Анализ теплообменников

Название главы

Стенограмма

1

Теплообменники являются повсеместно распространенными компонентами в энергетических системах. Некоторыми распространенными примерами являются автомобильные радиаторы и испарители холодильников. В обоих случаях теплообменник способствует передаче тепла от одного потока жидкости к другому. Из этих примеров становится ясно, что теплообменники играют важную роль в различных системах; В первую очередь обеспечивает управление температурным режимом или переходами в термодинамических циклах. Понимание того, как моделировать и оценивать теплообменники, важно для оптимизации конструкций и интеграции теплообменников в более крупные системы. В этом видео будут проиллюстрированы некоторые принципы проектирования и анализа теплообменников, а затем они продемонстрируются на примере простой конструкции теплообменника типа «труба в трубе». В конце будут рассмотрены некоторые распространенные области применения.

2

Хорошо спроектированный теплообменник должен обеспечивать эффективную и непрерывную передачу тепла между двумя потоками жидкости, не позволяя им смешиваться. Когда два потока жидкости попадают в теплообменник, они вступают в тесный тепловой контакт через физический барьер. Теплообмен обусловлен локальной разницей температур по мере продвижения жидкостей до тех пор, пока жидкости не достигнут выхода. В результате более горячая из двух жидкостей, поступающих в теплообменник, будет выходить с пониженной температурой, а более холодная из двух — с повышенной температурой. При устойчивой работе скорость теплопередачи горячей жидкости определяется массовым расходом и удельной теплоемкостью жидкости, умноженными на разницу температур между входом и выходом. Та же формула применяется и к холодной жидкости при использовании соответствующих значений. Если утечка тепла в окружающую среду незначительна, величина двух скоростей передачи будет равна. Это означает, что любое тепло, теряемое горячей жидкостью, приобретается холодной жидкостью. Общая проводимость в ваттах на кельвин является мерой теплообменной способности теплообменника. Давайте проанализируем определенную геометрию, известную как противоточный теплообменник типа «труба в трубе». В этой конструкции горячая жидкость течет в одном направлении внутри прямого участка трубы. Холодная жидкость течет в обратном направлении, в кольце между горячей трубкой и второй наружной трубкой. Средняя разница температур, вызывающая теплопередачу между двумя потоками в этой геометрии, представляет собой логарифмическую среднюю разность температур, которая может быть рассчитана на основе входной и выходной температур обоих потоков. Используя эту модель работы теплообменника, мы можем ответить на два различных типа задач анализа теплообменников. Рейтинг и дизайн. Если скорость теплопередачи и логарифмическая средняя разница температур известны, например, экспериментальным измерением, то общая проводимость может быть рассчитана из отношения этих двух показателей. Однако для целей проектирования полезно предсказать, какой будет общая проводимость, исходя из геометрии и свойств материала теплообменника. Это можно сделать, найдя сумму термических сопротивлений между двумя потоками. Для геометрии типа «труба в трубе» эти сопротивления определяются следующими факторами: конвекцией в трубке с горячей жидкостью, проводимостью через внутреннюю стенку трубы и снова конвекцией в кольце холодной жидкости. Обратная величина дает общую проводимость противоточного теплообменника типа «труба в трубе». Теперь, когда мы рассмотрели, как анализировать теплообменник, давайте протестируем его в лаборатории.

3

Прикрепите два пластиковых контейнера на противоположных сторонах рабочей поверхности, чтобы они служили резервуарами для горячей и холодной воды. При необходимости просверлите отверстия в крышках для входных и выходных водопроводов, а также в кабеле питания насоса. Когда вы закончите, установите небольшой погружной насос в каждом резервуаре. Затем установите расходомер воды, или ротаметр, вертикально возле каждого резервуара, а затем с помощью мягких трубок из ПВХ соедините выходы насоса с входами расходомера. Теперь установите два тройника из компрессионной трубы на внешнюю трубу холодной воды теплообменника. Подсоедините одну гибкую трубку из ПВХ от бокового порта ближайшего тройникового фитинга к выходу горячего расходомера. Для горячей противоточной трубки отрежьте секцию алюминиевой трубки, равную по длине теплообменнику, включая тройниковые фитинги на конце, и вставьте ее в сборку. Затем подсоедините мягкую пластиковую трубку от компрессионного фитинга на другом конце теплообменника в сборе к резервуару для горячей воды. Затяните компрессионные фитинги, чтобы герметизировать мягкую пластиковую трубку вокруг алюминиевой трубки. Это отделит горячий поток, проходящий через внутреннюю алюминиевую трубку, от внешнего холодного потока. Подсоедините гибкую трубку из ПВХ от бокового порта на одном тройниковом фитинге к выходу измерителя холодного расхода, а затем подсоедините вторую трубку к боковому порту другого тройникового фитинга, возвращающегося к резервуару с холодной водой. Прежде чем продолжить, убедитесь, что входы горячего и холодного потоков в теплообменник находятся на противоположных концах. Просверлите небольшое отверстие с одной стороны мягкой пластиковой трубки рядом с каждым входным и выходным отверстием теплообменника. Осторожно вставьте щуп термопары в каждый порт так, чтобы наконечник щупа находился примерно в центре трубки. Наконец, используйте эпоксидную смолу или аналогичный клей, чтобы загерметизировать небольшой зазор в трубках вокруг щупов термопары от утечек воды. Когда эпоксидная смола отверждится, подключите все четыре щупа термопары к считывателю термопар. Теперь, когда сборка завершена, можно приступать к тестированию.

4

Наполните холодный резервуар водой из-под крана комнатной температуры, а горячий – теплой водой. Включите оба водяных насоса и отрегулируйте игольчатые клапаны на расходомерах, чтобы увеличить расход в обоих контурах. Дайте воде циркулировать достаточно долго, чтобы вымыть все захваченные пузырьки воздуха. После удаления пузырьков воздуха отрегулируйте расход в обоих контурах примерно до 0,1 литра в минуту. Подождите несколько минут, чтобы система стабилизировалась, а затем запишите температуру на входе и выходе, о которой сообщают четыре показания термопары. Считыватель термопар может иметь функцию удержания для фиксации текущих значений во время записи. Запишите еще пять наборов показаний при этих условиях потока. Повторите эти измерения для скорости потока примерно 0,125 литра в минуту и 0,15 литра в минуту. Если разница температур между горячим и холодным вводом опускается ниже 5 градусов по Цельсию, наполните резервуары свежей горячей и холодной водой. Теперь, когда измерения завершены, давайте посмотрим на результаты.

5

У вас должно быть 18 наборов данных, и для каждого набора измерен объемный расход. Обратите внимание, что для этих испытаний используется один и тот же расход, V-точка, для горячего и холодного потоков. Во-первых, используйте плотность воды для преобразования каждого значения объемного расхода в массовый расход. Теперь рассчитайте скорость изменения энергии для горячих и холодных потоков в каждом наборе, умножив массовую скорость потока, удельную теплоемкость воды и соответствующую разницу температур. В основном разделе мы предположили, что величина этих скоростей будет равна. Распространяйте неопределенности, чтобы можно было их сравнивать. В большинстве случаев скорость теплопередачи находится в пределах неопределенности; Однако по мере уменьшения расхода наблюдается тенденция к увеличению потерь тепла от горячей жидкости по сравнению с теплом, полученным от холодной жидкости. Вероятно, это результат потери тепла в окружающую среду; Но поскольку эффект невелик, средняя скорость теплопередачи может быть использована для остальной части анализа. Далее давайте оценим общую проводимость теплообменника, которую можно определить по измеренной скорости теплопередачи, и логарифмическую среднюю разницу температур. Общая проводимость зависит от теплопроводности материала, условий потока и геометрии теплообменника. Мы ожидаем, что эта величина существенно не изменится со скоростью потока для рассматриваемых здесь низкоскоростных ламинарных течений. Используйте измеренные температуры с уравнением, приведенным в тексте, для вычисления логарифмической разницы средних температур. Теперь разделите среднюю скорость изменения энергии на логарифмическую среднюю разницу температур для каждого набора, чтобы получить общую проводимость. Как мы и предполагали, общая проводимость относительно постоянна в диапазоне условий, которые были протестированы, о чем свидетельствует небольшое стандартное отклонение по набору данных. Этот результат, однако, выше, чем теоретическое значение, предсказанное для устойчивого полностью развитого ламинарного потока. Если предположить развивающийся поток на входах в обоих каналах и использовать подходящие поправочные коэффициенты, теоретический прогноз будет выше измеренного нами результата. В действительности поток во внутреннем канале будет частично развиваться до того, как достигнет входа в теплообменник, и это может объяснить промежуточное значение общей проводимости. Теперь, когда мы проанализировали результаты работы нашего простого теплообменника, давайте рассмотрим некоторые типичные области применения.

6

Теплообменники используются в самых разных сценариях, когда необходимо облегчить передачу тепла между двумя потоками жидкости. На многих электростанциях теплообменники парогенераторов передают тепло от высокотемпературного газа для производства пара высокого давления для привода турбин. Расположенные ниже по потоку от этих турбин конденсаторные теплообменники отводят тепло от пара низкого давления, разжижая жидкость и обеспечивая непрерывную работу цикла. В холодильниках и системах кондиционирования воздуха испарительные теплообменники поглощают тепловую энергию воздуха в кондиционируемом помещении для поддержания желаемой температуры.

7

Вы только что посмотрели введение Юпитера в анализ теплообменников. Вы должны понимать основные принципы работы теплообменников, а также уметь анализировать их производительность экспериментально и теоретически. Спасибо за просмотр.