Wärmetauscher-Analyse

Mechanical Engineering

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Overview

Quelle: Alexander S Rattner und Christopher J Greer; Abteilung für mechanische und Nuclear Engineering, der Pennsylvania State University, University Park, PA

Wärmetauscher Wärmeenergie zwischen zwei Fluidströme übertragen und sind allgegenwärtig in Energiesystemen. Allgemeine Anwendungen umfassen Autokühler (Wärmeübertragung aus heißem Motorkühlmittel auf umgebende Luft), Kühlschrank Verdampfer (Luft im Kühlraum zu verdampfende Kältemittel) und Kühlung Türme in Kraftwerken (kondensierenden Dampf Verdampfen von Wasser und Luft). Das Ziel dieses Experiments ist experimentelle Messung (Rating) und Modellierung Verfahren für Wärmetauscher einzuführen.

In diesem Experiment wird ein Wasser / Wasser-Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher errichtet und ausgewertet werden. Temperatur und Durchflussmenge Messungen werden eingesetzt werden, um die Wärmeübergangsrate (Q) und insgesamt Leitwert (UA) zu bestimmen. Die gemessenen Wärmetauscher UA wird mit vorhergesagten Werte für die Geometrie und Betriebsbedingungen verglichen werden.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Maschinenbau. Wärmetauscher-Analyse. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

In einem Wärmetauscher (HX) wird thermischer Energie aus einem heißen (H) fließende Strom auf einen kalten Fluidstrom (C) übertragen. Jeder Stream möglicherweise ein anderes Massenstrom (Equation 1) und der spezifischen Wärme (Equation 2). Wie die Ströme durch ein HX, verringert sich die Temperatur der heißen Strömung, und erhöht sich die Temperatur des kalten Baches. Im stationären Betrieb wenn Wärmeverluste an die Umgebung zu vernachlässigen, ist müssen dann die Energieveränderungen der beiden Ströme von Buchten Outlets ausgleichen. Diese Energiewende ist der Wärmetauscher Wärmeübertragungsrate Q.

Equation 3(1)

In diesem Experiment wird Wärmeübertragungsleistung auf einem Gegenstrom-Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher analysiert. Hier heißen Flüssigkeit fließt in eine Richtung durch ein Innenrohr. Kalte Flüssigkeit fließt in die entgegengesetzte Richtung durch den ringförmigen Raum zwischen dem inneren Rohr und ein Außenrohr. Die durchschnittliche Temperatur-Differenz, die Wärmeübertragung zwischen den beiden Streams treibt ist die Log-mittlere Temperaturdifferenz (LMTD, Abb. 1), in Eqn. 2 für die Gegenstrom-HX-Konfiguration definiert. Wenn die Temperaturunterschiede an beiden Enden des Wärmetauschers im Rahmen der Messgenauigkeit übereinstimmen (Equation 4), eine einfachere LMTD Formel sollte verwendet werden.

Equation 5(2)

Die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers wird in der gesamten Leitwert (UA) gemessen. Diese Menge hat Einheiten W K-1 (Wärmeübertragungsrate pro Temperaturdifferenz). Die UA kann aus gemessenen Wärme Übertragungsraten und Flüssigkeitstemperaturen ausgewertet werden:

Equation 6(3)

Die Rohr-in-Rohr-HX-Geometrie wird durch die Länge der Röhren (L), das Innenrohr innerer und äußerer Durchmesser (IDich, ODich) und Außenrohr Durchmesser (IDo, ODo) definiert. Mit diesen Parametern und Materialeigenschaften, der Wärmetauscher kann UA durch die Buchhaltung für die thermischen Widerstände zwischen den beiden Streams vorhergesagt werden. Für ausgereifte Laminar-Flow in den Schlauch, der thermische Widerstand aus dem inneren Strom an der Innenwand des Innenrohres ist: Equation 7 wo k ist die flüssige thermische Leitfähigkeit (0,61 W m-1 K-1 für Wasser). Der thermische Widerstand für die Wärmeleitung durch die Wand Innenrohr ist: Equation 8 (k-Rohr = 160 W m-1 K-1 für Aluminium). Zu guter Letzt für ausgereifte Laminar-Flow in einem engen Ring, der Konvektion Widerstand von außen auf den Schlauch in den äußeren Stream ist: Equation 9 . Unter diesen Bedingungen ist die vorhergesagte HX UA:
Equation 10(4)

Figure 1
Abbildung 1: Kalte und heiße Stream Temperaturprofile und Log-mittlere Temperaturdifferenz in einem Gegenstrom-Wärmetauscher.

Procedure

1. Herstellung von Wärmetauscher-System (siehe Schaltplan und Fotos, Abb. 2)

  1. Befestigen Sie zwei Kunststoff Wasserspeicher (~ 1 Liter) auf eine Arbeitsfläche (~0.6 m voneinander entfernt). Wenn diese überdachte Container sind, Bohren Sie Löcher in den Deckel für den Einlass und Auslass Wasserleitungen und Stromkabel der Pumpe. Diese werden als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen.
  2. Montieren Sie einen kleinen Tauchpumpe in jedem Behälter.
  3. Vertikal montieren Sie zwei Wasser Durchflussmesser (Rotametern), eines in der Nähe jedes Reservoir. Verwenden Sie weich PVC-Schläuche, Durchflussmesser Buchten an die Pumpe Entlastung Ports verbinden.
  4. Das äußere Rohr Wärmetauscher (HX) installieren (~0.3 m langen, äußeren Durchmesser OD = 12,7 mm, Innendurchmesser ID = 9,5 mm) in zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen (siehe Abb. 2). Einen flexiblen PVC-Schlauch anschließen (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) von der Seitenanschluss auf ein t-Shirt passend zum heißen Durchflussmesser Auslass.
  5. Schneiden Sie ein Alu-Rohr (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) auf die Länge des Wärmetauschers, darunter die t-Stück Fittings am Ende (~0.38 m lang), und fügen Sie es in der Wärmetauscherbaugruppe. Das Aluminiumrohr sollte behaglich schieben Sie in das weiche PVC-Verbindungsrohr (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) am Ende der Rohrverschraubung.
  6. Verbinden Sie einen weichen PVC-Schlauch von Klemmverschraubung am anderen Ende der HX-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die heißen Durchströmung der inneren Alu-Rohr von der äußeren Kaltfluss trennen.
  7. Anschließen Sie einen flexiblen PVC-Schlauch aus der Seitenanschluss auf ein t-Shirt passend zur kalten Durchflussmesser Steckdose. Verbinden Sie ein PVC-Rohr der Seitenanschluss auf andere t-Formstücks mit kaltem Wasser-Reservoir (Rücklauf). Die warmen und kalten Bach Buchten, HX sollte an den gegenüberliegenden Enden.
  8. Bohren Sie kleine Löcher (~1.6 mm Durchmesser), durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohre in der Nähe von jeder Wärmetauscher Einlass und Auslass Port (4 insgesamt). Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließen Sie die Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser
  9. Mit Epoxidharz oder ähnliche Kleber um die kleine Lücke in den Rohren rund um das Thermoelement zu versiegeln, Sonden, dass kein Wasser austritt.

Figure 2
Abbildung 2: Schaltplan (a) und (b) gekennzeichneten Foto von Wärmetauscher experimentelle Bewertungssystem

2. Bedienung

  1. Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser.
  2. Schalten Sie die zwei Wasserpumpen und verwenden Sie der Durchflussmesser Nadelventilen, um die Volumenströme auf gewünschte Werte (z.B. 0,1 l min-1) anzupassen. Es eventuell zirkuliert Wasser auf eine höhere Durchflussrate zunächst um eingeschlossene Luftblasen zu löschen.
  3. Lassen Sie das System, für ein paar Minuten zu stabilisieren, und notieren Sie die vier Thermoelement-Messungen für den Einlass und Auslass Temperaturen. Zeichnen Sie ein paar Sätze von Lesungen für jeden Flow-Zustand. Falls verfügbar, kann die hold -Funktion auf dem Thermoelement Leser Lesungen um Aufnahme helfen fixieren.
  4. Temperaturmessungen an ein paar Sätze von heißem und kaltem Wasser Durchflussmengen zu sammeln. In regelmäßigen Abständen füllen Sie die Behälter mit heißem und kaltem Frischwasser weiterhin ausreichend durchschnittliche Temperaturunterschiede (~ 5-10 ° C).

3. Analyse

  1. Für jede Bedingung, vergleichen Sie die heißen und kalten Strom Energie ändern Preise (Equation 11, Equation 12 ). Für Wasser, cp = 4,2 kJ kg-1 K-1. der Volumenstrom kann durch Dichte multipliziert werden (ρWasser = 997 kg m-3) des Massenstroms zu finden. Entsprechen die Energie-Änderung-Preise (Q) wie in Eqn. 1 angenommen?
  2. Die LMTD für jede Bedingung nach Eqn. 2 mit Q aus Schritt 3.1 zu bewerten. Bewerten Sie den Wärmetauscher UA (definiert in Eqn. 3). Ist diese Menge ungefähr konstant betrachteten Bedingungen?
  3. Bewerten der theoretischen UA für ausgereifte Laminar-Flow in diesem HX (Eqn. 4) mit der mittleren Wärmeübertragungsrate ((QC+QH) / 2). Wie verträgt sich dieser theoretischen Wert zum gemessenen Wert?

Titel des Kapitels

Transkript

1

Wärmetauscher sind allgegenwärtige Komponenten in Energiesystemen. Einige allgemeine Beispiele sind Autokühler und Kühlschrank-Verdampfer. In beiden Fällen ist der Wärmetauscher die Übertragung von Wärme von einem Strom von Flüssigkeit zu einem anderen erleichtern. Aus diesen Beispielen ist es klar, dass die Wärmetauscher in einer Vielzahl von Systemen wichtig sind; In erster Linie bietet Thermomanagement oder Übergänge in thermodynamischen Zyklen. Verstehen, wie zu Modell und Tarif Wärmetauscher ist wichtig für die Optimierung der Entwürfe und Wärmetauscher in größere Systeme zu integrieren. Dieses Video wird veranschaulichen einige Grundsätze des Wärmetauschers Design und Analyse, und dann zeigen diese Konzepte auf einem einfachen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher-Design. Am Ende werden einige gängige Anwendungen untersucht werden.

2

Ein gut gestalteter Wärmetauscher sollen effiziente und kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme, ohne dass sie mischen erleichtern. Wie zwei Fluidströme einen Wärmetauscher betreten, werden sie über eine physikalische Barriere in thermischen Kontakt gebracht. Wärmeaustausch wird durch eine lokale Temperaturunterschiede Fortschreiten der Flüssigkeiten angetrieben, bis die Flüssigkeit den Ausgang zu erreichen. Das Ergebnis ist, desto heißer der zwei Flüssigkeiten in den Wärmetauscher mit einer geringeren Temperatur und kälter der beiden mit einer erhöhten Temperatur beendet wird. Im stetigen Betrieb Wärmeübertragungsrate der heißen Flüssigkeit richtet sich nach der Massenstrom und die spezifische Wärme des Fluids, multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Die gleiche Formel gilt für die kalte Flüssigkeit, wenn die entsprechenden Werte verwendet werden. Wenn Wärmeverluste an die Umgebung vernachlässigt werden kann, wird das Ausmaß der beiden Übertragungsraten gleich sein. Dies bedeutet, dass keine Wärme verloren durch die heiße Flüssigkeit wird gewonnen, indem die kalte Flüssigkeit. Die allgemeine Leitfähigkeit in Watt pro Kelvin, ist ein Maß für die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers. Let es analysieren eine besondere Geometrie, Gegenstromanlage, Rohr-in-Rohr Wärmetauscher genannt. In diesem Entwurf die heiße Flüssigkeit fließt in eine Richtung in einen geraden Abschnitt des Rohres. Die kalte Flüssigkeit fließt in die entgegengesetzte Richtung in den Ringraum zwischen dem heißen Rohr und eine zweite Außenrohr. Der durchschnittliche Temperaturunterschied fahren Wärmeübertragung zwischen den beiden Streams in dieser Geometrie ist die Log mittlere Temperaturdifferenz, die von den Eingangs- und Temperaturen der beiden Streams berechnet werden kann. Mit diesem Modell der Wärmetauscher Betrieb können wir zwei verschiedene Arten von Wärmetauscher Analyse Problemen beantworten. Bewertung und Gestaltung. Wenn die Wärmeübertragungsrate und das Protokoll Temperaturdifferenz bekannt sind bedeuten, z. B. durch experimentelle Messung kann der gesamte Leitwert aus dem Verhältnis der beiden berechnet werden. Zum Zweck der Gestaltung ist es jedoch nützlich, um vorherzusagen, was die allgemeine Leitfähigkeit von der Geometrie und Materialeigenschaften des Wärmetauschers werden. Dies kann erfolgen, indem die Summe der thermischen Widerstände zwischen den beiden Streams finden. Für die Rohr-in-Rohr-Geometrie sind diese Widerstände durch bestimmt: Konvektion in die heiße Flüssigkeit Rohr, Wärmeleitung durch die inneren Rohrwand und Konvektion wieder in die kalte Flüssigkeit Annulus. Die Umkehrung dieser Summe gibt die allgemeine Leitfähigkeit für die Rohr-in-Rohr-Gegenstrom-Wärmetauscher. Nun, da wir gesehen haben wie der Wärmetauscher zu analysieren, testen Let es im Labor.

3

Befestigen Sie zwei Plastikbehälter auf gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsfläche als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen. Falls erforderlich, Bohren Sie Löcher in den Deckeln für Einlass und Auslass Wasserleitungen sowie das Netzkabel der Pumpe. Wenn Sie fertig sind, eine kleine, versenkbare Pumpe in jedem Behälter bereitstellen. Als nächstes montieren Sie ein Wasser-Flow-Meter oder Rotameter, vertikal in der Nähe jedes Reservoir und verwenden Sie dann weich PVC Schlauch zum Durchflussmesser Buchten die Pumpe Outlets herstellen. Installieren Sie nun zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen auf dem äußeren Kaltwasser-Rohr des Wärmetauschers. Verbinden Sie ein PVC-Schlauch, von der Seitenanschluss des nahe gelegenen t-Shirts passend zum Austritt des heißen Durchflussmesser. Schneiden Sie für die heiße Theke Strömungsrohr einen Teil der Aluminiumrohre gleich lang zum Wärmetauscher, darunter die t-Stück Fittings am Ende, und fügen Sie es in der Baugruppe. Schließen Sie als nächstes einen weichen Kunststoffschlauch aus Klemmverschraubung am anderen Ende der Wärmetauscher-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die äußere Kaltfluss heißen Durchströmung der inneren Aluminium-Rohr trennen. Verbinden Sie das flexible PVC-Rohr aus der Seitenanschluss auf ein t-Stück-Fitting, zum Auslass kalt-Flow-Meter, und dann eine zweite Röhre an der Seitenanschluss des anderen t-Shirts passend wieder in das kalte Wasser-Reservoir. Bestätigen Sie bevor Sie fortfahren, dass die warmen und kalten Bach Buchten des Wärmetauschers an den gegenüberliegenden Enden. Bohren Sie ein kleines Loch durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohr in der Nähe von jedem Einlass und Auslass Anschluss des Wärmetauschers. Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließlich verwenden Sie das Epoxid oder ähnlich wie Klebstoff, um die kleine Lücke in den Rohren um die Thermoelement-Fühler gegen Wasserlecks zu versiegeln. Wenn das Epoxidharz ausgehärtet ist, schließen Sie alle vier Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser. Nun, da die Montage abgeschlossen ist, sind Sie mit dem Testen beginnen.

4

Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser. Schalten Sie beide Wasserpumpen und passen Sie die Nadel Ventile an den Durchflussmessern um den Informationsfluss in beide Schleifen zu erhöhen. Lassen Sie das Wasser lange genug zirkulieren um zu spülen, eingeschlossene Luftblasen. Sobald die Luftblasen entfernt sind, passen Sie die Durchflussmenge in beiden Schleifen um ca. 0,1 Liter pro Minute. Warten Sie einige Minuten, um das System zu stabilisieren, und notieren Sie die Einlass und Auslass Temperaturen durch die vier Thermoelement Lesungen berichtet. Ihre Thermoelement Leser möglicherweise eine Hold-Funktion, die aktuellen Werte einzufrieren, während Sie aufzeichnen. Erfassen Sie fünf Sätze von Lesungen an diese Strömungsverhältnisse. Wiederholen Sie diese Messungen für Durchflussmengen von ca. 0,125 Liter pro Minute und 0,15 Liter pro Minute. Sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und kalten Eingänge unter 5 Grad Celsius, füllen Sie die Behälter mit frischem heißem und kaltem Wasser. Nun, da die Messungen abgeschlossen sind, Let es werfen Sie einen Blick auf die Ergebnisse.

5

Sie haben 18 Sätze von Daten und für jede Gruppe eine gemessene Volumenstrom. Hinweis für diese Tests, die gleiche Durchflussmenge V-Dot, ist für die heißen und kalten Ströme verwendet. Verwenden Sie zuerst die Dichte des Wassers jeden Wert der Volumenstrom in einem Massenstrom zu konvertieren. Berechnen Sie die Rate der Energiewende für die warmen und kalten Ströme in jedem Satz nun, durch Multiplikation des Massenstroms, die spezifische Wärme des Wassers und der jeweiligen Temperaturdifferenzen. Im Abschnitt Prinzip gingen wir davon aus, dass das Ausmaß der diese Sätze gleich sein würde. Unsicherheiten zu verbreiten, so dass Sie sie vergleichen können. In den meisten Fällen entsprechen die Hitze Übertragungsraten in Unsicherheit; Da die Fließgeschwindigkeit abnimmt, ist jedoch ein Trend zu erhöhter Wärmeverlust von der heißen Flüssigkeit, im Vergleich zu der Hitze durch die kalte Flüssigkeit gewonnen. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis der Wärmeverlust an die Umgebung; Aber da der Effekt klein ist, kann die durchschnittliche Wärmeübertragungsrate für den Rest der Analyse verwendet werden. Als nächstes können die allgemeine Leitfähigkeit des Wärmetauschers, zu bewerten, die aus den gemessenen Wärmeübertragungsrate ermittelt werden kann, und das Protokoll Temperaturunterschied bedeuten. Die allgemeine Leitfähigkeit hängt von Material thermische Leitfähigkeiten, Strömungsverhältnisse und die Wärmetauscher-Geometrie. Wir erwarten, dass dieser Wert mit Durchfluss für die niedrige Geschwindigkeit laminare Strömungen hier betrachteten nicht wesentlich verändern werden. Verwenden Sie die gemessenen Temperaturen mit der Gleichung im Text um die Log mittlere Temperaturdifferenz berechnen. Nun teilen Sie die durchschnittliche Änderungsrate Energie durch die mittlere Temperaturdifferenz Log für jede Gruppe um die allgemeine Leitfähigkeit zu erzielen. Wie von uns erwartet, ist die allgemeine Leitfähigkeit relativ konstant über den Bereich von Bedingungen, die getestet wurden, wie die kleine Standardabweichung über den Datensatz belegt. Dieses Ergebnis ist jedoch höher als der theoretische Wert für stetigen voll entwickeltes Laminar-Flow vorhergesagt. Wenn wir davon entwickelnde Strömung an den Einlässen in beiden Kanälen ausgehen und geeignete Korrekturfaktoren verwenden, werden die theoretische Vorhersage höher als unsere Messergebnis. In Wirklichkeit in den inneren Kanal fließen teilweise vor Erreichen des Wärmetauscher Einlass entwickelt werden, und dies mag erklären, den Zwischenwert der gesamten Leitwert. Nun, da wir die Ergebnisse unserer einfachen Wärmeaustauscher, Let es Blick auf einige typischen Anwendungen analysiert haben.

6

Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt, sobald Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme erleichtert werden muss. In vielen Energie-Erzeugungsanlagen, Dampf-Generator Wärmetauscher übertragen Wärme aus Hochtemperatur-Gas, Hochdruckdampf, Antrieb Turbinen produzieren. Flussabwärts von diese Turbinen ablehnen Kondensator Wärmetauscher Wärme aus Niederdruck-Dampf, Verflüssigung der Flüssigkeit und damit den Zyklus kontinuierlich zu betreiben. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Wärmetauscher Verdampfer Wärmeenergie aus Luft in klimatisierten Raum auf die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten.

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\ ' Ll haben genau beobachtete Jove\s Einführung in die Wärmetauscher-Analyse. Sie sollten wissen, verstehen die grundlegenden Prinzipien von Wärmetauschern und wie Sie ihre Leistung experimentell und theoretisch zu analysieren. Danke fürs Zuschauen.

Wärmetauscher sind allgegenwärtige Komponenten in Energiesystemen. Einige allgemeine Beispiele sind Autokühler und Kühlschrank-Verdampfer. In beiden Fällen ist der Wärmetauscher die Übertragung von Wärme von einem Strom von Flüssigkeit zu einem anderen erleichtern. Aus diesen Beispielen ist es klar, dass die Wärmetauscher in einer Vielzahl von Systemen wichtig sind; In erster Linie bietet Thermomanagement oder Übergänge in thermodynamischen Zyklen. Verstehen, wie zu Modell und Tarif Wärmetauscher ist wichtig für die Optimierung der Entwürfe und Wärmetauscher in größere Systeme zu integrieren. Dieses Video wird veranschaulichen einige Grundsätze des Wärmetauschers Design und Analyse, und dann zeigen diese Konzepte auf einem einfachen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher-Design. Am Ende werden einige gängige Anwendungen untersucht werden.

Ein gut gestalteter Wärmetauscher sollen effiziente und kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme, ohne dass sie mischen erleichtern. Wie zwei Fluidströme einen Wärmetauscher betreten, werden sie über eine physikalische Barriere in thermischen Kontakt gebracht. Wärmeaustausch wird durch eine lokale Temperaturunterschiede Fortschreiten der Flüssigkeiten angetrieben, bis die Flüssigkeit den Ausgang zu erreichen. Das Ergebnis ist, desto heißer der zwei Flüssigkeiten in den Wärmetauscher mit einer geringeren Temperatur und kälter der beiden mit einer erhöhten Temperatur beendet wird. Im stetigen Betrieb Wärmeübertragungsrate der heißen Flüssigkeit richtet sich nach der Massenstrom und die spezifische Wärme des Fluids, multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Die gleiche Formel gilt für die kalte Flüssigkeit, wenn die entsprechenden Werte verwendet werden. Wenn Wärmeverluste an die Umgebung vernachlässigt werden kann, wird das Ausmaß der beiden Übertragungsraten gleich sein. Dies bedeutet, dass keine Wärme verloren durch die heiße Flüssigkeit wird gewonnen, indem die kalte Flüssigkeit. Die allgemeine Leitfähigkeit in Watt pro Kelvin, ist ein Maß für die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers. Wir analysieren eine besondere Geometrie, Gegenstromanlage, Rohr-in-Rohr Wärmetauscher genannt. In diesem Entwurf die heiße Flüssigkeit fließt in eine Richtung in einen geraden Abschnitt des Rohres. Die kalte Flüssigkeit fließt in die entgegengesetzte Richtung in den Ringraum zwischen dem heißen Rohr und eine zweite Außenrohr. Der durchschnittliche Temperaturunterschied fahren Wärmeübertragung zwischen den beiden Streams in dieser Geometrie ist die Log mittlere Temperaturdifferenz, die von den Eingangs- und Temperaturen der beiden Streams berechnet werden kann. Mit diesem Modell der Wärmetauscher Betrieb können wir zwei verschiedene Arten von Wärmetauscher Analyse Problemen beantworten. Bewertung und Gestaltung. Wenn die Wärmeübertragungsrate und das Protokoll Temperaturdifferenz bekannt sind bedeuten, z. B. durch experimentelle Messung kann der gesamte Leitwert aus dem Verhältnis der beiden berechnet werden. Zum Zweck der Gestaltung ist es jedoch nützlich, um vorherzusagen, was die allgemeine Leitfähigkeit von der Geometrie und Materialeigenschaften des Wärmetauschers werden. Dies kann erfolgen, indem die Summe der thermischen Widerstände zwischen den beiden Streams finden. Für die Rohr-in-Rohr-Geometrie sind diese Widerstände durch bestimmt: Konvektion in die heiße Flüssigkeit Rohr, Wärmeleitung durch die inneren Rohrwand und Konvektion wieder in die kalte Flüssigkeit Annulus. Die Umkehrung dieser Summe gibt die allgemeine Leitfähigkeit für die Rohr-in-Rohr-Gegenstrom-Wärmetauscher. Nun, da wir gesehen haben wie der Wärmetauscher zu analysieren, lassen Sie uns testen im Labor.

Befestigen Sie zwei Plastikbehälter auf gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsfläche als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen. Falls erforderlich, Bohren Sie Löcher in den Deckeln für Einlass und Auslass Wasserleitungen sowie das Netzkabel der Pumpe. Wenn Sie fertig sind, eine kleine, versenkbare Pumpe in jedem Behälter bereitstellen. Als nächstes montieren Sie ein Wasser-Flow-Meter oder Rotameter, vertikal in der Nähe jedes Reservoir und verwenden Sie dann weich PVC Schlauch zum Durchflussmesser Buchten die Pumpe Outlets herstellen. Installieren Sie nun zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen auf dem äußeren Kaltwasser-Rohr des Wärmetauschers. Verbinden Sie ein PVC-Schlauch, von der Seitenanschluss des nahe gelegenen t-Shirts passend zum Austritt des heißen Durchflussmesser. Schneiden Sie für die heiße Theke Strömungsrohr einen Teil der Aluminiumrohre gleich lang zum Wärmetauscher, darunter die t-Stück Fittings am Ende, und fügen Sie es in der Baugruppe. Schließen Sie als nächstes einen weichen Kunststoffschlauch aus Klemmverschraubung am anderen Ende der Wärmetauscher-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die äußere Kaltfluss heißen Durchströmung der inneren Aluminium-Rohr trennen. Verbinden Sie das flexible PVC-Rohr aus der Seitenanschluss auf ein t-Stück-Fitting, zum Auslass kalt-Flow-Meter, und dann eine zweite Röhre an der Seitenanschluss des anderen t-Shirts passend wieder in das kalte Wasser-Reservoir. Bestätigen Sie bevor Sie fortfahren, dass die warmen und kalten Bach Buchten des Wärmetauschers an den gegenüberliegenden Enden. Bohren Sie ein kleines Loch durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohr in der Nähe von jedem Einlass und Auslass Anschluss des Wärmetauschers. Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließlich verwenden Sie das Epoxid oder ähnlich wie Klebstoff, um die kleine Lücke in den Rohren um die Thermoelement-Fühler gegen Wasserlecks zu versiegeln. Wenn das Epoxidharz ausgehärtet ist, schließen Sie alle vier Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser. Nun, da die Montage abgeschlossen ist, sind Sie mit dem Testen beginnen.

Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser. Schalten Sie beide Wasserpumpen und passen Sie die Nadel Ventile an den Durchflussmessern um den Informationsfluss in beide Schleifen zu erhöhen. Lassen Sie das Wasser lange genug zirkulieren um zu spülen, eingeschlossene Luftblasen. Sobald die Luftblasen entfernt sind, passen Sie die Durchflussmenge in beiden Schleifen um ca. 0,1 Liter pro Minute. Warten Sie einige Minuten, um das System zu stabilisieren, und notieren Sie die Einlass und Auslass Temperaturen durch die vier Thermoelement Lesungen berichtet. Ihre Thermoelement Leser möglicherweise eine Hold-Funktion, die aktuellen Werte einzufrieren, während Sie aufzeichnen. Erfassen Sie fünf Sätze von Lesungen an diese Strömungsverhältnisse. Wiederholen Sie diese Messungen für Durchflussmengen von ca. 0,125 Liter pro Minute und 0,15 Liter pro Minute. Sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und kalten Eingänge unter 5 Grad Celsius, füllen Sie die Behälter mit frischem heißem und kaltem Wasser. Nun, da die Messungen abgeschlossen sind, werfen wir einen Blick auf die Ergebnisse.

Sie haben 18 Sätze von Daten und für jede Gruppe eine gemessene Volumenstrom. Hinweis für diese Tests, die gleiche Durchflussmenge V-Dot, ist für die heißen und kalten Ströme verwendet. Verwenden Sie zuerst die Dichte des Wassers jeden Wert der Volumenstrom in einem Massenstrom zu konvertieren. Berechnen Sie die Rate der Energiewende für die warmen und kalten Ströme in jedem Satz nun, durch Multiplikation des Massenstroms, die spezifische Wärme des Wassers und der jeweiligen Temperaturdifferenzen. Im Abschnitt Prinzip gingen wir davon aus, dass das Ausmaß der diese Sätze gleich sein würde. Unsicherheiten zu verbreiten, so dass Sie sie vergleichen können. In den meisten Fällen entsprechen die Hitze Übertragungsraten in Unsicherheit; Da die Fließgeschwindigkeit abnimmt, ist jedoch ein Trend zu erhöhter Wärmeverlust von der heißen Flüssigkeit, im Vergleich zu der Hitze durch die kalte Flüssigkeit gewonnen. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis der Wärmeverlust an die Umgebung; Aber da der Effekt klein ist, kann die durchschnittliche Wärmeübertragungsrate für den Rest der Analyse verwendet werden. Als nächstes können die allgemeine Leitfähigkeit des Wärmetauschers, zu bewerten, die aus den gemessenen Wärmeübertragungsrate ermittelt werden kann, und das Protokoll Temperaturunterschied bedeuten. Die allgemeine Leitfähigkeit hängt von Material thermische Leitfähigkeiten, Strömungsverhältnisse und die Wärmetauscher-Geometrie. Wir erwarten, dass dieser Wert mit Durchfluss für die niedrige Geschwindigkeit laminare Strömungen hier betrachteten nicht wesentlich verändern werden. Verwenden Sie die gemessenen Temperaturen mit der Gleichung im Text um die Log mittlere Temperaturdifferenz berechnen. Nun teilen Sie die durchschnittliche Änderungsrate Energie durch die mittlere Temperaturdifferenz Log für jede Gruppe um die allgemeine Leitfähigkeit zu erzielen. Wie von uns erwartet, ist die allgemeine Leitfähigkeit relativ konstant über den Bereich von Bedingungen, die getestet wurden, wie die kleine Standardabweichung über den Datensatz belegt. Dieses Ergebnis ist jedoch höher als der theoretische Wert für stetigen voll entwickeltes Laminar-Flow vorhergesagt. Wenn wir davon entwickelnde Strömung an den Einlässen in beiden Kanälen ausgehen und geeignete Korrekturfaktoren verwenden, werden die theoretische Vorhersage höher als unsere Messergebnis. In Wirklichkeit in den inneren Kanal fließen teilweise vor Erreichen des Wärmetauscher Einlass entwickelt werden, und dies mag erklären, den Zwischenwert der gesamten Leitwert. Nun, da wir die Ergebnisse unserer einfachen Wärmetauscher analysiert haben, betrachten Sie einige typischen Anwendungen.

Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt, sobald Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme erleichtert werden muss. In vielen Energie-Erzeugungsanlagen, Dampf-Generator Wärmetauscher übertragen Wärme aus Hochtemperatur-Gas, Hochdruckdampf, Antrieb Turbinen produzieren. Flussabwärts von diese Turbinen ablehnen Kondensator Wärmetauscher Wärme aus Niederdruck-Dampf, Verflüssigung der Flüssigkeit und damit den Zyklus kontinuierlich zu betreiben. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Wärmetauscher Verdampfer Wärmeenergie aus Luft in klimatisierten Raum auf die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten.

Sie habe nur Jupiters Einführung in die Wärmetauscher Analyse beobachtet. Sie sollten wissen, verstehen die grundlegenden Prinzipien von Wärmetauschern und wie Sie ihre Leistung experimentell und theoretisch zu analysieren. Danke fürs Zuschauen.

Results

Tabelle 1 - Messungen und abgeleitete Werte für LMTD und UA für Wärmetauscher bei heißen und kalten Flussraten von 0,20 und 0,15 l min-1.

Heiße und kalte Flussraten (l min-1) TH, in (° C, ±0.25 ° C) TC, aus (° C, ±0.25 ° C) TH, aus (° C, ±0.25 ° C) TC, in (° C, ±0.25 ° C) Q-C (W) Q-H (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

Vertreter gemessenen Temperaturen und Durchflussmengen und resultierenden LMTD und UA-Werte sind in Tabelle 1 für heiße und kalte Flüssigkeit Durchflussmengen von 0,20 und 0,15 l min-1 (jeweils 3 Messungen) vorgestellt. Unsicherheitsanalyse Ausbreitung wurde durchgeführt, um Unsicherheiten für abgeleitete Größen (QC, QH, LMTD, UA) zu bestimmen. Die UA wurde anhand der mittleren Wärmeübertragungsrate der beiden Ströme. Die höhere Durchflussrate ist Bedingungen enger Abstimmung für heiße und kalte Durchflussmengen beobachtet. Bei niedrigeren Flussraten ist die Vereinbarung nur im experimentellen Unsicherheiten.

Der durchschnittliche allgemeine Wärmeübertragungsrate ist relativ konstant über den betrachteten Bereich der Bedingungen (UA ~ 4,0 ± 0,5 W K-1). Dies ist höher als die vorhergesagten Wert für laminare ausgereifte stetigen (Eqn. 4): UA = 2,7 W K-1. Der gemessene Wert ist niedriger als das Ergebnis vorausgesetzt entwickelnde Strömung in beiden Kanälen, beginnend an den Einlässen: 4,8 W K-1 (mit entwickelnde Strömung Korrekturfaktoren aus [1]). In Wirklichkeit entwickelt sich das heiße innere Wasserführung teilweise in den Rohrleitungen vor Erreichen des HX-Einlass. Dies mag erklären, der gemessene UA Zwischenwert.

Applications and Summary

In diesem Experiment ein Rohr-in-Rohr-Gegenstrom-Wärmetauscher wurde hergestellt, und seine Wärmeübertragungsleistung (UA) wurde experimentell gemessenen (bewertet). Die daraus resultierende Leistung ergibt sich aus einem theoretischen Modell verglichen. Moderne Wärmetauscher oft beschäftigen mehr anspruchsvolle Designs, mit gerippten und verbesserte Oberflächen Wärme Übertragung Intensität erhöhen und Arrangements von Fluid Cross- und Gegenstrom optimiert. Die grundlegenden Konzepte und Parameter, die hier vorgestellten (UA, LMTD) gelten jedoch für alle Wärmetauscher.

Wärmetauscher Rating experimentiert, wie gezeigt, hier sind entscheidend für die Feststellung, ob hergestellten Wärmetauschern gewünschten Kapazitäten (UA Werte) Systemleistung akzeptabel Energie sicherzustellen treffen. Ebenso müssen Wärmetauscher-Performance-Modelle (z.B.Eqn. 4) entwickelt und validiert, um Wärmetauscher Design führen. Dieses Experiment bietet eine praktische Einführung in diese Wärmetauscher Bewertung und Modellierung von Prozessen.

Wärmetauscher werden in zahlreichen intensiven Energietechnologien und vertraute Haushaltsgeräten eingesetzt. In vielen Energie-Erzeugungsanlagen, Dampf-Generator Wärmetauscher übertragen Wärme aus Hochtemperatur-Gas, Hochdruck-Dampf zu den Turbinen Antrieb zu produzieren. Stromabwärts von diese Turbinen ablehnen Kondensator Wärmetauscher Wärme aus den Niederdruckdampf, Verflüssigung der Flüssigkeit, und damit den Zyklus kontinuierlich zu betreiben. In vielen industriellen Prozessen können erholsamen Wärmetauscher Niedertemperatur-Wärme aus einem Abgasstrom Einnahme Flüssigkeit, Senkung des Energieverbrauchs vorheizen übertragen. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Wärmetauscher Verdampfer Wärmeenergie aus der Luft in einem klimatisierten Raum auf die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten.

References

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

1. Herstellung von Wärmetauscher-System (siehe Schaltplan und Fotos, Abb. 2)

  1. Befestigen Sie zwei Kunststoff Wasserspeicher (~ 1 Liter) auf eine Arbeitsfläche (~0.6 m voneinander entfernt). Wenn diese überdachte Container sind, Bohren Sie Löcher in den Deckel für den Einlass und Auslass Wasserleitungen und Stromkabel der Pumpe. Diese werden als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen.
  2. Montieren Sie einen kleinen Tauchpumpe in jedem Behälter.
  3. Vertikal montieren Sie zwei Wasser Durchflussmesser (Rotametern), eines in der Nähe jedes Reservoir. Verwenden Sie weich PVC-Schläuche, Durchflussmesser Buchten an die Pumpe Entlastung Ports verbinden.
  4. Das äußere Rohr Wärmetauscher (HX) installieren (~0.3 m langen, äußeren Durchmesser OD = 12,7 mm, Innendurchmesser ID = 9,5 mm) in zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen (siehe Abb. 2). Einen flexiblen PVC-Schlauch anschließen (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) von der Seitenanschluss auf ein t-Shirt passend zum heißen Durchflussmesser Auslass.
  5. Schneiden Sie ein Alu-Rohr (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) auf die Länge des Wärmetauschers, darunter die t-Stück Fittings am Ende (~0.38 m lang), und fügen Sie es in der Wärmetauscherbaugruppe. Das Aluminiumrohr sollte behaglich schieben Sie in das weiche PVC-Verbindungsrohr (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) am Ende der Rohrverschraubung.
  6. Verbinden Sie einen weichen PVC-Schlauch von Klemmverschraubung am anderen Ende der HX-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die heißen Durchströmung der inneren Alu-Rohr von der äußeren Kaltfluss trennen.
  7. Anschließen Sie einen flexiblen PVC-Schlauch aus der Seitenanschluss auf ein t-Shirt passend zur kalten Durchflussmesser Steckdose. Verbinden Sie ein PVC-Rohr der Seitenanschluss auf andere t-Formstücks mit kaltem Wasser-Reservoir (Rücklauf). Die warmen und kalten Bach Buchten, HX sollte an den gegenüberliegenden Enden.
  8. Bohren Sie kleine Löcher (~1.6 mm Durchmesser), durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohre in der Nähe von jeder Wärmetauscher Einlass und Auslass Port (4 insgesamt). Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließen Sie die Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser
  9. Mit Epoxidharz oder ähnliche Kleber um die kleine Lücke in den Rohren rund um das Thermoelement zu versiegeln, Sonden, dass kein Wasser austritt.

Figure 2
Abbildung 2: Schaltplan (a) und (b) gekennzeichneten Foto von Wärmetauscher experimentelle Bewertungssystem

2. Bedienung

  1. Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser.
  2. Schalten Sie die zwei Wasserpumpen und verwenden Sie der Durchflussmesser Nadelventilen, um die Volumenströme auf gewünschte Werte (z.B. 0,1 l min-1) anzupassen. Es eventuell zirkuliert Wasser auf eine höhere Durchflussrate zunächst um eingeschlossene Luftblasen zu löschen.
  3. Lassen Sie das System, für ein paar Minuten zu stabilisieren, und notieren Sie die vier Thermoelement-Messungen für den Einlass und Auslass Temperaturen. Zeichnen Sie ein paar Sätze von Lesungen für jeden Flow-Zustand. Falls verfügbar, kann die hold -Funktion auf dem Thermoelement Leser Lesungen um Aufnahme helfen fixieren.
  4. Temperaturmessungen an ein paar Sätze von heißem und kaltem Wasser Durchflussmengen zu sammeln. In regelmäßigen Abständen füllen Sie die Behälter mit heißem und kaltem Frischwasser weiterhin ausreichend durchschnittliche Temperaturunterschiede (~ 5-10 ° C).

3. Analyse

  1. Für jede Bedingung, vergleichen Sie die heißen und kalten Strom Energie ändern Preise (Equation 11, Equation 12 ). Für Wasser, cp = 4,2 kJ kg-1 K-1. der Volumenstrom kann durch Dichte multipliziert werden (ρWasser = 997 kg m-3) des Massenstroms zu finden. Entsprechen die Energie-Änderung-Preise (Q) wie in Eqn. 1 angenommen?
  2. Die LMTD für jede Bedingung nach Eqn. 2 mit Q aus Schritt 3.1 zu bewerten. Bewerten Sie den Wärmetauscher UA (definiert in Eqn. 3). Ist diese Menge ungefähr konstant betrachteten Bedingungen?
  3. Bewerten der theoretischen UA für ausgereifte Laminar-Flow in diesem HX (Eqn. 4) mit der mittleren Wärmeübertragungsrate ((QC+QH) / 2). Wie verträgt sich dieser theoretischen Wert zum gemessenen Wert?

Titel des Kapitels

Transkript

1

Wärmetauscher sind allgegenwärtige Komponenten in Energiesystemen. Einige allgemeine Beispiele sind Autokühler und Kühlschrank-Verdampfer. In beiden Fällen ist der Wärmetauscher die Übertragung von Wärme von einem Strom von Flüssigkeit zu einem anderen erleichtern. Aus diesen Beispielen ist es klar, dass die Wärmetauscher in einer Vielzahl von Systemen wichtig sind; In erster Linie bietet Thermomanagement oder Übergänge in thermodynamischen Zyklen. Verstehen, wie zu Modell und Tarif Wärmetauscher ist wichtig für die Optimierung der Entwürfe und Wärmetauscher in größere Systeme zu integrieren. Dieses Video wird veranschaulichen einige Grundsätze des Wärmetauschers Design und Analyse, und dann zeigen diese Konzepte auf einem einfachen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher-Design. Am Ende werden einige gängige Anwendungen untersucht werden.

2

Ein gut gestalteter Wärmetauscher sollen effiziente und kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme, ohne dass sie mischen erleichtern. Wie zwei Fluidströme einen Wärmetauscher betreten, werden sie über eine physikalische Barriere in thermischen Kontakt gebracht. Wärmeaustausch wird durch eine lokale Temperaturunterschiede Fortschreiten der Flüssigkeiten angetrieben, bis die Flüssigkeit den Ausgang zu erreichen. Das Ergebnis ist, desto heißer der zwei Flüssigkeiten in den Wärmetauscher mit einer geringeren Temperatur und kälter der beiden mit einer erhöhten Temperatur beendet wird. Im stetigen Betrieb Wärmeübertragungsrate der heißen Flüssigkeit richtet sich nach der Massenstrom und die spezifische Wärme des Fluids, multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Die gleiche Formel gilt für die kalte Flüssigkeit, wenn die entsprechenden Werte verwendet werden. Wenn Wärmeverluste an die Umgebung vernachlässigt werden kann, wird das Ausmaß der beiden Übertragungsraten gleich sein. Dies bedeutet, dass keine Wärme verloren durch die heiße Flüssigkeit wird gewonnen, indem die kalte Flüssigkeit. Die allgemeine Leitfähigkeit in Watt pro Kelvin, ist ein Maß für die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers. Let es analysieren eine besondere Geometrie, Gegenstromanlage, Rohr-in-Rohr Wärmetauscher genannt. In diesem Entwurf die heiße Flüssigkeit fließt in eine Richtung in einen geraden Abschnitt des Rohres. Die kalte Flüssigkeit fließt in die entgegengesetzte Richtung in den Ringraum zwischen dem heißen Rohr und eine zweite Außenrohr. Der durchschnittliche Temperaturunterschied fahren Wärmeübertragung zwischen den beiden Streams in dieser Geometrie ist die Log mittlere Temperaturdifferenz, die von den Eingangs- und Temperaturen der beiden Streams berechnet werden kann. Mit diesem Modell der Wärmetauscher Betrieb können wir zwei verschiedene Arten von Wärmetauscher Analyse Problemen beantworten. Bewertung und Gestaltung. Wenn die Wärmeübertragungsrate und das Protokoll Temperaturdifferenz bekannt sind bedeuten, z. B. durch experimentelle Messung kann der gesamte Leitwert aus dem Verhältnis der beiden berechnet werden. Zum Zweck der Gestaltung ist es jedoch nützlich, um vorherzusagen, was die allgemeine Leitfähigkeit von der Geometrie und Materialeigenschaften des Wärmetauschers werden. Dies kann erfolgen, indem die Summe der thermischen Widerstände zwischen den beiden Streams finden. Für die Rohr-in-Rohr-Geometrie sind diese Widerstände durch bestimmt: Konvektion in die heiße Flüssigkeit Rohr, Wärmeleitung durch die inneren Rohrwand und Konvektion wieder in die kalte Flüssigkeit Annulus. Die Umkehrung dieser Summe gibt die allgemeine Leitfähigkeit für die Rohr-in-Rohr-Gegenstrom-Wärmetauscher. Nun, da wir gesehen haben wie der Wärmetauscher zu analysieren, testen Let es im Labor.

3

Befestigen Sie zwei Plastikbehälter auf gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsfläche als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen. Falls erforderlich, Bohren Sie Löcher in den Deckeln für Einlass und Auslass Wasserleitungen sowie das Netzkabel der Pumpe. Wenn Sie fertig sind, eine kleine, versenkbare Pumpe in jedem Behälter bereitstellen. Als nächstes montieren Sie ein Wasser-Flow-Meter oder Rotameter, vertikal in der Nähe jedes Reservoir und verwenden Sie dann weich PVC Schlauch zum Durchflussmesser Buchten die Pumpe Outlets herstellen. Installieren Sie nun zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen auf dem äußeren Kaltwasser-Rohr des Wärmetauschers. Verbinden Sie ein PVC-Schlauch, von der Seitenanschluss des nahe gelegenen t-Shirts passend zum Austritt des heißen Durchflussmesser. Schneiden Sie für die heiße Theke Strömungsrohr einen Teil der Aluminiumrohre gleich lang zum Wärmetauscher, darunter die t-Stück Fittings am Ende, und fügen Sie es in der Baugruppe. Schließen Sie als nächstes einen weichen Kunststoffschlauch aus Klemmverschraubung am anderen Ende der Wärmetauscher-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die äußere Kaltfluss heißen Durchströmung der inneren Aluminium-Rohr trennen. Verbinden Sie das flexible PVC-Rohr aus der Seitenanschluss auf ein t-Stück-Fitting, zum Auslass kalt-Flow-Meter, und dann eine zweite Röhre an der Seitenanschluss des anderen t-Shirts passend wieder in das kalte Wasser-Reservoir. Bestätigen Sie bevor Sie fortfahren, dass die warmen und kalten Bach Buchten des Wärmetauschers an den gegenüberliegenden Enden. Bohren Sie ein kleines Loch durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohr in der Nähe von jedem Einlass und Auslass Anschluss des Wärmetauschers. Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließlich verwenden Sie das Epoxid oder ähnlich wie Klebstoff, um die kleine Lücke in den Rohren um die Thermoelement-Fühler gegen Wasserlecks zu versiegeln. Wenn das Epoxidharz ausgehärtet ist, schließen Sie alle vier Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser. Nun, da die Montage abgeschlossen ist, sind Sie mit dem Testen beginnen.

4

Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser. Schalten Sie beide Wasserpumpen und passen Sie die Nadel Ventile an den Durchflussmessern um den Informationsfluss in beide Schleifen zu erhöhen. Lassen Sie das Wasser lange genug zirkulieren um zu spülen, eingeschlossene Luftblasen. Sobald die Luftblasen entfernt sind, passen Sie die Durchflussmenge in beiden Schleifen um ca. 0,1 Liter pro Minute. Warten Sie einige Minuten, um das System zu stabilisieren, und notieren Sie die Einlass und Auslass Temperaturen durch die vier Thermoelement Lesungen berichtet. Ihre Thermoelement Leser möglicherweise eine Hold-Funktion, die aktuellen Werte einzufrieren, während Sie aufzeichnen. Erfassen Sie fünf Sätze von Lesungen an diese Strömungsverhältnisse. Wiederholen Sie diese Messungen für Durchflussmengen von ca. 0,125 Liter pro Minute und 0,15 Liter pro Minute. Sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und kalten Eingänge unter 5 Grad Celsius, füllen Sie die Behälter mit frischem heißem und kaltem Wasser. Nun, da die Messungen abgeschlossen sind, Let es werfen Sie einen Blick auf die Ergebnisse.

5

Sie haben 18 Sätze von Daten und für jede Gruppe eine gemessene Volumenstrom. Hinweis für diese Tests, die gleiche Durchflussmenge V-Dot, ist für die heißen und kalten Ströme verwendet. Verwenden Sie zuerst die Dichte des Wassers jeden Wert der Volumenstrom in einem Massenstrom zu konvertieren. Berechnen Sie die Rate der Energiewende für die warmen und kalten Ströme in jedem Satz nun, durch Multiplikation des Massenstroms, die spezifische Wärme des Wassers und der jeweiligen Temperaturdifferenzen. Im Abschnitt Prinzip gingen wir davon aus, dass das Ausmaß der diese Sätze gleich sein würde. Unsicherheiten zu verbreiten, so dass Sie sie vergleichen können. In den meisten Fällen entsprechen die Hitze Übertragungsraten in Unsicherheit; Da die Fließgeschwindigkeit abnimmt, ist jedoch ein Trend zu erhöhter Wärmeverlust von der heißen Flüssigkeit, im Vergleich zu der Hitze durch die kalte Flüssigkeit gewonnen. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis der Wärmeverlust an die Umgebung; Aber da der Effekt klein ist, kann die durchschnittliche Wärmeübertragungsrate für den Rest der Analyse verwendet werden. Als nächstes können die allgemeine Leitfähigkeit des Wärmetauschers, zu bewerten, die aus den gemessenen Wärmeübertragungsrate ermittelt werden kann, und das Protokoll Temperaturunterschied bedeuten. Die allgemeine Leitfähigkeit hängt von Material thermische Leitfähigkeiten, Strömungsverhältnisse und die Wärmetauscher-Geometrie. Wir erwarten, dass dieser Wert mit Durchfluss für die niedrige Geschwindigkeit laminare Strömungen hier betrachteten nicht wesentlich verändern werden. Verwenden Sie die gemessenen Temperaturen mit der Gleichung im Text um die Log mittlere Temperaturdifferenz berechnen. Nun teilen Sie die durchschnittliche Änderungsrate Energie durch die mittlere Temperaturdifferenz Log für jede Gruppe um die allgemeine Leitfähigkeit zu erzielen. Wie von uns erwartet, ist die allgemeine Leitfähigkeit relativ konstant über den Bereich von Bedingungen, die getestet wurden, wie die kleine Standardabweichung über den Datensatz belegt. Dieses Ergebnis ist jedoch höher als der theoretische Wert für stetigen voll entwickeltes Laminar-Flow vorhergesagt. Wenn wir davon entwickelnde Strömung an den Einlässen in beiden Kanälen ausgehen und geeignete Korrekturfaktoren verwenden, werden die theoretische Vorhersage höher als unsere Messergebnis. In Wirklichkeit in den inneren Kanal fließen teilweise vor Erreichen des Wärmetauscher Einlass entwickelt werden, und dies mag erklären, den Zwischenwert der gesamten Leitwert. Nun, da wir die Ergebnisse unserer einfachen Wärmeaustauscher, Let es Blick auf einige typischen Anwendungen analysiert haben.

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Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt, sobald Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme erleichtert werden muss. In vielen Energie-Erzeugungsanlagen, Dampf-Generator Wärmetauscher übertragen Wärme aus Hochtemperatur-Gas, Hochdruckdampf, Antrieb Turbinen produzieren. Flussabwärts von diese Turbinen ablehnen Kondensator Wärmetauscher Wärme aus Niederdruck-Dampf, Verflüssigung der Flüssigkeit und damit den Zyklus kontinuierlich zu betreiben. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Wärmetauscher Verdampfer Wärmeenergie aus Luft in klimatisierten Raum auf die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten.

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\ ' Ll haben genau beobachtete Jove\s Einführung in die Wärmetauscher-Analyse. Sie sollten wissen, verstehen die grundlegenden Prinzipien von Wärmetauschern und wie Sie ihre Leistung experimentell und theoretisch zu analysieren. Danke fürs Zuschauen.

Wärmetauscher sind allgegenwärtige Komponenten in Energiesystemen. Einige allgemeine Beispiele sind Autokühler und Kühlschrank-Verdampfer. In beiden Fällen ist der Wärmetauscher die Übertragung von Wärme von einem Strom von Flüssigkeit zu einem anderen erleichtern. Aus diesen Beispielen ist es klar, dass die Wärmetauscher in einer Vielzahl von Systemen wichtig sind; In erster Linie bietet Thermomanagement oder Übergänge in thermodynamischen Zyklen. Verstehen, wie zu Modell und Tarif Wärmetauscher ist wichtig für die Optimierung der Entwürfe und Wärmetauscher in größere Systeme zu integrieren. Dieses Video wird veranschaulichen einige Grundsätze des Wärmetauschers Design und Analyse, und dann zeigen diese Konzepte auf einem einfachen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher-Design. Am Ende werden einige gängige Anwendungen untersucht werden.

Ein gut gestalteter Wärmetauscher sollen effiziente und kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme, ohne dass sie mischen erleichtern. Wie zwei Fluidströme einen Wärmetauscher betreten, werden sie über eine physikalische Barriere in thermischen Kontakt gebracht. Wärmeaustausch wird durch eine lokale Temperaturunterschiede Fortschreiten der Flüssigkeiten angetrieben, bis die Flüssigkeit den Ausgang zu erreichen. Das Ergebnis ist, desto heißer der zwei Flüssigkeiten in den Wärmetauscher mit einer geringeren Temperatur und kälter der beiden mit einer erhöhten Temperatur beendet wird. Im stetigen Betrieb Wärmeübertragungsrate der heißen Flüssigkeit richtet sich nach der Massenstrom und die spezifische Wärme des Fluids, multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang. Die gleiche Formel gilt für die kalte Flüssigkeit, wenn die entsprechenden Werte verwendet werden. Wenn Wärmeverluste an die Umgebung vernachlässigt werden kann, wird das Ausmaß der beiden Übertragungsraten gleich sein. Dies bedeutet, dass keine Wärme verloren durch die heiße Flüssigkeit wird gewonnen, indem die kalte Flüssigkeit. Die allgemeine Leitfähigkeit in Watt pro Kelvin, ist ein Maß für die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers. Wir analysieren eine besondere Geometrie, Gegenstromanlage, Rohr-in-Rohr Wärmetauscher genannt. In diesem Entwurf die heiße Flüssigkeit fließt in eine Richtung in einen geraden Abschnitt des Rohres. Die kalte Flüssigkeit fließt in die entgegengesetzte Richtung in den Ringraum zwischen dem heißen Rohr und eine zweite Außenrohr. Der durchschnittliche Temperaturunterschied fahren Wärmeübertragung zwischen den beiden Streams in dieser Geometrie ist die Log mittlere Temperaturdifferenz, die von den Eingangs- und Temperaturen der beiden Streams berechnet werden kann. Mit diesem Modell der Wärmetauscher Betrieb können wir zwei verschiedene Arten von Wärmetauscher Analyse Problemen beantworten. Bewertung und Gestaltung. Wenn die Wärmeübertragungsrate und das Protokoll Temperaturdifferenz bekannt sind bedeuten, z. B. durch experimentelle Messung kann der gesamte Leitwert aus dem Verhältnis der beiden berechnet werden. Zum Zweck der Gestaltung ist es jedoch nützlich, um vorherzusagen, was die allgemeine Leitfähigkeit von der Geometrie und Materialeigenschaften des Wärmetauschers werden. Dies kann erfolgen, indem die Summe der thermischen Widerstände zwischen den beiden Streams finden. Für die Rohr-in-Rohr-Geometrie sind diese Widerstände durch bestimmt: Konvektion in die heiße Flüssigkeit Rohr, Wärmeleitung durch die inneren Rohrwand und Konvektion wieder in die kalte Flüssigkeit Annulus. Die Umkehrung dieser Summe gibt die allgemeine Leitfähigkeit für die Rohr-in-Rohr-Gegenstrom-Wärmetauscher. Nun, da wir gesehen haben wie der Wärmetauscher zu analysieren, lassen Sie uns testen im Labor.

Befestigen Sie zwei Plastikbehälter auf gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsfläche als warmes und kaltes Wasser Stauseen dienen. Falls erforderlich, Bohren Sie Löcher in den Deckeln für Einlass und Auslass Wasserleitungen sowie das Netzkabel der Pumpe. Wenn Sie fertig sind, eine kleine, versenkbare Pumpe in jedem Behälter bereitstellen. Als nächstes montieren Sie ein Wasser-Flow-Meter oder Rotameter, vertikal in der Nähe jedes Reservoir und verwenden Sie dann weich PVC Schlauch zum Durchflussmesser Buchten die Pumpe Outlets herstellen. Installieren Sie nun zwei Rohr t-Stück Klemmringverschraubungen auf dem äußeren Kaltwasser-Rohr des Wärmetauschers. Verbinden Sie ein PVC-Schlauch, von der Seitenanschluss des nahe gelegenen t-Shirts passend zum Austritt des heißen Durchflussmesser. Schneiden Sie für die heiße Theke Strömungsrohr einen Teil der Aluminiumrohre gleich lang zum Wärmetauscher, darunter die t-Stück Fittings am Ende, und fügen Sie es in der Baugruppe. Schließen Sie als nächstes einen weichen Kunststoffschlauch aus Klemmverschraubung am anderen Ende der Wärmetauscher-Assembly, die den Warmwasserspeicher. Ziehen Sie Klemmringverschraubungen um die weichen Kunststoffschlauch um das Aluminiumrohr abzudichten. Dies wird die äußere Kaltfluss heißen Durchströmung der inneren Aluminium-Rohr trennen. Verbinden Sie das flexible PVC-Rohr aus der Seitenanschluss auf ein t-Stück-Fitting, zum Auslass kalt-Flow-Meter, und dann eine zweite Röhre an der Seitenanschluss des anderen t-Shirts passend wieder in das kalte Wasser-Reservoir. Bestätigen Sie bevor Sie fortfahren, dass die warmen und kalten Bach Buchten des Wärmetauschers an den gegenüberliegenden Enden. Bohren Sie ein kleines Loch durch eine Seite der weiche Kunststoff-Rohr in der Nähe von jedem Einlass und Auslass Anschluss des Wärmetauschers. Sanft fügen Sie eine Thermoelement-Sonde in jedem Hafen, sodass die Sondenspitze etwa in der Mitte des Rohres ist. Schließlich verwenden Sie das Epoxid oder ähnlich wie Klebstoff, um die kleine Lücke in den Rohren um die Thermoelement-Fühler gegen Wasserlecks zu versiegeln. Wenn das Epoxidharz ausgehärtet ist, schließen Sie alle vier Thermoelement-Sonden an ein Thermoelement-Leser. Nun, da die Montage abgeschlossen ist, sind Sie mit dem Testen beginnen.

Füllen Sie der Kältespeicher mit Raumtemperatur Leitungswasser und den heißen Behälter mit warmem Wasser. Schalten Sie beide Wasserpumpen und passen Sie die Nadel Ventile an den Durchflussmessern um den Informationsfluss in beide Schleifen zu erhöhen. Lassen Sie das Wasser lange genug zirkulieren um zu spülen, eingeschlossene Luftblasen. Sobald die Luftblasen entfernt sind, passen Sie die Durchflussmenge in beiden Schleifen um ca. 0,1 Liter pro Minute. Warten Sie einige Minuten, um das System zu stabilisieren, und notieren Sie die Einlass und Auslass Temperaturen durch die vier Thermoelement Lesungen berichtet. Ihre Thermoelement Leser möglicherweise eine Hold-Funktion, die aktuellen Werte einzufrieren, während Sie aufzeichnen. Erfassen Sie fünf Sätze von Lesungen an diese Strömungsverhältnisse. Wiederholen Sie diese Messungen für Durchflussmengen von ca. 0,125 Liter pro Minute und 0,15 Liter pro Minute. Sinkt die Temperaturdifferenz zwischen der warmen und kalten Eingänge unter 5 Grad Celsius, füllen Sie die Behälter mit frischem heißem und kaltem Wasser. Nun, da die Messungen abgeschlossen sind, werfen wir einen Blick auf die Ergebnisse.

Sie haben 18 Sätze von Daten und für jede Gruppe eine gemessene Volumenstrom. Hinweis für diese Tests, die gleiche Durchflussmenge V-Dot, ist für die heißen und kalten Ströme verwendet. Verwenden Sie zuerst die Dichte des Wassers jeden Wert der Volumenstrom in einem Massenstrom zu konvertieren. Berechnen Sie die Rate der Energiewende für die warmen und kalten Ströme in jedem Satz nun, durch Multiplikation des Massenstroms, die spezifische Wärme des Wassers und der jeweiligen Temperaturdifferenzen. Im Abschnitt Prinzip gingen wir davon aus, dass das Ausmaß der diese Sätze gleich sein würde. Unsicherheiten zu verbreiten, so dass Sie sie vergleichen können. In den meisten Fällen entsprechen die Hitze Übertragungsraten in Unsicherheit; Da die Fließgeschwindigkeit abnimmt, ist jedoch ein Trend zu erhöhter Wärmeverlust von der heißen Flüssigkeit, im Vergleich zu der Hitze durch die kalte Flüssigkeit gewonnen. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis der Wärmeverlust an die Umgebung; Aber da der Effekt klein ist, kann die durchschnittliche Wärmeübertragungsrate für den Rest der Analyse verwendet werden. Als nächstes können die allgemeine Leitfähigkeit des Wärmetauschers, zu bewerten, die aus den gemessenen Wärmeübertragungsrate ermittelt werden kann, und das Protokoll Temperaturunterschied bedeuten. Die allgemeine Leitfähigkeit hängt von Material thermische Leitfähigkeiten, Strömungsverhältnisse und die Wärmetauscher-Geometrie. Wir erwarten, dass dieser Wert mit Durchfluss für die niedrige Geschwindigkeit laminare Strömungen hier betrachteten nicht wesentlich verändern werden. Verwenden Sie die gemessenen Temperaturen mit der Gleichung im Text um die Log mittlere Temperaturdifferenz berechnen. Nun teilen Sie die durchschnittliche Änderungsrate Energie durch die mittlere Temperaturdifferenz Log für jede Gruppe um die allgemeine Leitfähigkeit zu erzielen. Wie von uns erwartet, ist die allgemeine Leitfähigkeit relativ konstant über den Bereich von Bedingungen, die getestet wurden, wie die kleine Standardabweichung über den Datensatz belegt. Dieses Ergebnis ist jedoch höher als der theoretische Wert für stetigen voll entwickeltes Laminar-Flow vorhergesagt. Wenn wir davon entwickelnde Strömung an den Einlässen in beiden Kanälen ausgehen und geeignete Korrekturfaktoren verwenden, werden die theoretische Vorhersage höher als unsere Messergebnis. In Wirklichkeit in den inneren Kanal fließen teilweise vor Erreichen des Wärmetauscher Einlass entwickelt werden, und dies mag erklären, den Zwischenwert der gesamten Leitwert. Nun, da wir die Ergebnisse unserer einfachen Wärmetauscher analysiert haben, betrachten Sie einige typischen Anwendungen.

Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt, sobald Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströme erleichtert werden muss. In vielen Energie-Erzeugungsanlagen, Dampf-Generator Wärmetauscher übertragen Wärme aus Hochtemperatur-Gas, Hochdruckdampf, Antrieb Turbinen produzieren. Flussabwärts von diese Turbinen ablehnen Kondensator Wärmetauscher Wärme aus Niederdruck-Dampf, Verflüssigung der Flüssigkeit und damit den Zyklus kontinuierlich zu betreiben. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Wärmetauscher Verdampfer Wärmeenergie aus Luft in klimatisierten Raum auf die gewünschte Temperatur aufrecht erhalten.

Sie habe nur Jupiters Einführung in die Wärmetauscher Analyse beobachtet. Sie sollten wissen, verstehen die grundlegenden Prinzipien von Wärmetauschern und wie Sie ihre Leistung experimentell und theoretisch zu analysieren. Danke fürs Zuschauen.

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