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Wärmetauscher-Analyse

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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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