换热器分析

Mechanical Engineering

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Overview

来源: 亚历山大的贾斯汀和克里斯托弗 J。宾夕法尼亚州立大学机械与核工程系

热交换器在两个流体流之间传递热能, 并且在能量系统中无处不在。常见的应用包括汽车散热器 (从热引擎冷却剂到周围空气的传热)、冰箱蒸发器 (冰箱内的空气蒸发制冷剂) 和发电厂的冷却塔 (冷凝蒸汽到蒸发水和环境空气)。本实验的目的是介绍实验测量 (额定值) 和热交换器的建模过程。

在本试验中, 将构建水-水管管内换热器, 并进行评价。温度和流速测量将被用来确定传热率 (Q) 和总电导率 (UA)。测量的热交换器 UA 将与预测的几何和操作条件值进行比较。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 机械工程. 换热器分析. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

在热交换器 (黄嘌呤) 中, 热能从热 (H) 流体流转移到冷 (C) 流体流。每个流可能具有不同的质量流率 () 和特定的热量 ().Equation 1Equation 2当水流经过一条黄嘌呤时, 热流的温度降低, 冷流的温度增加。在稳定运行时, 如果对周围的热泄漏是微不足道的, 那么从入口到出口的两条溪流的能量变化必须平衡。这种能量变化是换热器的传热速率Q

Equation 3(1)

在本实验中, 分析了反流管式换热器的传热性能。热流体在一个方向通过内管流动。冷流体通过内管与外管之间的环形空间向相反方向流动。在两个流之间进行传热的平均温差是对数平均温差 (平均, 图 1), 在 Eqn 2 中定义了计数器流的正则构型。如果热交换器两端的温差在测量精度 () 中匹配, 则应使用更简单的平均公式.Equation 4

Equation 5(2)

根据总电导率 (UA) 来衡量换热器的传热能力。此数量的单位为 W K-1 (每个温度差的传热速率)。通过测量的热传导率和流体温度可以评估 UA:

Equation 6(3)

管管内的正则几何由管的长度 (L)、内管内径和外径 (id 为i、外径i) 和外管直径 (ido、外径o) 定义。利用这些参数和材料特性, 可以通过计算两个流之间的热阻来预测换热器的 UA。对于在内管中充分发展的层流, 从内流到内管内壁的热阻是: 其中Equation 7 k是流体导热系数 (0.61 W m-1 k-1为水)。通过内管壁传导的热电阻为: (k= 160 W m Equation 8 -1 k-1为铝)。最后, 对于在狭窄的环形环中充分发展的层流, 从内管外到外流的对流阻力是:. Equation 9 在这些条件下, 所预测的黄嘌呤 UA 是:
Equation 10(4)

Figure 1
图 1: 逆流式换热器的冷热流温度剖面和对数平均温度差。

Procedure

1. 换热器系统的制作 (见示意图和照片, 图 2)

  1. 将两个塑料蓄水池 (每1公升) 贴到工作表面 (约0.6 米)。如果这些都是覆盖的容器, 钻孔在盖子为入口和出口水线和泵浦电源线。这些将用作冷热水水库。
  2. 在每个蓄水池安装一个小型潜水泵。
  3. 垂直安装两个水流量表 (流量计), 一个靠近每个水库。使用软聚氯乙烯油管连接流量计入口到泵排放端口。
  4. 安装热交换器 (黄嘌呤) 外管 (〜0.3 米长, 外径 = 12.7 毫米, 内径内径 = 9.5 mm) 成两个压缩管三通配件 (见图 2)。将挠性 PVC 管 (外径 = 12.7 mm、ID = 6.2 mm) 从一个三通接头的侧面端口连接到热流量计插座。
  5. 将铝管 (外径 = 7.9 mm, ID = 6.2 mm) 切割到换热器的长度, 包括末端的三通接头 (〜0.38 米长), 并将其插入到换热器组件中。铝管应紧贴到软连接 PVC 管 (外径 = 12.7 毫米, ID = 6.2 mm) 在压缩配件的末尾。
  6. 将一根软聚氯乙烯管从该压缩装置的另一端连接到热水储水池。拧紧压缩配件, 以密封在铝管周围的软塑料油管。这将使内部铝管的热流从外部的冷气流中分离出来。
  7. 将柔性 PVC 管从一个三通接头的侧面口连接到冷流量计出口。将 PVC 管从另一个三通接头的侧面口连接到冷水蓄水池 (返回流)。热的和冷的流入口的黄嘌呤应该是在相反的两端。
  8. 钻小孔 (〜1.6 毫米直径) 通过一侧的软塑料管附近的每个换热器的入口和出口端口 (4 共计)。轻轻地将热电偶探头插入每个端口, 使探针尖端近似位于管的中心。将热电偶探头连接到热电偶读取器
  9. 用环氧树脂或类似的粘合剂将小缝隙密封在热电偶探头周围的管子上, 这样就不会漏出水。

Figure 2
图 2: (a) 示意图和 (b) 热交换器额定试验系统的标签照片

2. 操作

  1. 用常温自来水灌满冷库, 用温水将热储层填满。
  2. 打开两个水泵, 使用流量表针阀调节流量到所需的值 (例如, 0.1 升 min-1)。可能有必要以较高的流速循环水, 以清除被困的气泡。
  3. 允许系统稳定几分钟, 然后记录四热电偶测量, 代表入口和出口温度。记录每一个流动条件的几组读数。如果可用, 热电偶读取器上的保持函数可以冻结读数以帮助录制。
  4. 在几组冷热水流速下收集温度测量。定期用新鲜的热水和冷水重新填充蓄水池, 以保持足够的平均温度差异 (〜 5-10 ° c)。

3. 分析

  1. 对于每个条件, 比较热和冷流的能量变化率 (,).Equation 11 Equation 12 对于水, cp = 4.2 焦千克-1 K-1。体积流速可以乘以密度 (ρ= 997 公斤 m-3) 以找到质量流量。在 Eqn 1 中假设的能量变化率 (Q) 是否匹配?
  2. 使用步骤3.1 中的Q计算 Eqn. 2 之后的每个条件的平均。评估热交换器 UA (在 Eqn 3 中定义)。这个数量近似地是常数为被考虑的情况?
  3. 利用平均传热率 (QC+QH)/2, 对完全发达的层流的理论 UA 进行评估 (Eqn. 4)。这个理论值与实测值的比较如何?

章标题

全文

1

热交换器是能量系统中无处不在的部件。一些常见的例子是汽车散热器和冰箱蒸发器。在这两种情况下, 换热器是促进热量的转移, 从一个流体流到另一个。从这些例子, 很明显, 换热器是重要的各种系统; 主要提供热力学周期的热管理或转换。了解如何建模和率换热器是重要的优化设计和集成的大型系统换热器。本视频将阐述换热器设计和分析的一些原理, 并在简单管管内换热器设计中说明这些概念。最后, 将探讨一些常见的应用。

2

设计良好的换热器应能促进两个流体流之间的高效、连续的传热, 而不允许它们混合。当两个流体进入一个热交换器, 它们被带入一个物理屏障的紧密的热接触。热交换是由当地的温度差异驱动的流体进展, 直到流体到达出口。结果是, 进入换热器的两个流体的热会随着温度的降低而退出, 而两个液体的温度升高则更冷。在稳定运行过程中, 热流体的传热速率由流体的质量流速和比热决定, 乘以入口与出口之间的温差。当使用相应的值时, 同样的公式适用于冷液。如果对周围的热泄漏是微不足道的, 两个转移率的大小将是相等的。这意味着热流体所失去的任何热量, 都是由冷流体获得的。以瓦特为单位的总电导率, 是衡量换热器传热能力的一个指标。让我们来分析一个特定的几何形状, 称为计数器流管管式换热器。在这个设计中, 热流体在一个方向的直管段内流动。冷流体在相反方向流动, 在热管和第二外管之间的环形。这一几何中两个流之间的平均温差驱动传热, 是对数平均温差, 可以从两个流的输入和输出温度计算。利用该模型对换热器进行了操作, 可以回答两种不同类型的换热器分析问题。评级和设计。如果已知传热速率和对数平均温度差, 例如通过实验测量, 则可以根据两者的比值来计算总电导率。然而, 对于设计的目的, 从换热器的几何特性和材料性能来预测总电导率是有用的。这可以通过找到两个流之间的热电阻的总和来完成。对于管管内几何, 这些阻力是由: 热流体管内的对流, 通过内管壁传导, 在冷流体环中再次对流来确定。这一总和的逆给出管管内逆流换热器的总电导率。现在, 我们已经看到了如何分析换热器, 让 \ 在实验室的测试之一。

3

在工作表面的两边贴上两个塑料容器, 作为冷热水的储水池。如有必要, 在入口和出口水管的盖子上钻孔, 以及泵的电源线。当你完成后, 在每个蓄水池安装一个小型潜水泵。接下来, 在每个蓄水池附近安装一个水流量计或流量计, 然后用软聚氯乙烯油管将水泵出口连接到流量计入口。现在, 在换热器的外冷水管上安装两个压缩管三通接头。将一根挠性 PVC 管从附近三通接头的侧口连接到热流量计的出口处。对于热逆流管, 将一节铝管的长度与热交换器相等, 包括末端的三通接头, 并将其插入组件中。接下来, 连接一个软塑料管, 从压缩配件的另一端的换热器总成, 到热水水库。拧紧压缩配件, 以密封在铝管周围的软塑料油管。这将通过内部的铝管, 从外部的冷流中分离出热流。将挠性 PVC 管从一侧三通接头上连接到冷流量计出口, 然后将第二管连接到其他三通管件的侧面口, 返回冷水储水池。在继续之前, 确认热和冷的入口, 对热交换器, 是在相反末端。在热交换器的每个入口和出口口附近的软塑料管的一侧钻一个小孔。轻轻地将热电偶探头插入每个端口, 使探针尖端近似位于管的中心。最后, 使用环氧树脂, 或类似的粘合剂, 以密封的小间隙在管周围的热电偶探头, 以防止漏水。当环氧树脂固化时, 将所有四热电偶探头连接到热电偶读卡器上。现在, 程序集已完成, 您就可以开始测试了。

4

用常温自来水灌满冷库, 用温水将热储层填满。打开两个水泵, 调整流量表上的针阀, 以增加两个回路的流量。允许水循环足够长的时间来冲洗掉任何被捕获的气泡。一旦空气气泡被删除, 调整在两个循环的流量, 以约0.1 升每分钟。等待几分钟, 使系统稳定, 然后记录四热电偶读数报告的入口和出口温度。您的热电偶读取器可能有一个保持函数, 在您录制时冻结当前值。在这些流动条件下记录五多套读数。重复这些测量的流速约0.125 升每分钟, 0.15 升每分钟。如果冷热输入之间的温差降至摄氏5度以下, 则用新鲜的热水和冷水将储水池填满。现在, 测量已经完成, 让我们来看看结果。

5

你应该有18组数据, 并为每个设置一个测量的体积流量。注意对于这些测试, 相同的流速, V 点, 是用于热和冷流。首先, 利用水的密度将体积流量的每个值转换成质量流量。现在, 通过乘以质量流量、水的比热和各自的温度差, 计算出各组冷热流的能量变化率。在 "原则" 一节中, 我们假定这些比率的幅度是相等的。传播不确定性, 以便您可以比较它们。在大多数情况下, 热传导率与不确定的范围相匹配;然而, 随着流速的降低, 有一个趋势, 以增加热损失从热液, 与热获得的冷液。这可能是热损失对周围环境的结果;但由于影响较小, 平均传热率可用于其余的分析。接下来, 我们来评估热交换器的总电导率, 它可以由实测的传热速率和对数平均温度差来确定。总电导率取决于材料的热导率、流动条件和换热器的几何形状。我们预计, 这一值不会有明显的变化, 流速为低速层流流考虑到这里。使用测量的温度与文本中给出的公式来计算对数平均温度差。现在, 将平均能量变化率除以每组对数平均值的温度差, 以产生总电导。正如我们所预料的那样, 在测试的条件范围内, 总电导率相对恒定, 就像数据集的小标准偏差所证明的那样。这一结果, 但是, 高于理论价值预测的稳定充分发展的层流。如果我们假设两个通道的入口都有发展流, 并且使用适当的校正因子, 理论预测将比我们的测量结果要高。在实际中, 在到达换热器入口之前, 内部通道内的流量会部分地发展, 这可能解释了总电导的中间值。现在, 我们已经分析了我们的简单热交换器的结果, 让我们看看一些典型的应用。

6

当两个流体流之间需要促进传热时, 热交换器被广泛应用于各种场合。在许多发电厂中, 蒸汽发生器热交换器从高温气体中转移热量, 产生高压蒸汽来驱动涡轮机。从这些涡轮机的下游流, 冷凝器换热器拒绝从低压蒸汽的热量, 液化流体和允许循环运行连续。在冰箱和空调系统中, 蒸发器热交换器从空调空间吸收热能, 以维持所需的温度。

7

你刚刚看了朱庇特介绍热交换器分析你应该了解热交换器的基本原理, 以及如何在实验和理论上分析它们的性能。谢谢收看

热交换器是能量系统中无处不在的部件。一些常见的例子是汽车散热器和冰箱蒸发器。在这两种情况下, 换热器是促进热量的转移, 从一个流体流到另一个。从这些例子, 很明显, 换热器是重要的各种系统;主要提供热力学周期的热管理或转换。了解如何建模和率换热器是重要的优化设计和集成的大型系统换热器。本视频将阐述换热器设计和分析的一些原理, 并在简单管管内换热器设计中说明这些概念。最后, 将探讨一些常见的应用。

设计良好的换热器应能促进两个流体流之间的高效、连续的传热, 而不允许它们混合。当两个流体进入一个热交换器, 它们被带入一个物理屏障的紧密的热接触。热交换是由当地的温度差异驱动的流体进展, 直到流体到达出口。结果是, 进入换热器的两个流体的热会随着温度的降低而退出, 而两个液体的温度升高则更冷。在稳定运行过程中, 热流体的传热速率由流体的质量流速和比热决定, 乘以入口与出口之间的温差。当使用相应的值时, 同样的公式适用于冷液。如果对周围的热泄漏是微不足道的, 两个转移率的大小将是相等的。这意味着热流体所失去的任何热量, 都是由冷流体获得的。以瓦特为单位的总电导率, 是衡量换热器传热能力的一个指标。让我们来分析一个特定的几何, 称为计数器流, 管内管换热器。在这个设计中, 热流体在一个方向的直管段内流动。冷流体在相反方向流动, 在热管和第二外管之间的环形。这一几何中两个流之间的平均温差驱动传热, 是对数平均温差, 可以从两个流的输入和输出温度计算。利用该模型对换热器进行了操作, 可以回答两种不同类型的换热器分析问题。评级和设计。如果已知传热速率和对数平均温度差, 例如通过实验测量, 则可以根据两者的比值来计算总电导率。然而, 对于设计的目的, 从换热器的几何特性和材料性能来预测总电导率是有用的。这可以通过找到两个流之间的热电阻的总和来完成。对于管管内几何, 这些阻力是由: 热流体管内的对流, 通过内管壁传导, 在冷流体环中再次对流来确定。这一总和的逆给出管管内逆流换热器的总电导率。现在, 我们已经看到了如何分析换热器, 让我们测试一个在实验室。

在工作表面的两边贴上两个塑料容器, 作为冷热水的储水池。如有必要, 在入口和出口水管的盖子上钻孔, 以及泵的电源线。当你完成后, 在每个蓄水池安装一个小型潜水泵。接下来, 在每个蓄水池附近安装一个水流量计或流量计, 然后用软聚氯乙烯油管将水泵出口连接到流量计入口。现在, 在换热器的外冷水管上安装两个压缩管三通接头。将一根挠性 PVC 管从附近三通接头的侧口连接到热流量计的出口处。对于热逆流管, 将一节铝管的长度与热交换器相等, 包括末端的三通接头, 并将其插入组件中。接下来, 连接一个软塑料管, 从压缩配件的另一端的换热器总成, 到热水水库。拧紧压缩配件, 以密封在铝管周围的软塑料油管。这将通过内部的铝管, 从外部的冷流中分离出热流。将挠性 PVC 管从一侧三通接头上连接到冷流量计出口, 然后将第二管连接到其他三通管件的侧面口, 返回冷水储水池。在继续之前, 确认热和冷的入口, 对热交换器, 是在相反末端。在热交换器的每个入口和出口口附近的软塑料管的一侧钻一个小孔。轻轻地将热电偶探头插入每个端口, 使探针尖端近似位于管的中心。最后, 使用环氧树脂, 或类似的粘合剂, 以密封的小间隙在管周围的热电偶探头, 以防止漏水。当环氧树脂固化时, 将所有四热电偶探头连接到热电偶读卡器上。现在, 程序集已完成, 您就可以开始测试了。

用常温自来水灌满冷库, 用温水将热储层填满。打开两个水泵, 调整流量表上的针阀, 以增加两个回路的流量。允许水循环足够长的时间来冲洗掉任何被捕获的气泡。一旦空气气泡被删除, 调整在两个循环的流量, 以约0.1 升每分钟。等待几分钟, 使系统稳定, 然后记录四热电偶读数报告的入口和出口温度。您的热电偶读取器可能有一个保持函数, 在您录制时冻结当前值。在这些流动条件下记录五多套读数。重复这些测量的流速约0.125 升每分钟, 0.15 升每分钟。如果冷热输入之间的温差降至摄氏5度以下, 则用新鲜的热水和冷水将储水池填满。现在, 测量已经完成, 让我们来看看结果。

你应该有18组数据, 并为每个设置一个测量的体积流量。注意对于这些测试, 相同的流速, V 点, 是用于热和冷流。首先, 利用水的密度将体积流量的每个值转换成质量流量。现在, 通过乘以质量流量、水的比热和各自的温度差, 计算出各组冷热流的能量变化率。在 "原则" 一节中, 我们假定这些比率的幅度是相等的。传播不确定性, 以便您可以比较它们。在大多数情况下, 热传导率与不确定的范围相匹配;然而, 随着流速的降低, 有一个趋势, 以增加热损失从热液, 与热获得的冷液。这可能是热损失对周围环境的结果;但由于影响较小, 平均传热率可用于其余的分析。接下来, 我们来评估热交换器的总电导率, 它可以由实测的传热速率和对数平均温度差来确定。总电导率取决于材料的热导率、流动条件和换热器的几何形状。我们预计, 这一值不会有明显的变化, 流速为低速层流流考虑到这里。使用测量的温度与文本中给出的公式来计算对数平均温度差。现在, 将平均能量变化率除以每组对数平均值的温度差, 以产生总电导。正如我们所预料的那样, 在测试的条件范围内, 总电导率相对恒定, 就像数据集的小标准偏差所证明的那样。这一结果, 但是, 高于理论价值预测的稳定充分发展的层流。如果我们假设两个通道的入口都有发展流, 并且使用适当的校正因子, 理论预测将比我们的测量结果要高。在实际中, 在到达换热器入口之前, 内部通道内的流量会部分地发展, 这可能解释了总电导的中间值。现在, 我们已经分析了我们的简单热交换器的结果, 让我们来看看一些典型的应用。

当两个流体流之间需要促进传热时, 热交换器被广泛应用于各种场合。在许多发电厂中, 蒸汽发生器热交换器从高温气体中转移热量, 产生高压蒸汽来驱动涡轮机。从这些涡轮机的下游流, 冷凝器换热器拒绝从低压蒸汽的热量, 液化流体和允许循环运行连续。在冰箱和空调系统中, 蒸发器热交换器从空调空间吸收热能, 以维持所需的温度。

你刚才看了朱庇特的热交换器分析介绍。你应该了解热交换器的基本原理, 以及如何在实验和理论上分析它们的性能。谢谢收看

Results

表 1-热和冷流量的热交换器的测量和获得的平均和 UA 值0.20 和0.15 升 min-1

热和冷流率(l 分钟-1) TH, 在中(° c, ±0.25°C) TC, 出(° c, ±0.25°C) TH, 出(° c, ±0.25°C) TC, 在中(° c, ±0.25°C) QC (W) QH (W) 平均 (° c, ±0.25°C) UA(W K-1)
0.126 ± 0.006 31。2 25。7 28。7 23。1 22.8 ± 3。3 21.9 ± 3。3 5.55 4.0 ± 0。5
0.126 ± 0.006 31。2 25。8 28。7 23。1 23.7 ± 3。3 21.9 ± 3。3 5.50 4.1 ± 0。5
0.126 ± 0.006 31。1 25。9 28。6 23。4 21.9 ± 3。3 21.9 ± 3。3 5.20 4.2 ± 0。5
0.094 ± 0.006 30。8 26。2 28。1 23。7 16.4 ± 2。6 17.7 ± 2。6 4.50 3.8 ± 0。5
0.094 ± 0.006 30。7 26。2 27。7 23。8 15.8 ± 2。6 19.7 ± 2。7 4.19 4.2 ± 0。5
0.094 ± 0.006 30。6 26。2 27。7 23。9 15.1 ± 2。5 19.1 ± 2。7 4.09 4.2 ± 0。6

表1中列出了有代表性的测量温度和流速, 以及由此产生的平均和 UA 值, 分别为0.20 和 0.15 l 分钟-1 (每3测量) 的热和冷流体流速。进行不确定度传播分析, 以确定派生数量的不确定性 (qCQH、平均、UA)。利用两个流的平均传热率对 UA 进行了评价。在较高的流速条件下, 对热、冷流速的一致性进行了观察。以较低的流速, 协议只是在实验的不确定性。

在考虑的条件范围内, 平均总传热率是相对恒定的 (UA ~ 4.0 ± 0.5 W K-1)。这是高于预测值的层流稳定充分开发流 (Eqn. 4): UA = 2.7 W K-1。测量值低于假设在两个通道中的开发流的结果, 从入口开始: 4.8 W K-1 (使用从 [1] 开发的流量修正因子)。在实际工程中, 热内通道流部分地在管道中发展, 然后到达了进气道。这可以解释中间测量的 UA 值。

Applications and Summary

在本实验中, 制作了管管内逆流式换热器, 并对其传热能力 (UA) 进行了实验测量 (额定值)。所得的性能与理论模型的结果进行了比较。现代热交换器通常采用更复杂的设计, 用鳍片和增强表面来提高传热强度, 并优化流体的交叉和逆流排列。然而, 这里介绍的基本概念和参数 (UA, 平均) 适用于所有的换热器。

热交换器额定值实验, 这里所演示的是确定制造的换热器是否满足所需的容量 (UA 值) 以确保可接受的能源系统性能的关键。同样, 热交换器性能模型 (例如, Eqn 4) 必须得到开发和验证, 以指导换热器的设计。本实验提供了对这些热交换器额定值和建模过程的介绍。

热交换器被使用在许多能量密集的技术和熟悉的家用电器。在许多发电厂中, 蒸汽发生器热交换器从高温气体中转移热量, 产生高压蒸汽来驱动涡轮机。从这些涡轮机的下游, 冷凝器换热器拒绝从低压蒸汽的热量, 液化流体, 并允许循环运行连续。在许多工业过程中, 疗养热交换器可以将低温热量从排气流转移到预热进气道, 从而降低能耗。在冰箱和空调系统中, 蒸发器热交换器从空气中吸收热能, 在条件空间中保持所需的温度。

References

  1. G. Nellis, S.A. Klein, Heat Transfer, Cambridge University Press, New York, NY, 2009.

1. 换热器系统的制作 (见示意图和照片, 图 2)

  1. 将两个塑料蓄水池 (每1公升) 贴到工作表面 (约0.6 米)。如果这些都是覆盖的容器, 钻孔在盖子为入口和出口水线和泵浦电源线。这些将用作冷热水水库。
  2. 在每个蓄水池安装一个小型潜水泵。
  3. 垂直安装两个水流量表 (流量计), 一个靠近每个水库。使用软聚氯乙烯油管连接流量计入口到泵排放端口。
  4. 安装热交换器 (黄嘌呤) 外管 (〜0.3 米长, 外径 = 12.7 毫米, 内径内径 = 9.5 mm) 成两个压缩管三通配件 (见图 2)。将挠性 PVC 管 (外径 = 12.7 mm、ID = 6.2 mm) 从一个三通接头的侧面端口连接到热流量计插座。
  5. 将铝管 (外径 = 7.9 mm, ID = 6.2 mm) 切割到换热器的长度, 包括末端的三通接头 (〜0.38 米长), 并将其插入到换热器组件中。铝管应紧贴到软连接 PVC 管 (外径 = 12.7 毫米, ID = 6.2 mm) 在压缩配件的末尾。
  6. 将一根软聚氯乙烯管从该压缩装置的另一端连接到热水储水池。拧紧压缩配件, 以密封在铝管周围的软塑料油管。这将使内部铝管的热流从外部的冷气流中分离出来。
  7. 将柔性 PVC 管从一个三通接头的侧面口连接到冷流量计出口。将 PVC 管从另一个三通接头的侧面口连接到冷水蓄水池 (返回流)。热的和冷的流入口的黄嘌呤应该是在相反的两端。
  8. 钻小孔 (〜1.6 毫米直径) 通过一侧的软塑料管附近的每个换热器的入口和出口端口 (4 共计)。轻轻地将热电偶探头插入每个端口, 使探针尖端近似位于管的中心。将热电偶探头连接到热电偶读取器
  9. 用环氧树脂或类似的粘合剂将小缝隙密封在热电偶探头周围的管子上, 这样就不会漏出水。

Figure 2
图 2: (a) 示意图和 (b) 热交换器额定试验系统的标签照片

2. 操作

  1. 用常温自来水灌满冷库, 用温水将热储层填满。
  2. 打开两个水泵, 使用流量表针阀调节流量到所需的值 (例如, 0.1 升 min-1)。可能有必要以较高的流速循环水, 以清除被困的气泡。
  3. 允许系统稳定几分钟, 然后记录四热电偶测量, 代表入口和出口温度。记录每一个流动条件的几组读数。如果可用, 热电偶读取器上的保持函数可以冻结读数以帮助录制。
  4. 在几组冷热水流速下收集温度测量。定期用新鲜的热水和冷水重新填充蓄水池, 以保持足够的平均温度差异 (〜 5-10 ° c)。

3. 分析

  1. 对于每个条件, 比较热和冷流的能量变化率 (,).Equation 11 Equation 12 对于水, cp = 4.2 焦千克-1 K-1。体积流速可以乘以密度 (ρ= 997 公斤 m-3) 以找到质量流量。在 Eqn 1 中假设的能量变化率 (Q) 是否匹配?
  2. 使用步骤3.1 中的Q计算 Eqn. 2 之后的每个条件的平均。评估热交换器 UA (在 Eqn 3 中定义)。这个数量近似地是常数为被考虑的情况?
  3. 利用平均传热率 (QC+QH)/2, 对完全发达的层流的理论 UA 进行评估 (Eqn. 4)。这个理论值与实测值的比较如何?

章标题

全文

1

热交换器是能量系统中无处不在的部件。一些常见的例子是汽车散热器和冰箱蒸发器。在这两种情况下, 换热器是促进热量的转移, 从一个流体流到另一个。从这些例子, 很明显, 换热器是重要的各种系统; 主要提供热力学周期的热管理或转换。了解如何建模和率换热器是重要的优化设计和集成的大型系统换热器。本视频将阐述换热器设计和分析的一些原理, 并在简单管管内换热器设计中说明这些概念。最后, 将探讨一些常见的应用。

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设计良好的换热器应能促进两个流体流之间的高效、连续的传热, 而不允许它们混合。当两个流体进入一个热交换器, 它们被带入一个物理屏障的紧密的热接触。热交换是由当地的温度差异驱动的流体进展, 直到流体到达出口。结果是, 进入换热器的两个流体的热会随着温度的降低而退出, 而两个液体的温度升高则更冷。在稳定运行过程中, 热流体的传热速率由流体的质量流速和比热决定, 乘以入口与出口之间的温差。当使用相应的值时, 同样的公式适用于冷液。如果对周围的热泄漏是微不足道的, 两个转移率的大小将是相等的。这意味着热流体所失去的任何热量, 都是由冷流体获得的。以瓦特为单位的总电导率, 是衡量换热器传热能力的一个指标。让我们来分析一个特定的几何形状, 称为计数器流管管式换热器。在这个设计中, 热流体在一个方向的直管段内流动。冷流体在相反方向流动, 在热管和第二外管之间的环形。这一几何中两个流之间的平均温差驱动传热, 是对数平均温差, 可以从两个流的输入和输出温度计算。利用该模型对换热器进行了操作, 可以回答两种不同类型的换热器分析问题。评级和设计。如果已知传热速率和对数平均温度差, 例如通过实验测量, 则可以根据两者的比值来计算总电导率。然而, 对于设计的目的, 从换热器的几何特性和材料性能来预测总电导率是有用的。这可以通过找到两个流之间的热电阻的总和来完成。对于管管内几何, 这些阻力是由: 热流体管内的对流, 通过内管壁传导, 在冷流体环中再次对流来确定。这一总和的逆给出管管内逆流换热器的总电导率。现在, 我们已经看到了如何分析换热器, 让 \ 在实验室的测试之一。

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在工作表面的两边贴上两个塑料容器, 作为冷热水的储水池。如有必要, 在入口和出口水管的盖子上钻孔, 以及泵的电源线。当你完成后, 在每个蓄水池安装一个小型潜水泵。接下来, 在每个蓄水池附近安装一个水流量计或流量计, 然后用软聚氯乙烯油管将水泵出口连接到流量计入口。现在, 在换热器的外冷水管上安装两个压缩管三通接头。将一根挠性 PVC 管从附近三通接头的侧口连接到热流量计的出口处。对于热逆流管, 将一节铝管的长度与热交换器相等, 包括末端的三通接头, 并将其插入组件中。接下来, 连接一个软塑料管, 从压缩配件的另一端的换热器总成, 到热水水库。拧紧压缩配件, 以密封在铝管周围的软塑料油管。这将通过内部的铝管, 从外部的冷流中分离出热流。将挠性 PVC 管从一侧三通接头上连接到冷流量计出口, 然后将第二管连接到其他三通管件的侧面口, 返回冷水储水池。在继续之前, 确认热和冷的入口, 对热交换器, 是在相反末端。在热交换器的每个入口和出口口附近的软塑料管的一侧钻一个小孔。轻轻地将热电偶探头插入每个端口, 使探针尖端近似位于管的中心。最后, 使用环氧树脂, 或类似的粘合剂, 以密封的小间隙在管周围的热电偶探头, 以防止漏水。当环氧树脂固化时, 将所有四热电偶探头连接到热电偶读卡器上。现在, 程序集已完成, 您就可以开始测试了。

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用常温自来水灌满冷库, 用温水将热储层填满。打开两个水泵, 调整流量表上的针阀, 以增加两个回路的流量。允许水循环足够长的时间来冲洗掉任何被捕获的气泡。一旦空气气泡被删除, 调整在两个循环的流量, 以约0.1 升每分钟。等待几分钟, 使系统稳定, 然后记录四热电偶读数报告的入口和出口温度。您的热电偶读取器可能有一个保持函数, 在您录制时冻结当前值。在这些流动条件下记录五多套读数。重复这些测量的流速约0.125 升每分钟, 0.15 升每分钟。如果冷热输入之间的温差降至摄氏5度以下, 则用新鲜的热水和冷水将储水池填满。现在, 测量已经完成, 让我们来看看结果。

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你应该有18组数据, 并为每个设置一个测量的体积流量。注意对于这些测试, 相同的流速, V 点, 是用于热和冷流。首先, 利用水的密度将体积流量的每个值转换成质量流量。现在, 通过乘以质量流量、水的比热和各自的温度差, 计算出各组冷热流的能量变化率。在 "原则" 一节中, 我们假定这些比率的幅度是相等的。传播不确定性, 以便您可以比较它们。在大多数情况下, 热传导率与不确定的范围相匹配;然而, 随着流速的降低, 有一个趋势, 以增加热损失从热液, 与热获得的冷液。这可能是热损失对周围环境的结果;但由于影响较小, 平均传热率可用于其余的分析。接下来, 我们来评估热交换器的总电导率, 它可以由实测的传热速率和对数平均温度差来确定。总电导率取决于材料的热导率、流动条件和换热器的几何形状。我们预计, 这一值不会有明显的变化, 流速为低速层流流考虑到这里。使用测量的温度与文本中给出的公式来计算对数平均温度差。现在, 将平均能量变化率除以每组对数平均值的温度差, 以产生总电导。正如我们所预料的那样, 在测试的条件范围内, 总电导率相对恒定, 就像数据集的小标准偏差所证明的那样。这一结果, 但是, 高于理论价值预测的稳定充分发展的层流。如果我们假设两个通道的入口都有发展流, 并且使用适当的校正因子, 理论预测将比我们的测量结果要高。在实际中, 在到达换热器入口之前, 内部通道内的流量会部分地发展, 这可能解释了总电导的中间值。现在, 我们已经分析了我们的简单热交换器的结果, 让我们看看一些典型的应用。

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当两个流体流之间需要促进传热时, 热交换器被广泛应用于各种场合。在许多发电厂中, 蒸汽发生器热交换器从高温气体中转移热量, 产生高压蒸汽来驱动涡轮机。从这些涡轮机的下游流, 冷凝器换热器拒绝从低压蒸汽的热量, 液化流体和允许循环运行连续。在冰箱和空调系统中, 蒸发器热交换器从空调空间吸收热能, 以维持所需的温度。

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你刚刚看了朱庇特介绍热交换器分析你应该了解热交换器的基本原理, 以及如何在实验和理论上分析它们的性能。谢谢收看

热交换器是能量系统中无处不在的部件。一些常见的例子是汽车散热器和冰箱蒸发器。在这两种情况下, 换热器是促进热量的转移, 从一个流体流到另一个。从这些例子, 很明显, 换热器是重要的各种系统;主要提供热力学周期的热管理或转换。了解如何建模和率换热器是重要的优化设计和集成的大型系统换热器。本视频将阐述换热器设计和分析的一些原理, 并在简单管管内换热器设计中说明这些概念。最后, 将探讨一些常见的应用。

设计良好的换热器应能促进两个流体流之间的高效、连续的传热, 而不允许它们混合。当两个流体进入一个热交换器, 它们被带入一个物理屏障的紧密的热接触。热交换是由当地的温度差异驱动的流体进展, 直到流体到达出口。结果是, 进入换热器的两个流体的热会随着温度的降低而退出, 而两个液体的温度升高则更冷。在稳定运行过程中, 热流体的传热速率由流体的质量流速和比热决定, 乘以入口与出口之间的温差。当使用相应的值时, 同样的公式适用于冷液。如果对周围的热泄漏是微不足道的, 两个转移率的大小将是相等的。这意味着热流体所失去的任何热量, 都是由冷流体获得的。以瓦特为单位的总电导率, 是衡量换热器传热能力的一个指标。让我们来分析一个特定的几何, 称为计数器流, 管内管换热器。在这个设计中, 热流体在一个方向的直管段内流动。冷流体在相反方向流动, 在热管和第二外管之间的环形。这一几何中两个流之间的平均温差驱动传热, 是对数平均温差, 可以从两个流的输入和输出温度计算。利用该模型对换热器进行了操作, 可以回答两种不同类型的换热器分析问题。评级和设计。如果已知传热速率和对数平均温度差, 例如通过实验测量, 则可以根据两者的比值来计算总电导率。然而, 对于设计的目的, 从换热器的几何特性和材料性能来预测总电导率是有用的。这可以通过找到两个流之间的热电阻的总和来完成。对于管管内几何, 这些阻力是由: 热流体管内的对流, 通过内管壁传导, 在冷流体环中再次对流来确定。这一总和的逆给出管管内逆流换热器的总电导率。现在, 我们已经看到了如何分析换热器, 让我们测试一个在实验室。

在工作表面的两边贴上两个塑料容器, 作为冷热水的储水池。如有必要, 在入口和出口水管的盖子上钻孔, 以及泵的电源线。当你完成后, 在每个蓄水池安装一个小型潜水泵。接下来, 在每个蓄水池附近安装一个水流量计或流量计, 然后用软聚氯乙烯油管将水泵出口连接到流量计入口。现在, 在换热器的外冷水管上安装两个压缩管三通接头。将一根挠性 PVC 管从附近三通接头的侧口连接到热流量计的出口处。对于热逆流管, 将一节铝管的长度与热交换器相等, 包括末端的三通接头, 并将其插入组件中。接下来, 连接一个软塑料管, 从压缩配件的另一端的换热器总成, 到热水水库。拧紧压缩配件, 以密封在铝管周围的软塑料油管。这将通过内部的铝管, 从外部的冷流中分离出热流。将挠性 PVC 管从一侧三通接头上连接到冷流量计出口, 然后将第二管连接到其他三通管件的侧面口, 返回冷水储水池。在继续之前, 确认热和冷的入口, 对热交换器, 是在相反末端。在热交换器的每个入口和出口口附近的软塑料管的一侧钻一个小孔。轻轻地将热电偶探头插入每个端口, 使探针尖端近似位于管的中心。最后, 使用环氧树脂, 或类似的粘合剂, 以密封的小间隙在管周围的热电偶探头, 以防止漏水。当环氧树脂固化时, 将所有四热电偶探头连接到热电偶读卡器上。现在, 程序集已完成, 您就可以开始测试了。

用常温自来水灌满冷库, 用温水将热储层填满。打开两个水泵, 调整流量表上的针阀, 以增加两个回路的流量。允许水循环足够长的时间来冲洗掉任何被捕获的气泡。一旦空气气泡被删除, 调整在两个循环的流量, 以约0.1 升每分钟。等待几分钟, 使系统稳定, 然后记录四热电偶读数报告的入口和出口温度。您的热电偶读取器可能有一个保持函数, 在您录制时冻结当前值。在这些流动条件下记录五多套读数。重复这些测量的流速约0.125 升每分钟, 0.15 升每分钟。如果冷热输入之间的温差降至摄氏5度以下, 则用新鲜的热水和冷水将储水池填满。现在, 测量已经完成, 让我们来看看结果。

你应该有18组数据, 并为每个设置一个测量的体积流量。注意对于这些测试, 相同的流速, V 点, 是用于热和冷流。首先, 利用水的密度将体积流量的每个值转换成质量流量。现在, 通过乘以质量流量、水的比热和各自的温度差, 计算出各组冷热流的能量变化率。在 "原则" 一节中, 我们假定这些比率的幅度是相等的。传播不确定性, 以便您可以比较它们。在大多数情况下, 热传导率与不确定的范围相匹配;然而, 随着流速的降低, 有一个趋势, 以增加热损失从热液, 与热获得的冷液。这可能是热损失对周围环境的结果;但由于影响较小, 平均传热率可用于其余的分析。接下来, 我们来评估热交换器的总电导率, 它可以由实测的传热速率和对数平均温度差来确定。总电导率取决于材料的热导率、流动条件和换热器的几何形状。我们预计, 这一值不会有明显的变化, 流速为低速层流流考虑到这里。使用测量的温度与文本中给出的公式来计算对数平均温度差。现在, 将平均能量变化率除以每组对数平均值的温度差, 以产生总电导。正如我们所预料的那样, 在测试的条件范围内, 总电导率相对恒定, 就像数据集的小标准偏差所证明的那样。这一结果, 但是, 高于理论价值预测的稳定充分发展的层流。如果我们假设两个通道的入口都有发展流, 并且使用适当的校正因子, 理论预测将比我们的测量结果要高。在实际中, 在到达换热器入口之前, 内部通道内的流量会部分地发展, 这可能解释了总电导的中间值。现在, 我们已经分析了我们的简单热交换器的结果, 让我们来看看一些典型的应用。

当两个流体流之间需要促进传热时, 热交换器被广泛应用于各种场合。在许多发电厂中, 蒸汽发生器热交换器从高温气体中转移热量, 产生高压蒸汽来驱动涡轮机。从这些涡轮机的下游流, 冷凝器换热器拒绝从低压蒸汽的热量, 液化流体和允许循环运行连续。在冰箱和空调系统中, 蒸发器热交换器从空调空间吸收热能, 以维持所需的温度。

你刚才看了朱庇特的热交换器分析介绍。你应该了解热交换器的基本原理, 以及如何在实验和理论上分析它们的性能。谢谢收看

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