Αξιολόγηση της απόδοσης σε εναλλάκτη πλακών Flashcards
Τι είναι οι εναλλάκτες πλακών, που χρησιμοποιούνται;
Για θέρμανση ή ψύξη υγρών, παστερίωση ή συμπύκνωση γάλακτος , χυμών , πολτών μαρμελάδας κ.α. Έχουν πολύ υψηλούς ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας που προσφέρουν ενώ καταλαμβάνουν μικρότερο χώρο από τους άλλους τύπους.
Λόγω της υψηλής απόδοσης χρησιμοποιούνται σε θερμικές επεξ. Υψηλών Τ και σύντομου t για ευαίσθητα προϊόντα.
Ποια τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των εναλλακτών πλακών ;
είναι εύκολη η αποσυναρμολόγηση και ο καθαρισμός των πλακών που για τις βιομηχανίες τροφίμων είναι από ανοξείδωτο χάλυβα. Επιπλέον πλεονέκτημα η δυνατότητα αυξομείωσης της δυναμικότητας ανάλογα με τις ανάγκες της παραγωγής, αυξομειώνοντας τον αριθμό των πλακών. Μειονέκτημα η μεγάλη πτώση της πίεσης που είναι ανάλογη με τον αριθμό πλακών (κατά την ροή των ρευστών στα διακενά) και το κόστος.
Πως συναρμολογούνται οι εναλλάκτες πλακών ;
Οι πλάκες πιέζονται και συγκρατούνται η μία πάνω στην άλλη μέσω της δύναμης που ασκούν τα ακριανά πλαίσια οδηγούμενα από κατάλληλο μηχανισμό (κοχλιωτής). Η στεγανοποίηση μέσω ελαστικού παρεμβύσματος (τσιμούχα) το οποίο επικολλάται στην περίμετρο κάθε πλάκας εξασφαλίζοντας και την κατάλληλη απόσταση. Οι πλάκες φέρουν ανάγλυφες αυλακώσεις και οπές για την διάχυση και μεταφορά των ρευστών. Η συνδεσμολογία διαφέρει εάν θέλουμε ομοροή ή αντιροή
Τι είναι οι ενεργές πλάκες και που εξυπηρετούν οι αυλακώσεις ;
Ενεργές πλάκες είναι αυτές που χρησιμοποιούνται για την εναλλαγή θερμότητας (ν-2 για κάθε θερμαντικό στοιχείο) και οι δύο ακριανές για την διακλάδωση της ροής. Οι αυλακώσεις των πλακών εξασφαλίζουν μεγάλη επιφάνεια επαφής και τυρβώδη ροή των ρευστών με αποτέλεσμα την αύξηση του συνολικού συντελεστή μεταφοράς χωρίς να απαιτείται μεγάλος όγκος κατασκευής.
Σε κάθε θερμαντικό στοιχείο οι ακριανές πλάκες είναι ανενεργές . Άρα στο σύστημα μας έχουμε 3 θερμαντικά στοιχεία με 5 πλάκες το κάθε ένα, εκ των οποίων οι 3 είναι ενεργές και οι 2 ανενεργές. Το στοιχείο προθέρμανσης έχει 6 πλάκες εκ των οποίων 4 είναι ενεργές και 2 ανενεργές.
Τι είναι και που εξυπηρετεί ο προθερμαντήρας πλακών ;
Εκτός από το στοιχείο θέρμανσης συγκεκριμένου αριθμού πλακών , η συσκευή διαθέτει και ένα επιπλέον στοιχείο έξι πλακών (4 ενεργές πλάκες) το οποίο χρησιμοποιείται για ανάκτηση θερμότητας (προθέρμανσης) και μπορεί να τοποθετηθεί σε διάφορες θέσεις έτσι ώστε να αυξομειώνεται η επιφάνεια εναλλαγής μεταξύ της θέρμανσης .Στον προθερμαντήρα, το ψυχρό ρευστό που βγαίνει από τον θερμαντήρα (σύνολο πλακών) εισέρχεται σε αυτόν για να προθερμάνει το ψυχρό ρευστό που εισέρχεται στο σύστημα από τον προθερμαντήρα. Έτσι καταφέρνουμε να προθερμάνουμε το ψυχρό ρευστό για να εξοικονομήσουμε Ε αλλά και να κρυώσουμε το ψυχρό ρευστό που εξέρχεται (πχ ένα παστεριωμένο γάλα). Το θερμό ρευστό εξέρχεται πριν έρθει σε επαφή με τον προθερμαντήρα γιατί έχει εισαχθεί στο σύστημα μόνο για την θέρμανση στα θερμαντικά στοιχεία. Γενικά ο συνδυασμός αυτός προσφέρει οικονομία τόσο στην κατανάλωση της προσφερόμενης θερμικής Ε από το θερμό ρευστό όσο και στην εξοικονόμηση του μέσου ψύξης.
Σε τι εξυπηρετούν τα ενδιάμεσα στοιχεία των εναλλακτών;
Ο λόγος των ενδιάμεσων στοιχείων που χωρίζει τα θερμαντικά στοιχεία μεταξύ τους είναι για να μπορούν να εισάγονται τα θερμοστοιχεία και για να μπορούν να συγκρατιούνται καλύτερα οι πλάκες και πιο σφιχτά.
Ποιοι τύποι χρησιμοποιούνται στους εναλλάκτες πλακών ;
Q̇=U •A •ΔΤlm –> U=Q̇/ A •ΔΤlm
A=(ν-2)• α• β
Εκτός από τον συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, συχνά ως μέτρο σύγκρισης της απόδοσης των πλακών χρησιμοποιείται ο % συντελεστής απόδοσης θερμοκρασιακής διαφοράς όπου για το θερμό ρευστό ενός εναλλάκτη αντιρροής ορίζεται ως: η_θ=(Τ_Θ1−Τ_Θ2)/(Τ_Θ1−Τ_Ψ1 )×100 ενώ για το ψυχρό η_ψ=(Τ_ψ2−Τ_ψ1)/(Τ_Θ1−Τ_Ψ1 )×100 όπου Τθ1 και Τθ2 οι Τ εισόδου και εξόδου θερμού ρευστού. Για να είναι ο συντελεστής μονάδα πρέπει ο εναλλάκτης να είναι ιδανικός (άπειρο Α) και οι Τθ1=Τψ2
Ο μέσος συντελεστής απόδοσης εναλλάκτη προκύπτει ως η_m=(η_θ+η_ψ)/2
Υπάρχουν απώλειες θερμότητας στους εναλλάκτες πλακών ;
Η παραδοχή ότι οι εναλλάκτες δεν έχουν θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον δεν μπορεί να δικαιολογηθεί εάν το εξωτερικό τοίχωμα του εναλλάκτη έχει μέση Τ> Τ περιβ. Και ειδικά εάν το θερμό ρευστό ρέει στον εξωτερικό σωλήνα του εναλλάκτη ή στο κέλυφος. Για ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών προτιμάται το θερμό ρευστό να ρέει εσωτερικά. Δεν γίνεται όμως σε εναλλάκτες αποξεόμενης επιφάνειας που ο εσωτερικός σωλήνας έχει ξέστρο για να αφαιρεί τα υπολείμματα (π.χ. τοματοπολτός) και προωθεί το ρευστό. Σε κάθε περίπτωση οι θερμικές απώλειες μπορούν να ελαχιστοποιηθούν με κατάλληλη μόνωση.
Ποιες οι 3 περιπτώσεις ροής θερμότητας στους εναλλάκτες πλακών ;
Για τους υπολογισμούς στους εναλλάκτες θερμότητας διακρίνονται 3 περιπτώσεις: α) το θερμό ρευστό περιβάλλεται από το ψυχρό όπου ο ρυθμός ροής θερμότητας που εναλλάσσεται ισούται με τον ρυθμό ροής που αποβάλλει το θερμό ρευστό ( Q̇=Q̇θ) β) το ψυχρό ρευστό περιβάλλεται από το θερμό όπου ο ρυθμός ροής θερμότητας που εναλλάσσεται ισούται με τον ρυθμό ροής που απορροφά το ψυχρό ρευστό (Q̇=Q̇ψ) και γ)Δεν μπορεί να γίνει διάκριση (π.χ. εναλλάκτες πλακών) όπου Q̇=Q̇θ. Οι θερμικές απώλειες Q̇απώλ= Q̇θ-Q̇ψ. Σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να υπολογιστεί και από τον νόμο Newton εάν γνωστός ο συντελεστής μετάδοσης Θ και η ΔΤ του εξωτερικού τοιχώματος και περιβάλλοντος. Έτσι οι θερμικές απώλειες σε έναν εναλλάκτη μπορούν να προσδιοριστούν από την διαφορά του ρυθμού ροής θερμότητας που αποβάλει το ζεστό ρευστό, μείον τον ρυθμό ροής θερμότητας που απορροφά το κρύο. Q̇απώλ= Q̇θ-Q̇ψ
Ποια η οργανολογία του πειράματος;
Ο εναλλάκτης πλακών του εργαστηρίου αποτελείται από 4 στοιχεία, 3 θερμαντικά στοιχεία και έναν προθερμαντήρα. Σε κάθε θερμαντικό στοιχείο περιέχονται 5 πλάκες εκ των οποίων οι 3 χρησιμοποιούνται για την εναλλαγή των ρευστών΄(ενεργές) και οι 2 ακριανές χρησιμοποιούνται για την διακλάδωση της ροής των ρευστών, άρα κάθε στοιχείο του εναλλάκτη που περιέχει ν αριθμό πλακών ,περιέχει και ν-2 ενεργές πλάκες. Ο προθερμαντήρας βρίσκεται στην μια άκρη του εναλλάκτη και χρησιμοποιείται για την ανακύκλωση Ε και για λόγους προστασίας του περιβάλλοντος από θερμά υγρά απόβλητα.
Η εργαστηριακή διάταξη περιλαμβάνει συστοιχία 4 θερμαντικών στοιχείων (1 προθερμαντήρας) συνδεδεμένα σε σειρά με δυνατότητα καταγραφής της θερμοκρασίας ψυχρού και θερμού ρευστού σε 10 ενδιάμεσα σημεία μέσω θερμοστοιχείων. Το θερμό ρευστό θερμαίνεται σε ειδικό δοχείο με αντιστάτη και η κυκλοφορία του επιτυγχάνεται μέσω αντλίας μέσω της οποίας ελέγχεται και η ογκομετρική παροχή. Μετά την έξοδο του από το σύστημα, το θερμό ρευστό επανέρχεται στην δεξαμενή για αναθέρμανση. Η δεξαμενή έχει αισθητήρα στάθμης για να είναι πάντα καλυμμένη η αντίσταση. Το ψυχρό ρευστό εισάγεται μέσω της πίεσης του δικτύου στο σύστημα , η ογκομετρική παροχή του ελέγχεται μέσω ηλεκτροβαλβίδας και εξέρχεται μέσω κατάλληλου σωλήνα στην αποχέτευση. Χρησιμοποιείται αντιρροή στο πείραμα λόγω μεγαλύτερου U και για σύγκριση με τους εναλλάκτες σωλήνα- σωλήνα. Το στοιχείο ανάκτησης (προθερμαντήρας) περιλαμβάνει 6 πλάκες.
Πως επιτυγχάνεται η εναλλαγή ψυχρού και θερμού ρευστού;
Κάθε πλάκα φέρει συγκεκριμένες αυλακώσεις για την αύξηση της επιφάνειας επαφής αλλά και ειδικά λάστιχα στις 4 οπές της που ρυθμίζει την είσοδο και έξοδο του θερμού και ρευστού νερού εναλλάξ σε κάθε πλάκα. Έτσι πχ στην πρώτη πλάκα τα λάστιχα είναι έτσι τοποθετημένα έτσι ώστε να αφήσουν να εισέλθει το θερμό ρευστό στην συγκεκριμένη πλάκα και να βγει από την κάτω οπή. Στην δεύτερη πλάκα τα λάστιχα επιτρέπουν την είσοδο του ψυχρού ρευστού. Στην 3η επιτρέπουν πάλι του θερμού.
