Análisis del intercambiador de calor

Mechanical Engineering

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Overview

Fuente: Alexander S Rattner y Christopher J Greer; Departamento de ingeniería mecánica y Nuclear, la Universidad Estatal de Pensilvania, University Park, PA

Intercambiadores de calor transferencia de energía térmica entre dos fluidos y son omnipresentes en los sistemas de energía. Usos comunes incluyen los radiadores de coche (transferencia de calor desde el refrigerante caliente del motor al aire circundante), refrigerador evaporadores (aire en el interior del frigorífico de evaporación del refrigerante) y enfriamiento Torres centrales (condensación del vapor agua que se evapora y aire ambiente). El objetivo de este experimento es introducir medida experimental (calificación) y los procedimientos de modelado para intercambiadores de calor.

En este experimento, un intercambiador de calor tubo en tubo para agua construido y evaluado. Mediciones de temperatura y flujo de tasa se emplearán para determinar la velocidad de transferencia de calor (Q) y la conductancia total (UA). El intercambiador de calor medido UA se compararán con los valores predichos para la geometría y condiciones de funcionamiento.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería mecánica. Análisis del intercambiador de calor. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

En un intercambiador de calor (HX), energía térmica se transfiere de un caliente chorro de fluido (H) a un flujo frío (C). Cada secuencia puede tener un caudal de masa diferentes (Equation 1) y el calor específico (Equation 2). Las secuencias de paso a través de un HX, disminuye la temperatura del flujo caliente y aumenta la temperatura de la corriente fría. Durante la operación constante, si la fuga de calor a los alrededores es despreciable, entonces los cambios de energía de las dos corrientes de entradas a salidas deben equilibrar. Este cambio de energía es la tasa de transferencia de calor intercambiador de calor Q.

Equation 3(1)

En este experimento, se analiza funcionamiento de transferencia de calor para un intercambiador de calor tubo en tubo de contracorriente. Flujos de fluidos calientes aquí en una sola dirección a través de un tubo interno. Fluido frío fluye en la dirección opuesta a través del espacio anular entre el tubo interior y un tubo exterior. La diferencia de temperatura media que impulsa la transferencia de calor entre las dos corrientes es la diferencia de registro media temperatura (LMTD, Fig. 1), definida en la ecuación. 2 para la configuración de HX de contraflujo. Si las diferencias de temperatura en ambos extremos del intercambiador de calor de igualar a la precisión de la medida (Equation 4), debe utilizarse una fórmula más simple del LMTD.

Equation 5(2)

La capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor se mide en términos de la conductancia total (UA). Esta cantidad tiene unidades de W K-1 (velocidad de transferencia de calor por diferencia de temperatura). La UA puede evaluarse desde fluidas temperaturas y velocidades de transferencia de calor medido:

Equation 6(3)

La geometría HX en tubo se define por la longitud de los tubos (L), el tubo interno los diámetros interior y exterior (ID, OD) y diámetros de tubo exterior (IDo, ODo). Utilizando estos parámetros y propiedades de los materiales, el intercambiador de calor UA puede predecirse por las resistencias térmicas entre las dos corrientes que representa. Para cabina de flujo laminar completamente desarrollado en el tubo interior, es la resistencia térmica de la corriente interna a la pared interna del tubo interno: Equation 7 donde k es la conductividad térmica de líquidos (0,61 W m-1 K-1 para el agua). La resistencia térmica por conducción a través de la pared del tubo interno, es: Equation 8 (ktubo = 160 W m-1 K-1 para el aluminio). Por último, para cabina de flujo laminar completamente desarrollado en un estrecho anillo, la resistencia de la convección desde el exterior del tubo interior en el flujo externo es: Equation 9 . En estas condiciones, la UA HX prevista es:
Equation 10(4)

Figure 1
Figura 1: Frío y perfiles de temperatura de la corriente caliente y diferencia media de registro de temperatura en un intercambiador de calor de contraflujo.

Procedure

1. fabricación de sistema de intercambiador de calor (ver esquema y fotografía, Fig. 2)

  1. Pegue dos reservorios de agua de plástico (~ 1 litro cada uno) a una superficie de trabajo (~0.6 m aparte). Si son envases cubiertos, perforar agujeros en la tapa para la entrada y salida de las líneas de agua y cable de alimentación de la bomba. Estos servirán como los embalses de agua fría y caliente.
  2. Montar una pequeña bomba sumergible en cada depósito.
  3. Montar verticalmente dos agua Caudalímetros (rotámetros), uno cerca de cada depósito. Use tubería de PVC blando para conectar las entradas del medidor de flujo a los puertos de descarga de la bomba.
  4. Instale el tubo exterior del intercambiador de calor (HX) (~0.3 m largo, exterior diámetro OD = 12,7 mm, diámetro interno ID = 9.5 mm) en dos compresión tee de tuberías (ver Fig. 2). Conectar un tubo flexible de PVC (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) desde el lado del puerto en un tee en la salida del medidor de flujo caliente.
  5. Cortar un tubo de aluminio (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) de la longitud del intercambiador de calor, incluyendo las conexiones t en el extremo (~0.38 metros) e inserte en el conjunto del intercambiador de calor. El tubo de aluminio debe deslizarse perfectamente en el tubo de PVC conexión suave (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) en el extremo de la guarnición de la compresión.
  6. Conecte un tubo de PVC suave de la compresión en el otro extremo de la Asamblea HX para el depósito de agua caliente. Apriete las conexiones de compresión para sellar el tubo de plástico blando alrededor del tubo de aluminio. Esto separará el flujo caliente a través del tubo interior de aluminio del flujo frío del exterior.
  7. Conecte un tubo de PVC flexible desde el lado del puerto en un tee en la salida del medidor de flujo frío. Conecte un tubo de PVC desde el puerto del lado de la guarnición de la te al embalse de agua fría (reflujo). Las tomas de corriente caliente y fría para la HX deben estar en extremos opuestos.
  8. Perfore pequeños agujeros (~1.6 mm de diámetro) a través de un lado de los tubos de plástico suaves junto a cada puerto de entrada y salida de intercambiador de calor (4 en total). Suavemente inserte una sonda de termopar en cada puerto para que la punta de la sonda es aproximadamente en el centro del tubo. Conectar las sondas de termopar a un lector de termopares
  9. Utilizando epoxi o un adhesivo similar para sellar el hueco pequeño en los tubos de los termopares sondas para que agua no sale.

Figure 2
Figura 2: esquema (a) y (b) con fotografía del sistema experimental de la calificación de intercambiador de calor

2. operación

  1. Llene el depósito frío con temperatura de agua y el depósito caliente con agua tibia.
  2. Encienda las dos bombas de agua y utilice las válvulas de aguja del medidor de flujo para ajustar el caudal al valor deseado (por ejemplo, 0,1 l min-1). Puede ser necesario circular el agua a un caudal mayor al principio para eliminar burbujas de aire atrapado.
  3. Permitir que el sistema se estabilice durante unos minutos y luego grabar las cuatro mediciones de termopares que representan las temperaturas de entrada y salida. Grabar unas series de lecturas para cada condición de flujo. Si está disponible, la función hold en el lector del termopar puede congelar lecturas para ayudar a la grabación.
  4. Recoge las mediciones de temperatura en unos juegos de caliente y caudales de agua fría. Periódicamente vuelva a llenar los depósitos con agua fría y caliente para mantener la suficiente diferencia de temperatura media (~ 5-10° C).

3. Análisis

  1. Para cada condición, comparar las tasas de cambio de energía de corriente caliente y fría (Equation 11, Equation 12 ). Para el agua, cp = 4.2 kJ kg-1 K-1. y la tasa de flujo de volumen se puede multiplicar por la densidad (ρagua = 997 kg m-3) para encontrar el caudal másico. ¿Coinciden las tasas de cambio de energía (Q), asumida en la ecuación 1?
  2. Evaluar la LMTD para cada condición siguiendo ecuación. 2 usando Q de paso 3.1. Evaluar el intercambiador de calor UA (definido en la ecuación 3). ¿Esta cantidad es aproximadamente constante para las condiciones consideradas?
  3. Evaluar la UA teórica para cabina de flujo laminar completamente desarrollado en este HX (ecuación. 4) utilizando la tasa de transferencia de calor promedio ((QC+QH) / 2). ¿Cómo se compara este valor teórico valor medido?

Título del capítulo

Transcripción

1

Intercambiadores de calor son componentes omnipresentes en sistemas de energía. Algunos ejemplos comunes son radiadores de coche y refrigerador evaporadores. En ambos casos, el intercambiador de calor es facilitar a la transferencia de calor desde una corriente de fluido a otro. De estos ejemplos, es claro que los intercambiadores de calor son importantes en una variedad de sistemas; Principalmente proporcionando administración térmica o transiciones de ciclos termodinámicos. Una comprensión de cómo modelo y tipo de intercambiadores de calor es importante para optimizar diseños e integración de intercambiadores de calor en sistemas más grandes. Este video se ilustran algunos de los principios de análisis y diseño de intercambiadores de calor y luego demostrar esos conceptos en un diseño de intercambiador de calor tubo en tubo simple. Al final, se explorarán algunas aplicaciones comunes.

2

Un intercambiador bien diseñado debe facilitar la transferencia de calor eficiente, continua entre dos corrientes de fluido, sin permitirles que se mezclan. Dos corrientes de fluido al entrar un intercambiador de calor, se traen en contacto térmico a través de una barrera física. Intercambio de calor es conducido por una diferencia de temperatura local como el progreso de fluidos, los fluidos hasta la salida. El resultado es que el más caliente de los dos fluidos para entrar en el intercambiador de calor sale con una temperatura reducida y el más frío de los dos con una temperatura mayor. Durante la operación estable, la tasa de transferencia de calor del fluido caliente se determina por el flujo másico y calor específico del líquido, multiplicado por la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La misma fórmula se aplica para el fluido frío cuando se utilizan los valores correspondientes. Si la fuga de calor a los alrededores es despreciable, la magnitud de las tasas de transferencia de dos será igual. Esto significa que cualquier calor perdido por el líquido caliente, es ganado por el fluido frío. La conductancia total en Watt por Kelvin, es una medida de la capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor. Let\ analizar una geometría particular que se conoce como contracorriente, intercambiador de calor tubo en tubo. En este diseño, el fluido caliente fluye en una dirección dentro de una sección recta del tubo. El fluido frío fluye en la dirección opuesta, en el anillo entre el tubo caliente y un segundo tubo exterior. La diferencia de temperatura media conducción transferencia de calor entre las dos corrientes en esta geometría, es la diferencia de temperatura media de registro, que puede calcularse de las temperaturas de entrada y salidas de ambas corrientes. Utilizando este modelo de funcionamiento del intercambiador de calor, podemos responder a dos tipos diferentes de problemas de análisis de intercambiadores de calor. Clasificación y diseño. Si la tasa de transferencia de calor y el registro significan diferencia de temperatura son conocidos, por ejemplo mediante la medición experimental, la conductancia total puede calcularse la relación de los dos. Sin embargo, a efectos de diseño es útil para predecir cuál será la conductancia global de las propiedades del material y geometría del intercambiador. Esto puede hacerse mediante la búsqueda de la suma de las resistencias térmicas entre las dos corrientes. Para la geometría del tubo en tubo, estas resistencias se determinan por: convección en el tubo de fluido caliente, la conducción a través de la pared del tubo interno y convección otra vez en el anillo líquido frío. El inverso de esta suma da la conductancia global para el intercambiador de calor de tubo en contracorriente. Ahora que hemos visto cómo analizar el intercambiador de calor, let\ prueba uno en el laboratorio.

3

Coloque dos recipientes de plástico en los lados opuestos de la superficie de trabajo para servir como depósitos de agua caliente y fría. Si es necesario, perforar agujeros en las tapas de entrada y salida las líneas de agua, así como el cable de alimentación de la bomba. Cuando haya terminado, montar una bomba sumergible, pequeño en cada depósito. A continuación, montar un medidor de flujo de agua, o un rotámetro, verticalmente cerca de cada depósito y luego usar tubería de PVC blando para conectar las salidas de la bomba a las entradas del medidor de flujo. Ahora, instale dos compresión tee de tuberías en el tubo de agua fría externa del intercambiador. Conecte un tubo de PVC flexible, desde el puerto del lado de la t cercana guarnición, a la salida del medidor de flujo caliente. Para el tubo de flujo del contador caliente, corte una sección de tubería de aluminio igual en longitud al intercambiador de calor, incluyendo las conexiones t en el extremo e inserte en la Asamblea. A continuación, conecte un tubo de plástico blando, de la compresión en el otro extremo de la Asamblea de intercambiador de calor, para el depósito de agua caliente. Apriete las conexiones de compresión para sellar el tubo de plástico blando alrededor del tubo de aluminio. Esto separará el flujo caliente, a través del tubo interior de aluminio, del flujo frío del exterior. Conecte el tubo de PVC flexible, desde el puerto de lado en una conexión en t, a la salida del medidor de flujo frío y luego conecte un segundo tubo para el puerto lateral del tee conexión volver al depósito de agua fría. Antes de continuar, confirme que las tomas de corriente caliente y fría, el intercambiador de calor, en los extremos opuestos. Taladre un pequeño orificio en un lado del tubo plástico suave cerca de cada puerto de entrada y salida del intercambiador. Suavemente inserte una sonda de termopar en cada puerto para que la punta de la sonda es aproximadamente en el centro del tubo. Por último, usar el epoxi o pegamento similar, para sellar el hueco pequeño en los tubos de las sondas de termopar contra fugas de agua. El epoxi es curado, conecte todos cuatro sondas de termopar a un lector de termopares. Que la Asamblea se ha completado, usted está listo para comenzar la prueba.

4

Llene el depósito frío con temperatura de agua y el depósito caliente con agua tibia. Encienda ambas bombas de agua y ajustar las válvulas de aguja en los medidores de flujo para aumentar el flujo en ambos circuitos. Permita que el agua circule lo suficiente para eliminar cualquier burbuja de aire atrapado. Una vez que se eliminan las burbujas de aire, ajustar el flujo en ambos circuitos de aproximadamente 0,1 litros por minuto. Espere unos minutos para permitir que el sistema se estabilice y luego registrar las temperaturas de entrada y salida por las cuatro lecturas de termopar. El lector de termopares puede tener una función hold para congelar los valores de corriente mientras está grabando. Registrar cinco más conjuntos de lecturas en estas condiciones de flujo. Repita estas mediciones de caudales de aproximadamente 0,125 litros por minuto y de 0,15 litros por minuto. Si la diferencia de temperatura entre las entradas calientes y frías cae por debajo de 5 grados Celsius, vuelva a llenar los depósitos con agua caliente y fría. Ahora que las medidas son completas, let\ echar un vistazo de los resultados.

5

Usted debe tener 18 conjuntos de datos y para cada conjunto un caudal de volumen medido. Nota para estas pruebas, el mismo caudal, V-dot, se utiliza para las corrientes calientes y frías. En primer lugar, usar la densidad del agua para convertir cada valor de la tasa de flujo de volumen a una tasa de flujo de masa. Ahora, calcular la tasa de cambio de la energía de las corrientes calientes y frías en cada juego multiplicando la tasa de flujo de masa, el calor específico del agua y las diferencias de temperatura correspondiente. En la sección de principio, asumimos que la magnitud de estas tasas serían igual. Propagar las incertidumbres por lo que se les pueden comparar. En la mayoría de los casos, las tasas de transferencia de calor igualar a incertidumbre; Sin embargo, a medida que el caudal disminuye, hay una tendencia hacia la pérdida de calor mayor de fluido caliente, en comparación con el calor ganado por el fluido frío. Este es probablemente el resultado de la pérdida de calor al medio circundante; Pero puesto que el efecto es pequeño, la tasa de transferencia de calor promedio puede ser utilizada para el resto del análisis. A continuación, permite evaluar la conductancia total de la intercambiador de calor, que puede ser determinada de la tasa de transferencia de calor medido, y el registro de diferencia de temperatura media. La conductancia total depende de la conductividad térmica de materiales, condiciones de flujo y la geometría del intercambiador de calor. Anticipamos que este valor no cambiará significativamente con caudal de los flujos laminar de baja velocidad considerado aquí. Utilizar las temperaturas medidas con la ecuación dada en el texto para calcular la diferencia de temperatura media de registro. Ahora, divida la tasa promedio de cambio de energía por la diferencia de temperatura media de registro para cada uno para producir la conductancia global. Como hemos anticipado, la conductancia total es relativamente constante sobre la gama de las condiciones que se han probado, como lo demuestra la pequeña desviación de estándar sobre el conjunto de datos. Sin embargo, este resultado es mayor que el valor teórico predicho para el constante flujo laminar completamente desarrollado. Si suponer flujo en desarrollo en las entradas en ambos canales y utilizar factores de corrección adecuados, la predicción teórica será más alta que nuestro resultado de medición. En realidad, el flujo en el canal interno se desarrollarán parcialmente antes de llegar a la entrada del intercambiador de calor, y esto puede explicar el valor intermedio de conductancia global. Ahora que hemos analizado los resultados de nuestro intercambiador de calor simple, mira de let\ algunas aplicaciones típicas.

6

Intercambiadores de calor se emplean en una amplia variedad de escenarios cada vez que la transferencia de calor debe facilitarse entre dos corrientes fluidas. En muchas plantas de generación de energía, vapor generador calor de transferencia de intercambiadores de calor de gas de alta temperatura para producir vapor de alta presión a las turbinas de impulsión. Abajo de estas turbinas, intercambiadores de calor de condensador rechazar calor desde el vapor de baja presión, licuar el líquido y permitiendo que el ciclo funcione continuamente. En refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de calor del evaporador absorbe energía térmica del aire en el espacio acondicionado para mantener la temperatura deseada.

7

Vivido sólo ha visto la introducción de Jove\ análisis del intercambiador de calor. Usted debe saber comprender los principios básicos de intercambiadores de calor y cómo analizar su rendimiento experimental y teóricamente. Gracias por ver.

Intercambiadores de calor son componentes omnipresentes en sistemas de energía. Algunos ejemplos comunes son radiadores de coche y refrigerador evaporadores. En ambos casos, el intercambiador de calor es facilitar a la transferencia de calor desde una corriente de fluido a otro. De estos ejemplos, es claro que los intercambiadores de calor son importantes en una variedad de sistemas; Principalmente proporcionando administración térmica o transiciones de ciclos termodinámicos. Una comprensión de cómo modelo y tipo de intercambiadores de calor es importante para optimizar diseños e integración de intercambiadores de calor en sistemas más grandes. Este video se ilustran algunos de los principios de análisis y diseño de intercambiadores de calor y luego demostrar esos conceptos en un diseño de intercambiador de calor tubo en tubo simple. Al final, se explorarán algunas aplicaciones comunes.

Un intercambiador bien diseñado debe facilitar la transferencia de calor eficiente, continua entre dos corrientes de fluido, sin permitirles que se mezclan. Dos corrientes de fluido al entrar un intercambiador de calor, se traen en contacto térmico a través de una barrera física. Intercambio de calor es conducido por una diferencia de temperatura local como el progreso de fluidos, los fluidos hasta la salida. El resultado es que el más caliente de los dos fluidos para entrar en el intercambiador de calor sale con una temperatura reducida y el más frío de los dos con una temperatura mayor. Durante la operación estable, la tasa de transferencia de calor del fluido caliente se determina por el flujo másico y calor específico del líquido, multiplicado por la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La misma fórmula se aplica para el fluido frío cuando se utilizan los valores correspondientes. Si la fuga de calor a los alrededores es despreciable, la magnitud de las tasas de transferencia de dos será igual. Esto significa que cualquier calor perdido por el líquido caliente, es ganado por el fluido frío. La conductancia total en Watt por Kelvin, es una medida de la capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor. Vamos a analizar una geometría particular que se conoce como contracorriente, intercambiador de calor tubo en tubo. En este diseño, el fluido caliente fluye en una dirección dentro de una sección recta del tubo. El fluido frío fluye en la dirección opuesta, en el anillo entre el tubo caliente y un segundo tubo exterior. La diferencia de temperatura media conducción transferencia de calor entre las dos corrientes en esta geometría, es la diferencia de temperatura media de registro, que puede calcularse de las temperaturas de entrada y salidas de ambas corrientes. Utilizando este modelo de funcionamiento del intercambiador de calor, podemos responder a dos tipos diferentes de problemas de análisis de intercambiadores de calor. Clasificación y diseño. Si la tasa de transferencia de calor y el registro significan diferencia de temperatura son conocidos, por ejemplo mediante la medición experimental, la conductancia total puede calcularse la relación de los dos. Sin embargo, a efectos de diseño es útil para predecir cuál será la conductancia global de las propiedades del material y geometría del intercambiador. Esto puede hacerse mediante la búsqueda de la suma de las resistencias térmicas entre las dos corrientes. Para la geometría del tubo en tubo, estas resistencias se determinan por: convección en el tubo de fluido caliente, la conducción a través de la pared del tubo interno y convección otra vez en el anillo líquido frío. El inverso de esta suma da la conductancia global para el intercambiador de calor de tubo en contracorriente. Ahora que hemos visto cómo analizar el intercambiador de calor, vamos a probar en el laboratorio.

Coloque dos recipientes de plástico en los lados opuestos de la superficie de trabajo para servir como depósitos de agua caliente y fría. Si es necesario, perforar agujeros en las tapas de entrada y salida las líneas de agua, así como el cable de alimentación de la bomba. Cuando haya terminado, montar una bomba sumergible, pequeño en cada depósito. A continuación, montar un medidor de flujo de agua, o un rotámetro, verticalmente cerca de cada depósito y luego usar tubería de PVC blando para conectar las salidas de la bomba a las entradas del medidor de flujo. Ahora, instale dos compresión tee de tuberías en el tubo de agua fría externa del intercambiador. Conecte un tubo de PVC flexible, desde el puerto del lado de la t cercana guarnición, a la salida del medidor de flujo caliente. Para el tubo de flujo del contador caliente, corte una sección de tubería de aluminio igual en longitud al intercambiador de calor, incluyendo las conexiones t en el extremo e inserte en la Asamblea. A continuación, conecte un tubo de plástico blando, de la compresión en el otro extremo de la Asamblea de intercambiador de calor, para el depósito de agua caliente. Apriete las conexiones de compresión para sellar el tubo de plástico blando alrededor del tubo de aluminio. Esto separará el flujo caliente, a través del tubo interior de aluminio, del flujo frío del exterior. Conecte el tubo de PVC flexible, desde el puerto de lado en una conexión en t, a la salida del medidor de flujo frío y luego conecte un segundo tubo para el puerto lateral del tee conexión volver al depósito de agua fría. Antes de continuar, confirme que las tomas de corriente caliente y fría, el intercambiador de calor, en los extremos opuestos. Taladre un pequeño orificio en un lado del tubo plástico suave cerca de cada puerto de entrada y salida del intercambiador. Suavemente inserte una sonda de termopar en cada puerto para que la punta de la sonda es aproximadamente en el centro del tubo. Por último, usar el epoxi o pegamento similar, para sellar el hueco pequeño en los tubos de las sondas de termopar contra fugas de agua. El epoxi es curado, conecte todos cuatro sondas de termopar a un lector de termopares. Que la Asamblea se ha completado, usted está listo para comenzar la prueba.

Llene el depósito frío con temperatura de agua y el depósito caliente con agua tibia. Encienda ambas bombas de agua y ajustar las válvulas de aguja en los medidores de flujo para aumentar el flujo en ambos circuitos. Permita que el agua circule lo suficiente para eliminar cualquier burbuja de aire atrapado. Una vez que se eliminan las burbujas de aire, ajustar el flujo en ambos circuitos de aproximadamente 0,1 litros por minuto. Espere unos minutos para permitir que el sistema se estabilice y luego registrar las temperaturas de entrada y salida por las cuatro lecturas de termopar. El lector de termopares puede tener una función hold para congelar los valores de corriente mientras está grabando. Registrar cinco más conjuntos de lecturas en estas condiciones de flujo. Repita estas mediciones de caudales de aproximadamente 0,125 litros por minuto y de 0,15 litros por minuto. Si la diferencia de temperatura entre las entradas calientes y frías cae por debajo de 5 grados Celsius, vuelva a llenar los depósitos con agua caliente y fría. Ahora que las medidas son completas, echemos un vistazo a los resultados.

Usted debe tener 18 conjuntos de datos y para cada conjunto un caudal de volumen medido. Nota para estas pruebas, el mismo caudal, V-dot, se utiliza para las corrientes calientes y frías. En primer lugar, usar la densidad del agua para convertir cada valor de la tasa de flujo de volumen a una tasa de flujo de masa. Ahora, calcular la tasa de cambio de la energía de las corrientes calientes y frías en cada juego multiplicando la tasa de flujo de masa, el calor específico del agua y las diferencias de temperatura correspondiente. En la sección de principio, asumimos que la magnitud de estas tasas serían igual. Propagar las incertidumbres por lo que se les pueden comparar. En la mayoría de los casos, las tasas de transferencia de calor igualar a incertidumbre; Sin embargo, a medida que el caudal disminuye, hay una tendencia hacia la pérdida de calor mayor de fluido caliente, en comparación con el calor ganado por el fluido frío. Este es probablemente el resultado de la pérdida de calor al medio circundante; Pero puesto que el efecto es pequeño, la tasa de transferencia de calor promedio puede ser utilizada para el resto del análisis. A continuación, permite evaluar la conductancia total de la intercambiador de calor, que puede ser determinada de la tasa de transferencia de calor medido, y el registro de diferencia de temperatura media. La conductancia total depende de la conductividad térmica de materiales, condiciones de flujo y la geometría del intercambiador de calor. Anticipamos que este valor no cambiará significativamente con caudal de los flujos laminar de baja velocidad considerado aquí. Utilizar las temperaturas medidas con la ecuación dada en el texto para calcular la diferencia de temperatura media de registro. Ahora, divida la tasa promedio de cambio de energía por la diferencia de temperatura media de registro para cada uno para producir la conductancia global. Como hemos anticipado, la conductancia total es relativamente constante sobre la gama de las condiciones que se han probado, como lo demuestra la pequeña desviación de estándar sobre el conjunto de datos. Sin embargo, este resultado es mayor que el valor teórico predicho para el constante flujo laminar completamente desarrollado. Si suponer flujo en desarrollo en las entradas en ambos canales y utilizar factores de corrección adecuados, la predicción teórica será más alta que nuestro resultado de medición. En realidad, el flujo en el canal interno se desarrollarán parcialmente antes de llegar a la entrada del intercambiador de calor, y esto puede explicar el valor intermedio de conductancia global. Ahora que hemos analizado los resultados de nuestro intercambiador de calor simple, vamos a ver algunas aplicaciones típicas.

Intercambiadores de calor se emplean en una amplia variedad de escenarios cada vez que la transferencia de calor debe facilitarse entre dos corrientes fluidas. En muchas plantas de generación de energía, vapor generador calor de transferencia de intercambiadores de calor de gas de alta temperatura para producir vapor de alta presión a las turbinas de impulsión. Abajo de estas turbinas, intercambiadores de calor de condensador rechazar calor desde el vapor de baja presión, licuar el líquido y permitiendo que el ciclo funcione continuamente. En refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de calor del evaporador absorbe energía térmica del aire en el espacio acondicionado para mantener la temperatura deseada.

Sólo ha visto la introducción de Zeus al análisis del intercambiador de calor. Usted debe saber comprender los principios básicos de intercambiadores de calor y cómo analizar su rendimiento experimental y teóricamente. Gracias por ver.

Results

Tabla 1 - medidas y valores derivados de LMTD y UA para intercambiador de calor en flujos fríos y calientes de 0,20 y 0,15 l min-1.

Las tasas de flujo en frío y caliente (l min-1) TH, en (° C, ±0.25 ° C) TC, out (° C, ±0.25 ° C) TH, por (° 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 de 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

Representante midió temperaturas y caudales y valores resultantes de la LMTD y UA se presentan en la tabla 1 para velocidades de flujo de fluidos caliente y frío de 0,20 y 0,15 l min-1 (3 medidas). Análisis de propagación de incertidumbre se realizan para determinar las incertidumbres de las cantidades derivadas (QC QHLMTD, UA). La UA fue evaluada usando la tasa de transferencia de calor promedio de las dos corrientes. A la mayor velocidad de flujo se observa condiciones cerrar acuerdo para flujos fríos y calientes. En menores tasas de flujo, el acuerdo es sólo dentro de la incertidumbre experimental.

La media tasa de transferencia de calor es relativamente constante en el rango considerado de condiciones (UA ~ 4.0 ± 0,5 W K-1). Esto es más alto que el valor predicho para laminar flujo completamente desarrollado constante (ecuación. 4): UA = 2,7 W K-1. El valor medido es menor que el resultado suponiendo flujo en vías de desarrollo en ambos canales comenzando en las entradas de: 4.8 W K-1 (con factores de corrección de flujo en desarrollo [1]). En la actualidad, el flujo caliente canal interno se convierte parcialmente en las tuberías antes de llegar a la entrada HX. Esto puede explicar el valor UA medido intermediario.

Applications and Summary

En este experimento, un intercambiador de calor tubo en tubo de contracorriente fue fabricado, y su capacidad de transferencia de calor (UA) fue medido experimentalmente (clasificado). El desempeño resultante se comparó con los resultados de un modelo teórico. Intercambiadores de calor moderna a menudo emplear diseños más sofisticados, con superficies con aletas y mejoradas para aumentar la intensidad de transferencia de calor y optimizado arreglos de Cruz y contra el flujo líquido. Sin embargo, los conceptos básicos y parámetros introducidos aquí (UA, LMTD) se aplican a todos los intercambiadores de calor.

Intercambiador de calor grado experimentos, como se muestra aquí son críticos para determinar si los intercambiadores de calor fabricados cumplen capacidades deseadas (valores UA) para asegurar el funcionamiento de sistema de energía aceptable. Del mismo modo, modelos de rendimiento del intercambiador de calor (e.g., ecuación. 4) deben ser desarrollados y validados para guiar el diseño de intercambiador de calor. Este experimento ofrece una introducción práctica a estos intercambiadores de calor clasificación y modelado de procesos.

Intercambiadores de calor se emplean en numerosas tecnologías intensivas de energía y aplicaciones del hogar familiar. En muchas plantas de generación de energía, vapor generador calor de transferencia de intercambiadores de calor de gas de alta temperatura para producir vapor de alta presión a las turbinas de impulsión. Aguas abajo de estas turbinas, intercambiadores de calor de condensador rechazar calor desde el vapor a baja presión, licuar el fluido y permitiendo que el ciclo funcione continuamente. En muchos procesos industriales, intercambiadores de calor de recuperación puede transferir calor de baja temperatura de una corriente de escape para precalentar el fluido de consumo, reducir el consumo energético. En refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de calor del evaporador absorbe energía térmica del aire en un espacio acondicionado para mantener la temperatura deseada.

References

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

1. fabricación de sistema de intercambiador de calor (ver esquema y fotografía, Fig. 2)

  1. Pegue dos reservorios de agua de plástico (~ 1 litro cada uno) a una superficie de trabajo (~0.6 m aparte). Si son envases cubiertos, perforar agujeros en la tapa para la entrada y salida de las líneas de agua y cable de alimentación de la bomba. Estos servirán como los embalses de agua fría y caliente.
  2. Montar una pequeña bomba sumergible en cada depósito.
  3. Montar verticalmente dos agua Caudalímetros (rotámetros), uno cerca de cada depósito. Use tubería de PVC blando para conectar las entradas del medidor de flujo a los puertos de descarga de la bomba.
  4. Instale el tubo exterior del intercambiador de calor (HX) (~0.3 m largo, exterior diámetro OD = 12,7 mm, diámetro interno ID = 9.5 mm) en dos compresión tee de tuberías (ver Fig. 2). Conectar un tubo flexible de PVC (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) desde el lado del puerto en un tee en la salida del medidor de flujo caliente.
  5. Cortar un tubo de aluminio (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) de la longitud del intercambiador de calor, incluyendo las conexiones t en el extremo (~0.38 metros) e inserte en el conjunto del intercambiador de calor. El tubo de aluminio debe deslizarse perfectamente en el tubo de PVC conexión suave (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) en el extremo de la guarnición de la compresión.
  6. Conecte un tubo de PVC suave de la compresión en el otro extremo de la Asamblea HX para el depósito de agua caliente. Apriete las conexiones de compresión para sellar el tubo de plástico blando alrededor del tubo de aluminio. Esto separará el flujo caliente a través del tubo interior de aluminio del flujo frío del exterior.
  7. Conecte un tubo de PVC flexible desde el lado del puerto en un tee en la salida del medidor de flujo frío. Conecte un tubo de PVC desde el puerto del lado de la guarnición de la te al embalse de agua fría (reflujo). Las tomas de corriente caliente y fría para la HX deben estar en extremos opuestos.
  8. Perfore pequeños agujeros (~1.6 mm de diámetro) a través de un lado de los tubos de plástico suaves junto a cada puerto de entrada y salida de intercambiador de calor (4 en total). Suavemente inserte una sonda de termopar en cada puerto para que la punta de la sonda es aproximadamente en el centro del tubo. Conectar las sondas de termopar a un lector de termopares
  9. Utilizando epoxi o un adhesivo similar para sellar el hueco pequeño en los tubos de los termopares sondas para que agua no sale.

Figure 2
Figura 2: esquema (a) y (b) con fotografía del sistema experimental de la calificación de intercambiador de calor

2. operación

  1. Llene el depósito frío con temperatura de agua y el depósito caliente con agua tibia.
  2. Encienda las dos bombas de agua y utilice las válvulas de aguja del medidor de flujo para ajustar el caudal al valor deseado (por ejemplo, 0,1 l min-1). Puede ser necesario circular el agua a un caudal mayor al principio para eliminar burbujas de aire atrapado.
  3. Permitir que el sistema se estabilice durante unos minutos y luego grabar las cuatro mediciones de termopares que representan las temperaturas de entrada y salida. Grabar unas series de lecturas para cada condición de flujo. Si está disponible, la función hold en el lector del termopar puede congelar lecturas para ayudar a la grabación.
  4. Recoge las mediciones de temperatura en unos juegos de caliente y caudales de agua fría. Periódicamente vuelva a llenar los depósitos con agua fría y caliente para mantener la suficiente diferencia de temperatura media (~ 5-10° C).

3. Análisis

  1. Para cada condición, comparar las tasas de cambio de energía de corriente caliente y fría (Equation 11, Equation 12 ). Para el agua, cp = 4.2 kJ kg-1 K-1. y la tasa de flujo de volumen se puede multiplicar por la densidad (ρagua = 997 kg m-3) para encontrar el caudal másico. ¿Coinciden las tasas de cambio de energía (Q), asumida en la ecuación 1?
  2. Evaluar la LMTD para cada condición siguiendo ecuación. 2 usando Q de paso 3.1. Evaluar el intercambiador de calor UA (definido en la ecuación 3). ¿Esta cantidad es aproximadamente constante para las condiciones consideradas?
  3. Evaluar la UA teórica para cabina de flujo laminar completamente desarrollado en este HX (ecuación. 4) utilizando la tasa de transferencia de calor promedio ((QC+QH) / 2). ¿Cómo se compara este valor teórico valor medido?

Título del capítulo

Transcripción

1

Intercambiadores de calor son componentes omnipresentes en sistemas de energía. Algunos ejemplos comunes son radiadores de coche y refrigerador evaporadores. En ambos casos, el intercambiador de calor es facilitar a la transferencia de calor desde una corriente de fluido a otro. De estos ejemplos, es claro que los intercambiadores de calor son importantes en una variedad de sistemas; Principalmente proporcionando administración térmica o transiciones de ciclos termodinámicos. Una comprensión de cómo modelo y tipo de intercambiadores de calor es importante para optimizar diseños e integración de intercambiadores de calor en sistemas más grandes. Este video se ilustran algunos de los principios de análisis y diseño de intercambiadores de calor y luego demostrar esos conceptos en un diseño de intercambiador de calor tubo en tubo simple. Al final, se explorarán algunas aplicaciones comunes.

2

Un intercambiador bien diseñado debe facilitar la transferencia de calor eficiente, continua entre dos corrientes de fluido, sin permitirles que se mezclan. Dos corrientes de fluido al entrar un intercambiador de calor, se traen en contacto térmico a través de una barrera física. Intercambio de calor es conducido por una diferencia de temperatura local como el progreso de fluidos, los fluidos hasta la salida. El resultado es que el más caliente de los dos fluidos para entrar en el intercambiador de calor sale con una temperatura reducida y el más frío de los dos con una temperatura mayor. Durante la operación estable, la tasa de transferencia de calor del fluido caliente se determina por el flujo másico y calor específico del líquido, multiplicado por la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La misma fórmula se aplica para el fluido frío cuando se utilizan los valores correspondientes. Si la fuga de calor a los alrededores es despreciable, la magnitud de las tasas de transferencia de dos será igual. Esto significa que cualquier calor perdido por el líquido caliente, es ganado por el fluido frío. La conductancia total en Watt por Kelvin, es una medida de la capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor. Let\ analizar una geometría particular que se conoce como contracorriente, intercambiador de calor tubo en tubo. En este diseño, el fluido caliente fluye en una dirección dentro de una sección recta del tubo. El fluido frío fluye en la dirección opuesta, en el anillo entre el tubo caliente y un segundo tubo exterior. La diferencia de temperatura media conducción transferencia de calor entre las dos corrientes en esta geometría, es la diferencia de temperatura media de registro, que puede calcularse de las temperaturas de entrada y salidas de ambas corrientes. Utilizando este modelo de funcionamiento del intercambiador de calor, podemos responder a dos tipos diferentes de problemas de análisis de intercambiadores de calor. Clasificación y diseño. Si la tasa de transferencia de calor y el registro significan diferencia de temperatura son conocidos, por ejemplo mediante la medición experimental, la conductancia total puede calcularse la relación de los dos. Sin embargo, a efectos de diseño es útil para predecir cuál será la conductancia global de las propiedades del material y geometría del intercambiador. Esto puede hacerse mediante la búsqueda de la suma de las resistencias térmicas entre las dos corrientes. Para la geometría del tubo en tubo, estas resistencias se determinan por: convección en el tubo de fluido caliente, la conducción a través de la pared del tubo interno y convección otra vez en el anillo líquido frío. El inverso de esta suma da la conductancia global para el intercambiador de calor de tubo en contracorriente. Ahora que hemos visto cómo analizar el intercambiador de calor, let\ prueba uno en el laboratorio.

3

Coloque dos recipientes de plástico en los lados opuestos de la superficie de trabajo para servir como depósitos de agua caliente y fría. Si es necesario, perforar agujeros en las tapas de entrada y salida las líneas de agua, así como el cable de alimentación de la bomba. Cuando haya terminado, montar una bomba sumergible, pequeño en cada depósito. A continuación, montar un medidor de flujo de agua, o un rotámetro, verticalmente cerca de cada depósito y luego usar tubería de PVC blando para conectar las salidas de la bomba a las entradas del medidor de flujo. Ahora, instale dos compresión tee de tuberías en el tubo de agua fría externa del intercambiador. Conecte un tubo de PVC flexible, desde el puerto del lado de la t cercana guarnición, a la salida del medidor de flujo caliente. Para el tubo de flujo del contador caliente, corte una sección de tubería de aluminio igual en longitud al intercambiador de calor, incluyendo las conexiones t en el extremo e inserte en la Asamblea. A continuación, conecte un tubo de plástico blando, de la compresión en el otro extremo de la Asamblea de intercambiador de calor, para el depósito de agua caliente. Apriete las conexiones de compresión para sellar el tubo de plástico blando alrededor del tubo de aluminio. Esto separará el flujo caliente, a través del tubo interior de aluminio, del flujo frío del exterior. Conecte el tubo de PVC flexible, desde el puerto de lado en una conexión en t, a la salida del medidor de flujo frío y luego conecte un segundo tubo para el puerto lateral del tee conexión volver al depósito de agua fría. Antes de continuar, confirme que las tomas de corriente caliente y fría, el intercambiador de calor, en los extremos opuestos. Taladre un pequeño orificio en un lado del tubo plástico suave cerca de cada puerto de entrada y salida del intercambiador. Suavemente inserte una sonda de termopar en cada puerto para que la punta de la sonda es aproximadamente en el centro del tubo. Por último, usar el epoxi o pegamento similar, para sellar el hueco pequeño en los tubos de las sondas de termopar contra fugas de agua. El epoxi es curado, conecte todos cuatro sondas de termopar a un lector de termopares. Que la Asamblea se ha completado, usted está listo para comenzar la prueba.

4

Llene el depósito frío con temperatura de agua y el depósito caliente con agua tibia. Encienda ambas bombas de agua y ajustar las válvulas de aguja en los medidores de flujo para aumentar el flujo en ambos circuitos. Permita que el agua circule lo suficiente para eliminar cualquier burbuja de aire atrapado. Una vez que se eliminan las burbujas de aire, ajustar el flujo en ambos circuitos de aproximadamente 0,1 litros por minuto. Espere unos minutos para permitir que el sistema se estabilice y luego registrar las temperaturas de entrada y salida por las cuatro lecturas de termopar. El lector de termopares puede tener una función hold para congelar los valores de corriente mientras está grabando. Registrar cinco más conjuntos de lecturas en estas condiciones de flujo. Repita estas mediciones de caudales de aproximadamente 0,125 litros por minuto y de 0,15 litros por minuto. Si la diferencia de temperatura entre las entradas calientes y frías cae por debajo de 5 grados Celsius, vuelva a llenar los depósitos con agua caliente y fría. Ahora que las medidas son completas, let\ echar un vistazo de los resultados.

5

Usted debe tener 18 conjuntos de datos y para cada conjunto un caudal de volumen medido. Nota para estas pruebas, el mismo caudal, V-dot, se utiliza para las corrientes calientes y frías. En primer lugar, usar la densidad del agua para convertir cada valor de la tasa de flujo de volumen a una tasa de flujo de masa. Ahora, calcular la tasa de cambio de la energía de las corrientes calientes y frías en cada juego multiplicando la tasa de flujo de masa, el calor específico del agua y las diferencias de temperatura correspondiente. En la sección de principio, asumimos que la magnitud de estas tasas serían igual. Propagar las incertidumbres por lo que se les pueden comparar. En la mayoría de los casos, las tasas de transferencia de calor igualar a incertidumbre; Sin embargo, a medida que el caudal disminuye, hay una tendencia hacia la pérdida de calor mayor de fluido caliente, en comparación con el calor ganado por el fluido frío. Este es probablemente el resultado de la pérdida de calor al medio circundante; Pero puesto que el efecto es pequeño, la tasa de transferencia de calor promedio puede ser utilizada para el resto del análisis. A continuación, permite evaluar la conductancia total de la intercambiador de calor, que puede ser determinada de la tasa de transferencia de calor medido, y el registro de diferencia de temperatura media. La conductancia total depende de la conductividad térmica de materiales, condiciones de flujo y la geometría del intercambiador de calor. Anticipamos que este valor no cambiará significativamente con caudal de los flujos laminar de baja velocidad considerado aquí. Utilizar las temperaturas medidas con la ecuación dada en el texto para calcular la diferencia de temperatura media de registro. Ahora, divida la tasa promedio de cambio de energía por la diferencia de temperatura media de registro para cada uno para producir la conductancia global. Como hemos anticipado, la conductancia total es relativamente constante sobre la gama de las condiciones que se han probado, como lo demuestra la pequeña desviación de estándar sobre el conjunto de datos. Sin embargo, este resultado es mayor que el valor teórico predicho para el constante flujo laminar completamente desarrollado. Si suponer flujo en desarrollo en las entradas en ambos canales y utilizar factores de corrección adecuados, la predicción teórica será más alta que nuestro resultado de medición. En realidad, el flujo en el canal interno se desarrollarán parcialmente antes de llegar a la entrada del intercambiador de calor, y esto puede explicar el valor intermedio de conductancia global. Ahora que hemos analizado los resultados de nuestro intercambiador de calor simple, mira de let\ algunas aplicaciones típicas.

6

Intercambiadores de calor se emplean en una amplia variedad de escenarios cada vez que la transferencia de calor debe facilitarse entre dos corrientes fluidas. En muchas plantas de generación de energía, vapor generador calor de transferencia de intercambiadores de calor de gas de alta temperatura para producir vapor de alta presión a las turbinas de impulsión. Abajo de estas turbinas, intercambiadores de calor de condensador rechazar calor desde el vapor de baja presión, licuar el líquido y permitiendo que el ciclo funcione continuamente. En refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de calor del evaporador absorbe energía térmica del aire en el espacio acondicionado para mantener la temperatura deseada.

7

Vivido sólo ha visto la introducción de Jove\ análisis del intercambiador de calor. Usted debe saber comprender los principios básicos de intercambiadores de calor y cómo analizar su rendimiento experimental y teóricamente. Gracias por ver.

Intercambiadores de calor son componentes omnipresentes en sistemas de energía. Algunos ejemplos comunes son radiadores de coche y refrigerador evaporadores. En ambos casos, el intercambiador de calor es facilitar a la transferencia de calor desde una corriente de fluido a otro. De estos ejemplos, es claro que los intercambiadores de calor son importantes en una variedad de sistemas; Principalmente proporcionando administración térmica o transiciones de ciclos termodinámicos. Una comprensión de cómo modelo y tipo de intercambiadores de calor es importante para optimizar diseños e integración de intercambiadores de calor en sistemas más grandes. Este video se ilustran algunos de los principios de análisis y diseño de intercambiadores de calor y luego demostrar esos conceptos en un diseño de intercambiador de calor tubo en tubo simple. Al final, se explorarán algunas aplicaciones comunes.

Un intercambiador bien diseñado debe facilitar la transferencia de calor eficiente, continua entre dos corrientes de fluido, sin permitirles que se mezclan. Dos corrientes de fluido al entrar un intercambiador de calor, se traen en contacto térmico a través de una barrera física. Intercambio de calor es conducido por una diferencia de temperatura local como el progreso de fluidos, los fluidos hasta la salida. El resultado es que el más caliente de los dos fluidos para entrar en el intercambiador de calor sale con una temperatura reducida y el más frío de los dos con una temperatura mayor. Durante la operación estable, la tasa de transferencia de calor del fluido caliente se determina por el flujo másico y calor específico del líquido, multiplicado por la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La misma fórmula se aplica para el fluido frío cuando se utilizan los valores correspondientes. Si la fuga de calor a los alrededores es despreciable, la magnitud de las tasas de transferencia de dos será igual. Esto significa que cualquier calor perdido por el líquido caliente, es ganado por el fluido frío. La conductancia total en Watt por Kelvin, es una medida de la capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor. Vamos a analizar una geometría particular que se conoce como contracorriente, intercambiador de calor tubo en tubo. En este diseño, el fluido caliente fluye en una dirección dentro de una sección recta del tubo. El fluido frío fluye en la dirección opuesta, en el anillo entre el tubo caliente y un segundo tubo exterior. La diferencia de temperatura media conducción transferencia de calor entre las dos corrientes en esta geometría, es la diferencia de temperatura media de registro, que puede calcularse de las temperaturas de entrada y salidas de ambas corrientes. Utilizando este modelo de funcionamiento del intercambiador de calor, podemos responder a dos tipos diferentes de problemas de análisis de intercambiadores de calor. Clasificación y diseño. Si la tasa de transferencia de calor y el registro significan diferencia de temperatura son conocidos, por ejemplo mediante la medición experimental, la conductancia total puede calcularse la relación de los dos. Sin embargo, a efectos de diseño es útil para predecir cuál será la conductancia global de las propiedades del material y geometría del intercambiador. Esto puede hacerse mediante la búsqueda de la suma de las resistencias térmicas entre las dos corrientes. Para la geometría del tubo en tubo, estas resistencias se determinan por: convección en el tubo de fluido caliente, la conducción a través de la pared del tubo interno y convección otra vez en el anillo líquido frío. El inverso de esta suma da la conductancia global para el intercambiador de calor de tubo en contracorriente. Ahora que hemos visto cómo analizar el intercambiador de calor, vamos a probar en el laboratorio.

Coloque dos recipientes de plástico en los lados opuestos de la superficie de trabajo para servir como depósitos de agua caliente y fría. Si es necesario, perforar agujeros en las tapas de entrada y salida las líneas de agua, así como el cable de alimentación de la bomba. Cuando haya terminado, montar una bomba sumergible, pequeño en cada depósito. A continuación, montar un medidor de flujo de agua, o un rotámetro, verticalmente cerca de cada depósito y luego usar tubería de PVC blando para conectar las salidas de la bomba a las entradas del medidor de flujo. Ahora, instale dos compresión tee de tuberías en el tubo de agua fría externa del intercambiador. Conecte un tubo de PVC flexible, desde el puerto del lado de la t cercana guarnición, a la salida del medidor de flujo caliente. Para el tubo de flujo del contador caliente, corte una sección de tubería de aluminio igual en longitud al intercambiador de calor, incluyendo las conexiones t en el extremo e inserte en la Asamblea. A continuación, conecte un tubo de plástico blando, de la compresión en el otro extremo de la Asamblea de intercambiador de calor, para el depósito de agua caliente. Apriete las conexiones de compresión para sellar el tubo de plástico blando alrededor del tubo de aluminio. Esto separará el flujo caliente, a través del tubo interior de aluminio, del flujo frío del exterior. Conecte el tubo de PVC flexible, desde el puerto de lado en una conexión en t, a la salida del medidor de flujo frío y luego conecte un segundo tubo para el puerto lateral del tee conexión volver al depósito de agua fría. Antes de continuar, confirme que las tomas de corriente caliente y fría, el intercambiador de calor, en los extremos opuestos. Taladre un pequeño orificio en un lado del tubo plástico suave cerca de cada puerto de entrada y salida del intercambiador. Suavemente inserte una sonda de termopar en cada puerto para que la punta de la sonda es aproximadamente en el centro del tubo. Por último, usar el epoxi o pegamento similar, para sellar el hueco pequeño en los tubos de las sondas de termopar contra fugas de agua. El epoxi es curado, conecte todos cuatro sondas de termopar a un lector de termopares. Que la Asamblea se ha completado, usted está listo para comenzar la prueba.

Llene el depósito frío con temperatura de agua y el depósito caliente con agua tibia. Encienda ambas bombas de agua y ajustar las válvulas de aguja en los medidores de flujo para aumentar el flujo en ambos circuitos. Permita que el agua circule lo suficiente para eliminar cualquier burbuja de aire atrapado. Una vez que se eliminan las burbujas de aire, ajustar el flujo en ambos circuitos de aproximadamente 0,1 litros por minuto. Espere unos minutos para permitir que el sistema se estabilice y luego registrar las temperaturas de entrada y salida por las cuatro lecturas de termopar. El lector de termopares puede tener una función hold para congelar los valores de corriente mientras está grabando. Registrar cinco más conjuntos de lecturas en estas condiciones de flujo. Repita estas mediciones de caudales de aproximadamente 0,125 litros por minuto y de 0,15 litros por minuto. Si la diferencia de temperatura entre las entradas calientes y frías cae por debajo de 5 grados Celsius, vuelva a llenar los depósitos con agua caliente y fría. Ahora que las medidas son completas, echemos un vistazo a los resultados.

Usted debe tener 18 conjuntos de datos y para cada conjunto un caudal de volumen medido. Nota para estas pruebas, el mismo caudal, V-dot, se utiliza para las corrientes calientes y frías. En primer lugar, usar la densidad del agua para convertir cada valor de la tasa de flujo de volumen a una tasa de flujo de masa. Ahora, calcular la tasa de cambio de la energía de las corrientes calientes y frías en cada juego multiplicando la tasa de flujo de masa, el calor específico del agua y las diferencias de temperatura correspondiente. En la sección de principio, asumimos que la magnitud de estas tasas serían igual. Propagar las incertidumbres por lo que se les pueden comparar. En la mayoría de los casos, las tasas de transferencia de calor igualar a incertidumbre; Sin embargo, a medida que el caudal disminuye, hay una tendencia hacia la pérdida de calor mayor de fluido caliente, en comparación con el calor ganado por el fluido frío. Este es probablemente el resultado de la pérdida de calor al medio circundante; Pero puesto que el efecto es pequeño, la tasa de transferencia de calor promedio puede ser utilizada para el resto del análisis. A continuación, permite evaluar la conductancia total de la intercambiador de calor, que puede ser determinada de la tasa de transferencia de calor medido, y el registro de diferencia de temperatura media. La conductancia total depende de la conductividad térmica de materiales, condiciones de flujo y la geometría del intercambiador de calor. Anticipamos que este valor no cambiará significativamente con caudal de los flujos laminar de baja velocidad considerado aquí. Utilizar las temperaturas medidas con la ecuación dada en el texto para calcular la diferencia de temperatura media de registro. Ahora, divida la tasa promedio de cambio de energía por la diferencia de temperatura media de registro para cada uno para producir la conductancia global. Como hemos anticipado, la conductancia total es relativamente constante sobre la gama de las condiciones que se han probado, como lo demuestra la pequeña desviación de estándar sobre el conjunto de datos. Sin embargo, este resultado es mayor que el valor teórico predicho para el constante flujo laminar completamente desarrollado. Si suponer flujo en desarrollo en las entradas en ambos canales y utilizar factores de corrección adecuados, la predicción teórica será más alta que nuestro resultado de medición. En realidad, el flujo en el canal interno se desarrollarán parcialmente antes de llegar a la entrada del intercambiador de calor, y esto puede explicar el valor intermedio de conductancia global. Ahora que hemos analizado los resultados de nuestro intercambiador de calor simple, vamos a ver algunas aplicaciones típicas.

Intercambiadores de calor se emplean en una amplia variedad de escenarios cada vez que la transferencia de calor debe facilitarse entre dos corrientes fluidas. En muchas plantas de generación de energía, vapor generador calor de transferencia de intercambiadores de calor de gas de alta temperatura para producir vapor de alta presión a las turbinas de impulsión. Abajo de estas turbinas, intercambiadores de calor de condensador rechazar calor desde el vapor de baja presión, licuar el líquido y permitiendo que el ciclo funcione continuamente. En refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de calor del evaporador absorbe energía térmica del aire en el espacio acondicionado para mantener la temperatura deseada.

Sólo ha visto la introducción de Zeus al análisis del intercambiador de calor. Usted debe saber comprender los principios básicos de intercambiadores de calor y cómo analizar su rendimiento experimental y teóricamente. Gracias por ver.

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