Värmeöverföring i plattvärmeväxlare

Värmeöverföring är värmeväxlarens grundläggande funktion.

Termodynamikens lagar utgör de grundläggande principerna för konstruktion av värmeväxlare. Termodynamikens första huvudsats: En värmeväxlare kan varken skapa eller förstöra energi, utan det råder alltid energibalans mellan den varma och den kalla sidan. Termodynamikens andra huvudsats: Värme flödar alltid från ett varmare medium till ett kallare medium i syfte att utjämna temperaturskillnader.

Värmeöverföring innebär utbyte av värme mellan varma och kalla kroppar eller medier. Detta sker genom tre grundläggande mekanismer:

• Värmeledning
• Strålning
• Konvektion

I en värmeväxlare sker värmeöverföringen som en kombination av värmeledning och konvektion. Båda dessa mekanismer beräknas och beaktas i varje specifikt fall av värmeöverföring.

Beräkning av värmeöverföring

Den totala värmeöverföringskoefficienten U beräknas som summan av den konvektiva värmeöverföringen på båda sidor av värmeöverföringsytan (hhot och hcold) samt värmeledningen (k) genom värmeöverföringsplattan.

Värmeledningen beräknas utifrån plattmaterialets värmeledningsförmåga och plattans tjocklek. Plattmaterialet är normalt rostfritt stål med tjocklekar i intervallet 0,7 mm till 1,5 mm. Ju tunnare materialet är, desto effektivare blir värmeledningen genom plattan. I praktiken är dock materialets värmeledningsbidrag för plattor upp till 1,0 mm vanligtvis obetydligt i jämförelse med den totala värmeöverföringen.

Viktigare än värmeledning är den konvektiva värmeöverföringen mellan plattans yta och det strömmande mediet. Konvektion, eller konvektiv värmeöverföring, innebär att värme överförs från en plats till en annan genom rörelse hos vätskor eller gaser (koefficienten h i formeln ovan).

Konvektion är den mest krävande storheten att beräkna. Olika geometrier kräver olika beräkningsmetoder, liksom olika typer av värmeöverföringsfall för vätskor, gaser, kondensering och förångning. Teoretiska samband, såsom Dittus–Boelter‑ekvationen, verifieras och anpassas därefter genom experimentella tester på olika typer av värmeväxlare.

I plattvärmeväxlare är konvektion den dominerande värmeöverföringsmekanismen, vilket gör det särskilt viktigt att optimera de konvektiva krafterna.

Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten påverkas både av mediets egenskaper och av geometrin hos värmeväxlarens yta. Mediet bestäms vanligtvis av processen och kan normalt inte ändras, men val av värmeväxlartyp och konstruktion kan optimeras för att uppnå bästa möjliga värmeöverföring.

Varför är värmeöverföringen bättre i Vahterus PSHE jämfört med rörvärmeväxlare?

Genom att använda värmeöverföringsplattor i stället för rör ökar den tillgängliga värmeöverföringsytan för flödet, samtidigt som flödesvägen utformas så att högre turbulens skapas även vid lägre flödeshastigheter.

Flödet mellan plattorna kännetecknas av en högre frekvens av återbildning av gränsskiktet jämfört med rörflöde, vilket förklarar skillnaden i värmeöverföringskoefficient. Återbildning av gränsskiktet innebär att mediet inte strömmar jämnt längs värmeöverföringsytorna, utan att flödesriktningen förändras kontinuerligt även vid låga hastigheter. Detta leder till en avsevärt förbättrad värmeöverföring.

Kontakta våra experter

Om du är intresserad av en PSHE‑lösning och vill veta mer om de olika alternativen, är du välkommen att kontakta våra värmeväxlar­experter.