熱交換器の解析

Mechanical Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Overview

ソース: アレクサンダー ・ S ・ ラトナーとクリストファー ・ J ・ グリア。機械・原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA 部

熱交換器は、2 つの流体間で熱エネルギーを転送、エネルギー システムに遍在しています。一般的なアプリケーションは、自動車ラジエーター (周囲の空気に熱いエンジン冷却水からの熱伝達)、冷蔵庫蒸発器 (冷媒を蒸発する冷蔵庫庫内空気)、冷却塔 (凝縮する蒸気発電所蒸発水および大気)。この実験の目的は、実験計測 (評価) および熱交換器のモデリング手順を導入することです。

この実験では水の水のチューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器, および評価されます。熱伝達率 (Q) と全体的なコンダクタンス (UA) を決定する温度と流量率測定が適用されます。測定された熱交換器 UA は、ジオメトリや運用条件の予測値と比較されます。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 機械工学. 熱交換器の解析. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

熱交換器 (HX) で、熱エネルギーが熱い (H) 流体ストリームから冷たい (C) 流体ストリームに転送されます。各ストリームは異なる質量流量にあります (Equation 1) と比熱 (Equation 2)。ストリームは、HX を通過、熱い流れの温度減少し、コールド ストリームの温度が上昇します。定常運転時周囲に熱漏れがごくわずかの場合、コンセントに入口から 2 つのストリームのエネルギーの変化する必要がありますバランス。このエネルギー変化は、熱交換器の熱伝達率Qです。

Equation 3(1)

この実験では、カウンター フロー チューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器の伝熱特性を分析します。ここで熱い流体がチューブを介して 1 つの方向。低温流体は、インナー チューブとアウター チューブの間の環状空間を反対方向に流れます。2 つのストリーム間の熱伝達のドライブの平均温度差は Eqn。 2 対向流 HX 構成のために定義されているログ平均温度差 (LMTD, 図 1)。熱交換器の両端に温度差が測定精度内で一致する場合 (Equation 4) より簡単な LMTD 方式を使用する必要があります。

Equation 5(2)

熱交換器の熱伝達能力は、全体的なコンダクタンス (UA) の面で測定されます。この量は、W の K-1 (温度差熱転送速度) の単位を持ちます。UA は、測定した熱伝達率と流体温度から評価できます。

Equation 6(3)

チューブ ・ イン ・ チューブ HX ジオメトリは、管 (L)、(ID はOD は)、インナー チューブの内径、外径、アウター チューブ径 (IDoODo) の長さによって定義されます。これらのパラメーターおよび材料特性、熱交換器を使用して 2 つのストリーム間熱抵抗のための会計で UA を予測できます。インナー チューブの十分に発達した層流、インナー チューブ内壁に内部ストリームからの熱抵抗は、: Equation 7 kは流体の熱伝導率 (0.61 W m-1 K-1用水)。インナー チューブの壁を通しての伝導熱抵抗は: Equation 8 (kチューブ160 W m-1 K-1にアルミを =)。最後に、狭い環状流路内の十分に発達した層流、インナー チューブの外側から外側のストリームへの対流抵抗は: Equation 9 。これらの条件の下で予測の HX UA です。
Equation 10(4)

Figure 1
図 1: 寒さとホット ストリーム温度プロファイルとログ平均温度差対向流熱交換器です。

Procedure

1. 熱交換器システム (参照してください図と写真、図 2) の作製

  1. 作業面 (~0.6 m 離れて) に 2 つのプラスチック製の水貯水池 (〜 1 リットル各) を貼付してください。これらが覆われた容器の場合は、入口と出口の水ラインとポンプ電源ケーブルのためのふたの穴をあけます。これらは、ホットと冷たい水の貯水池として機能します。
  2. 各タンクに 1 つの小さい浸水許容ポンプをマウントします。
  3. 各貯水池近くに 1 つ 2 つの水流量計 (rotameters) を垂直にマウントします。ポンプ排出ポートに流量計の入口を接続するのにソフト PVC チューブを使用します。
  4. 熱交換器 (HX) アウター チューブをインストール (~0.3 m 長く、外側径外径 12.7 mm、内径 ID を = = 9.5 mm) 2 圧縮管ティー継手 (図 2 参照) に。柔軟な塩ビ管を接続 (外径 12.7 mm、ID を = = 6.2 mm) 熱流量計のコンセントに合う 1 つのティーの側ポートから。
  5. アルミ チューブをカット (OD 7.9 mm、ID を = = 6.2 mm) 熱交換器の長さ、含む側 (長 ~0.38 メートル)、ティー継手・熱交換器アセンブリに挿入します。アルミ チューブはソフト接続塩ビ管にぴったりとスライドするが (外径 12.7 mm、ID を = = 6.2 mm) 圧縮継手の端。
  6. 温泉水の貯水池に HX アセンブリの他の終わりにふさわしい圧縮ソフト PVC チューブを接続します。アルミ チューブの周りのソフト プラスチック製のチューブをシールする圧縮継手を締めます。これは外側のコールド フロー切り離す内部アルミニウム管を通って熱い流れ。
  7. 冷たい流量計のコンセントに合う 1 つのティー側ポートから柔軟な塩ビ管を接続します。冷たい水の貯水池 (逆流) に他の t 字継ぎ手の側ポートから塩ビ管を接続します。HX にホットとコールド ストリーム入口は反対側にする必要があります。
  8. 小さな穴 (~1.6 mm 径) を各熱交換器入口と出口ポート (4 の合計) 近くの柔らかいプラスチック チューブの片側にドリルスルーします。そっとこの熱電対プローブを各ポート内に挿入して、プローブの先端は管の中心部で約。熱電対のリーダーに熱電対プローブを接続します。
  9. 水は漏れないようにプローブの熱電対の周りの管の隙間をシールするエポキシまたは同じような接着剤を使用します。

Figure 2
図 2: 図 (a) と (b) ラベルの写真熱交換器の評価実験システム

2. 操作

  1. 常温水道水とお湯でホット貯水池リザーバー冷たい。
  2. 2 つの水ポンプに、必要な値 (例えば、0.1 l min-1) に流量を調整する流量計ニードル バルブを使用します。最初に閉じ込められた空気の泡をクリアするため高流量で水を循環させる必要があります。
  3. ほんの数分を安定させるシステムを許可し、入口と出口の温度を表す 4 つの熱電対計測を記録します。フロー条件ごとに測定値のいくつかのセットを記録します。可能な場合、熱電対リーダーのホールド機能は録音のための測定値を固定できます。
  4. いくつかのホットのセットと冷水流量で温度測定を収集します。定期的に十分な平均温度の相違 (~ 5-10 ° C) を維持するためにホット、コールドの新鮮な水貯蔵所を補充します。

3. 分析

  1. 各条件について、ホットとコールド ストリーム エネルギー変更料金を比較 (Equation 11Equation 12 )。水、 cp = 4.2 kJ kg-1 K-1。体積流量は密度によって乗算でき、(ρ= 997 kg m-3) 質量流量を見つけよう。エネルギー変化率 (Q) が一致して、Eqn。 1 で想定されているか。
  2. Eqn。 2 ステップ 3.1 からQを使用して、次の各条件の LMTD を評価します。熱交換器 UA (Eqn。 3 で定義) を評価します。この量はほぼ一定と見なされます条件?
  3. この HX (Eqn. 4) の十分に発達した層流の理論の UA を評価平均熱伝達率を使用して ((QC+QH)/2)。この理論値と測定値に例える

章のタイトル

トラン スクリプト

1

熱交換器、エネルギー システムのユビキタスのコンポーネントです。いくつかの一般的な例として、車のラジエーターと冷蔵庫の蒸発器。両方のケースで熱交換器は流体別の 1 つのストリームからの熱の伝達を促進します。これらの例から熱交換器は、システムのさまざまな重要なことは明らかです。 主に熱力学的サイクルの温度管理や転移を提供します。モデルとレートの熱交換器に方法の理解は、設計の最適化と熱交換器を大規模なシステムに統合するため重要です。このビデオは熱交換器デザインおよび分析のいくつかの原則を説明し、シンプルなチューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器設計に関するこれらの概念を紹介し。最後に、いくつかの一般的なアプリケーションが探求されます。

2

うまく設計された熱交換器ミックスは許可せず、2 つの流体ストリーム間の効率的で継続的な熱伝達を容易にする必要があります。2 つの流体は熱交換器を入力と物理的な障壁に近い熱的接触に取り込みます。熱交換は、流体出口に達するまで流体の進捗状況として、ローカル温度の相違によって駆動されます。結果は、熱交換器に入る二つの流体の高温低温と温度上昇を持つ 2 つの冷たい終了することです。定常運転時は、高温流体の熱伝導率、質量流量、流体の比熱によって決まります、入口と出口の温度差を掛けた。対応する値を使用する場合、同じ式が低温流体に適用されます。周囲に熱漏洩分はごくわずか、2 つの転送速度の大きさは等しくなります。これは、高温の流体によって失われた熱が低温の流体によって得られることを意味します。ケルビン、当たりのワット数で全体のコンダクタンスは、熱交換器の熱伝達能力の指標です。自由に描こう対向流、チューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器として知られている特定の幾何学を分析します。このデザインで高温の流体が管の直線部の中の一つの方向に流れます。低温流体は、ホット チューブと 2 番目のアウター チューブの輪に、反対の方向で流れます。このジオメトリの 2 つのストリーム間の熱伝達を運転の平均温度差は、ストリームの両方の入力と出力の温度から計算することができますログの平均温度の違いです。熱交換器操作のこのモデルを使用して、2 つの異なるタイプの熱交換器解析問題を答えることができます。評価と設計。熱伝達率とログを意味する温度差は、実験計測などで知られている 2 つの比から全体的なコンダクタンスが計算できます。ただし、デザインの目的のため、熱交換器のジオメトリと材料特性から全体的なコンダクタンスに予測に便利です。これは、2 つのストリーム間の熱抵抗の合計を見つけることによって行うことができます。チューブ ・ イン ・ チューブのジオメトリでは、これらの抵抗によって決定されます: ホット流体チューブ、インナー チューブの壁と再び冷たい流体管内対流によって伝導対流。この合計の逆は、チューブ ・ イン ・ チューブの対向流熱交換器の全体的なコンダクタンスを与えます。今では熱交換器を分析する方法を見てきた、自由に描こうは実験室の 1 つをテストします。

3

お湯と水の貯水池として機能する作業面の反対側に 2 つのプラスチック容器に貼付します。必要に応じて、インレット、アウトレット水行、ポンプ電源ケーブル用の蓋に穴をあけます。終了する際は、各タンクの小型の水中ポンプをマウントします。次に、水流量計、または、各貯水池の近くに垂直方向に浮子式流量計をマウントし、流量計の入口にポンプのコンセントを接続するソフト PVC チューブを使用します。今、熱交換器の外側の冷水管に 2 つの圧縮管ティー継手をインストールします。近くの t 字継ぎ手、ホットの流量計のコンセント側ポートから 1 つの柔軟な塩ビ管を接続します。ホット カウンター フロー チューブの端に、ティー継手を含む、熱交換器へのアルミ チューブのセクションを同じ長さでカットし、アセンブリに挿入します。次に、圧縮熱交換器アセンブリ、温泉水の貯水池のもう一方の端継手から柔らかいプラスチック チューブを接続します。アルミ チューブの周りのソフト プラスチック製のチューブをシールする圧縮継手を締めます。これは外側のコールド フロー区別熱い流れ、内側のアルミ チューブ。コールド フロー メーター コンセントに 1 つ t 字継ぎ手の側ポートからフレキシブル PVC チューブを接続、フィッティング冷たい水貯蔵所に戻って他のティーの側ポートに番目のチューブを接続します。前に、熱交換器へのホット、コールド ストリーム入口反対側にいるを確認します。柔らかいプラスチック チューブ熱交換器のそれぞれの入口および出口港の近くの 1 つの側面に小さな穴をドリルします。そっとこの熱電対プローブを各ポート内に挿入して、プローブの先端は管の中心部で約。最後に、水漏れに対する熱電対プローブ周りの管の隙間をシールするのにエポキシ、または似たような接着剤を使用します。エポキシが硬化すると、4 つのすべての熱電対プローブを熱電対リーダーに接続します。アセンブリが完了したら、テストを開始する準備が整いました。

4

常温水道水とお湯でホット貯水池リザーバー冷たい。両方の水ポンプをオンにし、両方のループの流れを増加する流れメートル上のニードル バルブを調整します。閉じ込められた空気の泡を洗い流すため十分な長さを循環する水を許可します。空気の泡を削除すると、約 0.1 リットル毎分に両方のループで流量を調整します。システム、安定するために数分を待つし、4 つの熱電対測定報告する入口と出口の温度を記録します。熱電対リーダーは、記録している間に現在の値を固定するホールド機能があります。これらのフロー条件下における測定値の 5 セットを記録します。約 0.125 リットル/分、および 0.15 リットル毎分の流量にこれらの測定を繰り返します。ホットとコールドの入力間の温度差 5 度下回ると、リフィルのホット、コールドの新鮮な水の貯水池を実行します。測定が完了したら、今、自由に描こうが結果を見てを取る。

5

18 セット データのセットごとに測定された体積流量が必要です。これらのテストは、同じ流量 V ドット注は、ホット、コールド ストリームに使用されます。まず、水の密度を体積流量の各値を質量流量に変換するため使用します。今、質量流量、水の比熱、それぞれ温度差を掛けての各セットでホットとコールド ストリームのエネルギー変化率を計算します。原則では、私たちはこれらの率の大きさが等しくなると仮定。不確実性を反映して、それらを比較することができますされるように。ほとんどの場合、熱転送速度に不確実性の内で合わせてください。しかし、流量が減少すると、低温の流体によって得られる熱と比較して、高温の流体からの損失熱の増加傾向があります。これは可能性が高い、周辺環境への熱損失の結果しかし、分析の残りの平均熱伝導率を使用ことができます効果が小さいので。次に、測定した熱伝達率から決定できる、熱交換器の全体的なコンダクタンスを評価することができます、ログの平均温度差。全体のコンダクタンスは、材料の熱伝導率、フロー条件、および熱交換器のジオメトリによって異なります。この値が考えられる低速度層流の流量と大幅変更されないことを期待しています。テキストで与えられる方程式を用いた測定温度を使用して、ログの平均温度差を計算します。今、全体のコンダクタンスを生成する設定ごとにログの平均温度差エネルギー変化の平均レートを分割します。予期していた通り、データ セットの標準偏差の小によって証明されるよう全体のコンダクタンスはテストされた条件の範囲で比較的一定です。ただし、この結果は十分に発達した層流定常予測理論値より高いです。両方のチャネルの入口の開発フローを想定し、適切な補正係数を使用して、理論的な予測は当社測定結果より高くなります。現実には、内部チャネルの流れが部分的に熱交換器入口に達する前に開発される、これは全体的なコンダクタンスの中間の値を説明する可能性があります。今では、単純な熱交換器のいくつかの典型的なアプリケーションを自由に描こう見て結果を解析しました。

6

熱交換器は、熱伝達は 2 つの流体ストリーム間促進することする必要があるさまざまなシナリオで使用されます。多くの電源発電所は、蒸気タービンを駆動する高圧蒸気を生成する高温ガスから発電機熱交換器伝達熱。これらのタービンからストリーム、ダウンは、凝縮器の熱交換器は流体の液化し、継続的に動作するようにサイクル低圧蒸気からの熱を拒否します。冷蔵庫、空調システム、蒸発熱交換器は希望温度を維持するために調節されたスペースの空気からの熱エネルギーを吸収します。

7

You\ 熱交換器分析入門 Jove\ の見てきた。熱交換器、実験的理論的に彼らのパフォーマンスを分析する方法の基本原則を理解知っている必要があります。見ていただきありがとうございます。

熱交換器、エネルギー システムのユビキタスのコンポーネントです。いくつかの一般的な例として、車のラジエーターと冷蔵庫の蒸発器。両方のケースで熱交換器は流体別の 1 つのストリームからの熱の伝達を促進します。これらの例から熱交換器は、システムのさまざまな重要なことは明らかです。主に熱力学的サイクルの温度管理や転移を提供します。モデルとレートの熱交換器に方法の理解は、設計の最適化と熱交換器を大規模なシステムに統合するため重要です。このビデオは熱交換器デザインおよび分析のいくつかの原則を説明し、シンプルなチューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器設計に関するこれらの概念を紹介し。最後に、いくつかの一般的なアプリケーションが探求されます。

うまく設計された熱交換器ミックスは許可せず、2 つの流体ストリーム間の効率的で継続的な熱伝達を容易にする必要があります。2 つの流体は熱交換器を入力と物理的な障壁に近い熱的接触に取り込みます。熱交換は、流体出口に達するまで流体の進捗状況として、ローカル温度の相違によって駆動されます。結果は、熱交換器に入る二つの流体の高温低温と温度上昇を持つ 2 つの冷たい終了することです。定常運転時は、高温流体の熱伝導率、質量流量、流体の比熱によって決まります、入口と出口の温度差を掛けた。対応する値を使用する場合、同じ式が低温流体に適用されます。周囲に熱漏洩分はごくわずか、2 つの転送速度の大きさは等しくなります。これは、高温の流体によって失われた熱が低温の流体によって得られることを意味します。ケルビン、当たりのワット数で全体のコンダクタンスは、熱交換器の熱伝達能力の指標です。カウンター フロー、チューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器として知られている特定の幾何学を分析してみましょう。このデザインで高温の流体が管の直線部の中の一つの方向に流れます。低温流体は、ホット チューブと 2 番目のアウター チューブの輪に、反対の方向で流れます。このジオメトリの 2 つのストリーム間の熱伝達を運転の平均温度差は、ストリームの両方の入力と出力の温度から計算することができますログの平均温度の違いです。熱交換器操作のこのモデルを使用して、2 つの異なるタイプの熱交換器解析問題を答えることができます。評価と設計。熱伝達率とログを意味する温度差は、実験計測などで知られている 2 つの比から全体的なコンダクタンスが計算できます。ただし、デザインの目的のため、熱交換器のジオメトリと材料特性から全体的なコンダクタンスに予測に便利です。これは、2 つのストリーム間の熱抵抗の合計を見つけることによって行うことができます。チューブ ・ イン ・ チューブのジオメトリでは、これらの抵抗によって決定されます: ホット流体チューブ、インナー チューブの壁と再び冷たい流体管内対流によって伝導対流。この合計の逆は、チューブ ・ イン ・ チューブの対向流熱交換器の全体的なコンダクタンスを与えます。今では熱交換器を分析する方法を見てきた、研究所の 1 つをテストしてみましょう。

お湯と水の貯水池として機能する作業面の反対側に 2 つのプラスチック容器に貼付します。必要に応じて、インレット、アウトレット水行、ポンプ電源ケーブル用の蓋に穴をあけます。終了する際は、各タンクの小型の水中ポンプをマウントします。次に、水流量計、または、各貯水池の近くに垂直方向に浮子式流量計をマウントし、流量計の入口にポンプのコンセントを接続するソフト PVC チューブを使用します。今、熱交換器の外側の冷水管に 2 つの圧縮管ティー継手をインストールします。近くの t 字継ぎ手、ホットの流量計のコンセント側ポートから 1 つの柔軟な塩ビ管を接続します。ホット カウンター フロー チューブの端に、ティー継手を含む、熱交換器へのアルミ チューブのセクションを同じ長さでカットし、アセンブリに挿入します。次に、圧縮熱交換器アセンブリ、温泉水の貯水池のもう一方の端継手から柔らかいプラスチック チューブを接続します。アルミ チューブの周りのソフト プラスチック製のチューブをシールする圧縮継手を締めます。これは外側のコールド フロー区別熱い流れ、内側のアルミ チューブ。コールド フロー メーター コンセントに 1 つ t 字継ぎ手の側ポートからフレキシブル PVC チューブを接続、フィッティング冷たい水貯蔵所に戻って他のティーの側ポートに番目のチューブを接続します。前に、熱交換器へのホット、コールド ストリーム入口反対側にいるを確認します。柔らかいプラスチック チューブ熱交換器のそれぞれの入口および出口港の近くの 1 つの側面に小さな穴をドリルします。そっとこの熱電対プローブを各ポート内に挿入して、プローブの先端は管の中心部で約。最後に、水漏れに対する熱電対プローブ周りの管の隙間をシールするのにエポキシ、または似たような接着剤を使用します。エポキシが硬化すると、4 つのすべての熱電対プローブを熱電対リーダーに接続します。アセンブリが完了したら、テストを開始する準備が整いました。

常温水道水とお湯でホット貯水池リザーバー冷たい。両方の水ポンプをオンにし、両方のループの流れを増加する流れメートル上のニードル バルブを調整します。閉じ込められた空気の泡を洗い流すため十分な長さを循環する水を許可します。空気の泡を削除すると、約 0.1 リットル毎分に両方のループで流量を調整します。システム、安定するために数分を待つし、4 つの熱電対測定報告する入口と出口の温度を記録します。熱電対リーダーは、記録している間に現在の値を固定するホールド機能があります。これらのフロー条件下における測定値の 5 セットを記録します。約 0.125 リットル/分、および 0.15 リットル毎分の流量にこれらの測定を繰り返します。ホットとコールドの入力間の温度差 5 度下回ると、リフィルのホット、コールドの新鮮な水の貯水池を実行します。今では、測定が完了したら、結果を見てをみましょう。

18 セット データのセットごとに測定された体積流量が必要です。これらのテストは、同じ流量 V ドット注は、ホット、コールド ストリームに使用されます。まず、水の密度を体積流量の各値を質量流量に変換するため使用します。今、質量流量、水の比熱、それぞれ温度差を掛けての各セットでホットとコールド ストリームのエネルギー変化率を計算します。原則では、私たちはこれらの率の大きさが等しくなると仮定。不確実性を反映して、それらを比較することができますされるように。ほとんどの場合、熱転送速度に不確実性の内で合わせてください。しかし、流量が減少すると、低温の流体によって得られる熱と比較して、高温の流体からの損失熱の増加傾向があります。これは可能性が高い、周辺環境への熱損失の結果しかし、分析の残りの平均熱伝導率を使用ことができます効果が小さいので。次に、測定した熱伝達率から決定できる、熱交換器の全体的なコンダクタンスを評価することができます、ログの平均温度差。全体のコンダクタンスは、材料の熱伝導率、フロー条件、および熱交換器のジオメトリによって異なります。この値が考えられる低速度層流の流量と大幅変更されないことを期待しています。テキストで与えられる方程式を用いた測定温度を使用して、ログの平均温度差を計算します。今、全体のコンダクタンスを生成する設定ごとにログの平均温度差エネルギー変化の平均レートを分割します。予期していた通り、データ セットの標準偏差の小によって証明されるよう全体のコンダクタンスはテストされた条件の範囲で比較的一定です。ただし、この結果は十分に発達した層流定常予測理論値より高いです。両方のチャネルの入口の開発フローを想定し、適切な補正係数を使用して、理論的な予測は当社測定結果より高くなります。現実には、内部チャネルの流れが部分的に熱交換器入口に達する前に開発される、これは全体的なコンダクタンスの中間の値を説明する可能性があります。今では私たちの単純な熱交換器の結果分析を行ったが、いくつかの典型的なアプリケーションを見てみましょう。

熱交換器は、熱伝達は 2 つの流体ストリーム間促進することする必要があるさまざまなシナリオで使用されます。多くの電源発電所は、蒸気タービンを駆動する高圧蒸気を生成する高温ガスから発電機熱交換器伝達熱。これらのタービンからストリーム、ダウンは、凝縮器の熱交換器は流体の液化し、継続的に動作するようにサイクル低圧蒸気からの熱を拒否します。冷蔵庫、空調システム、蒸発熱交換器は希望温度を維持するために調節されたスペースの空気からの熱エネルギーを吸収します。

ゼウスの熱交換器分析入門を見てきただけ。熱交換器、実験的理論的に彼らのパフォーマンスを分析する方法の基本原則を理解知っている必要があります。見ていただきありがとうございます。

Results

表 1 - 測定と派生 LMTD、UA 値 0.20 と 0.15 l 分-1のホット、コールド フロー レートで熱交換器。

ホットとコールド フロー率(l min-1) TH で(° C、0.25 ° C) TC、 (° C、0.25 ° C) TH、 (° C、0.25 ° C) TC で(° C、0.25 ° C) QC (W) QH (W) LMTD (° 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

代表温度と流量を測定し、結果 LMTD、UA の値が 0.20 と 0.15 l 分-1 (3 単位) のホット、コールドの流動率の表 1 に示した。推定量 (QCQHLMTD、UA) の不確実性を決定する不確実性伝搬解析を行った。UA は、2 つのストリームの平均熱伝達率を計算しました。高い流量でホットとコールドの流量条件近く協定が遵守されます。低流量域で契約は実験的不確実性の内でだけです。

条件の考慮範囲にわたって平均全体的な熱伝導率は比較的一定 (UA 〜 4.0 ± 0.5 W K-1)。これは完全に開発された定常層流 (Eqn. 4) の値が予測値より高い: UA = 2.7 K-1。測定値が低い入り江から始まる両方のチャネルの開発フローを想定しての結果よりも: 4.8 W K-1 ([1] から発展途上の流量補正係数を使用して)。実際には、ホット内部チャネル フローは HX の入口に到達する前に配管の部分的に開発しています。これは UA の中間の測定値を説明する可能性があります。

Applications and Summary

この実験では、チューブ ・ イン ・ チューブの対向流熱交換器を作製し、, その熱伝達能力 (UA) は実験的測定 (評価)。結果として得られるパフォーマンスは、理論モデルからの結果と比較した.現代の熱交換器フィンと強化された表面熱伝達強度を高めるより洗練されたデザインを雇い、流体クロスと対向流のアレンジを最適化します。ただし、基本的な概念とここに導入されたパラメーター (UA、LMTD) 全熱交換器に適用されます。

熱交換器評価実験、製造された熱交換器が許容エネルギー システム性能を確保するため必要な能力 (UA 値) を満たすかどうかを決定するための重要なここでは示されているように。同様に、熱交換器性能モデル (例えばEqn。 4) を開発し、熱交換器の設計を検証する必要があります。この実験は、これらの熱交換器評価とモデリングのプロセスを実践的な導入を提供します。

熱交換器は、エネルギー集中的な技術・身近な家電を多数で採用されています。多くの電源発電所は、蒸気タービンを駆動する高圧の蒸気を生成する高温ガスから発電機熱交換器伝達熱。下流これらのタービンから復水器熱交換器拒否、流体の液化サイクル動作を継続することができます低圧蒸気からの熱。多くの工業プロセスで双方向熱熱熱交換器は吸気流体、エネルギー消費の削減を予熱する排気の流れから低温の熱を転送できます。冷蔵庫、空調システム、蒸発熱交換器は所望の温度を維持するために調節されたスペースの空気からの熱エネルギーを吸収します。

References

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

1. 熱交換器システム (参照してください図と写真、図 2) の作製

  1. 作業面 (~0.6 m 離れて) に 2 つのプラスチック製の水貯水池 (〜 1 リットル各) を貼付してください。これらが覆われた容器の場合は、入口と出口の水ラインとポンプ電源ケーブルのためのふたの穴をあけます。これらは、ホットと冷たい水の貯水池として機能します。
  2. 各タンクに 1 つの小さい浸水許容ポンプをマウントします。
  3. 各貯水池近くに 1 つ 2 つの水流量計 (rotameters) を垂直にマウントします。ポンプ排出ポートに流量計の入口を接続するのにソフト PVC チューブを使用します。
  4. 熱交換器 (HX) アウター チューブをインストール (~0.3 m 長く、外側径外径 12.7 mm、内径 ID を = = 9.5 mm) 2 圧縮管ティー継手 (図 2 参照) に。柔軟な塩ビ管を接続 (外径 12.7 mm、ID を = = 6.2 mm) 熱流量計のコンセントに合う 1 つのティーの側ポートから。
  5. アルミ チューブをカット (OD 7.9 mm、ID を = = 6.2 mm) 熱交換器の長さ、含む側 (長 ~0.38 メートル)、ティー継手・熱交換器アセンブリに挿入します。アルミ チューブはソフト接続塩ビ管にぴったりとスライドするが (外径 12.7 mm、ID を = = 6.2 mm) 圧縮継手の端。
  6. 温泉水の貯水池に HX アセンブリの他の終わりにふさわしい圧縮ソフト PVC チューブを接続します。アルミ チューブの周りのソフト プラスチック製のチューブをシールする圧縮継手を締めます。これは外側のコールド フロー切り離す内部アルミニウム管を通って熱い流れ。
  7. 冷たい流量計のコンセントに合う 1 つのティー側ポートから柔軟な塩ビ管を接続します。冷たい水の貯水池 (逆流) に他の t 字継ぎ手の側ポートから塩ビ管を接続します。HX にホットとコールド ストリーム入口は反対側にする必要があります。
  8. 小さな穴 (~1.6 mm 径) を各熱交換器入口と出口ポート (4 の合計) 近くの柔らかいプラスチック チューブの片側にドリルスルーします。そっとこの熱電対プローブを各ポート内に挿入して、プローブの先端は管の中心部で約。熱電対のリーダーに熱電対プローブを接続します。
  9. 水は漏れないようにプローブの熱電対の周りの管の隙間をシールするエポキシまたは同じような接着剤を使用します。

Figure 2
図 2: 図 (a) と (b) ラベルの写真熱交換器の評価実験システム

2. 操作

  1. 常温水道水とお湯でホット貯水池リザーバー冷たい。
  2. 2 つの水ポンプに、必要な値 (例えば、0.1 l min-1) に流量を調整する流量計ニードル バルブを使用します。最初に閉じ込められた空気の泡をクリアするため高流量で水を循環させる必要があります。
  3. ほんの数分を安定させるシステムを許可し、入口と出口の温度を表す 4 つの熱電対計測を記録します。フロー条件ごとに測定値のいくつかのセットを記録します。可能な場合、熱電対リーダーのホールド機能は録音のための測定値を固定できます。
  4. いくつかのホットのセットと冷水流量で温度測定を収集します。定期的に十分な平均温度の相違 (~ 5-10 ° C) を維持するためにホット、コールドの新鮮な水貯蔵所を補充します。

3. 分析

  1. 各条件について、ホットとコールド ストリーム エネルギー変更料金を比較 (Equation 11Equation 12 )。水、 cp = 4.2 kJ kg-1 K-1。体積流量は密度によって乗算でき、(ρ= 997 kg m-3) 質量流量を見つけよう。エネルギー変化率 (Q) が一致して、Eqn。 1 で想定されているか。
  2. Eqn。 2 ステップ 3.1 からQを使用して、次の各条件の LMTD を評価します。熱交換器 UA (Eqn。 3 で定義) を評価します。この量はほぼ一定と見なされます条件?
  3. この HX (Eqn. 4) の十分に発達した層流の理論の UA を評価平均熱伝達率を使用して ((QC+QH)/2)。この理論値と測定値に例える

章のタイトル

トラン スクリプト

1

熱交換器、エネルギー システムのユビキタスのコンポーネントです。いくつかの一般的な例として、車のラジエーターと冷蔵庫の蒸発器。両方のケースで熱交換器は流体別の 1 つのストリームからの熱の伝達を促進します。これらの例から熱交換器は、システムのさまざまな重要なことは明らかです。 主に熱力学的サイクルの温度管理や転移を提供します。モデルとレートの熱交換器に方法の理解は、設計の最適化と熱交換器を大規模なシステムに統合するため重要です。このビデオは熱交換器デザインおよび分析のいくつかの原則を説明し、シンプルなチューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器設計に関するこれらの概念を紹介し。最後に、いくつかの一般的なアプリケーションが探求されます。

2

うまく設計された熱交換器ミックスは許可せず、2 つの流体ストリーム間の効率的で継続的な熱伝達を容易にする必要があります。2 つの流体は熱交換器を入力と物理的な障壁に近い熱的接触に取り込みます。熱交換は、流体出口に達するまで流体の進捗状況として、ローカル温度の相違によって駆動されます。結果は、熱交換器に入る二つの流体の高温低温と温度上昇を持つ 2 つの冷たい終了することです。定常運転時は、高温流体の熱伝導率、質量流量、流体の比熱によって決まります、入口と出口の温度差を掛けた。対応する値を使用する場合、同じ式が低温流体に適用されます。周囲に熱漏洩分はごくわずか、2 つの転送速度の大きさは等しくなります。これは、高温の流体によって失われた熱が低温の流体によって得られることを意味します。ケルビン、当たりのワット数で全体のコンダクタンスは、熱交換器の熱伝達能力の指標です。自由に描こう対向流、チューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器として知られている特定の幾何学を分析します。このデザインで高温の流体が管の直線部の中の一つの方向に流れます。低温流体は、ホット チューブと 2 番目のアウター チューブの輪に、反対の方向で流れます。このジオメトリの 2 つのストリーム間の熱伝達を運転の平均温度差は、ストリームの両方の入力と出力の温度から計算することができますログの平均温度の違いです。熱交換器操作のこのモデルを使用して、2 つの異なるタイプの熱交換器解析問題を答えることができます。評価と設計。熱伝達率とログを意味する温度差は、実験計測などで知られている 2 つの比から全体的なコンダクタンスが計算できます。ただし、デザインの目的のため、熱交換器のジオメトリと材料特性から全体的なコンダクタンスに予測に便利です。これは、2 つのストリーム間の熱抵抗の合計を見つけることによって行うことができます。チューブ ・ イン ・ チューブのジオメトリでは、これらの抵抗によって決定されます: ホット流体チューブ、インナー チューブの壁と再び冷たい流体管内対流によって伝導対流。この合計の逆は、チューブ ・ イン ・ チューブの対向流熱交換器の全体的なコンダクタンスを与えます。今では熱交換器を分析する方法を見てきた、自由に描こうは実験室の 1 つをテストします。

3

お湯と水の貯水池として機能する作業面の反対側に 2 つのプラスチック容器に貼付します。必要に応じて、インレット、アウトレット水行、ポンプ電源ケーブル用の蓋に穴をあけます。終了する際は、各タンクの小型の水中ポンプをマウントします。次に、水流量計、または、各貯水池の近くに垂直方向に浮子式流量計をマウントし、流量計の入口にポンプのコンセントを接続するソフト PVC チューブを使用します。今、熱交換器の外側の冷水管に 2 つの圧縮管ティー継手をインストールします。近くの t 字継ぎ手、ホットの流量計のコンセント側ポートから 1 つの柔軟な塩ビ管を接続します。ホット カウンター フロー チューブの端に、ティー継手を含む、熱交換器へのアルミ チューブのセクションを同じ長さでカットし、アセンブリに挿入します。次に、圧縮熱交換器アセンブリ、温泉水の貯水池のもう一方の端継手から柔らかいプラスチック チューブを接続します。アルミ チューブの周りのソフト プラスチック製のチューブをシールする圧縮継手を締めます。これは外側のコールド フロー区別熱い流れ、内側のアルミ チューブ。コールド フロー メーター コンセントに 1 つ t 字継ぎ手の側ポートからフレキシブル PVC チューブを接続、フィッティング冷たい水貯蔵所に戻って他のティーの側ポートに番目のチューブを接続します。前に、熱交換器へのホット、コールド ストリーム入口反対側にいるを確認します。柔らかいプラスチック チューブ熱交換器のそれぞれの入口および出口港の近くの 1 つの側面に小さな穴をドリルします。そっとこの熱電対プローブを各ポート内に挿入して、プローブの先端は管の中心部で約。最後に、水漏れに対する熱電対プローブ周りの管の隙間をシールするのにエポキシ、または似たような接着剤を使用します。エポキシが硬化すると、4 つのすべての熱電対プローブを熱電対リーダーに接続します。アセンブリが完了したら、テストを開始する準備が整いました。

4

常温水道水とお湯でホット貯水池リザーバー冷たい。両方の水ポンプをオンにし、両方のループの流れを増加する流れメートル上のニードル バルブを調整します。閉じ込められた空気の泡を洗い流すため十分な長さを循環する水を許可します。空気の泡を削除すると、約 0.1 リットル毎分に両方のループで流量を調整します。システム、安定するために数分を待つし、4 つの熱電対測定報告する入口と出口の温度を記録します。熱電対リーダーは、記録している間に現在の値を固定するホールド機能があります。これらのフロー条件下における測定値の 5 セットを記録します。約 0.125 リットル/分、および 0.15 リットル毎分の流量にこれらの測定を繰り返します。ホットとコールドの入力間の温度差 5 度下回ると、リフィルのホット、コールドの新鮮な水の貯水池を実行します。測定が完了したら、今、自由に描こうが結果を見てを取る。

5

18 セット データのセットごとに測定された体積流量が必要です。これらのテストは、同じ流量 V ドット注は、ホット、コールド ストリームに使用されます。まず、水の密度を体積流量の各値を質量流量に変換するため使用します。今、質量流量、水の比熱、それぞれ温度差を掛けての各セットでホットとコールド ストリームのエネルギー変化率を計算します。原則では、私たちはこれらの率の大きさが等しくなると仮定。不確実性を反映して、それらを比較することができますされるように。ほとんどの場合、熱転送速度に不確実性の内で合わせてください。しかし、流量が減少すると、低温の流体によって得られる熱と比較して、高温の流体からの損失熱の増加傾向があります。これは可能性が高い、周辺環境への熱損失の結果しかし、分析の残りの平均熱伝導率を使用ことができます効果が小さいので。次に、測定した熱伝達率から決定できる、熱交換器の全体的なコンダクタンスを評価することができます、ログの平均温度差。全体のコンダクタンスは、材料の熱伝導率、フロー条件、および熱交換器のジオメトリによって異なります。この値が考えられる低速度層流の流量と大幅変更されないことを期待しています。テキストで与えられる方程式を用いた測定温度を使用して、ログの平均温度差を計算します。今、全体のコンダクタンスを生成する設定ごとにログの平均温度差エネルギー変化の平均レートを分割します。予期していた通り、データ セットの標準偏差の小によって証明されるよう全体のコンダクタンスはテストされた条件の範囲で比較的一定です。ただし、この結果は十分に発達した層流定常予測理論値より高いです。両方のチャネルの入口の開発フローを想定し、適切な補正係数を使用して、理論的な予測は当社測定結果より高くなります。現実には、内部チャネルの流れが部分的に熱交換器入口に達する前に開発される、これは全体的なコンダクタンスの中間の値を説明する可能性があります。今では、単純な熱交換器のいくつかの典型的なアプリケーションを自由に描こう見て結果を解析しました。

6

熱交換器は、熱伝達は 2 つの流体ストリーム間促進することする必要があるさまざまなシナリオで使用されます。多くの電源発電所は、蒸気タービンを駆動する高圧蒸気を生成する高温ガスから発電機熱交換器伝達熱。これらのタービンからストリーム、ダウンは、凝縮器の熱交換器は流体の液化し、継続的に動作するようにサイクル低圧蒸気からの熱を拒否します。冷蔵庫、空調システム、蒸発熱交換器は希望温度を維持するために調節されたスペースの空気からの熱エネルギーを吸収します。

7

You\ 熱交換器分析入門 Jove\ の見てきた。熱交換器、実験的理論的に彼らのパフォーマンスを分析する方法の基本原則を理解知っている必要があります。見ていただきありがとうございます。

熱交換器、エネルギー システムのユビキタスのコンポーネントです。いくつかの一般的な例として、車のラジエーターと冷蔵庫の蒸発器。両方のケースで熱交換器は流体別の 1 つのストリームからの熱の伝達を促進します。これらの例から熱交換器は、システムのさまざまな重要なことは明らかです。主に熱力学的サイクルの温度管理や転移を提供します。モデルとレートの熱交換器に方法の理解は、設計の最適化と熱交換器を大規模なシステムに統合するため重要です。このビデオは熱交換器デザインおよび分析のいくつかの原則を説明し、シンプルなチューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器設計に関するこれらの概念を紹介し。最後に、いくつかの一般的なアプリケーションが探求されます。

うまく設計された熱交換器ミックスは許可せず、2 つの流体ストリーム間の効率的で継続的な熱伝達を容易にする必要があります。2 つの流体は熱交換器を入力と物理的な障壁に近い熱的接触に取り込みます。熱交換は、流体出口に達するまで流体の進捗状況として、ローカル温度の相違によって駆動されます。結果は、熱交換器に入る二つの流体の高温低温と温度上昇を持つ 2 つの冷たい終了することです。定常運転時は、高温流体の熱伝導率、質量流量、流体の比熱によって決まります、入口と出口の温度差を掛けた。対応する値を使用する場合、同じ式が低温流体に適用されます。周囲に熱漏洩分はごくわずか、2 つの転送速度の大きさは等しくなります。これは、高温の流体によって失われた熱が低温の流体によって得られることを意味します。ケルビン、当たりのワット数で全体のコンダクタンスは、熱交換器の熱伝達能力の指標です。カウンター フロー、チューブ ・ イン ・ チューブ熱交換器として知られている特定の幾何学を分析してみましょう。このデザインで高温の流体が管の直線部の中の一つの方向に流れます。低温流体は、ホット チューブと 2 番目のアウター チューブの輪に、反対の方向で流れます。このジオメトリの 2 つのストリーム間の熱伝達を運転の平均温度差は、ストリームの両方の入力と出力の温度から計算することができますログの平均温度の違いです。熱交換器操作のこのモデルを使用して、2 つの異なるタイプの熱交換器解析問題を答えることができます。評価と設計。熱伝達率とログを意味する温度差は、実験計測などで知られている 2 つの比から全体的なコンダクタンスが計算できます。ただし、デザインの目的のため、熱交換器のジオメトリと材料特性から全体的なコンダクタンスに予測に便利です。これは、2 つのストリーム間の熱抵抗の合計を見つけることによって行うことができます。チューブ ・ イン ・ チューブのジオメトリでは、これらの抵抗によって決定されます: ホット流体チューブ、インナー チューブの壁と再び冷たい流体管内対流によって伝導対流。この合計の逆は、チューブ ・ イン ・ チューブの対向流熱交換器の全体的なコンダクタンスを与えます。今では熱交換器を分析する方法を見てきた、研究所の 1 つをテストしてみましょう。

お湯と水の貯水池として機能する作業面の反対側に 2 つのプラスチック容器に貼付します。必要に応じて、インレット、アウトレット水行、ポンプ電源ケーブル用の蓋に穴をあけます。終了する際は、各タンクの小型の水中ポンプをマウントします。次に、水流量計、または、各貯水池の近くに垂直方向に浮子式流量計をマウントし、流量計の入口にポンプのコンセントを接続するソフト PVC チューブを使用します。今、熱交換器の外側の冷水管に 2 つの圧縮管ティー継手をインストールします。近くの t 字継ぎ手、ホットの流量計のコンセント側ポートから 1 つの柔軟な塩ビ管を接続します。ホット カウンター フロー チューブの端に、ティー継手を含む、熱交換器へのアルミ チューブのセクションを同じ長さでカットし、アセンブリに挿入します。次に、圧縮熱交換器アセンブリ、温泉水の貯水池のもう一方の端継手から柔らかいプラスチック チューブを接続します。アルミ チューブの周りのソフト プラスチック製のチューブをシールする圧縮継手を締めます。これは外側のコールド フロー区別熱い流れ、内側のアルミ チューブ。コールド フロー メーター コンセントに 1 つ t 字継ぎ手の側ポートからフレキシブル PVC チューブを接続、フィッティング冷たい水貯蔵所に戻って他のティーの側ポートに番目のチューブを接続します。前に、熱交換器へのホット、コールド ストリーム入口反対側にいるを確認します。柔らかいプラスチック チューブ熱交換器のそれぞれの入口および出口港の近くの 1 つの側面に小さな穴をドリルします。そっとこの熱電対プローブを各ポート内に挿入して、プローブの先端は管の中心部で約。最後に、水漏れに対する熱電対プローブ周りの管の隙間をシールするのにエポキシ、または似たような接着剤を使用します。エポキシが硬化すると、4 つのすべての熱電対プローブを熱電対リーダーに接続します。アセンブリが完了したら、テストを開始する準備が整いました。

常温水道水とお湯でホット貯水池リザーバー冷たい。両方の水ポンプをオンにし、両方のループの流れを増加する流れメートル上のニードル バルブを調整します。閉じ込められた空気の泡を洗い流すため十分な長さを循環する水を許可します。空気の泡を削除すると、約 0.1 リットル毎分に両方のループで流量を調整します。システム、安定するために数分を待つし、4 つの熱電対測定報告する入口と出口の温度を記録します。熱電対リーダーは、記録している間に現在の値を固定するホールド機能があります。これらのフロー条件下における測定値の 5 セットを記録します。約 0.125 リットル/分、および 0.15 リットル毎分の流量にこれらの測定を繰り返します。ホットとコールドの入力間の温度差 5 度下回ると、リフィルのホット、コールドの新鮮な水の貯水池を実行します。今では、測定が完了したら、結果を見てをみましょう。

18 セット データのセットごとに測定された体積流量が必要です。これらのテストは、同じ流量 V ドット注は、ホット、コールド ストリームに使用されます。まず、水の密度を体積流量の各値を質量流量に変換するため使用します。今、質量流量、水の比熱、それぞれ温度差を掛けての各セットでホットとコールド ストリームのエネルギー変化率を計算します。原則では、私たちはこれらの率の大きさが等しくなると仮定。不確実性を反映して、それらを比較することができますされるように。ほとんどの場合、熱転送速度に不確実性の内で合わせてください。しかし、流量が減少すると、低温の流体によって得られる熱と比較して、高温の流体からの損失熱の増加傾向があります。これは可能性が高い、周辺環境への熱損失の結果しかし、分析の残りの平均熱伝導率を使用ことができます効果が小さいので。次に、測定した熱伝達率から決定できる、熱交換器の全体的なコンダクタンスを評価することができます、ログの平均温度差。全体のコンダクタンスは、材料の熱伝導率、フロー条件、および熱交換器のジオメトリによって異なります。この値が考えられる低速度層流の流量と大幅変更されないことを期待しています。テキストで与えられる方程式を用いた測定温度を使用して、ログの平均温度差を計算します。今、全体のコンダクタンスを生成する設定ごとにログの平均温度差エネルギー変化の平均レートを分割します。予期していた通り、データ セットの標準偏差の小によって証明されるよう全体のコンダクタンスはテストされた条件の範囲で比較的一定です。ただし、この結果は十分に発達した層流定常予測理論値より高いです。両方のチャネルの入口の開発フローを想定し、適切な補正係数を使用して、理論的な予測は当社測定結果より高くなります。現実には、内部チャネルの流れが部分的に熱交換器入口に達する前に開発される、これは全体的なコンダクタンスの中間の値を説明する可能性があります。今では私たちの単純な熱交換器の結果分析を行ったが、いくつかの典型的なアプリケーションを見てみましょう。

熱交換器は、熱伝達は 2 つの流体ストリーム間促進することする必要があるさまざまなシナリオで使用されます。多くの電源発電所は、蒸気タービンを駆動する高圧蒸気を生成する高温ガスから発電機熱交換器伝達熱。これらのタービンからストリーム、ダウンは、凝縮器の熱交換器は流体の液化し、継続的に動作するようにサイクル低圧蒸気からの熱を拒否します。冷蔵庫、空調システム、蒸発熱交換器は希望温度を維持するために調節されたスペースの空気からの熱エネルギーを吸収します。

ゼウスの熱交換器分析入門を見てきただけ。熱交換器、実験的理論的に彼らのパフォーマンスを分析する方法の基本原則を理解知っている必要があります。見ていただきありがとうございます。

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE