What is the main purpose of a heat exchanger?

A heat exchanger facilitates efficient, continuous heat transfer between two fluid streams without allowing them to mix. Two fluids enter in close thermal contact across a physical barrier, driven by local temperature differences. The hotter fluid exits at reduced temperature while the colder fluid exits at increased temperature, making heat exchangers essential for thermal management in car radiators, refrigerators, and power plants.

How does the log mean temperature difference relate to heat exchanger analysis?

The log mean temperature difference is the average temperature difference driving heat transfer between two streams in a counter-flow tube-in-tube heat exchanger. It is calculated from the inlet and outlet temperatures of both fluid streams. This value is essential for determining overall conductance when the heat transfer rate is known, or for predicting performance in heat exchanger design and rating problems.

What are the thermal resistances in a tube-in-tube heat exchanger?

Thermal resistances in a tube-in-tube heat exchanger consist of three components: convection in the hot fluid tube, conduction through the inner tube wall, and convection in the cold fluid annulus. The sum of these resistances determines the overall thermal resistance between the two streams. The inverse of this sum yields the overall conductance, which characterizes the heat transfer capacity of the exchanger.

How is overall conductance determined experimentally in heat exchanger testing?

Overall conductance is determined experimentally by measuring the heat transfer rate and calculating the log mean temperature difference from inlet and outlet temperatures. The heat transfer rate is found by multiplying mass flow rate, specific heat of water, and temperature difference for each fluid stream. Dividing the average heat transfer rate by the log mean temperature difference yields the overall conductance for the heat exchanger.

Why does heat transfer rate equality matter in heat exchanger analysis?

During steady operation with negligible heat leakage to surroundings, the heat transfer rate of the hot fluid equals the heat transfer rate of the cold fluid. This principle means any heat lost by the hot fluid is gained by the cold fluid. Verifying this equality through experimental measurement confirms energy conservation and validates the accuracy of temperature and flow rate measurements in the heat exchanger system.

What are common applications of heat exchangers in energy systems?

Heat exchangers are employed in diverse energy applications. In power plants, steam generator heat exchangers transfer heat from high-temperature gas to produce steam for turbines, while condenser heat exchangers reject heat from low-pressure steam downstream. In refrigeration and air conditioning systems, evaporator heat exchangers absorb thermal energy from conditioned spaces. Car radiators transfer heat from engine coolant to surrounding air for cooling.

How does flow rate affect overall conductance in laminar flow conditions?

For low-velocity laminar flows in a tube-in-tube heat exchanger, overall conductance remains relatively constant across varying flow rates. This occurs because conductance depends primarily on material thermal conductivities, geometry, and flow regime rather than flow velocity in laminar conditions. Experimental measurements typically show small standard deviations in conductance values, confirming this stability across the tested operating range.

Eşanjör Analizi

0 görüntülenme11:38 dk.

1. Isı değiştirici sistem imalatı (şema ve fotoğrafa bakınız, Şekil 2)

İki plastik su haznesini (her biri ~ 1 litre) bir çalışma yüzeyine (~0.6 m aralıklı) yapıştırın. Bunlar kapalı kaplarsa, giriş ve çıkış su hatları ve pompa güç kablosu için kapakta delikler açın. Bunlar sıcak ve soğuk su rezervuarları olarak hizmet edecektir.
Her rezervuara küçük bir dalgıç pompa monte edin.
Her rezervuarın yakınında bir tane olmak üzere iki su akış ölçeri (rotametre) dikey olarak monte edin. Akış ölçer girişlerini pompa boşaltma portlarına bağlamak için yumuşak PVC boru kullanın.
Isı eşanjörü (HX) dış borusunu (~0.3 m uzunluğunda, dış çap OD = 12.7 mm, iç çap ID = 9.5 mm) iki sıkıştırma borusu tee bağlantısına takın (bkz. Şekil 2). Esnek bir PVC boru (OD = 12.7 mm, ID = 6.2 mm) yan bağlantı noktasından bir tişört bağlantısındaki sıcak akış ölçer çıkışına bağlayın.
Bir alüminyum boruyu (OD = 7.9 mm, ID = 6.2 mm), uçtaki tee bağlantı parçaları da dahil olmak üzere (~0.38 m uzunluğunda) ısı eşanjörünün uzunluğuna kesin ve ısı eşanjörü tertibatına yerleştirin. Alüminyum boru, sıkıştırma bağlantısının ucundaki yumuşak bağlantı PVC borusuna (OD = 12.7 mm, ID = 6.2 mm) sıkıca kaymalıdır.
HX tertibatının diğer ucundaki sıkıştırma bağlantısından yumuşak bir PVC boruyu sıcak su haznesine bağlayın. Alüminyum borunun etrafındaki yumuşak plastik boruyu kapatmak için sıkıştırma bağlantılarını sıkın. Bu, iç alüminyum borudan geçen sıcak akışı dış soğuk akıştan ayıracaktır.
Bir tişört bağlantısındaki yan bağlantı noktasından esnek bir PVC boruyu soğuk akış ölçer çıkışına bağlayın. Diğer tee bağlantısındaki yan bağlantı noktasından bir PVC boruyu soğuk su haznesine (dönüş akışı) bağlayın. HX'e giden sıcak ve soğuk akış girişleri zıt uçlarda olmalıdır.
Her bir ısı eşanjörü giriş ve çıkış portunun (toplam 1.6) yanındaki yumuşak plastik boruların bir tarafından küçük delikler (~4 mm çap) açın. Prob ucu yaklaşık olarak tüpün merkezinde olacak şekilde her bir bağlantı noktasına yavaşça bir termokupl probu yerleştirin. Termokupl problarını bir termokupl okuyucuya bağlayın
Termokupl problarının etrafındaki tüplerdeki küçük boşluğu kapatmak için epoksi veya benzeri bir yapıştırıcı kullanın, böylece su sızıntısı olmaz.

Şekil 2: (a) Isı eşanjörü derecelendirme deney sisteminin şematik ve (b) etiketli fotoğrafı

2. Çalışma

Soğuk hazneyi oda sıcaklığında musluk suyuyla ve sıcak hazneyi ılık suyla doldurun.
İki su pompasını açın ve akış hızlarını istenen değerlere ayarlamak için akış ölçer iğneli valfleri kullanın (örn. 0,1 l min^-1). Sıkışan hava kabarcıklarını temizlemek için başlangıçta suyu daha yüksek bir akış hızında dolaştırmak gerekebilir.
Sistemin birkaç dakika stabilize olmasına izin verin ve ardından giriş ve çıkış sıcaklıklarını temsil eden dört termokupl ölçümünü kaydedin. Her akış koşulu için birkaç okuma seti kaydedin. Varsa, termokupl okuyucudaki tutma işlevi, kayda yardımcı olmak için okumaları dondurabilir.
Birkaç set sıcak ve soğuk su akış hızında sıcaklık ölçümleri toplayın. Yeterli ortalama sıcaklık farklarını (~ 5 - 10 ° C) korumak için rezervuarları periyodik olarak taze sıcak ve soğuk suyla doldurun.

3. Analiz

Her koşul için, sıcak ve soğuk akış enerji değişim oranlarını karşılaştırın (, ). Su için, c_p = 4.2 kJ kg^-1 K^-1. Ve kütle akış hızını bulmak için hacim akış hızı yoğunlukla (ρ_su = 997 kg m^{-3) çarpılabilir}. Enerji değişim oranları (Q), Denklem 1'de varsayıldığı gibi eşleşiyor mu?
Adım 3.1'deki Q'yu kullanarak Denklem 2'yi takip eden her koşul için LMTD'yi değerlendirin. Isı eşanjörü UA'yı değerlendirin (Ek. 3'te tanımlanmıştır). Bu miktar, dikkate alınan koşullar için yaklaşık olarak sabit midir?
Ortalama ısı transfer hızını ((Q, _C+Q, _H)/2) kullanarak bu HX'te (Denklem 4) tam gelişmiş laminer akış için teorik UA'yı değerlendirin. Bu teorik değer ölçülen değerle nasıl karşılaştırılır?

Bölüm başlığı	Transkript
1	Isı eşanjörleri, enerji sistemlerinde her yerde bulunan bileşenlerdir. Bazı yaygın örnekler, araba radyatörleri ve buzdolabı buharlaştırıcılarıdır. Her iki durumda da, ısı eşanjörü, ısının bir sıvı akışından diğerine aktarılmasını kolaylaştırmaktadır. Bu örneklerden, ısı eşanjörlerinin çeşitli sistemlerde önemli olduğu açıktır; Öncelikle termodinamik çevrimlerde termal yönetim veya geçişler sağlamak. Isı eşanjörlerinin nasıl modelleneceğinin ve derecelendirileceğinin anlaşılması, tasarımları optimize etmek ve ısı eşanjörlerini daha büyük sistemlere entegre etmek için önemlidir. Bu video, ısı eşanjörü tasarımı ve analizinin bazı ilkelerini gösterecek ve ardından bu kavramları basit bir boru içinde boru ısı eşanjörü tasarımında gösterecektir. Sonunda, bazı yaygın uygulamalar keşfedilecektir.
2	İyi tasarlanmış bir ısı eşanjörü, iki akışkan akışı arasında verimli, sürekli ısı transferini kolaylaştırmalı, karışmalarına izin vermeden. İki akışkan akışı bir ısı eşanjörüne girerken, fiziksel bir bariyer boyunca yakın termal temasa getirilirler. Isı değişimi, sıvılar çıkışa ulaşana kadar sıvılar ilerledikçe yerel bir sıcaklık farkları tarafından yönlendirilir. Sonuç olarak, ısı eşanjörüne giren iki sıvıdan daha sıcak olanı daha düşük bir sıcaklıkla çıkacak ve ikisinden daha soğuk olanı daha yüksek bir sıcaklıkla çıkacaktır. Kararlı çalışma sırasında, sıcak akışkanın ısı transfer hızı, akışkanın kütle akış hızı ve özgül ısısı ile belirlenir ve giriş ve çıkış arasındaki sıcaklık farkı ile çarpılır. Aynı formül, karşılık gelen değerler kullanıldığında soğuk sıvı için de geçerlidir. Çevreye ısı sızıntısı ihmal edilebilir düzeydeyse, iki transfer hızının büyüklüğü eşit olacaktır. Bu, sıcak sıvı tarafından kaybedilen herhangi bir ısının soğuk sıvı tarafından kazanıldığı anlamına gelir. Kelvin başına Watt cinsinden genel iletkenlik, bir ısı eşanjörünün ısı transfer kapasitesinin bir ölçüsüdür. Karşı akışlı, boru içinde borulu ısı eşanjörü olarak bilinen belirli bir geometriyi analiz edelim. Bu tasarımda, sıcak sıvı, tüpün düz bir bölümü içinde bir yönde akar. Soğuk sıvı, sıcak boru ile ikinci bir dış boru arasındaki halkada ters yönde akar. Bu geometride iki akış arasındaki ısı transferini yönlendiren ortalama sıcaklık farkı, her iki akışın giriş ve çıkış sıcaklıklarından hesaplanabilen log ortalama sıcaklık farkıdır. Bu ısı eşanjörü çalışma modelini kullanarak, iki farklı tipte ısı eşanjörü analiz problemine cevap verebiliriz. Derecelendirme ve tasarım. Isı transfer hızı ve log ortalama sıcaklık farkı, örneğin deneysel ölçümle biliniyorsa, genel iletkenlik ikisinin oranından hesaplanabilir. Bununla birlikte, tasarım amacıyla, ısı eşanjörünün geometrisinden ve malzeme özelliklerinden genel iletkenliğin ne olacağını tahmin etmek yararlıdır. Bu, iki akış arasındaki termal dirençlerin toplamını bularak yapılabilir. Tüp içinde tüp geometrisi için bu dirençler şu şekilde belirlenir: sıcak akışkan tüpünde konveksiyon, iç boru duvarından iletim ve soğuk akışkan halkasında tekrar konveksiyon. Bu toplamın tersi, boru içinde borulu ters akışlı ısı eşanjörü için genel iletkenliği verir. Artık ısı eşanjörünü nasıl analiz edeceğimizi gördüğümüze göre, laboratuvarda bir tane test edelim.
3	Sıcak ve soğuk su rezervuarları olarak işlev görmesi için çalışma yüzeyinin zıt taraflarına iki plastik kap yapıştırın. Gerekirse, giriş ve çıkış su hatlarının yanı sıra pompa güç kablosu için kapaklarda delikler açın. İşiniz bittiğinde, her rezervuara küçük, dalgıç bir pompa monte edin. Ardından, her rezervuarın yanına dikey olarak bir su akış ölçer veya rotametre monte edin ve ardından pompa çıkışlarını akış ölçer girişlerine bağlamak için yumuşak PVC boru kullanın. Şimdi, ısı eşanjörünün dış soğuk su borusuna iki sıkıştırma borusu tee bağlantı parçası takın. Yakındaki tee bağlantısının yan portundan bir esnek PVC boruyu sıcak akış ölçerin çıkışına bağlayın. Sıcak karşı akış borusu için, uçtaki tee bağlantı parçaları da dahil olmak üzere, ısı eşanjörüne eşit uzunlukta bir alüminyum boru bölümü kesin ve tertibata yerleştirin. Ardından, ısı eşanjörü tertibatının diğer ucundaki sıkıştırma bağlantısından sıcak su haznesine yumuşak bir plastik boru bağlayın. Alüminyum borunun etrafındaki yumuşak plastik boruyu kapatmak için sıkıştırma bağlantılarını sıkın. Bu, iç alüminyum borudan geçen sıcak akışı dış soğuk akıştan ayıracaktır. Esnek PVC boruyu bir tee bağlantı parçasındaki yan porttan soğuk akış ölçer çıkışına bağlayın ve ardından soğuk su haznesine geri dönen diğer tee fitinginin yan portuna ikinci bir boru bağlayın. Devam etmeden önce, ısı eşanjörüne giden sıcak ve soğuk akış girişlerinin zıt uçlarda olduğunu onaylayın. Isı eşanjörünün her bir giriş ve çıkış portunun yanındaki yumuşak plastik borunun bir tarafından küçük bir delik açın. Prob ucu yaklaşık olarak tüpün merkezinde olacak şekilde her bir bağlantı noktasına yavaşça bir termokupl probu yerleştirin. Son olarak, termokupl problarının etrafındaki tüplerdeki küçük boşluğu su sızıntılarına karşı kapatmak için epoksi veya benzeri bir yapıştırıcı kullanın. Epoksi sertleştiğinde, dört termokupl probunu da bir termokupl okuyucuya bağlayın. Artık montaj tamamlandığına göre, teste başlamaya hazırsınız.
4	Soğuk hazneyi oda sıcaklığında musluk suyuyla ve sıcak hazneyi ılık suyla doldurun. Her iki su pompasını da açın ve her iki döngüdeki akışı artırmak için akış ölçerlerdeki iğneli valfleri ayarlayın. Sıkışan hava kabarcıklarını temizlemek için suyun yeterince uzun süre dolaşmasına izin verin. Hava kabarcıkları çıkarıldıktan sonra, her iki döngüdeki akış hızını dakikada yaklaşık 0.1 litreye ayarlayın. Sistemin stabilize olması için birkaç dakika bekleyin ve ardından dört termokupl okuması tarafından bildirilen giriş ve çıkış sıcaklıklarını kaydedin. Termokupl okuyucunuz, kayıt yaparken mevcut değerleri dondurmak için bir tutma işlevine sahip olabilir. Bu akış koşullarında beş okuma seti daha kaydedin. Dakikada yaklaşık 0,125 litre ve dakikada 0,15 litre akış hızları için bu ölçümleri tekrarlayın. Sıcak ve soğuk girişler arasındaki sıcaklık farkı 5 santigrat derecenin altına düşerse, rezervuarları taze sıcak ve soğuk suyla doldurun. Artık ölçümler tamamlandığına göre, sonuçlara bir göz atalım.
5	18 veri setine ve her set için ölçülen bir hacimsel akış hızına sahip olmalısınız. Bu testler için, sıcak ve soğuk akışlar için aynı akış hızı, V-dot kullanılır. İlk olarak, hacim akış hızının her bir değerini kütle akış hızına dönüştürmek için suyun yoğunluğunu kullanın. Şimdi, kütle akış hızını, suyun özgül ısısını ve ilgili sıcaklık farklarını çarparak her bir kümedeki sıcak ve soğuk akışlar için enerji değişim oranını hesaplayın. Prensip bölümünde, bu oranların büyüklüğünün eşit olacağını varsaydık. Karşılaştırabilmeniz için belirsizlikleri yayın. Çoğu durumda, ısı transfer oranları belirsizlik içinde eşleşir; Bununla birlikte, akış hızı azaldıkça, soğuk akışkanın kazandığı ısıya kıyasla, sıcak akışkandan artan ısı kaybına doğru bir eğilim vardır. Bu muhtemelen çevredeki ortama ısı kaybının bir sonucudur; Ancak etki küçük olduğundan, analizin geri kalanı için ortalama ısı transfer hızı kullanılabilir. Daha sonra, ölçülen ısı transfer hızından belirlenebilen ısı eşanjörünün genel iletkenliğini ve log ortalama sıcaklık farkını değerlendirelim. Genel iletkenlik, malzeme termal iletkenliklerine, akış koşullarına ve ısı eşanjörü geometrisine bağlıdır. Bu değerin, burada dikkate alınan düşük hızlı laminer akışlar için akış hızı ile önemli ölçüde değişmeyeceğini tahmin ediyoruz. Günlük ortalama sıcaklık farkını hesaplamak için metinde verilen denklem ile ölçülen sıcaklıkları kullanın. Şimdi, genel iletkenliği elde etmek için ortalama enerji değişim oranını, her set için günlük ortalama sıcaklık farkına bölün. Tahmin ettiğimiz gibi, genel iletkenlik, veri seti üzerindeki küçük standart sapma ile kanıtlandığı gibi, test edilen koşullar aralığı boyunca nispeten sabittir. Bununla birlikte, bu sonuç, sabit tam gelişmiş laminer akış için tahmin edilen teorik değerden daha yüksektir. Her iki kanaldaki girişlerde akış geliştiğini varsayarsak ve uygun düzeltme faktörlerini kullanırsak, teorik tahmin ölçülen sonucumuzdan daha yüksek olacaktır. Gerçekte, iç kanaldaki akış, ısı eşanjörü girişine ulaşmadan önce kısmen geliştirilecektir ve bu, genel iletkenliğin ara değerini açıklayabilir. Artık basit ısı eşanjörümüzün sonuçlarını analiz ettiğimize göre, bazı tipik uygulamalara bakalım.
6	Isı eşanjörleri, iki akışkan akışı arasında ısı transferinin kolaylaştırılması gerektiğinde çok çeşitli senaryolarda kullanılır. Birçok enerji üretim tesisinde, buhar jeneratörü ısı eşanjörleri, türbinleri çalıştırmak için yüksek basınçlı buhar üretmek için yüksek sıcaklıktaki gazdan ısıyı aktarır. Bu türbinlerden aşağı akışta, kondenser ısı eşanjörleri düşük basınçlı buhardan gelen ısıyı reddederek sıvıyı sıvılaştırır ve döngünün sürekli çalışmasına izin verir. Buzdolaplarında ve iklimlendirme sistemlerinde, evaporatör ısı eşanjörleri, istenen sıcaklıkları korumak için şartlandırılmış alandaki havadan termal enerjiyi emer.
7	Jove'un ısı eşanjörü analizine girişini yeni izlediniz. Isı eşanjörlerinin temel prensiplerini anlamayı ve performanslarını deneysel ve teorik olarak nasıl analiz edeceğinizi bilmelisiniz. İzlediğiniz için teşekkürler.