Análise de Trocadores de Calor

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Os trocadores de calor são componentes onipresentes nos sistemas de energia. Alguns exemplos comuns são radiadores de carros e evaporadores de geladeira. Em ambos os casos, o trocador de calor está facilitando a transferência de calor, de um fluxo de fluido para outro. A partir desses exemplos, é claro que os trocadores de calor são importantes em uma variedade de sistemas; Fornecendo principalmente gerenciamento térmico ou transições em ciclos termodinâmicos. Uma compreensão de como modelar e classificar trocadores de calor é importante para otimizar projetos e integrar trocadores de calor em sistemas maiores. Este vídeo ilustrará alguns princípios do design e análise do trocador de calor e, em seguida, demonstrará esses conceitos em um simples design de trocador de calor tubo-in-tubo. No final, algumas aplicações comuns serão exploradas.

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Um trocador de calor bem projetado deve facilitar a transferência de calor eficiente e contínua entre dois fluxos de fluidos, sem permitir que eles se misturem. À medida que dois fluxos de fluido entram em um trocador de calor, eles são trazidos em contato térmico próximo através de uma barreira física. A troca de calor é impulsionada por diferenças de temperatura locais à medida que os fluidos progridem, até que os fluidos cheguem à saída. O resultado é que o mais quente dos dois fluidos que entram no trocador de calor sairá com uma temperatura reduzida, e o mais frio dos dois com uma temperatura aumentada. Durante a operação constante, a taxa de transferência de calor do líquido quente é determinada pela taxa de fluxo de massa e calor específico do fluido, multiplicado pela diferença de temperatura entre a entrada e a saída. A mesma fórmula se aplica ao fluido frio quando os valores correspondentes são utilizados. Se o vazamento de calor para o entorno for insignificante, a magnitude das duas taxas de transferência será igual. Isso significa que qualquer calor perdido pelo líquido quente.é ganho pelo líquido frio. A condução geral em Watts per Kelvin, é uma medida da capacidade de transferência de calor de um trocador de calor. Vamos analisar uma geometria específica conhecida como trocador de calor de contra-fluxo, tubo-in-tubo. Neste design, o fluido quente flui em uma direção dentro de uma seção reta do tubo. O fluido frio flui na direção oposta, no anulo entre o tubo quente e um segundo tubo externo. A diferença média de temperatura que impulsiona a transferência de calor entre os dois fluxos nesta geometria, é a diferença de temperatura média do registro, que pode ser calculada a partir da temperatura de entrada e saída de ambos os fluxos. Usando este modelo de operação de trocador de calor, podemos responder a dois tipos diferentes de problemas de análise do trocador de calor. Classificação e design. Se a taxa de transferência de calor e a diferença média de temperatura do registro forem conhecidas, por exemplo, por medição experimental, então a conduance geral pode ser calculada a partir da razão dos dois. Para efeito de design, no entanto, é útil prever qual será a condução geral a partir da geometria e propriedades materiais do trocador de calor. Isso pode ser feito encontrando a soma das resistências térmicas entre os dois córregos. Para a geometria tubo-in-tubo, essas resistências são determinadas por: convecção no tubo de fluido quente, condução através da parede interna do tubo, e convecção novamente no anulo do fluido frio. O inverso desta soma dá a condução geral para o trocador de calor de contra-fluxo de tubos no tubo. Agora que vimos como analisar o trocador de calor, vamos testar um em laboratório.

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Afixe dois recipientes plásticos em lados opostos da superfície de trabalho para servir como reservatórios de água quente e fria. Se necessário, faça furos nas tampas para linhas de água de entrada e saída, bem como o cabo de alimentação da bomba. Quando terminar, monte uma pequena bomba submersível em cada reservatório. Em seguida, monte um medidor de fluxo de água, ou rotametro, verticalmente perto de cada reservatório, e, em seguida, use tubos de PVC macios para conectar as saídas da bomba às entradas do medidor de fluxo. Agora, instale dois encaixes de tubo de compressão no tubo de água fria exterior do trocador de calor. Conecte um tubo de PVC flexível, da porta lateral do encaixe do tee próximo, à saída do medidor de fluxo quente. Para o tubo de fluxo do contador quente, corte uma seção de tubos de alumínio igual em comprimento ao trocador de calor, incluindo os encaixes de tee na extremidade, e insira-o no conjunto. Em seguida, conecte um tubo de plástico macio, desde o encaixe de compressão na outra extremidade do conjunto do trocador de calor, até o reservatório de água quente. Aperte os encaixes de compressão para selar o tubo de plástico macio ao redor do tubo de alumínio. Isso separará o fluxo quente, através do tubo de alumínio interno, do fluxo frio externo. Conecte o tubo de PVC flexível, da porta lateral em um encaixe de tee, à saída do medidor de fluxo frio e, em seguida, conecte um segundo tubo à porta lateral do outro encaixe do tee retornando ao reservatório de água fria. Antes de continuar, confirme que as entradas de corrente quente e fria, para o trocador de calor, estão em extremidades opostas. Faça um pequeno furo por um lado do tubo de plástico macio perto de cada entrada e porta de saída do trocador de calor. Insira suavemente uma sonda termopar em cada porta para que a ponta da sonda esteja aproximadamente no centro do tubo. Por fim, use o epóxi, ou adesivo similar, para selar a pequena lacuna nos tubos ao redor das sondas termoparentas contra vazamentos de água. Quando o epóxi estiver curado, conecte todas as quatro sondas termopar a um leitor termopar. Agora que a montagem está completa, você está pronto para começar a testar.

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Encha o reservatório frio com água da torneira de temperatura ambiente, e o reservatório quente com água morna. Ligue as duas bombas de água e ajuste as válvulas da agulha nos medidores de fluxo para aumentar o fluxo em ambas as alças. Deixe a água circular tempo suficiente para eliminar quaisquer bolhas de ar presas. Uma vez removidas as bolhas de ar, ajuste a vazão em ambos os loops para aproximadamente 0,1 litros por minuto. Aguarde alguns minutos para permitir que o sistema se estabilize e, em seguida, registe as temperaturas de entrada e saída relatadas pelas quatro leituras termopar. Seu leitor termopar pode ter uma função de hold para congelar os valores atuais enquanto estiver gravando. Registo mais cinco conjuntos de leituras nessas condições de fluxo. Repita estas medidas para taxas de fluxo de aproximadamente 0,125 litros por minuto e 0,15 litros por minuto. Se a diferença de temperatura entre as entradas quente e fria cair abaixo de 5 graus Celsius, reabasteço os reservatórios com água fresca e fria. Agora que as medidas estão completas, vamos dar uma olhada nos resultados.

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Você deve ter 18 conjuntos de dados, e para cada conjunto uma taxa de fluxo de volume medida. Nota para estes testes, a mesma taxa de fluxo, ponto V, é usada para os fluxos quente e frio. Primeiro, use a densidade de água para converter cada valor da taxa de fluxo de volume para uma taxa de fluxo de massa. Agora, calcule a taxa de mudança de energia para os fluxos quentes e frios em cada conjunto multiplicando a taxa de fluxo de massa, o calor específico da água e as respectivas diferenças de temperatura. Na seção principal, assumimos que a magnitude dessas taxas seria igual. Propagar incertezas para que você possa compará-las. Na maioria dos casos, as taxas de transferência de calor correspondem à incerteza; No entanto, à medida que a taxa de fluxo diminui, há uma tendência para o aumento da perda de calor do líquido quente, em comparação com o calor adquirido pelo líquido frio. Isso é provavelmente o resultado da perda de calor para o ambiente circundante; Mas como o efeito é pequeno, a taxa média de transferência de calor pode ser usada para o resto da análise. Em seguida, vamos avaliar a condução geral do trocador de calor, que pode ser determinada a partir da taxa de transferência de calor medida, e a diferença média de temperatura do registro. A condutância geral depende de condutividades térmicas materiais, condições de fluxo e geometria do trocador de calor. Prevemos que esse valor não mudará significativamente com a taxa de fluxo para os fluxos laminar de baixa velocidade considerados aqui. Use as temperaturas medidas com a equação dada no texto para calcular a diferença média de temperatura do registro. Agora, divida a taxa média de variação de energia pelo registro de diferença de temperatura média para cada conjunto para produzir a condução geral. Como antecipamos, a condutância geral é relativamente constante sobre a gama de condições que foram testadas, como evidenciado pelo pequeno desvio padrão sobre o conjunto de dados. Este resultado, no entanto, é maior do que o valor teórico previsto para o fluxo laminar totalmente desenvolvido. Se assumirmos o desenvolvimento do fluxo nas entradas em ambos os canais e usarmos fatores de correção adequados, a previsão teórica será maior do que o nosso resultado medido. Na realidade, o fluxo no canal interno será parcialmente desenvolvido antes de atingir a entrada do trocador de calor, e isso pode explicar o valor intermediário da condução geral. Agora que analisamos os resultados do nosso simples trocador de calor, vamos olhar para algumas aplicações típicas.

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Os trocadores de calor são empregados em uma grande variedade de cenários sempre que a transferência de calor precisa ser facilitada entre dois fluxos de fluidos. Em muitas usinas de geração de energia, os trocadores de calor do gerador de vapor transferem calor do gás de alta temperatura para produzir vapor de alta pressão para dirigir turbinas. A partir dessas turbinas, os trocadores de calor do condensador rejeitam o calor do vapor de baixa pressão, liquefazendo o fluido e permitindo que o ciclo opere continuamente. Em refrigeradores e sistemas de ar condicionado, os trocadores de calor evaporadores absorvem energia térmica do ar no espaço condicionado para manter as temperaturas desejadas.

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Você acabou de assistir a introdução de Jove à análise do trocador de calor. Você deve saber entender os princípios básicos dos trocadores de calor, e como analisar seu desempenho experimental e teoricamente. Obrigado por assistir.