Wärmetauscher-Analyse

Wärmetauscher sind allgegenwärtige Komponenten in Energiesystemen. Einige gängige Beispiele sind Autokühler und Kühlschrankverdampfer. In beiden Fällen erleichtert der Wärmetauscher die Übertragung von Wärme von einem Flüssigkeitsstrom auf einen anderen. Aus diesen Beispielen wird deutlich, dass Wärmetauscher in einer Vielzahl von Systemen wichtig sind; In erster Linie für das Wärmemanagement oder Übergänge in thermodynamischen Kreisläufen. Ein Verständnis für die Modellierung und Bewertung von Wärmetauschern ist wichtig für die Optimierung von Designs und die Integration von Wärmetauschern in größere Systeme. In diesem Video werden einige Prinzipien der Konstruktion und Analyse von Wärmetauschern veranschaulicht und diese Konzepte dann an einem einfachen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscherdesign demonstriert. Zum Schluss werden einige gängige Anwendungen beleuchtet.

Ein gut konzipierter Wärmetauscher sollte eine effiziente, kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeitsströmen ermöglichen, ohne dass sie sich vermischen. Wenn zwei Flüssigkeitsströme in einen Wärmetauscher eintreten, werden sie über eine physikalische Barriere in engen thermischen Kontakt gebracht. Der Wärmeaustausch wird durch lokale Temperaturunterschiede während des Fortschritts der Flüssigkeiten angetrieben, bis die Flüssigkeiten den Ausgang erreichen. Das Ergebnis ist, dass die heißere der beiden Flüssigkeiten, die in den Wärmetauscher eintritt, mit einer reduzierten Temperatur austritt und die kältere der beiden mit einer erhöhten Temperatur. Während des stationären Betriebs wird die Wärmeübertragungsrate des heißen Fluids durch den Massenstrom und die spezifische Wärme des Fluids bestimmt, multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und Ausgang. Die gleiche Formel gilt für die kalte Flüssigkeit, wenn die entsprechenden Werte verwendet werden. Wenn der Wärmeverlust an die Umgebung vernachlässigbar ist, ist die Größe der beiden Übertragungsraten gleich. Das bedeutet, dass die Wärme, die durch das heiße Fluid verloren geht, durch das kalte Fluid gewonnen wird. Der Gesamtleitwert in Watt pro Kelvin ist ein Maß für die Wärmeübertragungskapazität eines Wärmetauschers. Lassen Sie uns eine bestimmte Geometrie analysieren, die als Gegenstrom-Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher bekannt ist. Bei dieser Konstruktion fließt das heiße Fluid in einer Richtung in einem geraden Rohrabschnitt. Das kalte Fluid fließt in die entgegengesetzte Richtung, in den Ringraum zwischen dem heißen Rohr und einem zweiten Außenrohr. Die durchschnittliche Temperaturdifferenz, die den Wärmeübergang zwischen den beiden Strömen in dieser Geometrie antreibt, ist die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz, die aus den Eingangs- und Ausgangstemperaturen beider Ströme berechnet werden kann. Mit diesem Modell des Wärmetauscherbetriebs können wir zwei verschiedene Arten von Problemen bei der Wärmetauscheranalyse beantworten. Bewertung und Design. Sind die Wärmeübergangsrate und die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz bekannt, z. B. durch experimentelle Messung, dann kann aus dem Verhältnis der beiden der Gesamtleitwert berechnet werden. Für die Konstruktion ist es jedoch nützlich, anhand der Geometrie und der Materialeigenschaften des Wärmetauschers vorherzusagen, wie hoch der Gesamtleitwert sein wird. Dies kann erreicht werden, indem die Summe der Wärmewiderstände zwischen den beiden Strömen ermittelt wird. Für die Rohr-in-Rohr-Geometrie werden diese Widerstände bestimmt durch: Konvektion im Rohr mit heißem Fluid, Leitung durch die Rohrinnenwand und erneute Konvektion im Ring des kalten Fluids. Der Kehrwert dieser Summe ergibt den Gesamtleitwert für den Rohr-in-Rohr-Gegenstromwärmetauscher. Nachdem wir nun gesehen haben, wie man den Wärmetauscher analysiert, testen wir einen im Labor.

Befestigen Sie zwei Kunststoffbehälter an gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsfläche, die als Warm- und Kaltwasserbehälter dienen. Bohren Sie bei Bedarf Löcher in die Deckel für die Zu- und Ablaufwasserleitungen sowie das Stromkabel der Pumpe. Wenn Sie fertig sind, montieren Sie in jedem Behälter eine kleine Tauchpumpe. Montieren Sie als Nächstes einen Wasserdurchflussmesser oder Rotameter vertikal in der Nähe jedes Reservoirs und verwenden Sie dann weiche PVC-Schläuche, um die Pumpenauslässe mit den Einlässen des Durchflussmessers zu verbinden. Installieren Sie nun zwei Kompressionsrohr-T-Stücke am äußeren Kaltwasserrohr des Wärmetauschers. Verbinden Sie einen flexiblen PVC-Schlauch von der seitlichen Öffnung der nahe gelegenen T-Armatur mit dem Auslass des Heißdurchflussmessers. Schneiden Sie für das Heißstromrohr ein Stück Aluminiumrohr ab, das gleich lang ist wie der Wärmetauscher, einschließlich der T-Stücke am Ende, und setzen Sie es in die Baugruppe ein. Verbinden Sie als Nächstes ein weiches Kunststoffrohr von der Klemmverschraubung am anderen Ende der Wärmetauscherbaugruppe mit dem Warmwasserspeicher. Ziehen Sie die Klemmverschraubungen fest, um die weichen Kunststoffschläuche um das Aluminiumrohr herum abzudichten. Dadurch wird der heiße Fluss durch das innere Aluminiumrohr vom äußeren kalten Fluss getrennt. Verbinden Sie den flexiblen PVC-Schlauch vom seitlichen Anschluss eines T-Stücks mit dem Auslass des Kaltdurchflussmessers und verbinden Sie dann ein zweites Rohr mit dem seitlichen Anschluss des anderen T-Stücks, das in den Kaltwasserbehälter zurückkehrt. Bevor Sie fortfahren, vergewissern Sie sich, dass sich der Warm- und Kaltstromeinlass zum Wärmetauscher an gegenüberliegenden Enden befinden. Bohren Sie ein kleines Loch durch eine Seite des weichen Kunststoffrohrs in der Nähe jeder Einlass- und Auslassöffnung des Wärmetauschers. Führen Sie vorsichtig eine Thermoelementsonde in jeden Anschluss ein, so dass sich die Sondenspitze ungefähr in der Mitte des Rohrs befindet. Verwenden Sie zum Schluss das Epoxidharz oder einen ähnlichen Klebstoff, um den kleinen Spalt in den Rohren um die Thermoelementsonden gegen Wasserlecks abzudichten. Wenn das Epoxidharz ausgehärtet ist, schließen Sie alle vier Thermoelementsonden an ein Thermoelement-Lesegerät an. Nachdem die Montage abgeschlossen ist, können Sie mit dem Testen beginnen.

Füllen Sie den kalten Behälter mit Leitungswasser bei Raumtemperatur und den heißen Behälter mit warmem Wasser. Schalten Sie beide Wasserpumpen ein und stellen Sie die Nadelventile an den Durchflussmessern ein, um den Durchfluss in beiden Kreisläufen zu erhöhen. Lassen Sie das Wasser lange genug zirkulieren, um eingeschlossene Luftblasen auszuspülen. Sobald die Luftblasen entfernt sind, stellen Sie die Durchflussmenge in beiden Kreisläufen auf ca. 0,1 Liter pro Minute ein. Warten Sie einige Minuten, bis sich das System stabilisiert hat, und notieren Sie dann die Einlass- und Auslasstemperaturen, die von den vier Thermoelementmesswerten gemeldet werden. Ihr Thermoelement-Lesegerät verfügt möglicherweise über eine Hold-Funktion, mit der Sie die aktuellen Werte während der Aufnahme einfrieren können. Zeichnen Sie fünf weitere Messwerte bei diesen Strömungsbedingungen auf. Wiederholen Sie diese Messungen für Durchflussraten von ca. 0,125 Litern pro Minute und 0,15 Litern pro Minute. Wenn der Temperaturunterschied zwischen dem Warm- und dem Kalteingang unter 5 Grad Celsius sinkt, füllen Sie die Behälter mit frischem Warm- und Kaltwasser auf. Nun, da die Messungen abgeschlossen sind, werfen wir einen Blick auf die Ergebnisse.

Sie sollten 18 Datensätze haben, und für jeden Satz einen gemessenen Volumenstrom. Beachten Sie, dass für diese Tests die gleiche Durchflussrate, der V-Punkt, für den heißen und kalten Strom verwendet wird. Zuerst wird die Dichte des Wassers verwendet, um jeden Wert des Volumenstroms in einen Massenstrom umzurechnen. Berechnen Sie nun die Energieänderungsrate für die heißen und kalten Ströme in jedem Satz, indem Sie den Massendurchfluss, die spezifische Wärme des Wassers und die jeweiligen Temperaturunterschiede multiplizieren. Im Hauptteil haben wir angenommen, dass die Größe dieser Sätze gleich wäre. Propagieren Sie Unsicherheiten, damit Sie sie vergleichen können. In den meisten Fällen stimmen die Wärmeübertragungsraten mit einer Unsicherheit überein; Mit abnehmender Durchflussrate gibt es jedoch einen Trend zu einem erhöhten Wärmeverlust des heißen Fluids im Vergleich zu der Wärme, die das kalte Fluid gewinnt. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis von Wärmeverlusten an die Umgebung; Da der Effekt jedoch gering ist, kann die durchschnittliche Wärmeübertragungsrate für den Rest der Analyse verwendet werden. Als Nächstes bewerten wir den Gesamtleitwert des Wärmetauschers, der aus der gemessenen Wärmeübertragungsrate und der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz bestimmt werden kann. Der Gesamtleitwert hängt von den Wärmeleitfähigkeiten des Materials, den Strömungsbedingungen und der Wärmetauschergeometrie ab. Wir gehen davon aus, dass sich dieser Wert mit der Durchflussrate für die hier betrachteten laminaren Strömungen mit niedriger Geschwindigkeit nicht wesentlich ändern wird. Verwenden Sie die gemessenen Temperaturen mit der im Text angegebenen Gleichung, um die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz zu berechnen. Teilen Sie nun die durchschnittliche Energieänderungsrate durch die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz für jeden Satz, um den Gesamtleitwert zu erhalten. Wie wir erwartet haben, ist die Gesamtleitfähigkeit über den Bereich der getesteten Bedingungen relativ konstant, wie die geringe Standardabweichung über den Datensatz zeigt. Dieses Ergebnis ist jedoch höher als der theoretische Wert, der für eine stetige, voll entwickelte laminare Strömung vorhergesagt wird. Wenn wir davon ausgehen, dass sich die Strömung an den Einlässen in beiden Kanälen entwickelt, und geeignete Korrekturfaktoren verwenden, wird die theoretische Vorhersage höher sein als unser gemessenes Ergebnis. In der Realität entwickelt sich die Strömung im inneren Kanal teilweise, bevor sie den Wärmetauschereinlass erreicht, und dies könnte den Zwischenwert des Gesamtleitwerts erklären. Nachdem wir nun die Ergebnisse unseres einfachen Wärmetauschers analysiert haben, schauen wir uns einige typische Anwendungen an.

Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Szenarien eingesetzt, wenn die Wärmeübertragung zwischen zwei Fluidströmen erleichtert werden soll. In vielen Kraftwerken übertragen Dampferzeuger-Wärmetauscher Wärme aus Hochtemperaturgas, um Hochdruckdampf zum Antrieb von Turbinen zu erzeugen. Hinter diesen Turbinen leiten Kondensatorwärmetauscher die Wärme des Niederdruckdampfes ab, wodurch sich die Flüssigkeit verflüssigt und der Kreislauf kontinuierlich ablaufen kann. In Kühlschränken und Klimaanlagen absorbieren Verdampferwärmetauscher Wärmeenergie aus der Luft im klimatisierten Raum, um die gewünschten Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Sie haben gerade die Einführung von Jove in die Wärmetauscheranalyse gesehen. Sie sollten wissen, die Grundprinzipien von Wärmetauschern verstehen und wissen, wie man ihre Leistung experimentell und theoretisch analysiert. Danke fürs Zuschauen.