ניתוח מחליף חום

כותרת פרק

התעתיק

1

מחליפי חום הם רכיבים בכל מקום במערכות אנרגיה. כמה דוגמאות נפוצות הן רדיאטורים לרכב ומאיידי מקרר. בשני המקרים, מחליף החום מקל על העברת החום, מזרם אחד של נוזל למשנהו. מדוגמאות אלה, ברור כי מחליפי חום חשובים במגוון מערכות; בעיקר מתן ניהול תרמי או מעברים במחזורים תרמודינמיים. הבנה של אופן הדגם והתעריף של מחליפי חום חשובה לאופטימיזציה של עיצובים ושילוב מחליפי חום במערכות גדולות יותר. וידאו זה ימחיש כמה עקרונות של עיצוב וניתוח מחליף חום, ולאחר מכן להדגים מושגים אלה על עיצוב מחליף חום צינור-in-tube פשוט. בסוף, כמה יישומים נפוצים ייבדקו.

2

מחליף חום מעוצב היטב צריך להקל על העברת חום יעילה ורציפה בין שני זרמי נוזלים, מבלי לאפשר להם לערבב. כאשר שני זרמי נוזלים נכנסים למחליף חום, הם מובאים למגע תרמי קרוב על פני מחסום פיזי. חילופי חום מונעים על ידי הבדלי טמפרטורה מקומיים ככל שהנוזלים מתקדמים, עד שהנוזלים מגיעים ליציאה. התוצאה היא כי חם יותר של שני נוזלים הנכנסים מחליף החום ייצא עם טמפרטורה מופחתת, ואת הקר של השניים עם טמפרטורה מוגברת. במהלך פעולה קבועה, קצב העברת החום של הנוזל החם נקבע על ידי קצב זרימת המסה והחום הספציפי של הנוזל, כפול ההבדל בטמפרטורה בין הכניסה ליציאה. אותה נוסחה חלה על נוזל הקור כאשר נעשה שימוש בערכים המתאימים. אם דליפת חום לסביבה זניחה, סדר הגודל של שני שיעורי ההעברה יהיה שווה. משמעות הדבר היא כי כל חום שאבד על ידי נוזל חם, הוא הרוויח על ידי נוזל קר. ההולכות הכוללת בווטס לכל קלווין, היא מדד לקיבולת העברת החום של מחליף חום. בואו ננתח גיאומטריה מסוימת הידועה כמחליף חום נגד זרימה, צינור בצינור. בעיצוב זה, הנוזל החם זורם בכיוון אחד בתוך קטע ישר של הצינור. הנוזל הקר זורם בכיוון ההפוך, באנולוס בין הצינור החם לצינור החיצוני השני. הפרש הטמפרטורה הממוצע המניע את העברת החום בין שני הנחלים בגיאומטריה זו, הוא הפרש הטמפרטורה הממוצע ביומן, שניתן לחשב מטמפרטורות הקלט והפלט של שני הזרמים. באמצעות מודל זה של פעולת מחליף חום, אנו יכולים לענות על שני סוגים שונים של בעיות ניתוח מחליף חום. דירוג ועיצוב. אם קצב העברת החום וההפרש בטמפרטורה הממוצע ביומן ידועים, למשל על ידי מדידה ניסיונית, ניתן לחשב את המוליכות הכוללת מהיחס בין השניים. לצורך העיצוב עם זאת, כדאי לחזות מה תהיה ההולכות הכוללת מהגאומטריה ומאפייני החומר של מחליף החום. זה יכול להיעשות על ידי מציאת סכום של התנגדויות תרמיות בין שני הנחלים. עבור הגיאומטריה הצינור בצינור, התנגדויות אלה נקבעות על ידי: convection בצינור הנוזל החם, הולכה דרך קיר הצינור הפנימי, ו convection שוב אנולוס נוזל קר. ההופכי של סכום זה נותן את ההולכה הכוללת עבור מחליף חום נגד זרימה נגד צינור. עכשיו שראינו איך לנתח את מחליף החום, בואו נבדוק אחד במעבדה.

3

יש להצמיד שני מיכלי פלסטיק משני צדי משטח העבודה כדי לשמש כמאגרי מים חמים וקרים. במידת הצורך, לקדוח חורים במכסים עבור קווי מים מפרצון ושקע, כמו גם את כבל החשמל משאבה. כשתסיים, הרכיב משאבה קטנה בצוללת בכל מאגר. לאחר מכן, הר מד זרימת מים, או רוטמטר, אנכית ליד כל מאגר, ולאחר מכן השתמש צינורות PVC רכים כדי לחבר את שקעי המשאבה למפרצוני מד הזרימה. עכשיו, להתקין שני אביזרי טי צינור דחיסה על צינור המים הקרים החיצוני של מחליף החום. חבר צינור PVC גמיש אחד, מהיציאה הצדדית של התאמת טי הסמוכה, לשקע של מד זרימה חמה. עבור צינור זרימת הדלפק החם, לחתוך קטע של צינורות אלומיניום שווה באורך למחליף החום, כולל אביזרי טי בקצה, ולהכניס אותו לתוך ההרכבה. לאחר מכן, חבר צינור פלסטיק רך, החל מהתאמה לדחיסה בקצה השני של הרכבת מחליף החום, למאגר המים החמים. הדקו את אביזרי הדחיסה כדי לאטום את צינורות הפלסטיק הרכים סביב צינור האלומיניום. זה יפריד את הזרימה החמה, דרך צינור האלומיניום הפנימי, מהזרימה הקרה החיצונית. חבר את צינור ה- PVC הגמיש, מהיציאה הצדדית על התאמת טי אחת, לשקע מד הזרימה הקרה ולאחר מכן חבר צינור שני ליציאה הצדדית של התאמת טי האחרת החוזרת למאגר המים הקרים. לפני שתמשיך, אשר כי זרם חם וקר, למחליף החום, נמצאים בקצוות מנוגדים. קודחים חור קטן דרך צד אחד של צינור הפלסטיק הרך ליד כל פתח ויציאת שקע של מחליף החום. הכנס בעדינות גשושית תרמו-סקופ לכל יציאה, כך שקצה הגשושית נמצא בערך במרכז הצינור. לבסוף, השתמש אפוקסי, או דבק דומה, כדי לאטום את הפער הקטן בצינורות סביב בדיקות thermocouple נגד דליפות מים. כאשר האפוקסי נרפא, חבר את כל ארבעת בדיקות התרמו-קופל לקורא תרמו-קופל. כעת, לאחר שהרכבה הושלמה, אתה מוכן להתחיל בבדיקה.

4

מלאו את המאגר הקר במי ברז בטמפרטורת החדר, ואת המאגר החם במים חמים. הפעל את שתי משאבות המים ולהתאים את שסתומי המחט על מדי הזרימה כדי להגדיל את הזרימה בשתי הלולאות. אפשר למים לזרום מספיק זמן כדי לשטוף החוצה את כל בועות האוויר הלכודות. לאחר הסרת בועות האוויר, התאם את קצב הזרימה בשתי הלולאות לכ-0.1 ליטר לדקה. המתן מספר דקות כדי לאפשר למערכת להתייצב, ולאחר מכן תיעד את טמפרטורות המפרצון והשקע שדווחו על-ידי ארבע קריאות התרמו-סקופל. לקורא התרמי-סקופ שלך עשויה להיות פונקציית החזקה להקפאת הערכים הנוכחיים בעת ההקלטה. הקלט חמש קבוצות נוספות של קריאות בתנאי זרימה אלה. חזור על מדידות אלה עבור קצבי זרימה של כ 0.125 ליטר לדקה, ו 0.15 ליטר לדקה. אם הפרש הטמפרטורה בין התשומות החמות והקורות יורד מתחת ל -5 מעלות צלזיוס, מלאו את המאגרים במים חמים וקרים טריים. כעת, לאחר שהמדידות הושלמו, בואו נסתכל על התוצאות.

5

אמורות להיות לך 18 ערכות נתונים, ולכל אחת מהן מוגדר קצב זרימת אמצעי אחסון נמדד. הערה עבור בדיקות אלה, אותו קצב זרימה, V-dot, משמש עבור הזרמים החמים והקרים. ראשית, השתמש בצפיפות המים כדי להמיר כל ערך של קצב זרימת הנפח לקצב זרימת מסה. כעת, חישבו את קצב שינוי האנרגיה עבור הזרמים החמים והקרים בכל קבוצה על-ידי הכפלת קצב זרימת המסה, חום המים הספציפי, והפרשי הטמפרטורה המתאימים. בסעיף העקרוני הנחנו כי סדר הגודל של שיעורים אלה יהיה שווה. להפיץ אי ודאויות, כך שאתה יכול להשוות אותם. ברוב המקרים, שיעורי העברת החום תואמים לחוסר ודאות; עם זאת, ככל שקצב הזרימה יורד, יש מגמה של אובדן חום מוגבר מהנוזל החם, בהשוואה לחום שנצבר על ידי נוזל הקור. סביר להניח שזו תוצאה של אובדן חום לסביבה הסובבת; אבל מאז ההשפעה היא קטנה, קצב העברת החום הממוצע יכול לשמש עבור שאר הניתוח. לאחר מכן, מאפשר להעריך את ההולכה הכוללת של מחליף החום, אשר ניתן לקבוע מקצב העברת החום הנמדד, ואת היומן אומר הפרש טמפרטורה. ההולכות הכוללת תלויה במוליכות תרמיות חומריות, בתנאי הזרימה ובגאומטריה של מחליף החום. אנו צופים כי ערך זה לא ישתנה באופן משמעותי עם קצב הזרימה עבור זרמי למינאר במהירות נמוכה נחשב כאן. השתמש בטמפרטורות שנמדדו עם המשוואה הנתונה בטקסט כדי לחשב את הפרש הטמפרטורה הממוצע של יומן הרישום. כעת, חלקו את קצב השינוי הממוצע באנרגיה לפי יומן העץ, משמעות הפרש הטמפרטורה עבור כל קבוצה תניב את ההולכות הכוללת. כפי שצפינו, ההולכה הכוללת קבועה יחסית על פני מגוון התנאים שנבדקו, כפי שמעיד סטיית התקן הקטנה מעל ערכת הנתונים. תוצאה זו, לעומת זאת, גבוהה מהערך התיאורטי הצפוי לזרימת למינאר מפותחת ויציבה. אם נניח שפיתוח זרימה במפרצונים בשני הערוצים, ונשתמש בגורמי תיקון מתאימים, התחזית התיאורטית תהיה גבוהה מהתוצאה הנמדדת שלנו. במציאות, הזרימה בערוץ הפנימי תפותח חלקית לפני ההגעה למפרצון מחליף החום, וזה עשוי להסביר את ערך הביניים של ההולכות הכוללת. עכשיו לאחר שניתחנו את התוצאות של מחליף החום הפשוט שלנו, בואו נסתכל על כמה יישומים טיפוסיים.

6

מחליפי חום מועסקים במגוון רחב של תרחישים בכל פעם שיש להקל על העברת חום בין שני זרמי נוזלים. בתחנות רבות לייצור חשמל, מחליפי חום מחולל קיטור מעבירים חום מגז בטמפרטורה גבוהה כדי לייצר קיטור בלחץ גבוה כדי לנהוג בטורבינות. במורד הזרם מטורבינות אלה, מחליפי חום מעבים דוחים חום מן קיטור הלחץ הנמוך, מנוזל את הנוזל ומאפשר מחזור לפעול ברציפות. במקררים ובמערכות מיזוג אוויר, מחליפי חום מאיידים סופגים אנרגיה תרמית מהאוויר בחלל המותנה כדי לשמור על הטמפרטורות הרצויות.

7

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לניתוח מחליף חום. אתה צריך לדעת להבין את העקרונות הבסיסיים של מחליפי חום, וכיצד לנתח את הביצועים שלהם באופן ניסיוני ותיאורטי. תודה שצפיתם.