Wärmetauscher-Analyse
Quelle: Alexander S Rattner und Christopher J Greer; Abteilung für mechanische und Nuclear Engineering, der Pennsylvania State University, University…
1. Herstellung von Wärmetauscher-System (siehe Schaltplan und Fotos, Abb. 2)
- Befestigen Sie zwei Kunststoff Wasserspeicher (~ 1 Liter) auf eine Arbeitsfläche (~0.6 m voneinander entfernt). Wenn diese überdachte Container sind, Bohren Sie Löcher in den Deckel für den Einlass und Auslass Wasserleitungen und Stromkabel der Pumpe. Diese werden als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen.
- Montieren Sie einen kleinen Tauchpumpe in jedem Behälter.
- Vertikal montieren Sie zwei Wasser Durchflussmesser (Rotametern), eines in der Nähe jedes Reservoir. Verwenden Sie weich PVC-Schläuche, Durchflussmesser Buchten an die Pumpe Entlastung Ports verbinden.
- Das äußere Rohr Wärmetauscher (HX) installieren (~0.3 m langen, äußeren Durchmesser OD = 12,7 mm, Innendurchmesser ID = 9,5 mm) in zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen (siehe Abb. 2). Einen flexiblen PVC-Schlauch anschließen (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) von der Seitenanschluss auf ein t-Shirt passend zum heißen Durchflussmesser Auslass.
- Schneiden Sie ein Alu-Rohr (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) auf die Länge des Wärmetauschers, darunter die t-Stück Fittings am Ende (~0.38 m lang), und fügen Sie es in der Wärmetauscherbaugruppe. Das Aluminiumrohr sollte behaglich schieben Sie in das weiche PVC-Verbindungsrohr (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) am Ende der Rohrverschraubung.
- Verbinden Sie einen weichen PVC-Schlauch von Klemmverschraubung am anderen Ende der HX-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die heißen Durchströmung der inneren Alu-Rohr von der äußeren Kaltfluss trennen.
- Anschließen Sie einen flexiblen PVC-Schlauch aus der Seitenanschluss auf ein t-Shirt passend zur kalten Durchflussmesser Steckdose. Verbinden Sie ein PVC-Rohr der Seitenanschluss auf andere t-Formstücks mit kaltem Wasser-Reservoir (Rücklauf). Die warmen und kalten Bach Buchten, HX sollte an den gegenüberliegenden Enden.
- Bohren Sie kleine Löcher (~1.6 mm Durchmesser), durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohre in der Nähe von jeder Wärmetauscher Einlass und Auslass Port (4 insgesamt). Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließen Sie die Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser
- Mit Epoxidharz oder ähnliche Kleber um die kleine Lücke in den Rohren rund um das Thermoelement zu versiegeln, Sonden, dass kein Wasser austritt.
Abbildung 2: Schaltplan (a) und (b) gekennzeichneten Foto von Wärmetauscher experimentelle Bewertungssystem
2. Bedienung
- Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser.
- Schalten Sie die zwei Wasserpumpen und verwenden Sie der Durchflussmesser Nadelventilen, um die Volumenströme auf gewünschte Werte (z.B. 0,1 l min-1) anzupassen. Es eventuell zirkuliert Wasser auf eine höhere Durchflussrate zunächst um eingeschlossene Luftblasen zu löschen.
- Lassen Sie das System, für ein paar Minuten zu stabilisieren, und notieren Sie die vier Thermoelement-Messungen für den Einlass und Auslass Temperaturen. Zeichnen Sie ein paar Sätze von Lesungen für jeden Flow-Zustand. Falls verfügbar, kann die hold -Funktion auf dem Thermoelement Leser Lesungen um Aufnahme helfen fixieren.
- Temperaturmessungen an ein paar Sätze von heißem und kaltem Wasser Durchflussmengen zu sammeln. In regelmäßigen Abständen füllen Sie die Behälter mit heißem und kaltem Frischwasser weiterhin ausreichend durchschnittliche Temperaturunterschiede (~ 5-10 ° C).
3. Analyse
- Für jede Bedingung, vergleichen Sie die heißen und kalten Strom Energie ändern Preise (
, 
). Für Wasser, cp = 4,2 kJ kg-1 K-1. der Volumenstrom kann durch Dichte multipliziert werden (ρWasser = 997 kg m-3) des Massenstroms zu finden. Entsprechen die Energie-Änderung-Preise (Q) wie in Eqn. 1 angenommen? - Die LMTD für jede Bedingung nach Eqn. 2 mit Q aus Schritt 3.1 zu bewerten. Bewerten Sie den Wärmetauscher UA (definiert in Eqn. 3). Ist diese Menge ungefähr konstant betrachteten Bedingungen?
- Bewerten der theoretischen UA für ausgereifte Laminar-Flow in diesem HX (Eqn. 4) mit der mittleren Wärmeübertragungsrate ((QC+QH) / 2). Wie verträgt sich dieser theoretischen Wert zum gemessenen Wert?
Titel des Kapitels | Transkript |
1 | Wärmetauscher sind allgegenwärtige Komponenten in Energiesystemen. Einige allgemeine Beispiele sind Autokühler und Kühlschrank-Verdampfer. In beiden Fällen ist der Wärmetauscher die Übertragung von Wärme von einem Strom von Flüssigkeit zu einem anderen erleichtern. Aus diesen Beispielen ist es klar, dass die Wärmetauscher in einer Vielzahl von Systemen wichtig sind; In erster Linie bietet Thermomanagement oder Übergänge in thermodynamischen Zyklen. Verstehen, wie zu Modell und Tarif Wärmetauscher ist wichtig für die Optimierung der Entwürfe und Wärmetauscher in größere Systeme zu integrieren. Dieses Video wird veranschaulichen einige Grundsätze des Wärmetauschers Design und Analyse, und dann zeigen diese Konzepte auf einem einfachen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher-Design. Am Ende werden einige gängige Anwendungen untersucht werden. |
2 | Ein gut gestalteter Wärmetauscher sollen effiziente und kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme, ohne dass sie mischen erleichtern. Wie zwei Fluidströme einen Wärmetauscher betreten, werden sie über eine physikalische Barriere in thermischen Kontakt gebracht. Wärmeaustausch wird durch eine lokale Temperaturunterschiede Fortschreiten der Flüssigkeiten angetrieben, bis die Flüssigkeit den Ausgang zu erreichen. Das Ergebnis ist, desto heißer der zwei Flüssigkeiten in den Wärmetauscher mit einer geringeren Temperatur und kälter der beiden mit einer erhöhten Temperatur beendet wird. Im stetigen Betrieb Wärmeübertragungsrate der heißen Flüssigkeit richtet sich nach der Massenstrom und die spezifische Wärme des Fluids, multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Die gleiche Formel gilt für die kalte Flüssigkeit, wenn die entsprechenden Werte verwendet werden. Wenn Wärmeverluste an die Umgebung vernachlässigt werden kann, wird das Ausmaß der beiden Übertragungsraten gleich sein. Dies bedeutet, dass keine Wärme verloren durch die heiße Flüssigkeit wird gewonnen, indem die kalte Flüssigkeit. Die allgemeine Leitfähigkeit in Watt pro Kelvin, ist ein Maß für die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers. Let es analysieren eine besondere Geometrie, Gegenstromanlage, Rohr-in-Rohr Wärmetauscher genannt. In diesem Entwurf die heiße Flüssigkeit fließt in eine Richtung in einen geraden Abschnitt des Rohres. Die kalte Flüssigkeit fließt in die entgegengesetzte Richtung in den Ringraum zwischen dem heißen Rohr und eine zweite Außenrohr. Der durchschnittliche Temperaturunterschied fahren Wärmeübertragung zwischen den beiden Streams in dieser Geometrie ist die Log mittlere Temperaturdifferenz, die von den Eingangs- und Temperaturen der beiden Streams berechnet werden kann. Mit diesem Modell der Wärmetauscher Betrieb können wir zwei verschiedene Arten von Wärmetauscher Analyse Problemen beantworten. Bewertung und Gestaltung. Wenn die Wärmeübertragungsrate und das Protokoll Temperaturdifferenz bekannt sind bedeuten, z. B. durch experimentelle Messung kann der gesamte Leitwert aus dem Verhältnis der beiden berechnet werden. Zum Zweck der Gestaltung ist es jedoch nützlich, um vorherzusagen, was die allgemeine Leitfähigkeit von der Geometrie und Materialeigenschaften des Wärmetauschers werden. Dies kann erfolgen, indem die Summe der thermischen Widerstände zwischen den beiden Streams finden. Für die Rohr-in-Rohr-Geometrie sind diese Widerstände durch bestimmt: Konvektion in die heiße Flüssigkeit Rohr, Wärmeleitung durch die inneren Rohrwand und Konvektion wieder in die kalte Flüssigkeit Annulus. Die Umkehrung dieser Summe gibt die allgemeine Leitfähigkeit für die Rohr-in-Rohr-Gegenstrom-Wärmetauscher. Nun, da wir gesehen haben wie der Wärmetauscher zu analysieren, testen Let es im Labor. |
3 | Befestigen Sie zwei Plastikbehälter auf gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsfläche als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen. Falls erforderlich, Bohren Sie Löcher in den Deckeln für Einlass und Auslass Wasserleitungen sowie das Netzkabel der Pumpe. Wenn Sie fertig sind, eine kleine, versenkbare Pumpe in jedem Behälter bereitstellen. Als nächstes montieren Sie ein Wasser-Flow-Meter oder Rotameter, vertikal in der Nähe jedes Reservoir und verwenden Sie dann weich PVC Schlauch zum Durchflussmesser Buchten die Pumpe Outlets herstellen. Installieren Sie nun zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen auf dem äußeren Kaltwasser-Rohr des Wärmetauschers. Verbinden Sie ein PVC-Schlauch, von der Seitenanschluss des nahe gelegenen t-Shirts passend zum Austritt des heißen Durchflussmesser. Schneiden Sie für die heiße Theke Strömungsrohr einen Teil der Aluminiumrohre gleich lang zum Wärmetauscher, darunter die t-Stück Fittings am Ende, und fügen Sie es in der Baugruppe. Schließen Sie als nächstes einen weichen Kunststoffschlauch aus Klemmverschraubung am anderen Ende der Wärmetauscher-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die äußere Kaltfluss heißen Durchströmung der inneren Aluminium-Rohr trennen. Verbinden Sie das flexible PVC-Rohr aus der Seitenanschluss auf ein t-Stück-Fitting, zum Auslass kalt-Flow-Meter, und dann eine zweite Röhre an der Seitenanschluss des anderen t-Shirts passend wieder in das kalte Wasser-Reservoir. Bestätigen Sie bevor Sie fortfahren, dass die warmen und kalten Bach Buchten des Wärmetauschers an den gegenüberliegenden Enden. Bohren Sie ein kleines Loch durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohr in der Nähe von jedem Einlass und Auslass Anschluss des Wärmetauschers. Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließlich verwenden Sie das Epoxid oder ähnlich wie Klebstoff, um die kleine Lücke in den Rohren um die Thermoelement-Fühler gegen Wasserlecks zu versiegeln. Wenn das Epoxidharz ausgehärtet ist, schließen Sie alle vier Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser. Nun, da die Montage abgeschlossen ist, sind Sie mit dem Testen beginnen. |
4 | Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser. Schalten Sie beide Wasserpumpen und passen Sie die Nadel Ventile an den Durchflussmessern um den Informationsfluss in beide Schleifen zu erhöhen. Lassen Sie das Wasser lange genug zirkulieren um zu spülen, eingeschlossene Luftblasen. Sobald die Luftblasen entfernt sind, passen Sie die Durchflussmenge in beiden Schleifen um ca. 0,1 Liter pro Minute. Warten Sie einige Minuten, um das System zu stabilisieren, und notieren Sie die Einlass und Auslass Temperaturen durch die vier Thermoelement Lesungen berichtet. Ihre Thermoelement Leser möglicherweise eine Hold-Funktion, die aktuellen Werte einzufrieren, während Sie aufzeichnen. Erfassen Sie fünf Sätze von Lesungen an diese Strömungsverhältnisse. Wiederholen Sie diese Messungen für Durchflussmengen von ca. 0,125 Liter pro Minute und 0,15 Liter pro Minute. Sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und kalten Eingänge unter 5 Grad Celsius, füllen Sie die Behälter mit frischem heißem und kaltem Wasser. Nun, da die Messungen abgeschlossen sind, Let es werfen Sie einen Blick auf die Ergebnisse. |
5 | Sie haben 18 Sätze von Daten und für jede Gruppe eine gemessene Volumenstrom. Hinweis für diese Tests, die gleiche Durchflussmenge V-Dot, ist für die heißen und kalten Ströme verwendet. Verwenden Sie zuerst die Dichte des Wassers jeden Wert der Volumenstrom in einem Massenstrom zu konvertieren. Berechnen Sie die Rate der Energiewende für die warmen und kalten Ströme in jedem Satz nun, durch Multiplikation des Massenstroms, die spezifische Wärme des Wassers und der jeweiligen Temperaturdifferenzen. Im Abschnitt Prinzip gingen wir davon aus, dass das Ausmaß der diese Sätze gleich sein würde. Unsicherheiten zu verbreiten, so dass Sie sie vergleichen können. In den meisten Fällen entsprechen die Hitze Übertragungsraten in Unsicherheit; Da die Fließgeschwindigkeit abnimmt, ist jedoch ein Trend zu erhöhter Wärmeverlust von der heißen Flüssigkeit, im Vergleich zu der Hitze durch die kalte Flüssigkeit gewonnen. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis der Wärmeverlust an die Umgebung; Aber da der Effekt klein ist, kann die durchschnittliche Wärmeübertragungsrate für den Rest der Analyse verwendet werden. Als nächstes können die allgemeine Leitfähigkeit des Wärmetauschers, zu bewerten, die aus den gemessenen Wärmeübertragungsrate ermittelt werden kann, und das Protokoll Temperaturunterschied bedeuten. Die allgemeine Leitfähigkeit hängt von Material thermische Leitfähigkeiten, Strömungsverhältnisse und die Wärmetauscher-Geometrie. Wir erwarten, dass dieser Wert mit Durchfluss für die niedrige Geschwindigkeit laminare Strömungen hier betrachteten nicht wesentlich verändern werden. Verwenden Sie die gemessenen Temperaturen mit der Gleichung im Text um die Log mittlere Temperaturdifferenz berechnen. Nun teilen Sie die durchschnittliche Änderungsrate Energie durch die mittlere Temperaturdifferenz Log für jede Gruppe um die allgemeine Leitfähigkeit zu erzielen. Wie von uns erwartet, ist die allgemeine Leitfähigkeit relativ konstant über den Bereich von Bedingungen, die getestet wurden, wie die kleine Standardabweichung über den Datensatz belegt. Dieses Ergebnis ist jedoch höher als der theoretische Wert für stetigen voll entwickeltes Laminar-Flow vorhergesagt. Wenn wir davon entwickelnde Strömung an den Einlässen in beiden Kanälen ausgehen und geeignete Korrekturfaktoren verwenden, werden die theoretische Vorhersage höher als unsere Messergebnis. In Wirklichkeit in den inneren Kanal fließen teilweise vor Erreichen des Wärmetauscher Einlass entwickelt werden, und dies mag erklären, den Zwischenwert der gesamten Leitwert. Nun, da wir die Ergebnisse unserer einfachen Wärmeaustauscher, Let es Blick auf einige typischen Anwendungen analysiert haben. |
6 | Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt, sobald Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme erleichtert werden muss. In vielen Energie-Erzeugungsanlagen, Dampf-Generator Wärmetauscher übertragen Wärme aus Hochtemperatur-Gas, Hochdruckdampf, Antrieb Turbinen produzieren. Flussabwärts von diese Turbinen ablehnen Kondensator Wärmetauscher Wärme aus Niederdruck-Dampf, Verflüssigung der Flüssigkeit und damit den Zyklus kontinuierlich zu betreiben. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Wärmetauscher Verdampfer Wärmeenergie aus Luft in klimatisierten Raum auf die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten. |
7 | \ ' Ll haben genau beobachtete Jove\s Einführung in die Wärmetauscher-Analyse. Sie sollten wissen, verstehen die grundlegenden Prinzipien von Wärmetauschern und wie Sie ihre Leistung experimentell und theoretisch zu analysieren. Danke fürs Zuschauen. |
Wärmetauscher sind allgegenwärtige Komponenten in Energiesystemen. Einige gängige Beispiele sind Autokühler und Kühlschrankverdampfer. In beiden Fällen erleichtert der Wärmetauscher die Übertragung von Wärme von einem Flüssigkeitsstrom auf einen anderen. Aus diesen Beispielen wird deutlich, dass Wärmetauscher in einer Vielzahl von Systemen wichtig sind; In erster Linie für das Wärmemanagement oder Übergänge in thermodynamischen Kreisläufen. Ein Verständnis für die Modellierung und Bewertung von Wärmetauschern ist wichtig für die Optimierung von Designs und die Integration von Wärmetauschern in größere Systeme. In diesem Video werden einige Prinzipien der Konstruktion und Analyse von Wärmetauschern veranschaulicht und diese Konzepte dann an einem einfachen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscherdesign demonstriert. Zum Schluss werden einige gängige Anwendungen beleuchtet.
Ein gut konzipierter Wärmetauscher sollte eine effiziente, kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeitsströmen ermöglichen, ohne dass sie sich vermischen. Wenn zwei Flüssigkeitsströme in einen Wärmetauscher eintreten, werden sie über eine physikalische Barriere in engen thermischen Kontakt gebracht. Der Wärmeaustausch wird durch lokale Temperaturunterschiede während des Fortschritts der Flüssigkeiten angetrieben, bis die Flüssigkeiten den Ausgang erreichen. Das Ergebnis ist, dass die heißere der beiden Flüssigkeiten, die in den Wärmetauscher eintritt, mit einer reduzierten Temperatur austritt und die kältere der beiden mit einer erhöhten Temperatur. Während des stationären Betriebs wird die Wärmeübertragungsrate des heißen Fluids durch den Massenstrom und die spezifische Wärme des Fluids bestimmt, multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Ausgang. Die gleiche Formel gilt für die kalte Flüssigkeit, wenn die entsprechenden Werte verwendet werden. Wenn der Wärmeverlust an die Umgebung vernachlässigbar ist, ist die Größe der beiden Übertragungsraten gleich. Das bedeutet, dass die Wärme, die durch das heiße Fluid verloren geht, durch das kalte Fluid gewonnen wird. Der Gesamtleitwert in Watt pro Kelvin ist ein Maß für die Wärmeübertragungskapazität eines Wärmetauschers. Lassen Sie uns eine bestimmte Geometrie analysieren, die als Gegenstrom-Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher bekannt ist. Bei dieser Konstruktion fließt das heiße Fluid in einer Richtung in einem geraden Rohrabschnitt. Das kalte Fluid fließt in die entgegengesetzte Richtung, in den Ringraum zwischen dem heißen Rohr und einem zweiten Außenrohr. Die durchschnittliche Temperaturdifferenz, die den Wärmeübergang zwischen den beiden Strömen in dieser Geometrie antreibt, ist die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz, die aus den Eingangs- und Ausgangstemperaturen beider Ströme berechnet werden kann. Mit diesem Modell des Wärmetauscherbetriebs können wir zwei verschiedene Arten von Problemen bei der Wärmetauscheranalyse beantworten. Bewertung und Design. Sind die Wärmeübergangsrate und die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz bekannt, z. B. durch experimentelle Messung, dann kann aus dem Verhältnis der beiden der Gesamtleitwert berechnet werden. Für die Konstruktion ist es jedoch nützlich, anhand der Geometrie und der Materialeigenschaften des Wärmetauschers vorherzusagen, wie hoch der Gesamtleitwert sein wird. Dies kann erreicht werden, indem die Summe der Wärmewiderstände zwischen den beiden Strömen ermittelt wird. Für die Rohr-in-Rohr-Geometrie werden diese Widerstände bestimmt durch: Konvektion im Rohr mit heißem Fluid, Leitung durch die Rohrinnenwand und erneute Konvektion im Ring des kalten Fluids. Der Kehrwert dieser Summe ergibt den Gesamtleitwert für den Rohr-in-Rohr-Gegenstromwärmetauscher. Nachdem wir nun gesehen haben, wie man den Wärmetauscher analysiert, testen wir einen im Labor.
Befestigen Sie zwei Kunststoffbehälter an gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsfläche, die als Warm- und Kaltwasserbehälter dienen. Bohren Sie bei Bedarf Löcher in die Deckel für die Zu- und Ablaufwasserleitungen sowie das Stromkabel der Pumpe. Wenn Sie fertig sind, montieren Sie in jedem Behälter eine kleine Tauchpumpe. Montieren Sie als Nächstes einen Wasserdurchflussmesser oder Rotameter vertikal in der Nähe jedes Reservoirs und verwenden Sie dann weiche PVC-Schläuche, um die Pumpenauslässe mit den Einlässen des Durchflussmessers zu verbinden. Installieren Sie nun zwei Kompressionsrohr-T-Stücke am äußeren Kaltwasserrohr des Wärmetauschers. Verbinden Sie einen flexiblen PVC-Schlauch von der seitlichen Öffnung der nahe gelegenen T-Armatur mit dem Auslass des Heißdurchflussmessers. Schneiden Sie für das Heißstromrohr ein Stück Aluminiumrohr ab, das gleich lang ist wie der Wärmetauscher, einschließlich der T-Stücke am Ende, und setzen Sie es in die Baugruppe ein. Verbinden Sie als Nächstes ein weiches Kunststoffrohr von der Klemmverschraubung am anderen Ende der Wärmetauscherbaugruppe mit dem Warmwasserspeicher. Ziehen Sie die Klemmverschraubungen fest, um die weichen Kunststoffschläuche um das Aluminiumrohr herum abzudichten. Dadurch wird der heiße Fluss durch das innere Aluminiumrohr vom äußeren kalten Fluss getrennt. Verbinden Sie den flexiblen PVC-Schlauch vom seitlichen Anschluss eines T-Stücks mit dem Auslass des Kaltdurchflussmessers und verbinden Sie dann ein zweites Rohr mit dem seitlichen Anschluss des anderen T-Stücks, das in den Kaltwasserbehälter zurückkehrt. Bevor Sie fortfahren, vergewissern Sie sich, dass sich der Warm- und Kaltstromeinlass zum Wärmetauscher an gegenüberliegenden Enden befinden. Bohren Sie ein kleines Loch durch eine Seite des weichen Kunststoffrohrs in der Nähe jeder Einlass- und Auslassöffnung des Wärmetauschers. Führen Sie vorsichtig eine Thermoelementsonde in jeden Anschluss ein, so dass sich die Sondenspitze ungefähr in der Mitte des Rohrs befindet. Verwenden Sie zum Schluss das Epoxidharz oder einen ähnlichen Klebstoff, um den kleinen Spalt in den Rohren um die Thermoelementsonden gegen Wasserlecks abzudichten. Wenn das Epoxidharz ausgehärtet ist, schließen Sie alle vier Thermoelementsonden an ein Thermoelement-Lesegerät an. Nachdem die Montage abgeschlossen ist, können Sie mit dem Testen beginnen.
Füllen Sie den kalten Behälter mit Leitungswasser bei Raumtemperatur und den heißen Behälter mit warmem Wasser. Schalten Sie beide Wasserpumpen ein und stellen Sie die Nadelventile an den Durchflussmessern ein, um den Durchfluss in beiden Kreisläufen zu erhöhen. Lassen Sie das Wasser lange genug zirkulieren, um eingeschlossene Luftblasen auszuspülen. Sobald die Luftblasen entfernt sind, stellen Sie die Durchflussmenge in beiden Kreisläufen auf ca. 0,1 Liter pro Minute ein. Warten Sie einige Minuten, bis sich das System stabilisiert hat, und notieren Sie dann die Einlass- und Auslasstemperaturen, die von den vier Thermoelementmesswerten gemeldet werden. Ihr Thermoelement-Lesegerät verfügt möglicherweise über eine Hold-Funktion, mit der Sie die aktuellen Werte während der Aufnahme einfrieren können. Zeichnen Sie fünf weitere Messwerte bei diesen Strömungsbedingungen auf. Wiederholen Sie diese Messungen für Durchflussraten von ca. 0,125 Litern pro Minute und 0,15 Litern pro Minute. Wenn der Temperaturunterschied zwischen dem Warm- und dem Kalteingang unter 5 Grad Celsius sinkt, füllen Sie die Behälter mit frischem Warm- und Kaltwasser auf. Nun, da die Messungen abgeschlossen sind, werfen wir einen Blick auf die Ergebnisse.
Sie sollten 18 Datensätze haben, und für jeden Satz einen gemessenen Volumenstrom. Beachten Sie, dass für diese Tests die gleiche Durchflussrate, der V-Punkt, für den heißen und kalten Strom verwendet wird. Zuerst wird die Dichte des Wassers verwendet, um jeden Wert des Volumenstroms in einen Massenstrom umzurechnen. Berechnen Sie nun die Energieänderungsrate für die heißen und kalten Ströme in jedem Satz, indem Sie den Massendurchfluss, die spezifische Wärme des Wassers und die jeweiligen Temperaturunterschiede multiplizieren. Im Hauptteil haben wir angenommen, dass die Größe dieser Sätze gleich wäre. Propagieren Sie Unsicherheiten, damit Sie sie vergleichen können. In den meisten Fällen stimmen die Wärmeübertragungsraten mit einer Unsicherheit überein; Mit abnehmender Durchflussrate gibt es jedoch einen Trend zu einem erhöhten Wärmeverlust des heißen Fluids im Vergleich zu der Wärme, die das kalte Fluid gewinnt. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis von Wärmeverlusten an die Umgebung; Da der Effekt jedoch gering ist, kann die durchschnittliche Wärmeübertragungsrate für den Rest der Analyse verwendet werden. Als Nächstes bewerten wir den Gesamtleitwert des Wärmetauschers, der aus der gemessenen Wärmeübertragungsrate und der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz bestimmt werden kann. Der Gesamtleitwert hängt von den Wärmeleitfähigkeiten des Materials, den Strömungsbedingungen und der Wärmetauschergeometrie ab. Wir gehen davon aus, dass sich dieser Wert mit der Durchflussrate für die hier betrachteten laminaren Strömungen mit niedriger Geschwindigkeit nicht wesentlich ändern wird. Verwenden Sie die gemessenen Temperaturen mit der im Text angegebenen Gleichung, um die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz zu berechnen. Teilen Sie nun die durchschnittliche Energieänderungsrate durch die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz für jeden Satz, um den Gesamtleitwert zu erhalten. Wie wir erwartet haben, ist die Gesamtleitfähigkeit über den Bereich der getesteten Bedingungen relativ konstant, wie die geringe Standardabweichung über den Datensatz zeigt. Dieses Ergebnis ist jedoch höher als der theoretische Wert, der für eine stetige, voll entwickelte laminare Strömung vorhergesagt wird. Wenn wir davon ausgehen, dass sich die Strömung an den Einlässen in beiden Kanälen entwickelt, und geeignete Korrekturfaktoren verwenden, wird die theoretische Vorhersage höher sein als unser gemessenes Ergebnis. In der Realität entwickelt sich die Strömung im inneren Kanal teilweise, bevor sie den Wärmetauschereinlass erreicht, und dies könnte den Zwischenwert des Gesamtleitwerts erklären. Nachdem wir nun die Ergebnisse unseres einfachen Wärmetauschers analysiert haben, schauen wir uns einige typische Anwendungen an.
Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt, wenn die Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströmen erleichtert werden soll. In vielen Kraftwerken übertragen Dampferzeuger-Wärmetauscher Wärme aus Hochtemperaturgas, um Hochdruckdampf zum Antrieb von Turbinen zu erzeugen. Hinter diesen Turbinen leiten Kondensatorwärmetauscher die Wärme des Niederdruckdampfes ab, wodurch sich die Flüssigkeit verflüssigt und der Kreislauf kontinuierlich ablaufen kann. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Verdampferwärmetauscher Wärmeenergie aus der Luft im klimatisierten Raum, um die gewünschten Temperaturen aufrechtzuerhalten.
Sie haben gerade die Einführung von Jove in die Wärmetauscheranalyse gesehen. Sie sollten wissen, die Grundprinzipien von Wärmetauschern verstehen und wissen, wie man ihre Leistung experimentell und theoretisch analysiert. Danke fürs Zuschauen.
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Q1: What is the main purpose of a heat exchanger?
A heat exchanger facilitates efficient, continuous heat transfer between two fluid streams without allowing them to mix. Two fluids enter in close thermal contact across a physical barrier, driven by local temperature differences. The hotter fluid exits at reduced temperature while the colder fluid exits at increased temperature, making heat exchangers essential for thermal management in car radiators, refrigerators, and power plants.
Q2: How does the log mean temperature difference relate to heat exchanger analysis?
The log mean temperature difference is the average temperature difference driving heat transfer between two streams in a counter-flow tube-in-tube heat exchanger. It is calculated from the inlet and outlet temperatures of both fluid streams. This value is essential for determining overall conductance when the heat transfer rate is known, or for predicting performance in heat exchanger design and rating problems.
Q3: What are the thermal resistances in a tube-in-tube heat exchanger?
Thermal resistances in a tube-in-tube heat exchanger consist of three components: convection in the hot fluid tube, conduction through the inner tube wall, and convection in the cold fluid annulus. The sum of these resistances determines the overall thermal resistance between the two streams. The inverse of this sum yields the overall conductance, which characterizes the heat transfer capacity of the exchanger.
Q4: How is overall conductance determined experimentally in heat exchanger testing?
Overall conductance is determined experimentally by measuring the heat transfer rate and calculating the log mean temperature difference from inlet and outlet temperatures. The heat transfer rate is found by multiplying mass flow rate, specific heat of water, and temperature difference for each fluid stream. Dividing the average heat transfer rate by the log mean temperature difference yields the overall conductance for the heat exchanger.
Q5: Why does heat transfer rate equality matter in heat exchanger analysis?
During steady operation with negligible heat leakage to surroundings, the heat transfer rate of the hot fluid equals the heat transfer rate of the cold fluid. This principle means any heat lost by the hot fluid is gained by the cold fluid. Verifying this equality through experimental measurement confirms energy conservation and validates the accuracy of temperature and flow rate measurements in the heat exchanger system.
Q6: What are common applications of heat exchangers in energy systems?
Heat exchangers are employed in diverse energy applications. In power plants, steam generator heat exchangers transfer heat from high-temperature gas to produce steam for turbines, while condenser heat exchangers reject heat from low-pressure steam downstream. In refrigeration and air conditioning systems, evaporator heat exchangers absorb thermal energy from conditioned spaces. Car radiators transfer heat from engine coolant to surrounding air for cooling.
Q7: How does flow rate affect overall conductance in laminar flow conditions?
For low-velocity laminar flows in a tube-in-tube heat exchanger, overall conductance remains relatively constant across varying flow rates. This occurs because conductance depends primarily on material thermal conductivities, geometry, and flow regime rather than flow velocity in laminar conditions. Experimental measurements typically show small standard deviations in conductance values, confirming this stability across the tested operating range.