Kot ključna naprava za prenos toplote med različnimi tekočinami, načelo zasnove toplotnega izmenjevalnika temelji na termodinamiki, prenosu toplote in mehaniki tekočin. Njegov namen je doseči učinkovit, zanesljiv in ekonomičen prenos energije s pomočjo razumne strukturne konfiguracije in ujemanja parametrov. Proces načrtovanja ne sme le izpolnjevati zahtev procesa glede temperature, tlaka in značilnosti medija, temveč mora upoštevati tudi učinkovitost prenosa toplote, nadzor padca tlaka, vzdržljivost materiala in stroške izdelave, kar tvori več-ciljni optimiziran pristop sistemskega inženiringa.
Jedro načela načrtovanja je predvsem razumevanje mehanizma prenosa toplote. Preko vmesnika se toplota prenaša s tekočine z visoko-temperaturo na tekočino z nizko{2}}temperaturo. Hitrost prenosa določata Newtonov zakon hlajenja in Fourierjev zakon toplotne prevodnosti, nanjo pa vplivajo temperaturna razlika, površina prenosa toplote, skupni koeficient prenosa toplote in stanje pretoka tekočine. Celotni koeficient prenosa toplote celovito odraža prekrivajoče se učinke odpornosti proti konvekcijskemu prenosu toplote, prevodne odpornosti na prenos toplote in odpornosti proti obraščanju. Zato je treba pri načrtovanju ta koeficient izboljšati z optimizacijo strukture pretočnega kanala, povečanjem motenj, izbiro materialov z visoko toplotno prevodnostjo in nadzorom obraščanja.
Drugič, vključuje uravnavanje pretoka in padca tlaka. Vzorce toka vročih in hladnih tekočin v izmenjevalniku toplote lahko razvrstimo v so-tok, proti-tok, navzkrižni-tok in mešani tok. Pro-protitočne ureditve dosežejo največjo povprečno temperaturno razliko in izboljšajo učinkovitost prenosa toplote, vendar je treba upoštevati temperaturni prehod in strukturne omejitve. Izbira prereza pretočnega kanala, premera cevi, razmika med ploščami in oblike reber neposredno vpliva na porazdelitev hitrosti in padec tlaka. Načrtovalci morajo poiskati optimalno rešitev med izboljšanjem učinkovitosti prenosa toplote in zmanjšanjem porabe energije črpalke ali ventilatorja, da se izognejo čezmernemu padcu tlaka, ki vodi do skokovite porabe energije.
Strukturna izbira je ključna komponenta načela oblikovanja. Strukture z lupino-in-cevjo so robustne, imajo široko tlačno odpornost in temperaturno območje ter so primerne za visoke-pretoke, visoke-temperature in-tlačne pogoje. Strukture plošč so kompaktne, imajo visoke koeficiente prenosa toplote in jih je enostavno razstaviti in očistiti, zaradi česar so primerne za-prostorsko omejene in pogosto vzdrževane aplikacije. Rebraste strukture povečajo prenos toplote-na strani zraka s povečanjem površine in se običajno uporabljajo za izmenjavo toplote-tekočina. Izbira materiala mora temeljiti na korozivnosti medija, temperaturi in tlaku. Običajno uporabljeni materiali vključujejo ogljikovo jeklo, nerjavno jeklo, bakrove zlitine, titan in posebne zlitine, ki jih je mogoče dopolniti s proti-korozijskimi premazi ali oblogami za izboljšanje vzdržljivosti.
Poleg tega mora načrt upoštevati nadzor nad obraščanjem in vzdržljivost. Z uporabo ustrezne zasnove pretoka, končne obdelave površin in rednih strategij čiščenja je mogoče ublažiti vpliv kopičenja umazanije na učinkovitost prenosa toplote. Delovni prostor mora biti rezerviran v odstranljivih ali pralnih strukturah, da se olajša prihodnje vzdrževanje.
Sodobne zasnove vedno bolj vključujejo numerične simulacije in algoritme za optimizacijo za izvedbo analize temperature, pretoka in padca tlaka, povezane z več- fizikami, kar omogoča natančno napoved prenosa toplote in odpornosti ter strukturno ponovitev.
Če povzamemo, načelo zasnove toplotnih izmenjevalcev temelji na zakonih o prenosu toplote in pretoku, ob celovitem upoštevanju strukturnih, materialnih in delovnih omejitev pogojev za več-ciljno optimizacijo. To zagotavlja učinkovit, zanesljiv in ekonomičen prenos energije ob izpolnjevanju procesnih zahtev, zagotavlja trdno podporo za varčevanje z energijo in stabilno delovanje industrijskih sistemov.
