Varmevekslingsprinsipper

Varmevekslingsprinsipper omfatter de fysiske og termiske mekanismene som gjør at varme kan flyttes fra ett medium til et annet uten at mediet blandes. Prinsippene er viktige i energisystemer som varmeapparater, kjøleanlegg og industrielle prosesser, og de dekker drivkrefter, overføringskanaler og ytelsesberegninger.

Det grunnleggende er varmeoverføring gjennom konduksjon, konveksjon og stråling. Konduksjon følger Fourier’s lov og avhenger av materialets ledningsevne og tykkelse. Konveksjon innebærer varmeoverføring mellom væske eller gass og en overflate, ofte beskrevet ved Newtons kjøleligning med en konveksjonskoeffisient. Stråling blir spesielt viktig ved høye temperaturer.

Den termiske energien i et varmevekslingssystem følger energibalanse: varme som tilføres et minst én side må komme ut den andre. For sensible varmeendringer kan Q = m·c_p·ΔT brukes. Ved faseforandringer er latent varme viktig. Systemet oppfører seg som to strømmer med kapasitet, og evne til å bære varme avhenger av forholdet mellom de to kapasitetene.

Drivanndringen mellom mediene beskrives ofte ved temperaturdifferansen mellom innløp og utløp. For en ensartet vegg brukes logaritmisk middeltemperaturdifferanse ΔT_lm til å bestemme Q: Q = U·A·ΔT_lm, hvor U er den samlede varmeoverføringskoeffisienten og A er overflatearealet. U inkluderer konduktiv motstand i vegger og konveksjon på begge sider.

Praktisk utførelse skiller mellom forskjellige strømninger, for eksempel motstrøms (counterflow), parallellstrøm og krysstrom. Dette påvirker ΔT_lm og dermed effektiviteten. Effektivitet og forholdet NTU/Cr brukes i NTU-metoden for å dimensjonere varmevekslere og estimere varmeuttaket: ε ≈ f(NTU,Cr). Dette gir grunnlag for dimensjonering og ytelsesvurdering.

Valg av type varmeveksler (plate, rørskall, finert rør) påvirker trykkfall, korrosjon og vedlikehold. Prinsippene underlegger seg også materialvalg, tetthet og driftsbetingelser, men målet er alltid å maksimere varmeoverføring samtidig som energitap, trykkfall og kostnader balanseres.