Analyse des échangeurs de chaleur

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Échangeurs de chaleur sont des éléments omniprésents dans les systèmes d’énergie. Radiateurs de voiture et évaporateurs réfrigérateur sont des exemples communs. Dans les deux cas, l’échangeur de chaleur facilite le transfert de chaleur, d’un flux de fluide à l’autre. Dans ces exemples, il est clair que les échangeurs de chaleur sont importants dans une variété de systèmes ; Fournissant principalement gestion thermique ou transitions en cycles thermodynamiques. Comprendre comment le modèle et le taux des échangeurs de chaleur est important pour l’optimisation des conceptions et intégrant des échangeurs de chaleur dans des systèmes plus grands. Cette vidéo va illustrer certains principes de conception de l’échangeur de chaleur et de l’analyse et ensuite démontrer ces concepts sur une conception de l’échangeur de chaleur de tube en tube simple. À la fin, certaines applications courantes seront explorées.

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Un échangeur de chaleur bien conçu devrait faciliter le transfert de chaleur efficace et continu entre deux flux de fluide, sans leur permettant de mélanger. Alors que deux flux de fluide entame un échangeur de chaleur, ils sont transférés en contact thermique étroit une barrière physique. Échange de chaleur est motivé par une différence de température locale comme l’état d’avancement des fluides, les fluides jusqu'à la sortie. Il en résulte que le plus chaud des deux fluides entrant dans l’échangeur de chaleur se fermera avec une température réduite et le plus froid des deux avec une augmentation de la température. Au cours de l’opération stable, le taux de transfert de chaleur du liquide chaud est déterminé par le débit massique et la chaleur spécifique du fluide, multiplié par la différence de température entre l’entrée et la sortie. La même formule s’applique au fluide froid lorsqu’on utilise les valeurs correspondantes. Si les fuites de chaleur à l’environnement sont négligeable, l’ampleur des taux de deux transfert sera égale. Cela signifie que toute chaleur perdue par le fluide chaud, est acquise par le fluide froid. La conductance totale exprimée en Watts par Kelvin, est une mesure de la capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur. Let\ analyser une géométrie particulière appelée un contre-courant, échangeur de chaleur de tube en tube. Dans cette conception, le liquide chaud s’écoule dans une direction à l’intérieur d’une section droite du tube. Le fluide froid s’écoule dans la direction opposée, dans l’espace annulaire entre le tube chaud et un deuxième tube extérieur. La différence de température moyenne conduite de transfert de chaleur entre les deux ruisseaux dans cette géométrie, est la différence de température moyenne du journal, qui peut être calculée à partir des températures d’entrée et de sortie des deux cours d’eau. En utilisant ce modèle de fonctionnement de l’échangeur de chaleur, nous pouvons répondre à deux types de problèmes d’analyse de l’échangeur de chaleur. Évaluation et conception. Si le taux de transfert de chaleur et le journal signifient la différence de température sont connus, par exemple en mesure expérimentale, la conductance globale peut être calculée le rapport entre les deux. Aux fins de la conception, toutefois, il est utile de prédire ce que sera la conductance globale des propriétés géométrie et matériel de l’échangeur de chaleur. Cela peut être fait en trouvant la somme des résistances thermiques entre les deux cours d’eau. Pour la géométrie du tube en tube, ces résistances sont déterminés par : convection dans le tube de liquide chaud, la conduction à travers le mur de la chambre à air et convection à nouveau dans l’anneau fluide froid. L’inverse de cette somme donne la conductance globale pour l’échangeur de chaleur de contre-courant de tube en tube. Maintenant que nous avons vu comment analyser l’échangeur de chaleur, let\ dans le laboratoire d’essai.

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Apposer deux contenants de plastique sur les côtés opposés de la surface de travail pour servir de réservoirs d’eau chaude et froide. Si nécessaire, percer des trous dans le couvercle pour entrée et sortie eau lignes, ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Lorsque vous avez terminé, monter une petite pompe submersible dans chaque réservoir. Ensuite, monter un compteur de débit de l’eau, ou un rotamètre, verticalement près de chaque réservoir et ensuite utiliser des tuyaux de PVC souple pour connecter les sorties de la pompe aux entrées du débitmètre. Maintenant, installez deux raccords à compression tuyau té sur le tube de l’eau froide externe de l’échangeur de chaleur. Raccorder un tube de PVC souple, de la voie latérale du voisin té raccord, à la sortie du débitmètre chaud. Pour le tube d’écoulement de comptoir chaud, couper une section de tube en aluminium longueur égale à celle de l’échangeur de chaleur, y compris les raccords en té sur la fin et l’insérer dans l’assembly. Ensuite, branchez un tube en plastique souple, de la compression à l’autre extrémité de l’Assemblée de l’échangeur de chaleur, vers le réservoir d’eau chaude. Serrer les raccords à compression pour sceller le tuyaux en plastique souple autour du tube en aluminium. Cela va se séparer le flux chaud, à travers le tube interne en aluminium, du flux froid extérieur. Connectez le tuyau flexible de PVC, entre le port de côté sur un raccord en té, à la sortie du compteur de flux froid et puis connecter un second tube à l’orifice latéral du autre té raccord de retour vers le réservoir d’eau froide. Avant de continuer, vérifiez que les entrées de cours d’eau chaude et froide, à l’échangeur de chaleur, sont aux deux extrémités. Percez un petit trou sur un côté du tube souple en plastique près de chaque port d’entrée et de sortie de l’échangeur de chaleur. Insérez doucement une sonde thermocouple dans chaque port afin que l’extrémité de la sonde est approximativement au centre du tube. Enfin, utiliser de l’époxy ou adhésif semblable, pour sceller le petit écart dans les tubes autour les sondes thermocouple contre les fuites d’eau. Lorsque la résine est guérie, connectez tous les quatre sondes de thermocouple à un lecteur de thermocouple. Maintenant que le montage est terminé, vous êtes prêt à commencer le test.

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Remplissez le réservoir froid avec température ambiante l’eau du robinet et le réservoir chaud à l’eau tiède. Les deux pompes à eau et régler les vannes à pointeau sur les débitmètres pour augmenter le débit dans les deux boucles. Laisser l’eau circuler assez longtemps afin d’éliminer les bulles d’air piégées. Une fois enlevés les bulles d’air, régler le débit dans les deux boucles à environ 0,1 litres / minute. Attendez quelques minutes pour permettre au système stabiliser et ensuite enregistrer les températures d’entrée et de sortie, rapportés par les quatre lectures de thermocouple. Votre lecteur de thermocouple peut-être avoir une fonction hold pour figer les valeurs actuelles pendant que vous enregistrez. Enregistrer cinq ensembles plus de lectures à ces conditions d’écoulement. Répéter ces mesures pour des débits d’environ 0,125 litres par minute et 0,15 litres / minute. Si la différence de température entre les entrées chaudes et froides est inférieure à 5 degrés Celsius, remplir les réservoirs d’eau chaude et froide. Maintenant que les mesures sont terminées, let\ prendre un regard sur les résultats.

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Vous devriez avoir 18 ensembles de données et pour chaque jeu un débit volume mesuré. Remarque pour ces tests, le même débit, V-dot, est utilisée pour les cours d’eau chaudes et froides. Pour convertir un débit massique de chaque valeur du débit volume d’abord utiliser la masse volumique de l’eau. Maintenant, calculer le taux de variation de l’énergie pour les cours d’eau chaudes et froides dans chaque ensemble en multipliant le débit massique, la chaleur spécifique de l’eau et les écarts de températures respectives. Dans la section de principe, nous avons supposé que l’ampleur de ces taux serait égal. Propagez les incertitudes afin que vous pouvez les comparer. Dans la plupart des cas, les taux de transfert de chaleur correspondant au sein de l’incertitude ; Toutefois, lorsque le débit diminue, il y a une tendance à la perte de chaleur accrue du fluide chaud, par rapport à la chaleur gagnée par le fluide froid. C’est probablement le résultat de la perte de chaleur vers le milieu environnant ; Mais étant donné que l’effet est faible, le taux de transfert de chaleur moyenne peut être utilisé pour le reste de l’analyse. Ensuite, permet d’évaluer la conductance globale de l’échangeur de chaleur, qui peut être déterminée par le taux de transfert de chaleur mesurée, et le journal de différence de température moyenne. La conductance globale dépend de la conductivité thermique matérielle, conditions d’écoulement et la géométrie de l’échangeur de chaleur. Nous prévoyons que cette valeur ne changera pas considérablement avec la vitesse d’écoulement pour les faible vitesse des écoulements laminaires considérés ici. Utiliser les températures mesurées avec l’équation donnée dans le texte pour calculer la différence de température moyenne de journal. Maintenant, diviser le taux moyen de variation de l’énergie par la différence de température moyenne de journal pour chaque jeu de céder la conductance globale. Comme nous l’avions prévu, la conductance globale est relativement stable sur la plage de conditions qui ont été testés, comme en témoigne la petite déviation standard sur l’ensemble de données. Ce résultat, cependant, est supérieur à la valeur théorique prévue pour un écoulement laminaire décélération constant. Si on présume flux en développement à des entrées dans les deux voies et facteurs de correction approprié, la prédiction théorique sera plus élevée que notre résultat mesuré. En réalité, le débit dans le canal interne sera partiellement développé avant d’arriver à l’entrée de l’échangeur de chaleur, et ceci peut expliquer la valeur intermédiaire de conductance globale. Maintenant que nous avons analysé les résultats de notre simple échangeur de chaleur, regarder de let\ certaines applications typiques.

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Échangeurs de chaleur sont employés dans une grande variété de scénarios, chaque fois que le transfert de chaleur doit être facilitée entre deux flux de fluide. Dans de nombreuses centrales de génération, générateur échangeurs de chaleur transfert chaleur gaz haute température pour produire de la vapeur à haute pression pour les turbines à entraînement à vapeur. En aval de ces turbines, échangeurs de chaleur condenseur rejette la chaleur de la vapeur basse pression, liquéfaction du liquide et permettant le cycle à fonctionner de façon continue. Dans les réfrigérateurs et systèmes de conditionnement d’air, échangeurs de chaleur évaporateur absorbent l’énergie thermique de l’air dans l’espace conditionné pour maintenir la température désirée.

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Originel avez regardé juste introduction de Jove\ à l’analyse de l’échangeur de chaleur. Il faut savoir comprendre les principes de base des échangeurs de chaleur et la façon d’analyser leurs performances expérimentalement et théoriquement. Merci de regarder.