Analiza wymiennika ciepła

Tytuł rozdziału

Transkrypcja

1

Wymienniki ciepła są wszechobecnymi elementami w systemach energetycznych. Niektóre typowe przykłady to chłodnice samochodowe i parowniki lodówek. W obu przypadkach wymiennik ciepła ułatwia przenoszenie ciepła z jednego strumienia płynu do drugiego. Z tych przykładów jasno wynika, że wymienniki ciepła są ważne w różnych systemach; Przede wszystkim zapewnienie zarządzania ciepłem lub przejść w cyklach termodynamicznych. Zrozumienie, jak modelować i oceniać wymienniki ciepła, jest ważne dla optymalizacji projektów i integracji wymienników ciepła z większymi systemami. Ten film zilustruje niektóre zasady projektowania i analizy wymienników ciepła, a następnie zademonstruje te koncepcje na prostej konstrukcji wymiennika ciepła typu rura w rurze. Na koniec zostaną omówione niektóre typowe zastosowania.

2

Dobrze zaprojektowany wymiennik ciepła powinien ułatwiać wydajny, ciągły transfer ciepła między dwoma strumieniami płynów, nie dopuszczając do ich mieszania. Gdy dwa strumienie płynu wchodzą do wymiennika ciepła, są one doprowadzane do bliskiego kontaktu termicznego przez fizyczną barierę. Wymiana ciepła jest napędzana przez lokalne różnice temperatur w miarę postępu płynów, aż płyny dotrą do wyjścia. W rezultacie cieplejszy z dwóch płynów wchodzących do wymiennika ciepła wyjdzie ze obniżoną temperaturą, a zimniejszy z nich ze zwiększoną temperaturą. Podczas pracy ciągłej szybkość wymiany ciepła gorącego płynu zależy od masowego natężenia przepływu i ciepła właściwego płynu, pomnożonego przez różnicę temperatur między wejściem a wyjściem. Ten sam wzór stosuje się do zimnego płynu, gdy stosowane są odpowiednie wartości. Jeśli ucieczka ciepła do otoczenia jest znikoma, wielkość obu szybkości transferu będzie równa. Oznacza to, że wszelkie ciepło tracone przez gorący płyn jest pozyskiwane przez zimny płyn. Całkowita przewodność w watach na kelwin jest miarą zdolności wymiany ciepła wymiennika ciepła. Przeanalizujmy konkretną geometrię znaną jako przeciwprądowy wymiennik ciepła typu rura w rurze. W tej konstrukcji gorący płyn przepływa w jednym kierunku wewnątrz prostego odcinka rury. Zimny płyn przepływa w przeciwnym kierunku, w pierścieniu między gorącą rurką a drugą rurką zewnętrzną. Średnia różnica temperatur napędzająca wymianę ciepła między dwoma strumieniami w tej geometrii to logarytmiczna średnia różnica temperatur, którą można obliczyć na podstawie temperatur wejściowych i wyjściowych obu strumieni. Korzystając z tego modelu pracy wymiennika ciepła, możemy odpowiedzieć na dwa różne rodzaje problemów związanych z analizą wymiennika ciepła. Ocena i projekt. Jeżeli znana jest szybkość wymiany ciepła i logarytmiczna średnia różnica temperatur, na przykład za pomocą pomiarów doświadczalnych, wówczas całkowitą przewodność można obliczyć ze stosunku tych dwóch. Na potrzeby projektowania przydatne jest jednak przewidzenie, jaka będzie całkowita przewodność na podstawie geometrii i właściwości materiałowych wymiennika ciepła. Można to zrobić, znajdując sumę oporów cieplnych między dwoma strumieniami. W przypadku geometrii rura w rurze opory te są określane przez: konwekcję w rurze gorącego płynu, przewodzenie przez wewnętrzną ściankę rury i ponownie konwekcję w pierścieniu zimnego płynu. Odwrotność tej sumy daje całkowitą przewodność przeciwprądowego wymiennika ciepła typu rura w rurze. Teraz, gdy widzieliśmy, jak analizować wymiennik ciepła, przetestujmy go w laboratorium.

3

Umieść dwa plastikowe pojemniki po przeciwnych stronach powierzchni roboczej, aby służyły jako zbiorniki na ciepłą i zimną wodę. W razie potrzeby wywierć otwory w pokrywach przewodów dolotowych i wylotowych wody, a także kabla zasilającego pompę. Kiedy skończysz, zamontuj małą, zatapialną pompę w każdym zbiorniku. Następnie zamontuj przepływomierz wody lub rotametr pionowo w pobliżu każdego zbiornika, a następnie użyj miękkiej rurki PCV do połączenia wylotów pompy z wlotami przepływomierza. Teraz zainstaluj dwie złączki trójnikowe z rurą zaciskową na zewnętrznej rurze zimnej wody wymiennika ciepła. Podłącz jedną elastyczną rurkę PVC z bocznego portu pobliskiej złączki trójnika do wylotu gorącego przepływomierza. W przypadku gorącej rury przeciwprądowej wytnij odcinek aluminiowej rurki o długości równej długości wymiennika ciepła, w tym trójniki na końcu, i włóż go do zespołu. Następnie podłącz miękką plastikową rurkę ze złączki zaciskowej na drugim końcu zespołu wymiennika ciepła do zbiornika ciepłej wody. Dokręć złączki zaciskowe, aby uszczelnić miękką plastikową rurkę wokół aluminiowej rurki. Spowoduje to oddzielenie gorącego przepływu przez wewnętrzną aluminiową rurkę od zewnętrznego zimnego przepływu. Podłącz elastyczną rurkę PVC z bocznego portu na jednym trójniku do wylotu przepływomierza zimna, a następnie podłącz drugą rurkę do bocznego portu drugiej trójnika powracającej do zbiornika zimnej wody. Zanim przejdziesz dalej, upewnij się, że wloty ciepłego i zimnego strumienia do wymiennika ciepła znajdują się na przeciwległych końcach. Wywierć mały otwór z jednej strony miękkiej plastikowej rurki w pobliżu każdego portu wlotowego i wylotowego wymiennika ciepła. Delikatnie włóż sondę termopary do każdego portu, tak aby końcówka sondy znajdowała się mniej więcej pośrodku rurki. Na koniec użyj kleju epoksydowego lub podobnego kleju, aby uszczelnić niewielką szczelinę w rurkach wokół sond termopary przed wyciekami wody. Po utwardzeniu żywicy epoksydowej podłącz wszystkie cztery sondy termopar do czytnika termopar. Teraz, gdy montaż jest gotowy, możesz rozpocząć testowanie.

4

Napełnij zimny zbiornik wodą z kranu o temperaturze pokojowej, a gorący zbiornik ciepłą wodą. Włącz obie pompy wodne i wyreguluj zawory iglicowe na przepływomierzach, aby zwiększyć przepływ w obu pętlach. Pozwól wodzie krążyć wystarczająco długo, aby wypłukać wszelkie uwięzione pęcherzyki powietrza. Po usunięciu pęcherzyków powietrza dostosuj natężenie przepływu w obu pętlach na około 0,1 litra na minutę. Odczekaj kilka minut, aby system się ustabilizował, a następnie zapisz temperatury wlotowe i wylotowe zgłaszane przez cztery odczyty termopary. Twój czytnik termopar może mieć funkcję wstrzymania, aby zamrozić bieżące wartości podczas nagrywania. Zapisz pięć dodatkowych zestawów odczytów w tych warunkach przepływu. Powtórz te pomiary dla natężeń przepływu około 0.125 litrów na minutę i 0.15 litrów na minutę. Jeśli różnica temperatur między ciepłym i zimnym wejściem spadnie poniżej 5 stopni Celsjusza, napełnij zbiorniki świeżą, ciepłą i zimną wodą. Teraz, gdy pomiary są zakończone, przyjrzyjmy się wynikom.

5

Powinieneś mieć 18 zestawów danych, a dla każdego zestawu zmierzone natężenie przepływu objętościowego. Uwaga w przypadku tych testów to samo natężenie przepływu, V-dot, jest używane dla gorących i zimnych strumieni. Najpierw użyj gęstości wody, aby przeliczyć każdą wartość objętościowego natężenia przepływu na masowe natężenie przepływu. Teraz oblicz szybkość zmiany energii dla gorących i zimnych strumieni w każdym zestawie, mnożąc masowe natężenie przepływu, ciepło właściwe wody i odpowiednie różnice temperatur. W części dotyczącej zasad założyliśmy, że wielkość tych stawek będzie równa. Propaguj niepewności, aby móc je porównać. W większości przypadków współczynniki wymiany ciepła są zgodne z niepewnością; Jednak wraz ze spadkiem natężenia przepływu występuje tendencja do zwiększonej utraty ciepła z gorącego płynu w porównaniu z ciepłem uzyskiwanym przez zimny płyn. Jest to prawdopodobnie wynik utraty ciepła do otaczającego środowiska; Ale ponieważ efekt jest niewielki, średnią szybkość wymiany ciepła można wykorzystać do dalszej części analizy. Następnie oceńmy ogólną przewodność wymiennika ciepła, którą można określić na podstawie zmierzonej szybkości wymiany ciepła i logarytmicznej średniej różnicy temperatur. Ogólna przewodność zależy od przewodności cieplnej materiału, warunków przepływu i geometrii wymiennika ciepła. Przewidujemy, że wartość ta nie zmieni się znacząco wraz z natężeniem przepływu dla rozważanych tutaj przepływów laminarnych o niskiej prędkości. Użyj zmierzonych temperatur z równaniem podanym w tekście, aby obliczyć logarytmiczną średnią różnicę temperatur. Teraz podziel średnią szybkość zmiany energii przez logarytmiczną średnią różnicę temperatur dla każdego zestawu, aby uzyskać całkowitą przewodność. Zgodnie z naszymi przewidywaniami, ogólna przewodność jest względnie stała w całym zakresie warunków, które zostały przetestowane, o czym świadczy niewielkie odchylenie standardowe w stosunku do zestawu danych. Wynik ten jest jednak wyższy niż teoretyczna wartość przewidywana dla stałego, w pełni rozwiniętego przepływu laminarnego. Jeśli założymy rozwijający się przepływ na wlotach w obu kanałach i zastosujemy odpowiednie współczynniki korekcyjne, to teoretyczna prognoza będzie wyższa od naszego zmierzonego wyniku. W rzeczywistości przepływ w kanale wewnętrznym zostanie częściowo rozwinięty przed dotarciem do wlotu wymiennika ciepła, co może wyjaśniać pośrednią wartość przewodności całkowitej. Teraz, gdy przeanalizowaliśmy wyniki naszego prostego wymiennika ciepła, przyjrzyjmy się kilku typowym zastosowaniom.

6

Wymienniki ciepła są stosowane w wielu różnych scenariuszach, gdy konieczne jest ułatwienie wymiany ciepła między dwoma strumieniami płynów. W wielu elektrowniach wymienniki ciepła z generatorami pary przenoszą ciepło z gazu o wysokiej temperaturze w celu wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem do napędzania turbin. Za tymi turbinami wymienniki ciepła skraplacza odprowadzają ciepło z pary o niskim ciśnieniu, skraplając płyn i umożliwiając ciągłą pracę cyklu. W chłodziarkach i systemach klimatyzacyjnych wymienniki ciepła parownika pochłaniają energię cieplną z powietrza w klimatyzowanej przestrzeni, aby utrzymać żądaną temperaturę.

7

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do analizy wymienników ciepła. Powinieneś wiedzieć, zrozumieć podstawowe zasady działania wymienników ciepła oraz jak analizować ich wydajność eksperymentalnie i teoretycznie. Dzięki za oglądanie.