Výměníky tepla jsou zařízení určená k ohřevu či chlazení tekutin. Zde se soustředíme na sdílení tepla mezi dvěma tekutinami, teplejší tekutinu (která teplo odevzdává) budeme označovat písmenem A, chladnější tekutinu (která teplo přijímá) písmenem B. Podle technické realizace výměny tepla rozlišujeme čtyři základní typy výměníků, v tomto textu se budeme zabývat pouze rekuperačními výměníky tepla.
Rekuperační výměníky tepla
Teplo se sdílí mezi dvěma proudícími tekutinami, které jsou
odděleny pevnou přepážkou, aby nedošlo ke smísení tekutin (pokud jsou
tyto dvě tekutiny nemísitelné, např. systém kapalina – plyn, lze
přepážku vynechat). Tento typ výměníku je v technické praxi nejčastější
a zde uvedené příklady výměníků tepla spadají právě do této kategorie.
Regenerační výměníky tepla
Teplo se sdílí nepřímo – tělesem výměníku (vyplněným látkou s
vysokou tepelnou kapacitou, např. cihly) se vede nejprve např. horký
plyn, teplo se akumuluje ve výplni a stěnách výměníku, pak se vede
dovnitř chladná tekutina, která část naakumulovaného tepla odebere a
tím se ohřeje.
Směšovací výměníky tepla
Teplejší a chladnější tekutina jsou v přímém kontaktu, takto
lze např. ohřát vodu přímým vstřikováním vodní páry nebo chladit vodu
přidáním ledové tříště.
Výměníky s tepelnými trubicemi
Nepřímé sdílení tepla je realizováno pomocí trubic naplněných pomocnou tekutinou C, jejíž bod varu se nachází mezi teplotami teplejší tekutiny A a studenější tekutiny B. Jsou-li tepelné trubice orientovány vertikálně, je jejich spodní část ponořena do teplejší tekutiny A. Předáním tepla dojde k ochlazení tekutiny A a odpaření kapaliny C, páry stoupají C do horní části trubic, které jsou omývány chladnější tekutinou B. Zde teplo přejde do tekutiny B, zatímco tekutina C zkondenzuje a steče zpět dolů. Na tomto principu funguje řada chladicích zařízení (klimatizace, chladničky, ale také chlazení výkonných počítačových procesorů). Tyto výměníky lze navrhnout i tak, že pomocná látka C neprojde fázovou přeměnou, ale při fázové přeměně je přestup tepla řádově intenzivnější.
Základní pojmy
Teplo
Teplo je část vnitřní energie, která samovolně přechází z místa s vyšší teplotou do místa s nižší teplotou. Přesnější (avšak nezavedené) označení pro teplo by byl například pojem tepelná energie. Teplo je tedy pojem popisující proces, který způsobuje změnu stavu systému, na rozdíl od teploty, která popisuje stav systému. Pro podrobnější diskusi těchto pojmů (v angličtině) doporučujeme např.: http://en.wikipedia.org/wiki/Heat, http://en.wikipedia.org/wiki/Talk:Heat a http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature
Za určitých podmínek je teplo rovno entalpii systému. Pro entalpii stejně jako pro vnitřní energii platí, že nelze určit její absolutní hodnotu H, ale lze určit velikost její změny deltaH. Viz např. http://www.vscht.cz/fch/prikladnik/prikladnik/p.3.html.
Mechanismy sdílení tepla
Základními mechanismy sdílení tepla jsou vedení (kondukce), proudění (konvekce) a sálání (radiace).
Vedením tepla rozumíme přenos tepla v nehybném prostředí prostřednictvím vibrací základních částic hmoty (atomů, molekul). Klasický pokus na prokázání sdílení tepla vedením je ohřev kovové tyče na jednom konci, kdy teplota postupně vzrůstá nejen v místě ohřevu, ale postupně i ve vzdálenějších částech.
O sdílení tepla prouděním hovoříme v tekutém prostředí, kde dochází k pohybu větších celků tekutiny buďto samovolně díky rozdílu hustot (s rostoucí teplotou obvykle hustota tekutiny klesá, ohřátá tekutina tak stoupá vzhůru a na její místo přichází chladnější tekutina) – tzv. volná konvekce, anebo je proudění vynuceno působením vnější síly, např. zařazením čerpadla (nucená konvekce).
Ke sdílení tepla sáláním může docházet mezi dvěma tělesy o různé teplotě, jestliže teplejší těleso vyzařuje paprsky v infračervené oblasti spektra (a tím se ochlazuje), zatímco chladnější těleso toto záření pohlcuje (a tím se zahřívá). Jedná se tedy o sdílení tepla mezi dvěma systémy (tělesy), které nejsou v přímém kontaktu, musí však mezi nimi být prostředí propustné pro elektromagnetické záření (např. vakuum).
Přestup a prostup tepla
Přestup tepla je sdílení tepla z jádra proudící tekutiny na fázové rozhraní (např. stěna zařízení) nebo z jádra proudící tekutiny na fázové rozhraní. Teplo se zde sdílí převážně prouděním. Intenzitu sdílení tepla v daném systému vyjadřujeme pomocí součinitele přestupu tepla.
Prostup tepla je sdílení tepla z jádra teplejší proudící tekutiny do jádra chladnější proudící tekutiny přes fázové rozhraní nebo přes pevnou přepážku. Prostup tepla se obecně skládá ze tří dílčích dějů: z přestupu tepla z jádra teplejší tekutiny na stěnu (fáz. rozhraní), vedení skrze stěnu, a přestupu tepla ze stěny do jádra chladnější tekutiny. Intenzitu sdílení tepla v daném systému vyjadřujeme pomocí součinitele prostupu tepla.
