokom ima otpor aksijalna čvrstoća dostupnost rezervnih dijelova čvrstoća na obodno opterečenje (da izdrži unutarnji pritisak cijevi) čvrstoća na izvijanje (da izdrži pretlak u plaštu) Duljina cijevi: izmjenjivači topline su najčešće jeftiniji kada imaju manji promjer plašta i veliku duljinu cijevi. Prema tome, cilj je da izmjenjivači topline budu najdulji mogući, a da se ne premaše proizvodne mogućnosti. Međutim, za to postoje mnoga ograničenja koja uključuju dostupan prostor na ugradbenoj lokaciji i potrebu da se osigura dostupnost cijevi u duljinama dvostruko većim od zahtjevane (tako da mogu biti izvučene i zamijenjene). Isto tako, dugačke, tanke cijevi se teško daju izvaditi i zamijeniti Razmak cijevi: pri konstruiranju cijevi, praktično je osigurati da razmak cijevi (udaljenost središta susjednih cijevi) ne bude 1,25 puta manji od vanjskog promjera cijevi. Veći razmak cijevi dovodi do većeg sveukupnog promjera plašta, što u konačnici znači skuplji izmjenjivač topline. Naboranost cijevi: ova vrsta cijevi, koja se uglavnom koristi za unutrašnje cijevi, povećava turbulenciju fluida i to svojstvo je vrlo važno u prijenosu topline jer daje bolju učinkovitost Razmještaj cijevi: odnosi se na to kako su cijevi položene unutar plašta. Postoje četiri glavna tipa položaja cijevi: trokutni (30°), zaokrenuti trokutni (60°), pravokutni (90°) i zaokrenuti pravokutni (45°). Trokutni uzorci se koriste da bi se postigao veći prijelaz topline pošto oni natjeraju fluid da struji na turbulentniji način oko cijevi. Pravokutni uzorci se koriste gdje češće dolazi do stvaranja naslaga pa je potrebno redovitije čišćenje. Konstrukcija s pregradama: pregrade se koriste u izmjenjivačima topline cijev u plaštu da bi usmjeravali fluid preko snopa cijevi. Izvode se okomito na plašt i drže snop, sprječavajući progib cijevi na velikim duljinama. Također, mogu spriječiti vibraciju cijevi. Najčešći tip pregrade je segmentna pregrada. Polukružne segmentne pregrade su za 180° zakrenute od susjedne pregrade te time tjeraju fluid da struji gore-dolje između snopa cijevi. Smještaj pregrada je od velike termodinamičke važnosti pri konstruiranju izmjenjivača cijev u plaštu. Pregrade moraju biti smještene uzimajući u obzir pretvorbu pada tlaka i prijenos topline. Radi termoekonomske optimizacije, preporuča se da pregrade budu smještene ne bliže od 20 % unutarnjeg promjera plašta. Ako su pregrade smještene preblizu doći će do većeg pada tlaka radi premještanja strujanja. Prema tome, ako su pregrade smještene predaleko jedna od druge može doći do pojave hladnijih dijelova u kutovima između pregrada. Također je važno osigurati da su pregrade smještene dovoljno blizu jedna drugoj da ne bi došlo do savijanja cijevi. Drugi glavni tip pregrada su pregrade koje se sastoje od dvije koncentrične pregrade. Vanjska, šira pregrada izgleda kao američka krafna (dakle s rupom u sredini), dok je unutarnja pregrada oblika diska. Ovaj tip pregrade tjera fluid da prostruji oko obje strane diska te da prođe kroz rupu druge pregrade pri čemu se generiraju drugačiji tipovi strujanja fluida. thumb|right|Konceptualni prikaz pločastog okvirnog izmjenjivača topline thumb|right|Samo jedan pločasti izmjenjivač topline thumb|right|Izmjenjivač topline s izmjenjivim pločama primijenjen u sustavu bazena
Pločasti izmjenjivač topline Drugi tip izmjenjivača topline je pločasti izmjenjivač topline. Načinjen je od mnogo tankih, blago razdvojenih ploča koje imaju vrlo veliku površinu i prolaze za struju fluida kako bi došlo do prijenosa topline. Ovaj oblik naslaganih ploča može biti bolje iskoristiv, u zadanom prostoru, od izmjenjivača cijev u plaštu.
Napredci u tehnologijama brtvljenja i lemljenja su učinili pločaste izmjenjivače topline sve praktičnijim. Kod primjene u HVAC (en. heating, ventilation and air conditioning) sustavima, ondnosno sustavima za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju zraka, veliki izmjenjivači topline ovog tipa (pločasti izmjenjivači topline s okvirom) se rade na način da se mogu rastaviti, očistiti i pregledati. Postoji mnogo vrsta pločastih izmjenjivača topline lemljene izvedbe kao što su izmjenjivači rađeni lemljenjem uronjavanjem, lemljenjem u vakuumu ili zavarivanjem.
Pločasto-cijevni izmjenjivač topline (shell and plate) Treći tip izmjenjivača topline je pločasto-cijevni izmjenjivač koji kombinira tehnologije pločastog i cijev u plaštu izmjenjivača topline. Sastoji se od potpuno zavarenog kompleta okruglih ploča izrađenih prešanjem i rezanjem te njihovim međusobnim zavarivanjem. Mlaznice uvlače i izbacuju struju fluida iz kompleta ploča (strujnica sa strane ploče). Potpuno zavareni komplet ploča je ugrađen u vanjski omotač (shell) koji stvara drugu strujnicu (sa strane plašta).
Tehnologija pločasto-cijevnog izmjenjivača topline nudi visoki prijenos topline, visoke tlakove, visoke radne temperature, kompaktnu velečinu te malu vjerojatnost pojavljivanja naslaga. Velika je prednost što ovakav tip izmjenjivača topline nudi visoku sigurnost od propuštanja fluida pri visokim temperaturama i tlakovima.
Izmjenjivač topline s akumulacijskom masom Četvrta vrsta izmjenjivača topline koristi akumulacijsku masu izrađenu od žice u obliku saća koja polagano rotira na okomitoj osovini. S jedne strane struji topliji fluid i predaje toplinu rotirajučoj masi koja ju akumulira, pri čemu se topliji fluid hladi. S druge strane preko tako zagrijane mase struji hladniji fluid koji preuzima na sebe ovu akumuliranu toplinu i pri tome se zagrijava. Ova vrsta izmjenjivača topline spada pod regenerativne izmjenjivače topline.
Lamelni izmjenjivač topline Ovaj tip izmjenjivača topline koristi prolaze naslagane u obliku sendviča koji sadrže lamele kako bi se povećala efikasnost te jedinice. U pogledu konstrukcije, postoje protustrujni i križni izmjenjivači s različitim oblicima lamela kao što su ravne i valovite lamele. Lamelni izmjenjivač topline se najčešće radi od aluminijskih slitina zbog kojih ima visoku efikasnost prolaza topline. Materijal omogućuje sustavu da radi na nižim temperaturama i da težina izmjenjivača bude manja. Lamelni izmjenjivači topline se najčešće koriste u primjenama s niskim temperaturama kao što su postrojenja za ukapljivanje prirodnog plina, helija ili kisika te industrija transporta (motori za avione).
Prednosti lamelnih izmjenjivača topline: visoka efikasnost prolaza topline, posebno u procesima s plinom veće područje prolaza topline približno su 5 puta lakši od izmjenjivača topline cijev u plaštu mogu podnijeti visoke tlakove
Nedostaci lamelnih izmjenjivača topline može doći do pojave naslaga pošto su prolazi vrlo uski prolazi se teško čiste slitine aluminija sklone su krutom lomu uzrokovanom tekućim metalom (živom)
Pločasti izmjenjivač topline s profiliranom pločom Pločasti izmjenjivač topline s profiliranom pločom se koristi u mliječnoj industriji za hlađenje mlijeka u velikim spremnicima od nehrđajućeg čelika. Profilirane ploče omogućuju hlađenje preko gotovo cijele površine spremnika bez praznina koje bi se javljale između cijevi zavarenih na vanjsku stranu spremnika.
Profilirana ploča se radi na način da se tanak komad metala točkasto zavari na površinu drugog, debljeg komada metala. Razmak točaka točkastog zavarivanja je jednolik. Nakon zavarivanja, u ograđenom prostoru se poveća tlak tako da tanji metal nabubri oko zavara čime se dobiva prostor za strujanje fluida.
Izmjenjivači topline s promjenom agregatnog stanja thumb|right|250px|Tipični parni bojler korišten za industrijske destilacijske tornjeve thumb|right|250px|Tipični kondenzator s hladenjem površine pomoću vode