Warmtewisselaars

Warmtewisselaars regelen de temperatuuruitwisseling tussen twee vloeistoffen (vloeistof of gas) in een ruimte of een systeem. Warmtewisselaars werken door warmteoverdracht te vergemakkelijken voor een evenwicht, bijvoorbeeld om een kamer te verwarmen met een radiator wordt deze warm en geeft die warmte door aan de omgeving, waardoor de koude lucht wordt opgewarmd. Dit artikel beschrijft ook verschillende soorten warmtewisselaars, hun typische toepassingen en hun voor- en nadelen.

Inhoudsopgave

• Wat is een warmtewisselaar?
• Soorten warmtewisselaars
• Spoelvormige warmtewisselaars
• Platenwarmtewisselaars
• Andere soorten warmtewisselaars
• Overzichtstabel warmtewisselaar
• FAQs

Wat is een warmtewisselaar?

Een warmtewisselaar is een apparaat dat warmte-energie overdraagt. Twee vloeistoffen (gas of vloeistof) stromen door de warmtewisselaar; de ene is heter dan de andere. Warmte-energie heeft een natuurlijke neiging tot evenwicht, dus de warmte-energie van de hetere vloeistof beweegt naar de koudere vloeistof. De warmere vloeistof koelt af, en de koelere vloeistof warmt op.

Warmtewisselaars dragen warmte over volgens drie methoden: geleiding, convectie en straling:

• Geleiding: Wanneer twee voorwerpen van verschillende temperatuur elkaar fysiek raken, verplaatst de warmte-energie zich van hoog naar laag. Een hete pan soep bijvoorbeeld verwarmt het oppervlak van de tafel waarop hij staat. In de industrie maken apparaten zoals proceskoelers, ovens en koelinstallaties gebruik van geleiding.
• Convectie: Convectie treedt op wanneer een vloeistof de warmte-energie van een andere vloeistof meeneemt. Op een heet kopje koffie blazen om het af te koelen maakt gebruik van convectie. Industriële convectieovens gebruiken convectie om hete lucht te laten circuleren voor het verwarmen, drogen en bakken van materiaal.
• Straling: Straling treedt op wanneer een voorwerp elektromagnetische golven uitzendt. Hetere objecten zenden meer straling uit. Het meest voor de hand liggende voorbeeld is de zon.

Lees meer in ons artikel over warmteoverdracht op waterbasis in HVAC-systemen.

Soorten warmtewisselaars

De meeste warmtewisselaars hebben een spoel- of plaatontwerp.

• Spoel: Rechte of gebogen buizen hebben een vloeistof in zich. Geleiding brengt de temperatuur van de vloeistof van binnen de buis over naar de buitenwand van de buis. Een tweede vloeistof met een tegenovergestelde temperatuur voert de warmte af en warmt daarbij op of koelt af. Met figuur 2 als voorbeeld hebben veel warmtewisselaars vinnen op de spoel om het oppervlak van de warmte-uitwisseling te vergroten.
• Plaat: Het plaatontwerp gebruikt geleiding door dunne platen om warmte over te brengen van een hete vloeistof naar een koelere vloeistof. De twee vloeistoffen bewegen gewoonlijk in tegengestelde richting door het apparaat om de overdrachtsefficiëntie te verhogen. Platenwarmtewisselaars zijn geschikt om gebouwen aan te sluiten op warmte- en koudecentrales en om elementen van een HVAC-systeem met elkaar te verbinden.

Spoelvormige warmtewisselaars

Warmtewisselaar met gevinde buis

Een buizenwarmtewisselaar met lamellen heeft opgerolde buizen die verbonden zijn door lange dunne stukken metaal, lamellen genaamd. De warmte in de buizen wordt naar de vinnen geleid, waardoor het oppervlak toeneemt waarop een koelere vloeistof reageert om de warmte via convectie af te voeren. Zoals te zien is in figuur 2, is een veel voorkomend voorbeeld de spoel met lamellen aan de achterkant van een koelkast. De warmte die aan de koelkast wordt onttrokken om deze koel te houden, wordt door de buizen verplaatst. De lucht achter de koelkast voert de warmte weg van de buizen en vinnen.

Warmtewisselaars met gevinde buizen zijn ook te vinden op:

• Kanaalsystemen
• Ventilatorconvectoren
• Luchtbehandelingseenheden
• Verdampers en condensors van airco's
• Gootverwarmers

Gootverwarming

Zoals te zien is in figuur 3, wordt een gootverwarming meestal in de vloer rond de binnenomtrek van een gebouw geïnstalleerd, vooral onder ramen. Gootverwarmers gebruiken een spoel met lamellen om warmteverlies van de vloer en condensatie op de ramen te voorkomen. Warm water stroomt door de buis van de gootverwarming. De warmte van de gootverwarming gaat over op de koude lucht bij de vloer. Deze verwarmde lucht stijgt op en wordt vervangen door koelere lucht, waardoor een convectiecyclus ontstaat om de ruimte te verwarmen.

Elektrische kanaalverwarming

Een buisvormige elektrische warmtewisselaar maakt gebruik van zeer resistente spoelen die warmte genereren. Lucht die door het kanaal stroomt, verwijdert de warme lucht van de spoelen. Deze warmtewisselaars zijn ook toepasbaar in ovens en ventilatorconvectoren. Vanwege hun hoge warmte zijn elektrische kanaalwarmtewisselaars alleen geschikt voor ruimten waarin de warmtewisselaar niet per ongeluk kan worden betreden.

Microkanaal-warmtewisselaar

Een microkanaal-warmtewisselaar is een verbetering van het ontwerp met ribbenbuizen. Er zijn meer lamellen op een microkanaal-warmtewisselaar, die veel dichter bij elkaar staan. Sommige ontwerpen hebben minder dan 1 mm afstand tussen de vinnen. Dit ontwerp vergroot het oppervlak waar een koele vloeistof overheen gaat aanzienlijk, waardoor de warmte elders terechtkomt.

De meeste convectiewarmteoverdracht komt van de vinnen van de warmtewisselaar, die via geleiding warmte ontvangen van de buizen. De warmteoverdracht via de buizen is veel minder efficiënt dan via de vinnen.

Microkanaal-warmtewisselaars gebruiken alleen koelmiddel en zijn toepasbaar in:

• Luchtdrogers
• Condens eenheden
• Huishoudelijke airco's
• Luchtgekoelde koelers

Verdampingsspoel van de oven

Een verdampingsspoel van een oven werkt samen met een airconditioner. Hij heeft hetzelfde werkingsprincipe als een warmtewisselaar met lamellen. Een verdampspoel is het meest geschikt voor grote woningen of kleine commerciële gebouwen om de lucht in een ruimte te koelen. Door de buizen van de verdampspoel stroomt koud koelmiddel en over de buizen stroomt warme lucht uit de airconditioning. De lucht uit de unit koelt af en stroomt terug in de kanalen van het gebouw. Het koelmiddel warmt genoeg op om te verdampen en stroomt in een compressor.

Radiator

Radiatoren (figuur 5) zijn gebruikelijk in Noord-Amerika en Europa. Zonekleppen regelen de toevoer van warm water naar de bovenkant van de radiator via een smalle buis. Het water stroomt door meerdere verticale buizen over de breedte van de radiator naar beneden. Deze pijpen zijn breder dan de inlaatpijp, waardoor de stroming wordt vertraagd om de efficiëntie van de warmteoverdracht te verhogen. Door geleiding verwarmt de radiator de omringende lucht. De lucht rond de radiator beweegt weg, waardoor er ruimte ontstaat voor koelere lucht die naar de radiator stroomt. Hierdoor ontstaat een convectiestroom die de ruimte waarin de radiator zich bevindt verwarmt.

Verwarmingselement

Een waterverwarmingselement gebruikt elektriciteit of gas om warmte op te wekken en water in een tank te verwarmen. Het water rondom het element warmt op door geleiding en stijgt op. Koeler water vervangt het warmere water, waardoor een convectiestroom in de tank ontstaat. Waterverwarmingselementen zijn van toepassing op apparaten zoals wasmachines (figuur 6), boilers en open koeltorenbekkens.

Ketel

Een boiler gebruikt gas, olie of kolen om water te verwarmen of in stoom om te zetten. Het water circuleert via radiatoren (zie hoofdstuk radiatoren) die op de ketel zijn aangesloten. Wanneer het water in het systeem afkoelt, keert het terug naar de ketel om het proces opnieuw te starten.

Koelbalk

Een koelbalkwarmtewisselaar heeft een koelbatterij met lamellen en hangt aan het plafond. Koud water stroomt door de buizen van de koelbalk. Verwarmde lucht in de buurt van de koelbalk brengt energie over op buizen, die de lucht afkoelen en een convectiestroom creëren om een ruimte te koelen. Er zijn twee soorten: een passieve koelbalk en een actieve koelbalk.

• Passief: Een passieve koelbalk gebruikt geen ventilator om de lucht te laten circuleren.
• Actief: Een actieve koelbalk heeft nozzles die lucht over de koude buizen leiden. Plafondinductieroosters koelen ruimten efficiënter.

Ovenverwarming

Een oven werkt hetzelfde als een ketel. Deze verspreidt echter verwarmde lucht door een ruimte in plaats van warm water of stoom naar radiatoren te sturen. Een typische oven heeft een gasvlam die een warmtewisselaar verwarmt, die de lucht in de oven verwarmt. De ventilator die koude lucht uit het buizensysteem van het gebouw in de oven brengt, brengt ook de warme lucht uit de oven door het buizensysteem. Terwijl de warme lucht een ruimte vult, stroomt de koudere lucht een retourkanaal in, dat naar de oven gaat om te worden verwarmd.

Schelp en buis warmtewisselaar

Een schelp en buis-warmtewisselaar heeft een grote cilindrische schil (figuur 8 met het label A) met daarin buizen (figuur 8 met het label B), of een buizennest. De vloeistof die door de mantel stroomt is vloeistof aan de mantelzijde, en de vloeistof in de buizen is vloeistof aan de buiszijde. Zoals te zien is in figuur 8, lopen de buizen rechtdoor van de inlaat naar de uitlaat. Bij andere ontwerpen met buizen zijn de buizen één of meer keren in een U-vorm gebogen. Gebogen buizen zorgen ervoor dat de vloeistof in de buizen meerdere malen door het omhulsel gaat. De schotten (figuur 8 met opschrift E) in de schil dwingen de vloeistof aan de schilzijde door de gehele schil te stromen voor een maximale warmteoverdracht. Buisplaten (figuur 8 met opschrift G) ondersteunen de buizen in het omhulsel.

Vloeistof in de buizen verwarmt of koelt vloeistof in het omhulsel, of omgekeerd, afhankelijk van de toepassing. Een veel voorkomend voorbeeld uit de petroleumindustrie is hete olie in de mantel en koude vloeistof in de buizen. De koude vloeistof die van de buisinlaat (figuur 8 met opschrift C) naar de buisuitlaat (figuur 8 met opschrift F) stroomt, koelt de hete olie af die van de mantelinlaat (figuur 8 met opschrift H) naar de manteluitlaat (figuur 8 met opschrift D) stroomt.

De werking van buizenwarmtewisselaars hangt af van het stromingstype:

• Teller: Figuur 8 is een voorbeeld van tegenstroom. Shell-zijde en buis-zijde vloeistof die in tegengestelde richting beweegt is het meest efficiënt in warmteoverdracht.
• Parallel: In een parallel stromende schelp en buis warmtewisselaar komen shell- en tube-vloeistof aan dezelfde kant binnen en bewegen zij in dezelfde richting. De warmteverandering voor elke vloeistof is evenredig.
• Kruis: De twee vloeistoffen stromen loodrecht op elkaar in een cross-flow schelp en buis warmtewisselaar. Gewoonlijk zijn de twee vloeistoffen in verschillende staten. Een voorbeeld hiervan is een stoomcondensor. Hete stoom in de schil zet koeler water om in stoom, die vervolgens wordt opgenomen in de oorspronkelijke stoomtoevoer.

Platenwarmtewisselaars

Plaatwarmtewisselaars verbinden gebouwen met netwerken voor stadskoeling en -verwarming. Deze warmtewisselaars hebben minder ruimte nodig dan andere warmtewisselaars (bijvoorbeeld buizenwarmtewisselaars) die een vergelijkbare warmte-uitwisseling opleveren. De platenwarmtewisselaar maakt gebruik van meerdere platen die door klembouten in een platenstapel worden geperst. Zoals te zien is in figuur 9, hebben pakkingplaat-warmtewisselaars rubberen pakkingen die de vloeistofstroom over de plaat regelen (zie de sectie pakkingplaat-warmtewisselaar hieronder). De platen rusten op een geleider om ervoor te zorgen dat ze goed uitgelijnd zijn. Tenslotte heeft de platenstapel een vast deksel en een beweegbaar deksel. De in- en uitgangspoorten bevinden zich op het vaste deksel. Dankzij het beweegbare deksel kunnen de platen gemakkelijk worden verwijderd, toegevoegd of onderhouden.

Een ander belangrijk ontwerpkenmerk van de platenwarmtewisselaar zijn de groeven op het oppervlak van elke plaat. De groeven spelen drie essentiële rollen:

• Oppervlakte: De ribbels vergroten de oppervlakte van elke plaat, waardoor de warmteoverdracht toeneemt.
• Stijfheid: De ribbels verhogen de stijfheid van elke plaat, waardoor dunnere platen mogelijk zijn, die een hogere warmteoverdracht hebben.
• Turbulentie: De plooien creëren een turbulente stroom, die het tarief van de hitteoverdracht verhoogt en de hulp verhindert vloeistof aan de platen te plakken.

Er zijn single-pass en multi-pass platenwarmtewisselaars. Bij single-pass gaan de warme en koude vloeistoffen slechts eenmaal door de platenstapel. Bij multi-pass passeren de vloeistoffen meerdere malen. Hoewel multi-pass een fijnere temperatuurregeling mogelijk maakt, vereist het ook dat de in- en uitlaten zich aan weerszijden van de platenstapel bevinden. Daarom zijn single-pass platenwarmtewisselaars gebruikelijker omdat zij gemakkelijker te monteren en te demonteren zijn.

Pakking platenwarmtewisselaar

Platenwarmtewisselaars gebruiken gewoonlijk tegenstroom vanwege hun efficiëntie. De pakkingen op elke plaat wisselen van positie. Als bijvoorbeeld koude vloeistof die de warmtewisselaar binnenkomt over de eerste plaat stroomt, is de volgende plaat waar hij overheen stroomt de derde. Hete vloeistof zal over de tweede en vierde plaat stromen, enzovoort.

Gesoldeerde platenwarmtewisselaar

Gesoldeerde platenwarmtewisselaars werken op dezelfde manier als platenwarmtewisselaars met pakkingen. De gesoldeerde platen worden samengevoegd met behulp van een vulmetaal, zoals een dunne koperen plaat tussen elke plaat. Tijdens de fabricage wordt de gesoldeerde platenwarmtewisselaar verhit tot een temperatuur die hoog genoeg is om het koper te smelten, maar niet de platen, die van roestvrij staal zijn. De voordelen van een gesoldeerde plaat ten opzichte van een pakkingplaat zijn dat deze minder snel lekt, compacter is en iets efficiënter. De hele eenheid moet echter worden vervangen als een gesoldeerde platenwarmtewisselaar is beschadigd.

Gelaste platenwarmtewisselaar

Een gelaste platenwarmtewisselaar heeft aan elkaar gelaste platen. Het voordeel van deze platenwarmtewisselaar ten opzichte van de andere is dat hij bij hogere temperaturen en drukken kan werken. Daarom zijn gelaste platenwarmtewisselaars het meest geschikt voor industriële toepassingen.

Microplaat warmtewisselaar

Microplatenwarmtewisselaars zijn van het type met pakking of gesoldeerd. Het belangrijkste voordeel van een microplatenwarmtewisselaar is het golfontwerp op elke plaat. Traditionele platenwarmtewisselaars gebruiken een visgraat- of chevronontwerp, terwijl microplaatwarmtewisselaars veel kleine kuiltjes gebruiken. Door de kuiltjes kan de vloeistof gelijkmatiger over de plaat bewegen en neemt de turbulentie toe, waardoor de warmteoverdracht efficiënter verloopt.

Platenwarmtewisselaar

Een gekanaliseerde platenwarmtewisselaar maakt deel uit van een luchtbehandelingskast die de centrale airconditioning aandrijft. Het ontwerp van deze platenwarmtewisselaar gebruikt de warmte van de afvoerlucht om ervoor te zorgen dat de verse lucht die de ruimte binnenkomt warm is in plaats van koud. Hete uitlaatlucht stroomt door platen die diagonaal georiënteerd zijn op andere platen waar verse koude lucht doorheen stroomt.

Schelp en plaat warmtewisselaar

Een schelp en plaat-warmtewisselaar combineert de werkingsprincipes van een schelp en buis-warmtewisselaar met een platenwarmtewisselaar. De platen in de schelp zijn rond en hebben een boven- en een onderpoort. De platen worden aan elkaar gelast tot een platenstapel. De warmtewisselaar werkt met een tegenstroom. Hete vloeistof komt binnen aan de buitenkant en stroomt over en langs de platen zonder erin te lekken. Koude vloeistof komt de plaatzijde binnen en stroomt tussen de platen.

Andere soorten warmtewisselaars

Roterende wielwarmtewisselaar

Een warmtewisselaar met draaiend wiel is vergelijkbaar met een kanaalplaat-warmtewisselaar, omdat hij hete uitlaatlucht gebruikt om verse lucht te koelen. Hete uitlaatlucht (figuur 10 boven) verwarmt een deel van het wieloppervlak. Dit verwarmde oppervlak draait naar het inlaatkanaal (figuur 10 onderaan) om de verse lucht te verwarmen. Een motor en riem drijven het wiel aan langs twee kanalen.

Warmtepijp

Een zonneboiler (Afbeelding 11) is een veelgebruikte toepassing voor heat pipes. Een individuele hittepijp heeft een glazen buis die een koperen buis binnenin afsluit. De koperen buis warmt op onder de zon, en de glazen buis voorkomt dat de warmte ontsnapt. Een afdichting op de warmtepijp houdt het watermengsel in de pijp onder lage druk. Hierdoor kan het mengsel bij lagere temperaturen verdampen tot stoom. De stoom gaat naar de bovenkant van de heat pipe, die aansluit op de hoofdpijp die elke heat pipe in het systeem bevat. De warmte aan de bovenkant van de hittepijp gaat over op koud water dat door de hoofdleiding stroomt, waardoor het water wordt verwarmd.

Warmtegeleidende Pasta

Een koellichaam heeft lange, smalle vinnen op een basis die dicht bij een warmtebron zit. De warmte van de bron geleidt naar de basis van het koellichaam en verdwijnt dan via de lamellen. Lucht of vloeistof beweegt over de vinnen van het koellichaam om warmte af te voeren via convectie. Zoals te zien is in figuur 12, is een veel voorkomend voorbeeld een koellichaam op een computerprocessor.

Overzichtstabel warmtewisselaar

Lees onze artikelen over draagbare kachels en vloerverwarmers voor meer informatie over de werking van elk type.

FAQs

Welk type warmtewisselaar is het meest efficiënt?

In het algemeen zijn platenwarmtewisselaars efficiënter dan spiraalwarmtewisselaars. De meest efficiënte warmtewisselaar voor een toepassing hangt echter af van de toepassing.

Waarvoor wordt een warmtewisselaar gebruikt?

Een warmtewisselaar gebruikt een warme of koude vloeistof om een andere vloeistof te verwarmen of af te koelen. In veel toepassingen maakt dit temperatuurregeling mogelijk zonder ongewenste vermenging van vloeistoffen.

Wat zijn de voordelen van een warmtewisselaar?

De meeste warmtewisselaars hebben geen extra apparaten nodig om te werken, zoals een luchtcompressor.