Hitteruiler

'n Hitteruiler is 'n toestel wat gebou is om die doeltreffende warmteoordrag van een medium na 'n ander te bewerkstellig, hetsy die media geskei is deur 'n soliede wand om te keer dat hulle meng of in direkte kontak is. Hulle word gebruik vir binnenshuise verhitting, verkoeling, lugversorging, kragstasies, chemiese- en petrochemiese aanlegte. 'n Algemene voorbeeld van 'n hitteruiler is die verkoeler van 'n motor, waar die warm verkoelingsvloeistof in die enjin die warmte oordra na die lug wat deur die verkoeler vloei.

'n Silindriese hitteruiler.

Vloeirangskikking

Teenstroom- (A) en parallelle (B) vloeie

Hitteruilers kan geklassifiseer word volgens hul vloeirangskikkings. In parallellevloei-hitteruilers gaan die vloeiers die hitteruiler aan dieselfde kant binne en beweeg dan parallel ten opsigte van mekaar na die ander kan van die hitteruiler. In teenstroomhitteruilers gaan die vloeistowwe die hitteruiler van teenoorgestelde kante binne. Die teenstroomontwerp is die doeltreffendste, aangesien dit die meeste warmte oordra. In 'n kruisvloeihitteruiler beweeg die vloeiers rofweg loodreg ten opsigte van mekaar deur die hitteruiler.

Fig. 1: Buis-en-mantelhitteruiler, enkelgang (1-1-parallelle vloei)

Fig. 2: Buis-en-mantelhitteruiler, 2-gangbuiskant (1-2-kruisvloei)

Fig. 3: Buis-en-mantelhitteruiler, 2-gangmantelkant, 2-gangbuiskant (2-2-teenstroom)

Hitteruilers word vir doeltreffendheidsdoeleindes ontwerp om die oppervlak van die wand tussen die twee vloeiers te maksimeer en terselfdertyd die weerstand teen vloei te minimeer. Die hitteruiler se werkverrigting kan ook beïnvloed word deur die byvoeging van vinne of kartelings in een of albei rigtings wat die oppervlak verhoog en die vloeier kanaliseer of om turbulensie te bewerkstellig.

Die temperatuurverskil wat die dryfkrag vir warmteoordrag is, verskil op verskillende plekke in die hitteruiler, maar 'n geskikte gemiddelde temperatuurverskil kan gedefinieer word. In die meeste eenvoudige stelsels word die logaritmies gemiddelde temperatuurverskil (LGTV) gebruik. Soms is direkte inligting ten opsigte van die LGTV nie beskikbaar nie en word die NTU-metode gebruik.

Soorte hitteruilers

Buis-en-mantelhitteruilers

'n Buis-en-mantelhitteruiler

Buis-en-mantelhitteruilers bestaan uit 'n reeks buise. Een stel van hierdie buise bevat die vloeier wat óf verhit óf verkoel moet word. Die tweede vloeier vloei aan die buitekant oor die buise sodat dit warmte kan verskaf of absorbeer uit die vloeier binne-in die buise. 'n Stel buise word die buisbondel genoem en kan bestaan uit verskeie soorte buise, hetsy gewone of longitudinaal gevinde buise, ensovoorts. Buis-en-mantelhitteruilers word gewoonlik gebruik in hoëdruktoepassings (met 'n druk hoër as 30 bar en 'n temperatuur hoër as 260 °C. Dit is omdat die buis-en-mantelhitteruilers vanweë hul vorm baie gehard is.

Daar bestaan verskeie termiese ontwerpsoorwegings wanneer die buise in die buis-en-mantelhitteruiler ontwerp word. Dit sluit in:

• Buisdeursnee: Die gebruik van 'n klein buisdeursnee maak die hitteruiler ekonomies en kompak. Dit maak dit egter waarskynliker dat die hitteruiler vinniger sal verstop raak en die kleiner deursnee bemoeilik ook die meganiese skoonmaak van die buise. Om hierdie probleme te oorkom word 'n groter deursnee dus gebruik. Om die beste deursnee te bepaal moet die beskikbare ruimte, koste en die bevuilingsaard van die vloeiers in ag geneem word
• Buisdikte: Die buiswand se dikte word gewoonlik bepaal om te verseker dat:
  • Daar genoeg toegelaat word vir korrosieverliese
  • Daar voldoende weerstand is teen vibrasie wat deur die vloeier teweeggebring word
  • Aksiale sterkte
  • Die vermoë om maklik spaarbuise te stoor. Soms word die wanddikte ook bepaal deur die maksimum drukverskil wat oor die wand kan voorkom.
• Buislengte: Hitteruilers is gewoonlik goedkoper as die manteldeursnee kleiner is. Dit kan vermag word deur die buise langer te maak. Gewoonlik word dus daarna gestreef om die hitteruiler so lank as moontlik te maak. Daar bestaan egter verskeie beperkings, soos die beskikbare ruimte en die feit dat dit moeilik is om baie lang buise in 'n hitteruiler te vervang.
• Buisspasiëring: Ten tyde van so 'n hitteruiler se ontwerp word daar om praktiese redes verseker dat die buisspasiëring (dus die middelpuntafstande tussen twee aangrensende buise) nooit minder as 1,25 keer die buis se buitedeursnee is nie.
• Geriffelde buise: Hierdie soort buise word hoofsaaklik vir die binneste buise gebruik omdat hulle die turbulensie van die vloeiers verhoog wat sodoende 'n verhoogde hitteoordrag en gevolglik hoër werkverrigting meebring.

Plaathitteruilers

Konsepdiagram van 'n plaat-en-raamhitteruiler.

'n Enkele plaat van 'n hitteruiler

'n Ander soort hitteruiler is die plaathitteruiler. In een van hierdie soorte word 'n aantal dun plate wat effens van mekaar geskei is, opmekaargestapel. Hierdie plate het 'n baie groot hitteoordragoppervlak en dit bied ook baie ruimte vir die vloeier om deur te vloei. Die gestapeldeplaatrangskikking kan doeltreffender wees vir 'n gegewe ruimte as die buis-en-mantelhitteruiler. Ontwikkelings in pakkings- en sweistegnologie het plaathitteruilers vir baie meer toepassings as voorheen geskik gemaak. Die plaat-en-raamtipe maak dit ook maklik om die hitteruiler uitmekaar te haal vir skoonmaak- en inspeksiedoeleindes. Daar bestaan egter ook baie soorte plaathitteruilers waar die plate permanent aanmekaar vasgesweis is en hulle word dikwels gebruik in geslotelusstelsels soos in bevriesing. Plaathitteruilers kan ook verskil ten opsigte van die soorte plate wat gebruik word en die rangskikking van die plate. Sommige plate kan riffels hê in 'n "chevron" of ander dergelike patroon daarop uitgedruk, terwyl ander gemasjineerde vinne of groewe op die plate kan hê.

Spiraalplaathitteruilers

'n Spiraalplaathitteruiler verwys gewoonlik na twee plat plate wat saam opgerol word om twee kanale te lewer waarin die vloeistowwe in 'n teenstroomrangskikking kan vloei. 'n Paar inlate en uitlate word loodreg ten opsigte van die buitenste arms van die spiraal gemonteer. Aksiale inlate en uitlate word ook soms aangebring. Die groot voordeel van spiraalplaathitteruilers is dat hulle ruimte doeltreffend benut. Hierdie hitteruilers maak ook 'n klein drukval tussen die inlaat en die uitlaatkant moontlik.

Keuse

As gevolg van die vele veranderlikes betrokke is die keuse van die optimale hitteruiler 'n uitdagende taak. Handberekenings kan gedoen word maar die vele iterasies wat benodig word maak die gebruik van rekenaarprogramme vir dié doeleinde meer geskik. Sulke programme word dan dikwels deur ingenieurs uitgevoer of deur verskaffers gebruik om die geskikte hitteruileruitleg te bereken.

Ten einde die geskikte hitteruiler te kies, sal ontwerpers eerstens die ontwerpsbeperkinge vir elke soort hitteruiler moet oorweeg. Alhoewel koste gewoonlik die belangrikste oorweging is, bestaan daar verskeie ander belangrike oorwegings wat insluit:

• Die hoë- en laedrukbeperkinge
• Termiese werkverrigting
• Temperatuurbestek
• Produkmengsel (vloeistof/vloeistof, partikels of 'n hoë vastestofinhoud)
• Drukvalle oor die hitteruiler
• Hoeveelheid vloei wat hanteer kan word
• Hoe maklik dit skoongemaak, onderhou en herstel kan word
• Die materiale wat benodig word vir die bou daarvan
• Hoe maklik dit is om die hitteruiler te vergroot indien nodig

Die keuse van die gepaste hitteruiler vereis 'n mate van kennis van die verskillende soorte hitteruilers asook die omgewing waarin die eenheid bedryf sal word. In die vervaardigingsbedrywe sal daar tipies van verskeie verskillende soorte hitteruilers gebruik gemaak word in 'n enkele proses om 'n eindproduk te lewer.

Terminologie

Term	Engels	Hitteruiler	Beskrywing
Benaderingstemperatuur	approach temperature	Alle	Temperatuurverskil tussen warm en koue stroom aan die in- en uitlaatkant. Gewoonlik ontwerp mens vir benaderingstemperature van ongeveer 10 °C
Buisplaat	tube sheet	Buis-en-mantel	Plaat waarin die buise steek. Daar is altyd twee buisplate per hitteruiler behalwe vir U-buis hitteruilers.
Gange	passes	Buis-en-mantel	Verwys na die hoeveelheid keer die vloei aan die buiskant van rigting verander. 'n U-buis hitteruilers het twee gange.
Hittelas	heat duty	Alle	Hoeveelheid hitte wat geruil word in die hitteruiler. Dit is gelyk aan die hitte wat die warm stroom afgee en wat die koue stroom opneem.
Keerplate	baffles	Buis-en-mantel	Plate aan die mantelkant wat die vloei manipuleer.

Kyk ook

• Logaritmies gemiddelde temperatuurverskil
• Warmteoordrag
• Warmteoordragskoëffisiënt