Analyse de l’échangeur de chaleur

Mechanical Engineering

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Overview

Source : Alexander S Rattner et Christopher J Greer ; Département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA

Échangeurs de chaleur à transférer l’énergie thermique entre deux fluides courants et sont omniprésents dans les systèmes d’énergie. Les applications communes incluent les radiateurs de voiture (transfert de chaleur du liquide de refroidissement moteur chaud à l’air ambiant), évaporateurs de réfrigérateur (l’air à l’intérieur du compartiment réfrigérateur à évaporation du réfrigérant) et refroidissement tours dans les centrales électriques (condensation de la vapeur évaporation de l’eau et l’air ambiant). L’objectif de cette expérience consiste à introduire une mesure expérimentale (notation) et des procédures de modélisation pour échangeurs de chaleur.

Dans cette expérience, un échangeur de chaleur eau / eau-dans-eau tube seront construit et évalué. Mesures de vitesses de température et le débit seront utilisés pour déterminer le taux de transfert de chaleur (Q) et conductance globale (UA). L’échangeur de chaleur mesurée UA seront comparée avec les valeurs prédites pour la géométrie et les conditions de fonctionnement.

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JoVE Science Education Database. Génie mécanique. Analyse de l’échangeur de chaleur. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Dans un échangeur de chaleur (HX), l’énergie thermique est transféré d’un courant de fluide chaud (H) à un courant de fluide froid (C). Chaque flux de données peut avoir un débit massique différents (Equation 1) et la chaleur spécifique (Equation 2). Pendant les cours d’eau traversent un HX, diminue la température du flux chaud, et augmente la température du flux froid. Au cours de l’opération stable, si la fuite de la chaleur à l’environnement est négligeable, les changements d’énergie des deux courants de criques aux prises doivent équilibrer. Ce changement d’énergie est le taux de transfert de chaleur de l’échangeur de chaleur Q.

Equation 3(1)

Dans cette expérience, les performances de transfert de chaleur est analysée pour un échangeur de chaleur de tube en tube de refoulement. Ecoulements de fluides chauds ICIS dans un seul sens dans une chambre à air. Fluide froid s’écoule dans la direction opposée par le biais de l’espace annulaire entre la chambre à air et un fourreau. La différence de température moyenne qui pousse le transfert de chaleur entre les deux cours d’eau est la différence de température moyenne logarithmique (LMTD, Fig. 1), définie dans Eqn. 2 pour la configuration de HX de contre-courant. Si les différences de température aux deux extrémités de l’échangeur de chaleur correspond à la précision de mesure (Equation 4), une formule LMTD plus simple doit être utilisée.

Equation 5(2)

La capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur est mesurée en termes de la conductance globale (UA). Cette quantité a unités de W K-1 (taux de transfert de chaleur par la différence de température). L’UA peut être évaluée de taux de transfert de chaleur mesurée et les températures du fluide :

Equation 6(3)

La géométrie HX de tube en tube est définie par la longueur des tubes (L), le tube intérieur diamètres d’intérieure et extérieure (IDje, ODj’ai) et diamètres de tube extérieur (IDo, ODo). En utilisant ces paramètres et les propriétés des matériaux, l’échangeur de chaleur UA peut prévoir en comptabilité pour les résistances thermiques entre les deux cours d’eau. Pour un écoulement laminaire pleinement développé dans le tube intérieur, la résistance thermique du flux interne de la paroi interne du tube intérieur est : Equation 7k est la conductivité thermique du fluide (0.61 W m-1 K-1 pour l’eau). La résistance thermique de conduction à travers la paroi du tube interne, est : Equation 8 (ktube = 160 W m-1 K-1 pour l’aluminium). Enfin, pour un écoulement laminaire pleinement développé dans un anneau étroit, la résistance de la convection de l’extérieur de la chambre à air dans le flux de l’extérieur est : Equation 9 . Dans ces conditions, l’UA HX prévue est :
Equation 10(4)

Figure 1
Figure 1 : Froid et profils de température flux chaud et différence de température moyenne logarithmique dans un échangeur de chaleur de contre-courant.

Procedure

1. fabrication de système d’échangeur de chaleur (voir schéma et photo, Fig. 2)

  1. Apposer deux réservoirs d’eau en plastique (environ 1 litre) d’une surface de travail (~0.6 m de distance). Si ce sont des récipients couverts, percer des trous dans le couvercle pour les conduites d’eau d’entrée et de sortie et le câble d’alimentation de pompe. Ceux-ci serviront les réservoirs d’eau chaude et froide.
  2. Monter une petite pompe submersible dans chaque réservoir.
  3. Verticalement, monter deux compteurs de débit eau (rotamètres), un près de chaque réservoir. Tuyau PVC souple permet de connecter des entrées de débitmètre jusqu’aux ports de décharge de pompe.
  4. Installer le tube extérieur de l’échangeur de chaleur (HX) (~0.3 m long, extérieur diamètre OD = 12,7 mm, diamètre intérieur ID = 9,5 mm) dans les deux raccords de compression, té tuyauterie (voir Fig. 2). Raccorder un tube PVC flexible (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) entre le port côté un té raccord à la sortie du compteur de flux chaud.
  5. Couper un tube en aluminium (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) à la longueur de l’échangeur de chaleur, y compris les raccords en té sur la fin (~0.38 m de long) et l’insérer dans l’Assemblée de l’échangeur de chaleur. Le tube aluminium doit glisser confortablement dans le tuyau de PVC de raccordement souple (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) à l’extrémité du raccord à compression.
  6. Raccorder un tube de PVC souple de raccord à l’autre bout de l’Assemblée HX vers le réservoir d’eau chaude à la compression. Serrer les raccords à compression pour sceller le tuyaux en plastique souple autour du tube en aluminium. Cela va se séparer le flux chaud à travers le tube interne en aluminium du flux froid extérieur.
  7. Raccorder un tube PVC flexible de la voie latérale sur un té raccord à la sortie du compteur de flux froid. Raccorder un tube PVC depuis le port de côté sur l’autre raccord en té pour le réservoir d’eau froide (reflux). Les entrées de cours d’eau chaude et froide pour le HX devraient être aux deux extrémités.
  8. Percer des petits trous (~1.6 mm de diamètre) sur un côté des tubes en plastique souples près de chaque port entrée et la sortie de l’échangeur de chaleur (4 au total). Insérez doucement une sonde thermocouple dans chaque port afin que l’extrémité de la sonde est approximativement au centre du tube. Connecter les sondes de thermocouple à un lecteur de thermocouple
  9. À l’aide d’époxy ou adhésif semblable pour sceller le petit écart dans les tubes autour le thermocouple probes afin que l’eau ne s’écoule.

Figure 2
Figure 2 : schéma (a) et (b) étiqueté photographie d’échangeur de chaleur système expérimental d’évaluation

2. opération

  1. Remplissez le réservoir froid avec température ambiante l’eau du robinet et le réservoir chaud à l’eau tiède.
  2. Allumez les deux pompes à eau et pointeaux débitmètre permet d’ajuster les débits aux valeurs souhaitées (p. ex., 0,1 l min-1). Il peut être nécessaire faire circuler l’eau à un débit plus élevé au départ pour effacer les bulles d’air piégées.
  3. Attendez que le système se stabiliser pendant quelques minutes et ensuite enregistrer les quatre mesures de thermocouple qui représentent les températures d’entrée et de sortie. Enregistrer quelques séries de lectures pour chaque condition d’écoulement. Le cas échéant, la fonction hold sur le lecteur de thermocouple peut geler lectures pour aider l’enregistrement.
  4. Collecter des mesures de température à quelques ensembles de chaud et des débits d’eau froide. Périodiquement, remplir les réservoirs d’eau chaude et froide pour maintenir les écarts de température moyenne suffisante (~ 5-10° C).

3. analyse

  1. Pour chaque condition, comparer le taux de changement chaud et froid-flux énergétique (Equation 11, Equation 12 ). Pour l’eau, cp = 4,2 kJ kg-1 K-1. et le débit volumique peut être multiplié par la densité (ρeau = 997 kg m-3) pour trouver le débit massique. Les taux de changement de l’énergie (Q) correspondent, comme supposé dans Eqn. 1 ?
  2. Évaluer la LMTD pour chaque condition suite Eqn. 2 à l’aide de Q d’étape 3.1. Évaluer l’échangeur de chaleur UA (définie dans Eqn. 3). Cette quantité est approximativement constant des conditions considérées ?
  3. Évaluer l’UA théorique pour un écoulement laminaire pleinement développé dans cette HX (Eqn. 4) en utilisant le taux de transfert de chaleur moyenne ((QC+QH) / 2). Comment comparer cette valeur théorique de la valeur mesurée ?

Titre de chapitre

Relevé de notes

1

Échangeurs de chaleur sont des éléments omniprésents dans les systèmes d’énergie. Radiateurs de voiture et évaporateurs réfrigérateur sont des exemples communs. Dans les deux cas, l’échangeur de chaleur facilite le transfert de chaleur, d’un flux de fluide à l’autre. Dans ces exemples, il est clair que les échangeurs de chaleur sont importants dans une variété de systèmes ; Fournissant principalement gestion thermique ou transitions en cycles thermodynamiques. Comprendre comment le modèle et le taux des échangeurs de chaleur est important pour l’optimisation des conceptions et intégrant des échangeurs de chaleur dans des systèmes plus grands. Cette vidéo va illustrer certains principes de conception de l’échangeur de chaleur et de l’analyse et ensuite démontrer ces concepts sur une conception de l’échangeur de chaleur de tube en tube simple. À la fin, certaines applications courantes seront explorées.

2

Un échangeur de chaleur bien conçu devrait faciliter le transfert de chaleur efficace et continu entre deux flux de fluide, sans leur permettant de mélanger. Alors que deux flux de fluide entame un échangeur de chaleur, ils sont transférés en contact thermique étroit une barrière physique. Échange de chaleur est motivé par une différence de température locale comme l’état d’avancement des fluides, les fluides jusqu'à la sortie. Il en résulte que le plus chaud des deux fluides entrant dans l’échangeur de chaleur se fermera avec une température réduite et le plus froid des deux avec une augmentation de la température. Au cours de l’opération stable, le taux de transfert de chaleur du liquide chaud est déterminé par le débit massique et la chaleur spécifique du fluide, multiplié par la différence de température entre l’entrée et la sortie. La même formule s’applique au fluide froid lorsqu’on utilise les valeurs correspondantes. Si les fuites de chaleur à l’environnement sont négligeable, l’ampleur des taux de deux transfert sera égale. Cela signifie que toute chaleur perdue par le fluide chaud, est acquise par le fluide froid. La conductance totale exprimée en Watts par Kelvin, est une mesure de la capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur. Let\ analyser une géométrie particulière appelée un contre-courant, échangeur de chaleur de tube en tube. Dans cette conception, le liquide chaud s’écoule dans une direction à l’intérieur d’une section droite du tube. Le fluide froid s’écoule dans la direction opposée, dans l’espace annulaire entre le tube chaud et un deuxième tube extérieur. La différence de température moyenne conduite de transfert de chaleur entre les deux ruisseaux dans cette géométrie, est la différence de température moyenne du journal, qui peut être calculée à partir des températures d’entrée et de sortie des deux cours d’eau. En utilisant ce modèle de fonctionnement de l’échangeur de chaleur, nous pouvons répondre à deux types de problèmes d’analyse de l’échangeur de chaleur. Évaluation et conception. Si le taux de transfert de chaleur et le journal signifient la différence de température sont connus, par exemple en mesure expérimentale, la conductance globale peut être calculée le rapport entre les deux. Aux fins de la conception, toutefois, il est utile de prédire ce que sera la conductance globale des propriétés géométrie et matériel de l’échangeur de chaleur. Cela peut être fait en trouvant la somme des résistances thermiques entre les deux cours d’eau. Pour la géométrie du tube en tube, ces résistances sont déterminés par : convection dans le tube de liquide chaud, la conduction à travers le mur de la chambre à air et convection à nouveau dans l’anneau fluide froid. L’inverse de cette somme donne la conductance globale pour l’échangeur de chaleur de contre-courant de tube en tube. Maintenant que nous avons vu comment analyser l’échangeur de chaleur, let\ dans le laboratoire d’essai.

3

Apposer deux contenants de plastique sur les côtés opposés de la surface de travail pour servir de réservoirs d’eau chaude et froide. Si nécessaire, percer des trous dans le couvercle pour entrée et sortie eau lignes, ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Lorsque vous avez terminé, monter une petite pompe submersible dans chaque réservoir. Ensuite, monter un compteur de débit de l’eau, ou un rotamètre, verticalement près de chaque réservoir et ensuite utiliser des tuyaux de PVC souple pour connecter les sorties de la pompe aux entrées du débitmètre. Maintenant, installez deux raccords à compression tuyau té sur le tube de l’eau froide externe de l’échangeur de chaleur. Raccorder un tube de PVC souple, de la voie latérale du voisin té raccord, à la sortie du débitmètre chaud. Pour le tube d’écoulement de comptoir chaud, couper une section de tube en aluminium longueur égale à celle de l’échangeur de chaleur, y compris les raccords en té sur la fin et l’insérer dans l’assembly. Ensuite, branchez un tube en plastique souple, de la compression à l’autre extrémité de l’Assemblée de l’échangeur de chaleur, vers le réservoir d’eau chaude. Serrer les raccords à compression pour sceller le tuyaux en plastique souple autour du tube en aluminium. Cela va se séparer le flux chaud, à travers le tube interne en aluminium, du flux froid extérieur. Connectez le tuyau flexible de PVC, entre le port de côté sur un raccord en té, à la sortie du compteur de flux froid et puis connecter un second tube à l’orifice latéral du autre té raccord de retour vers le réservoir d’eau froide. Avant de continuer, vérifiez que les entrées de cours d’eau chaude et froide, à l’échangeur de chaleur, sont aux deux extrémités. Percez un petit trou sur un côté du tube souple en plastique près de chaque port d’entrée et de sortie de l’échangeur de chaleur. Insérez doucement une sonde thermocouple dans chaque port afin que l’extrémité de la sonde est approximativement au centre du tube. Enfin, utiliser de l’époxy ou adhésif semblable, pour sceller le petit écart dans les tubes autour les sondes thermocouple contre les fuites d’eau. Lorsque la résine est guérie, connectez tous les quatre sondes de thermocouple à un lecteur de thermocouple. Maintenant que le montage est terminé, vous êtes prêt à commencer le test.

4

Remplissez le réservoir froid avec température ambiante l’eau du robinet et le réservoir chaud à l’eau tiède. Les deux pompes à eau et régler les vannes à pointeau sur les débitmètres pour augmenter le débit dans les deux boucles. Laisser l’eau circuler assez longtemps afin d’éliminer les bulles d’air piégées. Une fois enlevés les bulles d’air, régler le débit dans les deux boucles à environ 0,1 litres / minute. Attendez quelques minutes pour permettre au système stabiliser et ensuite enregistrer les températures d’entrée et de sortie, rapportés par les quatre lectures de thermocouple. Votre lecteur de thermocouple peut-être avoir une fonction hold pour figer les valeurs actuelles pendant que vous enregistrez. Enregistrer cinq ensembles plus de lectures à ces conditions d’écoulement. Répéter ces mesures pour des débits d’environ 0,125 litres par minute et 0,15 litres / minute. Si la différence de température entre les entrées chaudes et froides est inférieure à 5 degrés Celsius, remplir les réservoirs d’eau chaude et froide. Maintenant que les mesures sont terminées, let\ prendre un regard sur les résultats.

5

Vous devriez avoir 18 ensembles de données et pour chaque jeu un débit volume mesuré. Remarque pour ces tests, le même débit, V-dot, est utilisée pour les cours d’eau chaudes et froides. Pour convertir un débit massique de chaque valeur du débit volume d’abord utiliser la masse volumique de l’eau. Maintenant, calculer le taux de variation de l’énergie pour les cours d’eau chaudes et froides dans chaque ensemble en multipliant le débit massique, la chaleur spécifique de l’eau et les écarts de températures respectives. Dans la section de principe, nous avons supposé que l’ampleur de ces taux serait égal. Propagez les incertitudes afin que vous pouvez les comparer. Dans la plupart des cas, les taux de transfert de chaleur correspondant au sein de l’incertitude ; Toutefois, lorsque le débit diminue, il y a une tendance à la perte de chaleur accrue du fluide chaud, par rapport à la chaleur gagnée par le fluide froid. C’est probablement le résultat de la perte de chaleur vers le milieu environnant ; Mais étant donné que l’effet est faible, le taux de transfert de chaleur moyenne peut être utilisé pour le reste de l’analyse. Ensuite, permet d’évaluer la conductance globale de l’échangeur de chaleur, qui peut être déterminée par le taux de transfert de chaleur mesurée, et le journal de différence de température moyenne. La conductance globale dépend de la conductivité thermique matérielle, conditions d’écoulement et la géométrie de l’échangeur de chaleur. Nous prévoyons que cette valeur ne changera pas considérablement avec la vitesse d’écoulement pour les faible vitesse des écoulements laminaires considérés ici. Utiliser les températures mesurées avec l’équation donnée dans le texte pour calculer la différence de température moyenne de journal. Maintenant, diviser le taux moyen de variation de l’énergie par la différence de température moyenne de journal pour chaque jeu de céder la conductance globale. Comme nous l’avions prévu, la conductance globale est relativement stable sur la plage de conditions qui ont été testés, comme en témoigne la petite déviation standard sur l’ensemble de données. Ce résultat, cependant, est supérieur à la valeur théorique prévue pour un écoulement laminaire décélération constant. Si on présume flux en développement à des entrées dans les deux voies et facteurs de correction approprié, la prédiction théorique sera plus élevée que notre résultat mesuré. En réalité, le débit dans le canal interne sera partiellement développé avant d’arriver à l’entrée de l’échangeur de chaleur, et ceci peut expliquer la valeur intermédiaire de conductance globale. Maintenant que nous avons analysé les résultats de notre simple échangeur de chaleur, regarder de let\ certaines applications typiques.

6

Échangeurs de chaleur sont employés dans une grande variété de scénarios, chaque fois que le transfert de chaleur doit être facilitée entre deux flux de fluide. Dans de nombreuses centrales de génération, générateur échangeurs de chaleur transfert chaleur gaz haute température pour produire de la vapeur à haute pression pour les turbines à entraînement à vapeur. En aval de ces turbines, échangeurs de chaleur condenseur rejette la chaleur de la vapeur basse pression, liquéfaction du liquide et permettant le cycle à fonctionner de façon continue. Dans les réfrigérateurs et systèmes de conditionnement d’air, échangeurs de chaleur évaporateur absorbent l’énergie thermique de l’air dans l’espace conditionné pour maintenir la température désirée.

7

Originel avez regardé juste introduction de Jove\ à l’analyse de l’échangeur de chaleur. Il faut savoir comprendre les principes de base des échangeurs de chaleur et la façon d’analyser leurs performances expérimentalement et théoriquement. Merci de regarder.

Échangeurs de chaleur sont des éléments omniprésents dans les systèmes d’énergie. Radiateurs de voiture et évaporateurs réfrigérateur sont des exemples communs. Dans les deux cas, l’échangeur de chaleur facilite le transfert de chaleur, d’un flux de fluide à l’autre. Dans ces exemples, il est clair que les échangeurs de chaleur sont importants dans une variété de systèmes ; Fournissant principalement gestion thermique ou transitions en cycles thermodynamiques. Comprendre comment le modèle et le taux des échangeurs de chaleur est important pour l’optimisation des conceptions et intégrant des échangeurs de chaleur dans des systèmes plus grands. Cette vidéo va illustrer certains principes de conception de l’échangeur de chaleur et de l’analyse et ensuite démontrer ces concepts sur une conception de l’échangeur de chaleur de tube en tube simple. À la fin, certaines applications courantes seront explorées.

Un échangeur de chaleur bien conçu devrait faciliter le transfert de chaleur efficace et continu entre deux flux de fluide, sans leur permettant de mélanger. Alors que deux flux de fluide entame un échangeur de chaleur, ils sont transférés en contact thermique étroit une barrière physique. Échange de chaleur est motivé par une différence de température locale comme l’état d’avancement des fluides, les fluides jusqu'à la sortie. Il en résulte que le plus chaud des deux fluides entrant dans l’échangeur de chaleur se fermera avec une température réduite et le plus froid des deux avec une augmentation de la température. Au cours de l’opération stable, le taux de transfert de chaleur du liquide chaud est déterminé par le débit massique et la chaleur spécifique du fluide, multiplié par la différence de température entre l’entrée et la sortie. La même formule s’applique au fluide froid lorsqu’on utilise les valeurs correspondantes. Si les fuites de chaleur à l’environnement sont négligeable, l’ampleur des taux de deux transfert sera égale. Cela signifie que toute chaleur perdue par le fluide chaud, est acquise par le fluide froid. La conductance totale exprimée en Watts par Kelvin, est une mesure de la capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur. Nous allons analyser une géométrie particulière appelée un contre-courant, échangeur de chaleur de tube en tube. Dans cette conception, le liquide chaud s’écoule dans une direction à l’intérieur d’une section droite du tube. Le fluide froid s’écoule dans la direction opposée, dans l’espace annulaire entre le tube chaud et un deuxième tube extérieur. La différence de température moyenne conduite de transfert de chaleur entre les deux ruisseaux dans cette géométrie, est la différence de température moyenne du journal, qui peut être calculée à partir des températures d’entrée et de sortie des deux cours d’eau. En utilisant ce modèle de fonctionnement de l’échangeur de chaleur, nous pouvons répondre à deux types de problèmes d’analyse de l’échangeur de chaleur. Évaluation et conception. Si le taux de transfert de chaleur et le journal signifient la différence de température sont connus, par exemple en mesure expérimentale, la conductance globale peut être calculée le rapport entre les deux. Aux fins de la conception, toutefois, il est utile de prédire ce que sera la conductance globale des propriétés géométrie et matériel de l’échangeur de chaleur. Cela peut être fait en trouvant la somme des résistances thermiques entre les deux cours d’eau. Pour la géométrie du tube en tube, ces résistances sont déterminés par : convection dans le tube de liquide chaud, la conduction à travers le mur de la chambre à air et convection à nouveau dans l’anneau fluide froid. L’inverse de cette somme donne la conductance globale pour l’échangeur de chaleur de contre-courant de tube en tube. Maintenant que nous avons vu comment analyser l’échangeur de chaleur, testons un dans le laboratoire.

Apposer deux contenants de plastique sur les côtés opposés de la surface de travail pour servir de réservoirs d’eau chaude et froide. Si nécessaire, percer des trous dans le couvercle pour entrée et sortie eau lignes, ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Lorsque vous avez terminé, monter une petite pompe submersible dans chaque réservoir. Ensuite, monter un compteur de débit de l’eau, ou un rotamètre, verticalement près de chaque réservoir et ensuite utiliser des tuyaux de PVC souple pour connecter les sorties de la pompe aux entrées du débitmètre. Maintenant, installez deux raccords à compression tuyau té sur le tube de l’eau froide externe de l’échangeur de chaleur. Raccorder un tube de PVC souple, de la voie latérale du voisin té raccord, à la sortie du débitmètre chaud. Pour le tube d’écoulement de comptoir chaud, couper une section de tube en aluminium longueur égale à celle de l’échangeur de chaleur, y compris les raccords en té sur la fin et l’insérer dans l’assembly. Ensuite, branchez un tube en plastique souple, de la compression à l’autre extrémité de l’Assemblée de l’échangeur de chaleur, vers le réservoir d’eau chaude. Serrer les raccords à compression pour sceller le tuyaux en plastique souple autour du tube en aluminium. Cela va se séparer le flux chaud, à travers le tube interne en aluminium, du flux froid extérieur. Connectez le tuyau flexible de PVC, entre le port de côté sur un raccord en té, à la sortie du compteur de flux froid et puis connecter un second tube à l’orifice latéral du autre té raccord de retour vers le réservoir d’eau froide. Avant de continuer, vérifiez que les entrées de cours d’eau chaude et froide, à l’échangeur de chaleur, sont aux deux extrémités. Percez un petit trou sur un côté du tube souple en plastique près de chaque port d’entrée et de sortie de l’échangeur de chaleur. Insérez doucement une sonde thermocouple dans chaque port afin que l’extrémité de la sonde est approximativement au centre du tube. Enfin, utiliser de l’époxy ou adhésif semblable, pour sceller le petit écart dans les tubes autour les sondes thermocouple contre les fuites d’eau. Lorsque la résine est guérie, connectez tous les quatre sondes de thermocouple à un lecteur de thermocouple. Maintenant que le montage est terminé, vous êtes prêt à commencer le test.

Remplissez le réservoir froid avec température ambiante l’eau du robinet et le réservoir chaud à l’eau tiède. Les deux pompes à eau et régler les vannes à pointeau sur les débitmètres pour augmenter le débit dans les deux boucles. Laisser l’eau circuler assez longtemps afin d’éliminer les bulles d’air piégées. Une fois enlevés les bulles d’air, régler le débit dans les deux boucles à environ 0,1 litres / minute. Attendez quelques minutes pour permettre au système stabiliser et ensuite enregistrer les températures d’entrée et de sortie, rapportés par les quatre lectures de thermocouple. Votre lecteur de thermocouple peut-être avoir une fonction hold pour figer les valeurs actuelles pendant que vous enregistrez. Enregistrer cinq ensembles plus de lectures à ces conditions d’écoulement. Répéter ces mesures pour des débits d’environ 0,125 litres par minute et 0,15 litres / minute. Si la différence de température entre les entrées chaudes et froides est inférieure à 5 degrés Celsius, remplir les réservoirs d’eau chaude et froide. Maintenant que les mesures sont terminées, nous allons jeter un coup de œil les résultats.

Vous devriez avoir 18 ensembles de données et pour chaque jeu un débit volume mesuré. Remarque pour ces tests, le même débit, V-dot, est utilisée pour les cours d’eau chaudes et froides. Pour convertir un débit massique de chaque valeur du débit volume d’abord utiliser la masse volumique de l’eau. Maintenant, calculer le taux de variation de l’énergie pour les cours d’eau chaudes et froides dans chaque ensemble en multipliant le débit massique, la chaleur spécifique de l’eau et les écarts de températures respectives. Dans la section de principe, nous avons supposé que l’ampleur de ces taux serait égal. Propagez les incertitudes afin que vous pouvez les comparer. Dans la plupart des cas, les taux de transfert de chaleur correspondant au sein de l’incertitude ; Toutefois, lorsque le débit diminue, il y a une tendance à la perte de chaleur accrue du fluide chaud, par rapport à la chaleur gagnée par le fluide froid. C’est probablement le résultat de la perte de chaleur vers le milieu environnant ; Mais étant donné que l’effet est faible, le taux de transfert de chaleur moyenne peut être utilisé pour le reste de l’analyse. Ensuite, permet d’évaluer la conductance globale de l’échangeur de chaleur, qui peut être déterminée par le taux de transfert de chaleur mesurée, et le journal de différence de température moyenne. La conductance globale dépend de la conductivité thermique matérielle, conditions d’écoulement et la géométrie de l’échangeur de chaleur. Nous prévoyons que cette valeur ne changera pas considérablement avec la vitesse d’écoulement pour les faible vitesse des écoulements laminaires considérés ici. Utiliser les températures mesurées avec l’équation donnée dans le texte pour calculer la différence de température moyenne de journal. Maintenant, diviser le taux moyen de variation de l’énergie par la différence de température moyenne de journal pour chaque jeu de céder la conductance globale. Comme nous l’avions prévu, la conductance globale est relativement stable sur la plage de conditions qui ont été testés, comme en témoigne la petite déviation standard sur l’ensemble de données. Ce résultat, cependant, est supérieur à la valeur théorique prévue pour un écoulement laminaire décélération constant. Si on présume flux en développement à des entrées dans les deux voies et facteurs de correction approprié, la prédiction théorique sera plus élevée que notre résultat mesuré. En réalité, le débit dans le canal interne sera partiellement développé avant d’arriver à l’entrée de l’échangeur de chaleur, et ceci peut expliquer la valeur intermédiaire de conductance globale. Maintenant que nous avons analysé les résultats de notre échangeur de chaleur simple, regardons quelques applications typiques.

Échangeurs de chaleur sont employés dans une grande variété de scénarios, chaque fois que le transfert de chaleur doit être facilitée entre deux flux de fluide. Dans de nombreuses centrales de génération, générateur échangeurs de chaleur transfert chaleur gaz haute température pour produire de la vapeur à haute pression pour les turbines à entraînement à vapeur. En aval de ces turbines, échangeurs de chaleur condenseur rejette la chaleur de la vapeur basse pression, liquéfaction du liquide et permettant le cycle à fonctionner de façon continue. Dans les réfrigérateurs et systèmes de conditionnement d’air, échangeurs de chaleur évaporateur absorbent l’énergie thermique de l’air dans l’espace conditionné pour maintenir la température désirée.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à l’analyse de l’échangeur de chaleur. Il faut savoir comprendre les principes de base des échangeurs de chaleur et la façon d’analyser leurs performances expérimentalement et théoriquement. Merci de regarder.

Results

Tableau 1 - mesures et valeurs LMTD et UA pour échangeur de chaleur à chaud et à froid des débits de 0,20 et 0,15 l min-1.

Eau chaude et froide de débits (l min-1) TH, dans (° C, ±0, 25 ° C) TC, out (° C, ±0, 25 ° C) TH, out (° C, ±0, 25 ° C) TC, en (° 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

Représentant mesuré les températures et les débits et les valeurs résultantes de LMTD et UA sont présentés dans le tableau 1 pour des débits liquides chauds et froids de 0,20 et 0,15 l min-1 (3 mesures). Analyse de propagation d’incertitude a été réalisée afin de déterminer le degré d’incertitude pour les quantités dérivées (QC, Q,H, LMTD, UA). L’UA a été évaluée en utilisant le taux de transfert de chaleur moyenne des deux courants. Au débit supérieur conditions accord étroit pour des débits chauds et froids est observée. À des débits inférieurs, accord se trouve à incertitude expérimentale.

Le taux moyen de transfert thermique global est relativement constant dans l’intervalle considéré des conditions (UA ~ 4,0 ± 0,5 W K-1). C’est supérieur à la valeur prédite pour laminaire pleinement développée fluidité (Eqn. 4) : UA = 2,7 W K-1. La valeur mesurée est plus faible que le résultat en supposant que les flux en développement dans les deux canaux partant du bras de mer : 4,8 W K-1 (en utilisant des facteurs de correction de débit en voie de développement [1]). En réalité, le flux chaud canal interne partiellement développe dans la plomberie avant d’arriver à l’entrée HX. Ceci pourrait expliquer la valeur intermédiaire en UA mesurée.

Applications and Summary

Dans cette expérience, un échangeur de chaleur de tube en tube refoulement a été fabriqué, et sa capacité de transfert de chaleur (UA) a été mesurées expérimentalement (appréciation). Le comportement qui en résulte a été comparé avec les résultats d’un modèle théorique. Moderne des échangeurs de chaleur souvent employer des dessins plus sophistiqués, avec des surfaces pour augmenter l’intensité de transfert de chaleur à ailettes et améliorés et optimisé des arrangements de fluide croisée et contre-courant. Toutefois, les concepts de base et les paramètres introduits ici (UA, LMTD) s’applique à tous les échangeurs de chaleur.

Échangeur de chaleur cote expérimente, comme démontré ici sont essentiels pour déterminer si les échangeurs de chaleur manufacturés répondent aux capacités souhaitées (valeurs UA) pour garantir des performances de système énergétique acceptable. De même, modèles de performance de l’échangeur de chaleur (par exemple, Eqn. 4) doivent être développés et validés pour guider la conception de l’échangeur de chaleur. Cette expérience fournit une introduction pratique à ces échangeur de note et le processus de modélisation.

Échangeurs de chaleur sont employés dans de nombreuses technologies intensive de l’énergie et des appareils domestiques familiers. Dans de nombreuses centrales de génération, générateur échangeurs de chaleur transfert chaleur gaz haute température pour produire de la vapeur à haute pression pour les turbines à entraînement à vapeur. En aval de ces turbines, échangeurs de chaleur condenseur rejeter la chaleur de la vapeur à basse pression, liquéfaction du liquide et permettant le cycle à fonctionner de façon continue. Dans de nombreux procédés industriels, réparateur des échangeurs de chaleur transfert chaleur basse température entre un flux de gaz d’échappement à Préchauffer le liquide de consommation, réduisant la consommation d’énergie. Dans les réfrigérateurs et les systèmes de conditionnement d’air, échangeurs de chaleur évaporateur absorbent l’énergie thermique de l’air dans un espace climatisé pour maintenir la température désirée.

References

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

1. fabrication de système d’échangeur de chaleur (voir schéma et photo, Fig. 2)

  1. Apposer deux réservoirs d’eau en plastique (environ 1 litre) d’une surface de travail (~0.6 m de distance). Si ce sont des récipients couverts, percer des trous dans le couvercle pour les conduites d’eau d’entrée et de sortie et le câble d’alimentation de pompe. Ceux-ci serviront les réservoirs d’eau chaude et froide.
  2. Monter une petite pompe submersible dans chaque réservoir.
  3. Verticalement, monter deux compteurs de débit eau (rotamètres), un près de chaque réservoir. Tuyau PVC souple permet de connecter des entrées de débitmètre jusqu’aux ports de décharge de pompe.
  4. Installer le tube extérieur de l’échangeur de chaleur (HX) (~0.3 m long, extérieur diamètre OD = 12,7 mm, diamètre intérieur ID = 9,5 mm) dans les deux raccords de compression, té tuyauterie (voir Fig. 2). Raccorder un tube PVC flexible (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) entre le port côté un té raccord à la sortie du compteur de flux chaud.
  5. Couper un tube en aluminium (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) à la longueur de l’échangeur de chaleur, y compris les raccords en té sur la fin (~0.38 m de long) et l’insérer dans l’Assemblée de l’échangeur de chaleur. Le tube aluminium doit glisser confortablement dans le tuyau de PVC de raccordement souple (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) à l’extrémité du raccord à compression.
  6. Raccorder un tube de PVC souple de raccord à l’autre bout de l’Assemblée HX vers le réservoir d’eau chaude à la compression. Serrer les raccords à compression pour sceller le tuyaux en plastique souple autour du tube en aluminium. Cela va se séparer le flux chaud à travers le tube interne en aluminium du flux froid extérieur.
  7. Raccorder un tube PVC flexible de la voie latérale sur un té raccord à la sortie du compteur de flux froid. Raccorder un tube PVC depuis le port de côté sur l’autre raccord en té pour le réservoir d’eau froide (reflux). Les entrées de cours d’eau chaude et froide pour le HX devraient être aux deux extrémités.
  8. Percer des petits trous (~1.6 mm de diamètre) sur un côté des tubes en plastique souples près de chaque port entrée et la sortie de l’échangeur de chaleur (4 au total). Insérez doucement une sonde thermocouple dans chaque port afin que l’extrémité de la sonde est approximativement au centre du tube. Connecter les sondes de thermocouple à un lecteur de thermocouple
  9. À l’aide d’époxy ou adhésif semblable pour sceller le petit écart dans les tubes autour le thermocouple probes afin que l’eau ne s’écoule.

Figure 2
Figure 2 : schéma (a) et (b) étiqueté photographie d’échangeur de chaleur système expérimental d’évaluation

2. opération

  1. Remplissez le réservoir froid avec température ambiante l’eau du robinet et le réservoir chaud à l’eau tiède.
  2. Allumez les deux pompes à eau et pointeaux débitmètre permet d’ajuster les débits aux valeurs souhaitées (p. ex., 0,1 l min-1). Il peut être nécessaire faire circuler l’eau à un débit plus élevé au départ pour effacer les bulles d’air piégées.
  3. Attendez que le système se stabiliser pendant quelques minutes et ensuite enregistrer les quatre mesures de thermocouple qui représentent les températures d’entrée et de sortie. Enregistrer quelques séries de lectures pour chaque condition d’écoulement. Le cas échéant, la fonction hold sur le lecteur de thermocouple peut geler lectures pour aider l’enregistrement.
  4. Collecter des mesures de température à quelques ensembles de chaud et des débits d’eau froide. Périodiquement, remplir les réservoirs d’eau chaude et froide pour maintenir les écarts de température moyenne suffisante (~ 5-10° C).

3. analyse

  1. Pour chaque condition, comparer le taux de changement chaud et froid-flux énergétique (Equation 11, Equation 12 ). Pour l’eau, cp = 4,2 kJ kg-1 K-1. et le débit volumique peut être multiplié par la densité (ρeau = 997 kg m-3) pour trouver le débit massique. Les taux de changement de l’énergie (Q) correspondent, comme supposé dans Eqn. 1 ?
  2. Évaluer la LMTD pour chaque condition suite Eqn. 2 à l’aide de Q d’étape 3.1. Évaluer l’échangeur de chaleur UA (définie dans Eqn. 3). Cette quantité est approximativement constant des conditions considérées ?
  3. Évaluer l’UA théorique pour un écoulement laminaire pleinement développé dans cette HX (Eqn. 4) en utilisant le taux de transfert de chaleur moyenne ((QC+QH) / 2). Comment comparer cette valeur théorique de la valeur mesurée ?

Titre de chapitre

Relevé de notes

1

Échangeurs de chaleur sont des éléments omniprésents dans les systèmes d’énergie. Radiateurs de voiture et évaporateurs réfrigérateur sont des exemples communs. Dans les deux cas, l’échangeur de chaleur facilite le transfert de chaleur, d’un flux de fluide à l’autre. Dans ces exemples, il est clair que les échangeurs de chaleur sont importants dans une variété de systèmes ; Fournissant principalement gestion thermique ou transitions en cycles thermodynamiques. Comprendre comment le modèle et le taux des échangeurs de chaleur est important pour l’optimisation des conceptions et intégrant des échangeurs de chaleur dans des systèmes plus grands. Cette vidéo va illustrer certains principes de conception de l’échangeur de chaleur et de l’analyse et ensuite démontrer ces concepts sur une conception de l’échangeur de chaleur de tube en tube simple. À la fin, certaines applications courantes seront explorées.

2

Un échangeur de chaleur bien conçu devrait faciliter le transfert de chaleur efficace et continu entre deux flux de fluide, sans leur permettant de mélanger. Alors que deux flux de fluide entame un échangeur de chaleur, ils sont transférés en contact thermique étroit une barrière physique. Échange de chaleur est motivé par une différence de température locale comme l’état d’avancement des fluides, les fluides jusqu'à la sortie. Il en résulte que le plus chaud des deux fluides entrant dans l’échangeur de chaleur se fermera avec une température réduite et le plus froid des deux avec une augmentation de la température. Au cours de l’opération stable, le taux de transfert de chaleur du liquide chaud est déterminé par le débit massique et la chaleur spécifique du fluide, multiplié par la différence de température entre l’entrée et la sortie. La même formule s’applique au fluide froid lorsqu’on utilise les valeurs correspondantes. Si les fuites de chaleur à l’environnement sont négligeable, l’ampleur des taux de deux transfert sera égale. Cela signifie que toute chaleur perdue par le fluide chaud, est acquise par le fluide froid. La conductance totale exprimée en Watts par Kelvin, est une mesure de la capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur. Let\ analyser une géométrie particulière appelée un contre-courant, échangeur de chaleur de tube en tube. Dans cette conception, le liquide chaud s’écoule dans une direction à l’intérieur d’une section droite du tube. Le fluide froid s’écoule dans la direction opposée, dans l’espace annulaire entre le tube chaud et un deuxième tube extérieur. La différence de température moyenne conduite de transfert de chaleur entre les deux ruisseaux dans cette géométrie, est la différence de température moyenne du journal, qui peut être calculée à partir des températures d’entrée et de sortie des deux cours d’eau. En utilisant ce modèle de fonctionnement de l’échangeur de chaleur, nous pouvons répondre à deux types de problèmes d’analyse de l’échangeur de chaleur. Évaluation et conception. Si le taux de transfert de chaleur et le journal signifient la différence de température sont connus, par exemple en mesure expérimentale, la conductance globale peut être calculée le rapport entre les deux. Aux fins de la conception, toutefois, il est utile de prédire ce que sera la conductance globale des propriétés géométrie et matériel de l’échangeur de chaleur. Cela peut être fait en trouvant la somme des résistances thermiques entre les deux cours d’eau. Pour la géométrie du tube en tube, ces résistances sont déterminés par : convection dans le tube de liquide chaud, la conduction à travers le mur de la chambre à air et convection à nouveau dans l’anneau fluide froid. L’inverse de cette somme donne la conductance globale pour l’échangeur de chaleur de contre-courant de tube en tube. Maintenant que nous avons vu comment analyser l’échangeur de chaleur, let\ dans le laboratoire d’essai.

3

Apposer deux contenants de plastique sur les côtés opposés de la surface de travail pour servir de réservoirs d’eau chaude et froide. Si nécessaire, percer des trous dans le couvercle pour entrée et sortie eau lignes, ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Lorsque vous avez terminé, monter une petite pompe submersible dans chaque réservoir. Ensuite, monter un compteur de débit de l’eau, ou un rotamètre, verticalement près de chaque réservoir et ensuite utiliser des tuyaux de PVC souple pour connecter les sorties de la pompe aux entrées du débitmètre. Maintenant, installez deux raccords à compression tuyau té sur le tube de l’eau froide externe de l’échangeur de chaleur. Raccorder un tube de PVC souple, de la voie latérale du voisin té raccord, à la sortie du débitmètre chaud. Pour le tube d’écoulement de comptoir chaud, couper une section de tube en aluminium longueur égale à celle de l’échangeur de chaleur, y compris les raccords en té sur la fin et l’insérer dans l’assembly. Ensuite, branchez un tube en plastique souple, de la compression à l’autre extrémité de l’Assemblée de l’échangeur de chaleur, vers le réservoir d’eau chaude. Serrer les raccords à compression pour sceller le tuyaux en plastique souple autour du tube en aluminium. Cela va se séparer le flux chaud, à travers le tube interne en aluminium, du flux froid extérieur. Connectez le tuyau flexible de PVC, entre le port de côté sur un raccord en té, à la sortie du compteur de flux froid et puis connecter un second tube à l’orifice latéral du autre té raccord de retour vers le réservoir d’eau froide. Avant de continuer, vérifiez que les entrées de cours d’eau chaude et froide, à l’échangeur de chaleur, sont aux deux extrémités. Percez un petit trou sur un côté du tube souple en plastique près de chaque port d’entrée et de sortie de l’échangeur de chaleur. Insérez doucement une sonde thermocouple dans chaque port afin que l’extrémité de la sonde est approximativement au centre du tube. Enfin, utiliser de l’époxy ou adhésif semblable, pour sceller le petit écart dans les tubes autour les sondes thermocouple contre les fuites d’eau. Lorsque la résine est guérie, connectez tous les quatre sondes de thermocouple à un lecteur de thermocouple. Maintenant que le montage est terminé, vous êtes prêt à commencer le test.

4

Remplissez le réservoir froid avec température ambiante l’eau du robinet et le réservoir chaud à l’eau tiède. Les deux pompes à eau et régler les vannes à pointeau sur les débitmètres pour augmenter le débit dans les deux boucles. Laisser l’eau circuler assez longtemps afin d’éliminer les bulles d’air piégées. Une fois enlevés les bulles d’air, régler le débit dans les deux boucles à environ 0,1 litres / minute. Attendez quelques minutes pour permettre au système stabiliser et ensuite enregistrer les températures d’entrée et de sortie, rapportés par les quatre lectures de thermocouple. Votre lecteur de thermocouple peut-être avoir une fonction hold pour figer les valeurs actuelles pendant que vous enregistrez. Enregistrer cinq ensembles plus de lectures à ces conditions d’écoulement. Répéter ces mesures pour des débits d’environ 0,125 litres par minute et 0,15 litres / minute. Si la différence de température entre les entrées chaudes et froides est inférieure à 5 degrés Celsius, remplir les réservoirs d’eau chaude et froide. Maintenant que les mesures sont terminées, let\ prendre un regard sur les résultats.

5

Vous devriez avoir 18 ensembles de données et pour chaque jeu un débit volume mesuré. Remarque pour ces tests, le même débit, V-dot, est utilisée pour les cours d’eau chaudes et froides. Pour convertir un débit massique de chaque valeur du débit volume d’abord utiliser la masse volumique de l’eau. Maintenant, calculer le taux de variation de l’énergie pour les cours d’eau chaudes et froides dans chaque ensemble en multipliant le débit massique, la chaleur spécifique de l’eau et les écarts de températures respectives. Dans la section de principe, nous avons supposé que l’ampleur de ces taux serait égal. Propagez les incertitudes afin que vous pouvez les comparer. Dans la plupart des cas, les taux de transfert de chaleur correspondant au sein de l’incertitude ; Toutefois, lorsque le débit diminue, il y a une tendance à la perte de chaleur accrue du fluide chaud, par rapport à la chaleur gagnée par le fluide froid. C’est probablement le résultat de la perte de chaleur vers le milieu environnant ; Mais étant donné que l’effet est faible, le taux de transfert de chaleur moyenne peut être utilisé pour le reste de l’analyse. Ensuite, permet d’évaluer la conductance globale de l’échangeur de chaleur, qui peut être déterminée par le taux de transfert de chaleur mesurée, et le journal de différence de température moyenne. La conductance globale dépend de la conductivité thermique matérielle, conditions d’écoulement et la géométrie de l’échangeur de chaleur. Nous prévoyons que cette valeur ne changera pas considérablement avec la vitesse d’écoulement pour les faible vitesse des écoulements laminaires considérés ici. Utiliser les températures mesurées avec l’équation donnée dans le texte pour calculer la différence de température moyenne de journal. Maintenant, diviser le taux moyen de variation de l’énergie par la différence de température moyenne de journal pour chaque jeu de céder la conductance globale. Comme nous l’avions prévu, la conductance globale est relativement stable sur la plage de conditions qui ont été testés, comme en témoigne la petite déviation standard sur l’ensemble de données. Ce résultat, cependant, est supérieur à la valeur théorique prévue pour un écoulement laminaire décélération constant. Si on présume flux en développement à des entrées dans les deux voies et facteurs de correction approprié, la prédiction théorique sera plus élevée que notre résultat mesuré. En réalité, le débit dans le canal interne sera partiellement développé avant d’arriver à l’entrée de l’échangeur de chaleur, et ceci peut expliquer la valeur intermédiaire de conductance globale. Maintenant que nous avons analysé les résultats de notre simple échangeur de chaleur, regarder de let\ certaines applications typiques.

6

Échangeurs de chaleur sont employés dans une grande variété de scénarios, chaque fois que le transfert de chaleur doit être facilitée entre deux flux de fluide. Dans de nombreuses centrales de génération, générateur échangeurs de chaleur transfert chaleur gaz haute température pour produire de la vapeur à haute pression pour les turbines à entraînement à vapeur. En aval de ces turbines, échangeurs de chaleur condenseur rejette la chaleur de la vapeur basse pression, liquéfaction du liquide et permettant le cycle à fonctionner de façon continue. Dans les réfrigérateurs et systèmes de conditionnement d’air, échangeurs de chaleur évaporateur absorbent l’énergie thermique de l’air dans l’espace conditionné pour maintenir la température désirée.

7

Originel avez regardé juste introduction de Jove\ à l’analyse de l’échangeur de chaleur. Il faut savoir comprendre les principes de base des échangeurs de chaleur et la façon d’analyser leurs performances expérimentalement et théoriquement. Merci de regarder.

Échangeurs de chaleur sont des éléments omniprésents dans les systèmes d’énergie. Radiateurs de voiture et évaporateurs réfrigérateur sont des exemples communs. Dans les deux cas, l’échangeur de chaleur facilite le transfert de chaleur, d’un flux de fluide à l’autre. Dans ces exemples, il est clair que les échangeurs de chaleur sont importants dans une variété de systèmes ; Fournissant principalement gestion thermique ou transitions en cycles thermodynamiques. Comprendre comment le modèle et le taux des échangeurs de chaleur est important pour l’optimisation des conceptions et intégrant des échangeurs de chaleur dans des systèmes plus grands. Cette vidéo va illustrer certains principes de conception de l’échangeur de chaleur et de l’analyse et ensuite démontrer ces concepts sur une conception de l’échangeur de chaleur de tube en tube simple. À la fin, certaines applications courantes seront explorées.

Un échangeur de chaleur bien conçu devrait faciliter le transfert de chaleur efficace et continu entre deux flux de fluide, sans leur permettant de mélanger. Alors que deux flux de fluide entame un échangeur de chaleur, ils sont transférés en contact thermique étroit une barrière physique. Échange de chaleur est motivé par une différence de température locale comme l’état d’avancement des fluides, les fluides jusqu'à la sortie. Il en résulte que le plus chaud des deux fluides entrant dans l’échangeur de chaleur se fermera avec une température réduite et le plus froid des deux avec une augmentation de la température. Au cours de l’opération stable, le taux de transfert de chaleur du liquide chaud est déterminé par le débit massique et la chaleur spécifique du fluide, multiplié par la différence de température entre l’entrée et la sortie. La même formule s’applique au fluide froid lorsqu’on utilise les valeurs correspondantes. Si les fuites de chaleur à l’environnement sont négligeable, l’ampleur des taux de deux transfert sera égale. Cela signifie que toute chaleur perdue par le fluide chaud, est acquise par le fluide froid. La conductance totale exprimée en Watts par Kelvin, est une mesure de la capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur. Nous allons analyser une géométrie particulière appelée un contre-courant, échangeur de chaleur de tube en tube. Dans cette conception, le liquide chaud s’écoule dans une direction à l’intérieur d’une section droite du tube. Le fluide froid s’écoule dans la direction opposée, dans l’espace annulaire entre le tube chaud et un deuxième tube extérieur. La différence de température moyenne conduite de transfert de chaleur entre les deux ruisseaux dans cette géométrie, est la différence de température moyenne du journal, qui peut être calculée à partir des températures d’entrée et de sortie des deux cours d’eau. En utilisant ce modèle de fonctionnement de l’échangeur de chaleur, nous pouvons répondre à deux types de problèmes d’analyse de l’échangeur de chaleur. Évaluation et conception. Si le taux de transfert de chaleur et le journal signifient la différence de température sont connus, par exemple en mesure expérimentale, la conductance globale peut être calculée le rapport entre les deux. Aux fins de la conception, toutefois, il est utile de prédire ce que sera la conductance globale des propriétés géométrie et matériel de l’échangeur de chaleur. Cela peut être fait en trouvant la somme des résistances thermiques entre les deux cours d’eau. Pour la géométrie du tube en tube, ces résistances sont déterminés par : convection dans le tube de liquide chaud, la conduction à travers le mur de la chambre à air et convection à nouveau dans l’anneau fluide froid. L’inverse de cette somme donne la conductance globale pour l’échangeur de chaleur de contre-courant de tube en tube. Maintenant que nous avons vu comment analyser l’échangeur de chaleur, testons un dans le laboratoire.

Apposer deux contenants de plastique sur les côtés opposés de la surface de travail pour servir de réservoirs d’eau chaude et froide. Si nécessaire, percer des trous dans le couvercle pour entrée et sortie eau lignes, ainsi que le câble d’alimentation de pompe. Lorsque vous avez terminé, monter une petite pompe submersible dans chaque réservoir. Ensuite, monter un compteur de débit de l’eau, ou un rotamètre, verticalement près de chaque réservoir et ensuite utiliser des tuyaux de PVC souple pour connecter les sorties de la pompe aux entrées du débitmètre. Maintenant, installez deux raccords à compression tuyau té sur le tube de l’eau froide externe de l’échangeur de chaleur. Raccorder un tube de PVC souple, de la voie latérale du voisin té raccord, à la sortie du débitmètre chaud. Pour le tube d’écoulement de comptoir chaud, couper une section de tube en aluminium longueur égale à celle de l’échangeur de chaleur, y compris les raccords en té sur la fin et l’insérer dans l’assembly. Ensuite, branchez un tube en plastique souple, de la compression à l’autre extrémité de l’Assemblée de l’échangeur de chaleur, vers le réservoir d’eau chaude. Serrer les raccords à compression pour sceller le tuyaux en plastique souple autour du tube en aluminium. Cela va se séparer le flux chaud, à travers le tube interne en aluminium, du flux froid extérieur. Connectez le tuyau flexible de PVC, entre le port de côté sur un raccord en té, à la sortie du compteur de flux froid et puis connecter un second tube à l’orifice latéral du autre té raccord de retour vers le réservoir d’eau froide. Avant de continuer, vérifiez que les entrées de cours d’eau chaude et froide, à l’échangeur de chaleur, sont aux deux extrémités. Percez un petit trou sur un côté du tube souple en plastique près de chaque port d’entrée et de sortie de l’échangeur de chaleur. Insérez doucement une sonde thermocouple dans chaque port afin que l’extrémité de la sonde est approximativement au centre du tube. Enfin, utiliser de l’époxy ou adhésif semblable, pour sceller le petit écart dans les tubes autour les sondes thermocouple contre les fuites d’eau. Lorsque la résine est guérie, connectez tous les quatre sondes de thermocouple à un lecteur de thermocouple. Maintenant que le montage est terminé, vous êtes prêt à commencer le test.

Remplissez le réservoir froid avec température ambiante l’eau du robinet et le réservoir chaud à l’eau tiède. Les deux pompes à eau et régler les vannes à pointeau sur les débitmètres pour augmenter le débit dans les deux boucles. Laisser l’eau circuler assez longtemps afin d’éliminer les bulles d’air piégées. Une fois enlevés les bulles d’air, régler le débit dans les deux boucles à environ 0,1 litres / minute. Attendez quelques minutes pour permettre au système stabiliser et ensuite enregistrer les températures d’entrée et de sortie, rapportés par les quatre lectures de thermocouple. Votre lecteur de thermocouple peut-être avoir une fonction hold pour figer les valeurs actuelles pendant que vous enregistrez. Enregistrer cinq ensembles plus de lectures à ces conditions d’écoulement. Répéter ces mesures pour des débits d’environ 0,125 litres par minute et 0,15 litres / minute. Si la différence de température entre les entrées chaudes et froides est inférieure à 5 degrés Celsius, remplir les réservoirs d’eau chaude et froide. Maintenant que les mesures sont terminées, nous allons jeter un coup de œil les résultats.

Vous devriez avoir 18 ensembles de données et pour chaque jeu un débit volume mesuré. Remarque pour ces tests, le même débit, V-dot, est utilisée pour les cours d’eau chaudes et froides. Pour convertir un débit massique de chaque valeur du débit volume d’abord utiliser la masse volumique de l’eau. Maintenant, calculer le taux de variation de l’énergie pour les cours d’eau chaudes et froides dans chaque ensemble en multipliant le débit massique, la chaleur spécifique de l’eau et les écarts de températures respectives. Dans la section de principe, nous avons supposé que l’ampleur de ces taux serait égal. Propagez les incertitudes afin que vous pouvez les comparer. Dans la plupart des cas, les taux de transfert de chaleur correspondant au sein de l’incertitude ; Toutefois, lorsque le débit diminue, il y a une tendance à la perte de chaleur accrue du fluide chaud, par rapport à la chaleur gagnée par le fluide froid. C’est probablement le résultat de la perte de chaleur vers le milieu environnant ; Mais étant donné que l’effet est faible, le taux de transfert de chaleur moyenne peut être utilisé pour le reste de l’analyse. Ensuite, permet d’évaluer la conductance globale de l’échangeur de chaleur, qui peut être déterminée par le taux de transfert de chaleur mesurée, et le journal de différence de température moyenne. La conductance globale dépend de la conductivité thermique matérielle, conditions d’écoulement et la géométrie de l’échangeur de chaleur. Nous prévoyons que cette valeur ne changera pas considérablement avec la vitesse d’écoulement pour les faible vitesse des écoulements laminaires considérés ici. Utiliser les températures mesurées avec l’équation donnée dans le texte pour calculer la différence de température moyenne de journal. Maintenant, diviser le taux moyen de variation de l’énergie par la différence de température moyenne de journal pour chaque jeu de céder la conductance globale. Comme nous l’avions prévu, la conductance globale est relativement stable sur la plage de conditions qui ont été testés, comme en témoigne la petite déviation standard sur l’ensemble de données. Ce résultat, cependant, est supérieur à la valeur théorique prévue pour un écoulement laminaire décélération constant. Si on présume flux en développement à des entrées dans les deux voies et facteurs de correction approprié, la prédiction théorique sera plus élevée que notre résultat mesuré. En réalité, le débit dans le canal interne sera partiellement développé avant d’arriver à l’entrée de l’échangeur de chaleur, et ceci peut expliquer la valeur intermédiaire de conductance globale. Maintenant que nous avons analysé les résultats de notre échangeur de chaleur simple, regardons quelques applications typiques.

Échangeurs de chaleur sont employés dans une grande variété de scénarios, chaque fois que le transfert de chaleur doit être facilitée entre deux flux de fluide. Dans de nombreuses centrales de génération, générateur échangeurs de chaleur transfert chaleur gaz haute température pour produire de la vapeur à haute pression pour les turbines à entraînement à vapeur. En aval de ces turbines, échangeurs de chaleur condenseur rejette la chaleur de la vapeur basse pression, liquéfaction du liquide et permettant le cycle à fonctionner de façon continue. Dans les réfrigérateurs et systèmes de conditionnement d’air, échangeurs de chaleur évaporateur absorbent l’énergie thermique de l’air dans l’espace conditionné pour maintenir la température désirée.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à l’analyse de l’échangeur de chaleur. Il faut savoir comprendre les principes de base des échangeurs de chaleur et la façon d’analyser leurs performances expérimentalement et théoriquement. Merci de regarder.

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