Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Mechanical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 
Click here for the English version

ניתוח מחליף חום

Overview

מקור: אלכסנדר ס. רטנר וכריסטופר ג'יי גריר; המחלקה להנדסה מכנית וגרעינית, אוניברסיטת מדינת פנסילבניה, פארק האוניברסיטאות, PA

מחליפי חום מעבירים אנרגיה תרמית בין שני זרמי נוזלים, והם נמצאים בכל מקום במערכות אנרגיה. היישומים הנפוצים כוללים רדיאטורים לרכב (העברת חום מקירור מנוע חם לאוויר שמסביב), מאיידי מקרר (אוויר בתוך תא מקרר לאידוי קירור), ומגדלי קירור בתחנות כוח (עיבוי קיטור לאידוי מים ואוויר הסביבה). מטרת הניסוי היא להציג נהלי מדידה ניסוייים(דירוג)ומידול עבור מחליפי חום.

בניסוי זה, מחליף חום צינור מים למים בצינור ייבנה, והוערכה. מדידות טמפרטורה וקצב זרימה יופעלו כדי לקבוע את קצב העברת החום(Q)ואת ההולכה הכוללת (UA). מחליף החום הנמדד UA יושווה לערכים החזויים עבור הגיאומטריה ותנאי ההפעלה.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

במחליף חום (HX), אנרגיה תרמית מועברת מזרם נוזלים חם(H)לזרם נוזלים קר (C). לכל זרם עשוי להיות קצב זרימת מסה שונה ( Equation 1 ) וחום ספציפי ( Equation 2 ). כאשר הנחלים עוברים דרך HX, טמפרטורת הזרימה החמה יורדת, וטמפרטורת הזרם הקר עולה. במהלך פעולה קבועה, אם דליפת חום לסביבה היא זניחה, אז שינויי האנרגיה של שני הזרמים ממפרצונים לשקעים חייבים לאזן. שינוי אנרגיה זה הוא קצב העברת חום מחליף חום Q.

Equation 3 (1)

בניסוי זה, ביצועי העברת חום מנותחים עבור מחליף חום צינור-in-tube זרימה נגד. כאן נוזל חם זורם בכיוון אחד דרך צינור פנימי. נוזל קר זורם בכיוון ההפוך דרך החלל הטבעתי בין הצינור הפנימי לצינור החיצוני. הפרש הטמפרטורה הממוצע המניע את העברת החום בין שני הזרמים הוא הפרש הטמפרטורה הממוצע ביומן (LMTD, איור 1), המוגדר ב- Eqn. 2 לתצורת HX של זרימה נגדית. אם הבדלי הטמפרטורה בשני קצותיו של מחליף החום תואמים לדיוק המדידה ( Equation 4 ), יש להשתמש בנוסחת LMTD פשוטה יותר.

Equation 5 (2)

יכולת העברת החום של מחליף חום נמדדת מבחינת ההולכה הכוללת (UA). כמות זו כוללת יחידות של W K-1 (קצב העברת חום לכל הפרש טמפרטורה). ניתן להעריך את איחוד האמירויות משיעורי העברת חום נמדדים וטמפרטורות נוזלים:

Equation 6 (3)

גיאומטריית HX הצינור בצינור מוגדרת על ידי אורך הצינורות (L),הצינור הפנימי הקטר הפנימי והחצוני (IDi, ODi),וקוטרי צינור חיצוני (IDo, ODo). באמצעות פרמטרים אלה ומאפיינים חומריים, ניתן לחזות את מחליף החום UA על ידי חשבונאות על ההתנגדות התרמית בין שני הזרמים. עבור זרימת למינאר מפותחת במלואה בצינור הפנימי, ההתנגדות התרמית מהזרם הפנימי לקיר הפנימי של הצינור הפנימי היא: Equation 7 איפה k הוא מוליכות תרמית נוזל (0.61 W m-1 K-1 למים). ההתנגדות התרמית להולכה דרך קיר הצינור הפנימי, היא: Equation 8 (ktube = 160 W m-1 K-1 עבור אלומיניום). לבסוף, עבור זרימה למינארית מפותחת במלואה ב annulus צר, התנגדות convection מבחוץ של הצינור הפנימי אל הזרם החיצוני היא: Equation 9 . בתנאים אלה, HX UA החזוי הוא:
Equation 10 (4)

Figure 1
איור 1: פרופילי טמפרטורת זרם קר וחם והפרש טמפרטורה ממוצע ביומן במחליף חום בזרימה נגדית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. ייצור מערכת מחליפי חום (ראה סכמטית וצילום, איור 2)

  1. הצמד שני מאגרי מים מפלסטיק (כ-1 ליטר כל אחד) למשטח עבודה (כ-0.6 מ' זה מזה). אם אלה הם מכולות מכוסות, לקדוח חורים במכסה עבור קווי המים פנימה והשקע וכבל כוח משאבה. אלה ישמשו כמאגרי מים חמים וקרים.
  2. הר משאבה צוללת אחת קטנה בכל מאגר.
  3. הר אנכית שני מטרים זרימת מים (rotameters), אחד ליד כל מאגר. השתמש בצינורות PVC רכים כדי לחבר את הכניסות של מד הזרימה ליציאות הפריקה של המשאבה.
  4. התקן את הצינור החיצוני של מחליף החום (HX) (כ-0.3 מ', קוטר חיצוני OD = 12.7 מ"מ, מזהה קוטר פנימי = 9.5 מ"מ) בשני אביזרי טי צינור דחיסה (ראה איור 2). חבר צינור PVC גמיש (OD = 12.7 מ"מ, ID = 6.2 מ"מ) מהיציאה הצדדית על טי אחד המתאים לשקע מד הזרימה החמה.
  5. חותכים צינור אלומיניום (OD = 7.9 מ"מ, ID = 6.2 מ"מ) לאורך מחליף החום, כולל אביזרי טי בקצה (~ 0.38 מ 'ארוך), ולהכניס אותו לתוך הרכבת מחליף חום. צינור האלומיניום צריך להחליק בצורה נוחה לתוך צינור PVC חיבור רך (OD = 12.7 מ"מ, ID = 6.2 מ"מ) בסוף התאמת הדחיסה.
  6. חבר צינור PVC רך מהתאמה דחיסה בקצה השני של הרכבת HX למאגר המים החמים. הדקו את אביזרי הדחיסה כדי לאטום את צינורות הפלסטיק הרכים סביב צינור האלומיניום. זה יפריד את הזרימה החמה דרך צינור האלומיניום הפנימי מהזרימה הקרה החיצונית.
  7. חבר צינור PVC גמיש מהיציאה הצדדית על טי אחד המתאים לשקע מד הזרימה הקרה. חבר צינור PVC מהיציאה הצדדית על טי השני מתאים למאגר המים הקרים (זרימת החזרה). מפרצוני הזרם החם והקרים ל- HX צריכים להיות בקצוות מנוגדים.
  8. קודחים חורים קטנים (קוטר של כ-1.6 מ"מ) דרך צד אחד של צינורות הפלסטיק הרכים ליד כל מפרצון מחליף חום ויציאת שקע (4 בסך הכל). הכנס בעדינות גשושית תרמו-סקופ לכל יציאה, כך שקצה הגשושית נמצא בערך במרכז הצינור. חבר את בדיקות התרמו-קופל לקורא תרמו-סקופ
  9. באמצעות אפוקסי או דבק דומה כדי לאטום את הפער הקטן בצינורות סביב בדיקות thermocouple, כך שאין מים דולפים החוצה.

Figure 2
איור 2: (א) תמונה סכמטית ו-(ב) עם תווית של מערכת ניסוי דירוג מחליף חום

2. מבצע

  1. מלאו את המאגר הקר במי ברז בטמפרטורת החדר, ואת המאגר החם במים חמים.
  2. הפעל את שתי משאבות המים, והשתמש בשסתומי מחט מד הזרימה כדי להתאים את קצבי הזרימה לערכים הרצויים (למשל,0.1 ליטר דקה-1). ייתכן שיהיה צורך להזרים מים בקצב זרימה גבוה יותר בתחילה כדי לנקות בועות אוויר לכודות.
  3. אפשר למערכת להתייצב במשך כמה דקות, ולאחר מכן להקליט את ארבע מדידות thermocouple המייצגות את הטמפרטורות מפרצון ושקע. הקלט כמה ערכות של קריאות עבור כל תנאי זרימה. אם אפשרות זו זמינה, פונקציית ההחזקה בקורא התרמי יכולה להקפיא קריאות כדי לסייע בהקלטה.
  4. לאסוף מדידות טמפרטורה בכמה סטים של קצבי זרימת מים חמים וקרים. מעת לעת למלא את המאגרים עם מים חמים וקרים טריים כדי לשמור על הבדלי טמפרטורה ממוצעים מספיק (~ 5 - 10 מעלות צלזיוס).

3. ניתוח

  1. עבור כל תנאי, השווה את שיעורי שינוי האנרגיה בזרם החם והקרם ( Equation 11 , Equation 12 ). למים, cp = 4.2 kJ קילוגרם-1 K-1. וקצב זרימת הנפח יכול להיות מוכפל על ידיצפיפות(ρ מים = 997 ק"ג מ'-3) כדי למצוא את קצב זרימת המסה. האם שיעורי שינוי האנרגיה(Q)תואמים, כפי שהניחו ב- Eqn. 1?
  2. הערך את LMTD עבור כל תנאי לאחר Eqn. 2 באמצעות Q מ שלב 3.1. הערכת מחליף החום UA (מוגדר ב- Eqn. 3). האם כמות זו קבועה בקירב לתנאים נחשבים?
  3. להעריך את UA התיאורטי עבור זרימת למינאר מפותחת במלואה HX זה (Eqn. 4) באמצעות קצב העברת החום הממוצע ((QC+QH)/2). כיצד ערך תיאורטי זה משתווה לערך הנמדד?

כותרת פרק

התעתיק

1

מחליפי חום הם רכיבים בכל מקום במערכות אנרגיה. כמה דוגמאות נפוצות הן רדיאטורים לרכב ומאיידי מקרר. בשני המקרים, מחליף החום מקל על העברת החום, מזרם אחד של נוזל למשנהו. מדוגמאות אלה, ברור כי מחליפי חום חשובים במגוון מערכות; בעיקר מתן ניהול תרמי או מעברים במחזורים תרמודינמיים. הבנה של אופן הדגם והתעריף של מחליפי חום חשובה לאופטימיזציה של עיצובים ושילוב מחליפי חום במערכות גדולות יותר. וידאו זה ימחיש כמה עקרונות של עיצוב וניתוח מחליף חום, ולאחר מכן להדגים מושגים אלה על עיצוב מחליף חום צינור-in-tube פשוט. בסוף, כמה יישומים נפוצים ייבדקו.

2

מחליף חום מעוצב היטב צריך להקל על העברת חום יעילה ורציפה בין שני זרמי נוזלים, מבלי לאפשר להם לערבב. כאשר שני זרמי נוזלים נכנסים למחליף חום, הם מובאים למגע תרמי קרוב על פני מחסום פיזי. חילופי חום מונעים על ידי הבדלי טמפרטורה מקומיים ככל שהנוזלים מתקדמים, עד שהנוזלים מגיעים ליציאה. התוצאה היא כי חם יותר של שני נוזלים הנכנסים מחליף החום ייצא עם טמפרטורה מופחתת, ואת הקר של השניים עם טמפרטורה מוגברת. במהלך פעולה קבועה, קצב העברת החום של הנוזל החם נקבע על ידי קצב זרימת המסה והחום הספציפי של הנוזל, כפול ההבדל בטמפרטורה בין הכניסה ליציאה. אותה נוסחה חלה על נוזל הקור כאשר נעשה שימוש בערכים המתאימים. אם דליפת חום לסביבה זניחה, סדר הגודל של שני שיעורי ההעברה יהיה שווה. משמעות הדבר היא כי כל חום שאבד על ידי נוזל חם, הוא הרוויח על ידי נוזל קר. ההולכות הכוללת בווטס לכל קלווין, היא מדד לקיבולת העברת החום של מחליף חום. בואו ננתח גיאומטריה מסוימת הידועה כמחליף חום נגד זרימה, צינור בצינור. בעיצוב זה, הנוזל החם זורם בכיוון אחד בתוך קטע ישר של הצינור. הנוזל הקר זורם בכיוון ההפוך, באנולוס בין הצינור החם לצינור החיצוני השני. הפרש הטמפרטורה הממוצע המניע את העברת החום בין שני הנחלים בגיאומטריה זו, הוא הפרש הטמפרטורה הממוצע ביומן, שניתן לחשב מטמפרטורות הקלט והפלט של שני הזרמים. באמצעות מודל זה של פעולת מחליף חום, אנו יכולים לענות על שני סוגים שונים של בעיות ניתוח מחליף חום. דירוג ועיצוב. אם קצב העברת החום וההפרש בטמפרטורה הממוצע ביומן ידועים, למשל על ידי מדידה ניסיונית, ניתן לחשב את המוליכות הכוללת מהיחס בין השניים. לצורך העיצוב עם זאת, כדאי לחזות מה תהיה ההולכות הכוללת מהגאומטריה ומאפייני החומר של מחליף החום. זה יכול להיעשות על ידי מציאת סכום של התנגדויות תרמיות בין שני הנחלים. עבור הגיאומטריה הצינור בצינור, התנגדויות אלה נקבעות על ידי: convection בצינור הנוזל החם, הולכה דרך קיר הצינור הפנימי, ו convection שוב אנולוס נוזל קר. ההופכי של סכום זה נותן את ההולכה הכוללת עבור מחליף חום נגד זרימה נגד צינור. עכשיו שראינו איך לנתח את מחליף החום, בואו נבדוק אחד במעבדה.

3

יש להצמיד שני מיכלי פלסטיק משני צדי משטח העבודה כדי לשמש כמאגרי מים חמים וקרים. במידת הצורך, לקדוח חורים במכסים עבור קווי מים מפרצון ושקע, כמו גם את כבל החשמל משאבה. כשתסיים, הרכיב משאבה קטנה בצוללת בכל מאגר. לאחר מכן, הר מד זרימת מים, או רוטמטר, אנכית ליד כל מאגר, ולאחר מכן השתמש צינורות PVC רכים כדי לחבר את שקעי המשאבה למפרצוני מד הזרימה. עכשיו, להתקין שני אביזרי טי צינור דחיסה על צינור המים הקרים החיצוני של מחליף החום. חבר צינור PVC גמיש אחד, מהיציאה הצדדית של התאמת טי הסמוכה, לשקע של מד זרימה חמה. עבור צינור זרימת הדלפק החם, לחתוך קטע של צינורות אלומיניום שווה באורך למחליף החום, כולל אביזרי טי בקצה, ולהכניס אותו לתוך ההרכבה. לאחר מכן, חבר צינור פלסטיק רך, החל מהתאמה לדחיסה בקצה השני של הרכבת מחליף החום, למאגר המים החמים. הדקו את אביזרי הדחיסה כדי לאטום את צינורות הפלסטיק הרכים סביב צינור האלומיניום. זה יפריד את הזרימה החמה, דרך צינור האלומיניום הפנימי, מהזרימה הקרה החיצונית. חבר את צינור ה- PVC הגמיש, מהיציאה הצדדית על התאמת טי אחת, לשקע מד הזרימה הקרה ולאחר מכן חבר צינור שני ליציאה הצדדית של התאמת טי האחרת החוזרת למאגר המים הקרים. לפני שתמשיך, אשר כי זרם חם וקר, למחליף החום, נמצאים בקצוות מנוגדים. קודחים חור קטן דרך צד אחד של צינור הפלסטיק הרך ליד כל פתח ויציאת שקע של מחליף החום. הכנס בעדינות גשושית תרמו-סקופ לכל יציאה, כך שקצה הגשושית נמצא בערך במרכז הצינור. לבסוף, השתמש אפוקסי, או דבק דומה, כדי לאטום את הפער הקטן בצינורות סביב בדיקות thermocouple נגד דליפות מים. כאשר האפוקסי נרפא, חבר את כל ארבעת בדיקות התרמו-קופל לקורא תרמו-קופל. כעת, לאחר שהרכבה הושלמה, אתה מוכן להתחיל בבדיקה.

4

מלאו את המאגר הקר במי ברז בטמפרטורת החדר, ואת המאגר החם במים חמים. הפעל את שתי משאבות המים ולהתאים את שסתומי המחט על מדי הזרימה כדי להגדיל את הזרימה בשתי הלולאות. אפשר למים לזרום מספיק זמן כדי לשטוף החוצה את כל בועות האוויר הלכודות. לאחר הסרת בועות האוויר, התאם את קצב הזרימה בשתי הלולאות לכ-0.1 ליטר לדקה. המתן מספר דקות כדי לאפשר למערכת להתייצב, ולאחר מכן תיעד את טמפרטורות המפרצון והשקע שדווחו על-ידי ארבע קריאות התרמו-סקופל. לקורא התרמי-סקופ שלך עשויה להיות פונקציית החזקה להקפאת הערכים הנוכחיים בעת ההקלטה. הקלט חמש קבוצות נוספות של קריאות בתנאי זרימה אלה. חזור על מדידות אלה עבור קצבי זרימה של כ 0.125 ליטר לדקה, ו 0.15 ליטר לדקה. אם הפרש הטמפרטורה בין התשומות החמות והקורות יורד מתחת ל -5 מעלות צלזיוס, מלאו את המאגרים במים חמים וקרים טריים. כעת, לאחר שהמדידות הושלמו, בואו נסתכל על התוצאות.

5

אמורות להיות לך 18 ערכות נתונים, ולכל אחת מהן מוגדר קצב זרימת אמצעי אחסון נמדד. הערה עבור בדיקות אלה, אותו קצב זרימה, V-dot, משמש עבור הזרמים החמים והקרים. ראשית, השתמש בצפיפות המים כדי להמיר כל ערך של קצב זרימת הנפח לקצב זרימת מסה. כעת, חישבו את קצב שינוי האנרגיה עבור הזרמים החמים והקרים בכל קבוצה על-ידי הכפלת קצב זרימת המסה, חום המים הספציפי, והפרשי הטמפרטורה המתאימים. בסעיף העקרוני הנחנו כי סדר הגודל של שיעורים אלה יהיה שווה. להפיץ אי ודאויות, כך שאתה יכול להשוות אותם. ברוב המקרים, שיעורי העברת החום תואמים לחוסר ודאות; עם זאת, ככל שקצב הזרימה יורד, יש מגמה של אובדן חום מוגבר מהנוזל החם, בהשוואה לחום שנצבר על ידי נוזל הקור. סביר להניח שזו תוצאה של אובדן חום לסביבה הסובבת; אבל מאז ההשפעה היא קטנה, קצב העברת החום הממוצע יכול לשמש עבור שאר הניתוח. לאחר מכן, מאפשר להעריך את ההולכה הכוללת של מחליף החום, אשר ניתן לקבוע מקצב העברת החום הנמדד, ואת היומן אומר הפרש טמפרטורה. ההולכות הכוללת תלויה במוליכות תרמיות חומריות, בתנאי הזרימה ובגאומטריה של מחליף החום. אנו צופים כי ערך זה לא ישתנה באופן משמעותי עם קצב הזרימה עבור זרמי למינאר במהירות נמוכה נחשב כאן. השתמש בטמפרטורות שנמדדו עם המשוואה הנתונה בטקסט כדי לחשב את הפרש הטמפרטורה הממוצע של יומן הרישום. כעת, חלקו את קצב השינוי הממוצע באנרגיה לפי יומן העץ, משמעות הפרש הטמפרטורה עבור כל קבוצה תניב את ההולכות הכוללת. כפי שצפינו, ההולכה הכוללת קבועה יחסית על פני מגוון התנאים שנבדקו, כפי שמעיד סטיית התקן הקטנה מעל ערכת הנתונים. תוצאה זו, לעומת זאת, גבוהה מהערך התיאורטי הצפוי לזרימת למינאר מפותחת ויציבה. אם נניח שפיתוח זרימה במפרצונים בשני הערוצים, ונשתמש בגורמי תיקון מתאימים, התחזית התיאורטית תהיה גבוהה מהתוצאה הנמדדת שלנו. במציאות, הזרימה בערוץ הפנימי תפותח חלקית לפני ההגעה למפרצון מחליף החום, וזה עשוי להסביר את ערך הביניים של ההולכות הכוללת. עכשיו לאחר שניתחנו את התוצאות של מחליף החום הפשוט שלנו, בואו נסתכל על כמה יישומים טיפוסיים.

6

מחליפי חום מועסקים במגוון רחב של תרחישים בכל פעם שיש להקל על העברת חום בין שני זרמי נוזלים. בתחנות רבות לייצור חשמל, מחליפי חום מחולל קיטור מעבירים חום מגז בטמפרטורה גבוהה כדי לייצר קיטור בלחץ גבוה כדי לנהוג בטורבינות. במורד הזרם מטורבינות אלה, מחליפי חום מעבים דוחים חום מן קיטור הלחץ הנמוך, מנוזל את הנוזל ומאפשר מחזור לפעול ברציפות. במקררים ובמערכות מיזוג אוויר, מחליפי חום מאיידים סופגים אנרגיה תרמית מהאוויר בחלל המותנה כדי לשמור על הטמפרטורות הרצויות.

7

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לניתוח מחליף חום. אתה צריך לדעת להבין את העקרונות הבסיסיים של מחליפי חום, וכיצד לנתח את הביצועים שלהם באופן ניסיוני ותיאורטי. תודה שצפיתם.

מחליפי חום הם רכיבים בכל מקום במערכות אנרגיה. כמה דוגמאות נפוצות הן רדיאטורים לרכב ומאיידי מקרר. בשני המקרים, מחליף החום מקל על העברת החום, מזרם אחד של נוזל למשנהו. מדוגמאות אלה, ברור כי מחליפי חום חשובים במגוון מערכות; בעיקר מתן ניהול תרמי או מעברים במחזורים תרמודינמיים. הבנה של אופן הדגם והתעריף של מחליפי חום חשובה לאופטימיזציה של עיצובים ושילוב מחליפי חום במערכות גדולות יותר. וידאו זה ימחיש כמה עקרונות של עיצוב וניתוח מחליף חום, ולאחר מכן להדגים מושגים אלה על עיצוב מחליף חום צינור-in-tube פשוט. בסוף, כמה יישומים נפוצים ייבדקו.

מחליף חום מעוצב היטב צריך להקל על העברת חום יעילה ורציפה בין שני זרמי נוזלים, מבלי לאפשר להם לערבב. כאשר שני זרמי נוזלים נכנסים למחליף חום, הם מובאים למגע תרמי קרוב על פני מחסום פיזי. חילופי חום מונעים על ידי הבדלי טמפרטורה מקומיים ככל שהנוזלים מתקדמים, עד שהנוזלים מגיעים ליציאה. התוצאה היא כי חם יותר של שני נוזלים הנכנסים מחליף החום ייצא עם טמפרטורה מופחתת, ואת הקר של השניים עם טמפרטורה מוגברת. במהלך פעולה קבועה, קצב העברת החום של הנוזל החם נקבע על ידי קצב זרימת המסה והחום הספציפי של הנוזל, כפול ההבדל בטמפרטורה בין הכניסה ליציאה. אותה נוסחה חלה על נוזל הקור כאשר נעשה שימוש בערכים המתאימים. אם דליפת חום לסביבה זניחה, סדר הגודל של שני שיעורי ההעברה יהיה שווה. משמעות הדבר היא כי כל חום שאבד על ידי נוזל חם, הוא הרוויח על ידי נוזל קר. ההולכות הכוללת בווטס לכל קלווין, היא מדד לקיבולת העברת החום של מחליף חום. בואו ננתח גיאומטריה מסוימת הידועה כמחליף חום נגד זרימה, צינור בצינור. בעיצוב זה, הנוזל החם זורם בכיוון אחד בתוך קטע ישר של הצינור. הנוזל הקר זורם בכיוון ההפוך, באנולוס בין הצינור החם לצינור החיצוני השני. הפרש הטמפרטורה הממוצע המניע את העברת החום בין שני הנחלים בגיאומטריה זו, הוא הפרש הטמפרטורה הממוצע ביומן, שניתן לחשב מטמפרטורות הקלט והפלט של שני הזרמים. באמצעות מודל זה של פעולת מחליף חום, אנו יכולים לענות על שני סוגים שונים של בעיות ניתוח מחליף חום. דירוג ועיצוב. אם קצב העברת החום וההפרש בטמפרטורה הממוצע ביומן ידועים, למשל על ידי מדידה ניסיונית, ניתן לחשב את המוליכות הכוללת מהיחס בין השניים. לצורך העיצוב עם זאת, כדאי לחזות מה תהיה ההולכות הכוללת מהגאומטריה ומאפייני החומר של מחליף החום. זה יכול להיעשות על ידי מציאת סכום של התנגדויות תרמיות בין שני הנחלים. עבור הגיאומטריה הצינור בצינור, התנגדויות אלה נקבעות על ידי: convection בצינור הנוזל החם, הולכה דרך קיר הצינור הפנימי, ו convection שוב אנולוס נוזל קר. ההופכי של סכום זה נותן את ההולכה הכוללת עבור מחליף חום נגד זרימה נגד צינור. עכשיו שראינו איך לנתח את מחליף החום, בואו נבדוק אחד במעבדה.

יש להצמיד שני מיכלי פלסטיק משני צדי משטח העבודה כדי לשמש כמאגרי מים חמים וקרים. במידת הצורך, לקדוח חורים במכסים עבור קווי מים מפרצון ושקע, כמו גם את כבל החשמל משאבה. כשתסיים, הרכיב משאבה קטנה בצוללת בכל מאגר. לאחר מכן, הר מד זרימת מים, או רוטמטר, אנכית ליד כל מאגר, ולאחר מכן השתמש צינורות PVC רכים כדי לחבר את שקעי המשאבה למפרצוני מד הזרימה. עכשיו, להתקין שני אביזרי טי צינור דחיסה על צינור המים הקרים החיצוני של מחליף החום. חבר צינור PVC גמיש אחד, מהיציאה הצדדית של התאמת טי הסמוכה, לשקע של מד זרימה חמה. עבור צינור זרימת הדלפק החם, לחתוך קטע של צינורות אלומיניום שווה באורך למחליף החום, כולל אביזרי טי בקצה, ולהכניס אותו לתוך ההרכבה. לאחר מכן, חבר צינור פלסטיק רך, החל מהתאמה לדחיסה בקצה השני של הרכבת מחליף החום, למאגר המים החמים. הדקו את אביזרי הדחיסה כדי לאטום את צינורות הפלסטיק הרכים סביב צינור האלומיניום. זה יפריד את הזרימה החמה, דרך צינור האלומיניום הפנימי, מהזרימה הקרה החיצונית. חבר את צינור ה- PVC הגמיש, מהיציאה הצדדית על התאמת טי אחת, לשקע מד הזרימה הקרה ולאחר מכן חבר צינור שני ליציאה הצדדית של התאמת טי האחרת החוזרת למאגר המים הקרים. לפני שתמשיך, אשר כי זרם חם וקר, למחליף החום, נמצאים בקצוות מנוגדים. קודחים חור קטן דרך צד אחד של צינור הפלסטיק הרך ליד כל פתח ויציאת שקע של מחליף החום. הכנס בעדינות גשושית תרמו-סקופ לכל יציאה, כך שקצה הגשושית נמצא בערך במרכז הצינור. לבסוף, השתמש אפוקסי, או דבק דומה, כדי לאטום את הפער הקטן בצינורות סביב בדיקות thermocouple נגד דליפות מים. כאשר האפוקסי נרפא, חבר את כל ארבעת בדיקות התרמו-קופל לקורא תרמו-קופל. כעת, לאחר שהרכבה הושלמה, אתה מוכן להתחיל בבדיקה.

מלאו את המאגר הקר במי ברז בטמפרטורת החדר, ואת המאגר החם במים חמים. הפעל את שתי משאבות המים ולהתאים את שסתומי המחט על מדי הזרימה כדי להגדיל את הזרימה בשתי הלולאות. אפשר למים לזרום מספיק זמן כדי לשטוף החוצה את כל בועות האוויר הלכודות. לאחר הסרת בועות האוויר, התאם את קצב הזרימה בשתי הלולאות לכ-0.1 ליטר לדקה. המתן מספר דקות כדי לאפשר למערכת להתייצב, ולאחר מכן תיעד את טמפרטורות המפרצון והשקע שדווחו על-ידי ארבע קריאות התרמו-סקופל. לקורא התרמי-סקופ שלך עשויה להיות פונקציית החזקה להקפאת הערכים הנוכחיים בעת ההקלטה. הקלט חמש קבוצות נוספות של קריאות בתנאי זרימה אלה. חזור על מדידות אלה עבור קצבי זרימה של כ 0.125 ליטר לדקה, ו 0.15 ליטר לדקה. אם הפרש הטמפרטורה בין התשומות החמות והקורות יורד מתחת ל -5 מעלות צלזיוס, מלאו את המאגרים במים חמים וקרים טריים. עכשיו שהמדידות הושלמו, בואו נסתכל על התוצאות.

אמורות להיות לך 18 ערכות נתונים, ולכל אחת מהן מוגדר קצב זרימת אמצעי אחסון נמדד. הערה עבור בדיקות אלה, אותו קצב זרימה, V-dot, משמש עבור הזרמים החמים והקרים. ראשית, השתמש בצפיפות המים כדי להמיר כל ערך של קצב זרימת הנפח לקצב זרימת מסה. כעת, חישבו את קצב שינוי האנרגיה עבור הזרמים החמים והקרים בכל קבוצה על-ידי הכפלת קצב זרימת המסה, חום המים הספציפי, והפרשי הטמפרטורה המתאימים. בסעיף העקרוני הנחנו כי סדר הגודל של שיעורים אלה יהיה שווה. להפיץ אי ודאויות, כך שאתה יכול להשוות אותם. ברוב המקרים, שיעורי העברת החום תואמים לחוסר ודאות; עם זאת, ככל שקצב הזרימה יורד, יש מגמה של אובדן חום מוגבר מהנוזל החם, בהשוואה לחום שנצבר על ידי נוזל הקור. סביר להניח שזו תוצאה של אובדן חום לסביבה הסובבת; אבל מאז ההשפעה היא קטנה, קצב העברת החום הממוצע יכול לשמש עבור שאר הניתוח. לאחר מכן, מאפשר להעריך את ההולכה הכוללת של מחליף החום, אשר ניתן לקבוע מקצב העברת החום הנמדד, ואת היומן אומר הפרש טמפרטורה. ההולכות הכוללת תלויה במוליכות תרמיות חומריות, בתנאי הזרימה ובגאומטריה של מחליף החום. אנו צופים כי ערך זה לא ישתנה באופן משמעותי עם קצב הזרימה עבור זרמי למינאר במהירות נמוכה נחשב כאן. השתמש בטמפרטורות שנמדדו עם המשוואה הנתונה בטקסט כדי לחשב את הפרש הטמפרטורה הממוצע של יומן הרישום. כעת, חלקו את קצב השינוי הממוצע באנרגיה לפי יומן העץ, משמעות הפרש הטמפרטורה עבור כל קבוצה תניב את ההולכות הכוללת. כפי שצפינו, ההולכה הכוללת קבועה יחסית על פני מגוון התנאים שנבדקו, כפי שמעיד סטיית התקן הקטנה מעל ערכת הנתונים. תוצאה זו, לעומת זאת, גבוהה מהערך התיאורטי הצפוי לזרימת למינאר מפותחת ויציבה. אם נניח שפיתוח זרימה במפרצונים בשני הערוצים, ונשתמש בגורמי תיקון מתאימים, התחזית התיאורטית תהיה גבוהה מהתוצאה הנמדדת שלנו. במציאות, הזרימה בערוץ הפנימי תפותח חלקית לפני ההגעה למפרצון מחליף החום, וזה עשוי להסביר את ערך הביניים של ההולכות הכוללת. עכשיו שיש לנו ניתחנו את התוצאות של מחליף החום הפשוט שלנו, בואו נסתכל על כמה יישומים טיפוסיים.

מחליפי חום מועסקים במגוון רחב של תרחישים בכל פעם שיש להקל על העברת חום בין שני זרמי נוזלים. בתחנות רבות לייצור חשמל, מחליפי חום מחולל קיטור מעבירים חום מגז בטמפרטורה גבוהה כדי לייצר קיטור בלחץ גבוה כדי לנהוג בטורבינות. במורד הזרם מטורבינות אלה, מחליפי חום מעבים דוחים חום מן קיטור הלחץ הנמוך, מנוזל את הנוזל ומאפשר מחזור לפעול ברציפות. במקררים ובמערכות מיזוג אוויר, מחליפי חום מאיידים סופגים אנרגיה תרמית מהאוויר בחלל המותנה כדי לשמור על הטמפרטורות הרצויות.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לניתוח מחליף חום. אתה צריך לדעת להבין את העקרונות הבסיסיים של מחליפי חום, וכיצד לנתח את הביצועים שלהם באופן ניסיוני ותיאורטי. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

טבלה 1 - מדידות וערכי LMTD ו- UA נגזרים עבור מחליף חום בקצבי זרימה חמה וקרה של 0.20 ו- 0.15 l min-1.

תעריפי זרימה חמה וקרה (דקה-1) TH,in (°C, ±0.25°C) TC,out (°C, ±0.25°C) TH,out (°C, ±0.25°C) TC,in (°C, ±0.25°C) QC (W) QH (W) LMTD (°C, ±0.25°C) UA (W K-1)
0.126 ± 0.006 31.2 25.7 28.7 23.1 22.8 ± 3.3 21.9 ± 3.3 5.55 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

טמפרטורות נמדדות מייצגות וקצבי זרימה וערכי LMTD ו- UA המתקבלים מוצגים בטבלה 1 עבור קצבי זרימת נוזלים חמים וקרים של 0.20 ו- 0.15 ליטר דקה-1 (3 מדידות כל אחד). ניתוח התפשטות אי ודאות בוצע כדי לקבוע אי ודאות עבור כמויות נגזרות (QC, QH, LMTD, UA). איחוד האמירויות נבחנה באמצעות קצב העברת החום הממוצע של שני הנחלים. בתנאי קצב הזרימה הגבוהים יותר נצפתה הסכמה קרובה לשיעורי זרימה חמה וקרה. בשיעורי זרימה נמוכים יותר, ההסכמה היא רק בתוך אי ודאות ניסיונית.

קצב העברת החום הכולל הממוצע קבוע יחסית על פני טווח התנאים הנחשב (UA ~ 4.0 ± 0.5 W K-1). נתון זה גבוה מהערך החזוי לזרימה מפותחת לחלוטין (Eqn. 4): UA = 2.7 W K-1. הערך הנמדד נמוך מהתוצאה בהנחה שתפתח זרימה בשני הערוצים החל מהמפרצונים: 4.8 WK-1 (באמצעות גורמי תיקון זרימה מתפתחים מ- [1]). בפועל, זרימת הערוץ הפנימי החם מתפתחת חלקית בצנרת לפני ההגעה למפרצון HX. זה עשוי להסביר את ערך הביניים הנמדד של איחוד האמירויות הערביות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

בניסוי זה, מחליף חום נגד זרימה נגד צינור היה מפוברק, ואת יכולת העברת החום שלה (UA) נמדדה באופן ניסיוני (מדורג). הביצועים שהתקבלו הושוו לתוצאות ממודל תיאורטי. מחליפי חום מודרניים משתמשים לעתים קרובות בעיצובים מתוחכמים יותר, עם משטחים מחוסנים ומשופרים כדי להגביר את עוצמת העברת החום וסידורים אופטימליים של זרימה צולבת ונגדית נוזלים. עם זאת, המושגים והפרמטרים הבסיסיים שהוצגו כאן (UA, LMTD) חלים על כל מחליפי החום.

ניסויי דירוג מחליפי חום, כפי שהודגם כאן, הם קריטיים לקביעת האם מחליפי חום מיוצרים עומדים ביכולות הרצויות (ערכי UA) כדי להבטיח ביצועי מערכת אנרגיה מקובלים. באופן דומה, יש לפתח ולאמת מודלים של ביצועי מחליף חום(למשל,Eqn. 4) כדי להנחות את עיצוב מחליף החום. ניסוי זה מספק מבוא מעשי לדירוג מחליף חום אלה ולתהליכי מידול.

מחליפי חום מועסקים בטכנולוגיות עתירות אנרגיה רבות ובמכשירי חשמל ביתיים מוכרים. בתחנות רבות לייצור חשמל, מחליפי חום של גנרטור קיטור מעבירים חום מגז בטמפרטורה גבוהה כדי לייצר קיטור בלחץ גבוה כדי לנהוג בטורבינות. במורד הזרם מטורבינות אלה, מחליפי חום מעבים דוחים חום מן קיטור בלחץ נמוך, מנוזל את הנוזל, ומאפשר מחזור לפעול ברציפות. בתהליכים תעשייתיים רבים, מחליפי חום מחלימים יכולים להעביר חום בטמפרטורה נמוכה מזרם פליטה לחימום מראש של נוזל הצריכה, מה שמפחית את צריכת האנרגיה. במקררים ובמערכות מיזוג אוויר, מחליפי חום מאידים סופגים אנרגיה תרמית מהאוויר בחלל ממוזג כדי לשמור על הטמפרטורות הרצויות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

References

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

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter