Lämmönvaihtimien termodynamiikan periaatteet

Aloitetaan avainkäsitteistä käyttämällä yksinkertaista matematiikkaa. Lämmönsiirtoa (HT) Q hallitseva perusyhtälö on Newtonin jäähdytyslaki, joka saadaan kaavalla Q=h × S × ΔT, missä h on kokonaislämmönsiirtokerroin ja S on käytettävissä oleva pinta-ala.
Kokonaislämmönsiirtokerroin h ottaa huomioon erilaiset lämmönsiirron vastukset, kuten johtuminen, konvektio ja säteily. Se riippuu materiaalien lämmönjohtavuudesta, seinien paksuudesta ja nesteiden virtausnopeuksista.
Lämmönvaihtimet käyttävät energiansäästöperiaatetta, jota edustaa termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö. Tämä laki sanoo, että järjestelmään tulevan energian tulee olla yhtä suuri kuin siitä lähtevän energian. Lämmönvaihtimen tapauksessa kuumasta nesteestä lämpönä siirtyvä energia on yhtä suuri kuin kylmän nesteen saama energia.
Erityyppiset lämmönvaihtimet käyttävät erityisiä virtauskuvioita lämmönsiirron optimoimiseksi. Esimerkiksi rinnakkaisvirtauslämmönvaihtimessa molemmat nesteet tulevat sisään toisesta päästä, ja kuumat ja kylmät nesteet kulkevat rinnakkain toistensa kanssa, mikä johtaa asteittaiseen ΔT:n pienenemiseen vaihtimen pituudella. Vastavirtalämmönvaihtimessa kuumat ja kylmät nesteet menevät vastakkaisiin päihin maksimoiden ΔT:n ja tehostaen siirtoa.