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Analisi dello scambiatore di calore

Overview

Fonte: Alexander S Rattner e Christopher J Greer; Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Nucleare, The Pennsylvania State University, University Park, PA

Gli scambiatori di calore trasferiscono energia termica tra due flussi di fluidi e sono onnipresenti nei sistemi energetici. Le applicazioni comuni includono radiatori per auto (trasferimento di calore dal refrigerante caldo del motore all'aria circostante), evaporatori per frigoriferi (aria all'interno del vano frigorifero per evaporare il refrigerante) e torri di raffreddamento nelle centrali elettriche (condensazione del vapore per evaporazione dell'acqua e dell'aria ambiente). L'obiettivo di questo esperimento è quello di introdurre misure sperimentali (rating) e procedure di modellazione per scambiatori di calore.

In questo esperimento, verrà costruito e valutato uno scambiatore di calore tubo-in-tubo acqua-acqua. Le misurazioni della temperatura e della portata saranno utilizzate per determinare la velocità di trasferimento del calore(Q)e la conduttanza complessiva (UA). Lo scambiatore di calore misurato UA verrà confrontato con i valori previsti per la geometria e le condizioni operative.

Principles

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In uno scambiatore di calore (HX), l'energia termica viene trasferita da un flusso di fluido caldo(H)a un flusso di fluido freddo(C). Ogni flusso può avere una diversa portata di massa ( Equation 1 ) e calore specifico ( Equation 2 ). Quando i flussi passano attraverso un HX, la temperatura del flusso caldo diminuisce e la temperatura del flusso freddo aumenta. Durante il funzionamento costante, se la perdita di calore nell'ambiente circostante è trascurabile, i cambiamenti di energia dei due flussi dalle entrate alle uscite devono bilanciarsi. Questo cambiamento di energia è la velocità di trasferimento del calore dello scambiatore di calore Q.

Equation 3 (1)

In questo esperimento, le prestazioni di trasferimento del calore vengono analizzate per uno scambiatore di calore tubo-in-tubo controcorrente. Qui il fluido caldo scorre in una direzione attraverso una camera d'aria. Il fluido freddo scorre nella direzione opposta attraverso lo spazio anulare tra la camera d'aria e un tubo esterno. La differenza di temperatura media che guida il trasferimento di calore tra i due flussi è la differenza di temperatura log-media (LMTD, Fig. 1), definita in Eqn. 2 per la configurazione HX controcorrente. Se le differenze di temperatura ad entrambe le estremità dello scambiatore di calore corrispondono alla precisione di misurazione ( Equation 4 ), è necessario utilizzare una formula LMTD più semplice.

Equation 5 (2)

La capacità di trasferimento del calore di uno scambiatore di calore viene misurata in termini di conduttanza complessiva (UA). Questa quantità ha unità di W K-1 (velocità di trasferimento del calore per differenza di temperatura). L'UA può essere valutato in base alle velocità di trasferimento del calore misurate e alle temperature del fluido:

Equation 6 (3)

La geometria HX tubo-in-tubo è definita dalla lunghezza dei tubi (L), dai diametri interni ed esterni della camera d'aria (IDi, ODi) e dai diametri dei tubi esterni (IDo, ODo). Utilizzando questi parametri e le proprietà del materiale, lo scambiatore di calore UA può essere previsto tenendo conto delle resistenze termiche tra i due flussi. Per il flusso laminare completamente sviluppato nella camera d'aria, la resistenza termica dal flusso interno alla parete interna della camera d'aria è: Equation 7 dove k è la conduttività termica del fluido (0,61 W m-1 K-1 per l'acqua). La resistenza termica per la conduzione attraverso la parete del tubo interno, è: Equation 8 (tubo k= 160 W m-1 K-1 per l'alluminio). Infine, per il flusso laminare completamente sviluppato in un anulus stretto, la resistenza alla convezione dall'esterno del tubo interno al flusso esterno è: Equation 9 . In queste condizioni, l'HX UA previsto è:
Equation 10 (4)

Figure 1
Figura 1: Profili di temperatura del flusso freddo e caldo e differenza di temperatura media logaritmo in uno scambiatore di calore a controcorrente.

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Procedure

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1. Fabbricazione del sistema di scambiatori di calore (vedi schema e fotografia, Fig. 2)

  1. Fissare due serbatoi d'acqua in plastica (~ 1 litro ciascuno) su una superficie di lavoro (~ 0,6 m di distanza). Se si tratta di contenitori coperti, praticare fori nel coperchio per le linee dell'acqua in ingresso e in uscita e il cavo di alimentazione della pompa. Questi serviranno come serbatoi di acqua calda e fredda.
  2. Montare una piccola pompa sommergibile in ogni serbatoio.
  3. Montare verticalmente due misuratori di portata d'acqua (rotametri), uno vicino a ciascun serbatoio. Utilizzare tubi in PVC morbido per collegare le aste del flussometro alle porte di scarico della pompa.
  4. Installare il tubo esterno dello scambiatore di calore (HX) (~ 0,3 m di lunghezza, diametro esterno OD = 12,7 mm, diametro interno ID = 9,5 mm) in due raccordi a T per tubi di compressione (vedere Fig. 2). Collegare un tubo flessibile in PVC (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) dalla porta laterale su un raccordo a T all'uscita del flussometro caldo.
  5. Tagliare un tubo di alluminio (OD = 7,9 mm, ID = 6,2 mm) alla lunghezza dello scambiatore di calore, compresi i raccordi a T all'estremità (~ 0,38 m di lunghezza), e inserirlo nel gruppo scambiatore di calore. Il tubo di alluminio deve scorrere comodamente nel tubo in PVC di collegamento morbido (OD = 12,7 mm, ID = 6,2 mm) all'estremità del raccordo a compressione.
  6. Collegare un tubo in PVC morbido dal raccordo a compressione all'altra estremità del gruppo HX al serbatoio dell'acqua calda. Stringere i raccordi a compressione per sigillare il tubo di plastica morbida attorno al tubo di alluminio. Questo separerà il flusso caldo attraverso il tubo interno in alluminio dal flusso freddo esterno.
  7. Collegare un tubo flessibile in PVC dalla porta laterale su un raccordo a T all'uscita del flussometro freddo. Collegare un tubo in PVC dalla porta laterale sull'altro raccordo a T al serbatoio dell'acqua fredda (flusso di ritorno). Le insenature del flusso caldo e freddo all'HX dovrebbero essere alle estremità opposte.
  8. Praticare piccoli fori (~ 1,6 mm di diametro) attraverso un lato dei tubi di plastica morbida vicino a ciascuna porta di ingresso e uscita dello scambiatore di calore (4 totali). Inserire delicatamente una sonda termocoppia in ciascuna porta in modo che la punta della sonda si trova approssimativamente al centro del tubo. Collegare le sonde termocoppia a un lettore di termocoppie
  9. Utilizzo di adesivo epossidico o simile per sigillare il piccolo spazio nei tubi attorno alle sonde della termocoppia in modo che non fuoriesca acqua.

Figure 2
Figura 2: a) Fotografia schematica e b) etichettata del sistema sperimentale di classificazione dello scambiatore di calore

2. Funzionamento

  1. Riempire il serbatoio freddo con acqua di rubinetto a temperatura ambiente e il serbatoio caldo con acqua calda.
  2. Accendere le due pompe dell'acqua e utilizzare le valvole a spillo del flussometro per regolare le portate ai valoridesiderati (ad esempio,0,1 l min-1). Potrebbe essere necessario far circolare l'acqua a una portata più elevata inizialmente per eliminare le bolle d'aria intrappolate.
  3. Lasciare stabilizzare il sistema per un paio di minuti, quindi registrare le quattro misurazioni della termocoppia che rappresentano le temperature di ingresso e di uscita. Registrare alcuni set di letture per ogni condizione di flusso. Se disponibile, la funzione di attesa sul lettore di termocoppie può bloccare le letture per facilitare la registrazione.
  4. Raccogliere le misurazioni della temperatura a pochi set di portate di acqua calda e fredda. Riempire periodicamente i serbatoi con acqua fresca calda e fredda per mantenere sufficienti differenze di temperatura media (~ 5 - 10 ° C).

3. Analisi

  1. Per ogni condizione, confrontare i tassi di variazione dell'energia del flusso caldo e freddo ( Equation 11 , Equation 12 ). Per l'acqua, cp = 4,2 kJ kg-1 K-1. e la portata volumetrica può essere moltiplicata per densità (ρacqua = 997 kg m-3) per trovare la portata massiva. I tassi di variazione dell'energia (Q) corrispondono, come ipotizzato in Eqn. 1?
  2. Valutare l'LMTD per ogni condizione successiva a Eqn. 2 utilizzando Q dal passaggio 3.1. Valutare lo scambiatore di calore UA (definito in Eqn. 3). Questa quantità è approssimativamente costante per le condizioni considerate?
  3. Valutare l'UA teorico per il flusso laminare completamente sviluppato in questo HX (Eqn. 4) utilizzando la velocità media di trasferimento del calore ((QC+QH)/2). Come si confronta questo valore teorico con il valore misurato?

Titolo del capo

Trascrizione

1

Gli scambiatori di calore sono componenti onnipresenti nei sistemi energetici. Alcuni esempi comuni sono i radiatori per auto e gli evaporatori per frigoriferi. In entrambi i casi, lo scambiatore di calore facilita il trasferimento di calore, da un flusso di fluido all'altro. Da questi esempi, è chiaro che gli scambiatori di calore sono importanti in una varietà di sistemi; Principalmente fornendo gestione termica o transizioni in cicli termodinamici. La comprensione di come modellare e valutare gli scambiatori di calore è importante per ottimizzare i progetti e integrare gli scambiatori di calore in sistemi più grandi. Questo video illustrerà alcuni principi della progettazione e dell'analisi degli scambiatori di calore e quindi dimostrerà tali concetti su un semplice design di scambiatore di calore tubo-in-tubo. Alla fine, verranno esplorate alcune applicazioni comuni.

2

Uno scambiatore di calore ben progettato dovrebbe facilitare un trasferimento di calore efficiente e continuo tra due flussi di fluido, senza consentire loro di mescolarsi. Quando due flussi di fluido entrano in uno scambiatore di calore, vengono portati in stretto contatto termico attraverso una barriera fisica. Lo scambio termico è guidato da differenze di temperatura locali man mano che i fluidi progrediscono, fino a quando i fluidi raggiungono l'uscita. Il risultato è che il più caldo dei due fluidi che entrano nello scambiatore di calore uscirà con una temperatura ridotta e il più freddo dei due con una temperatura aumentata. Durante il funzionamento costante, la velocità di trasferimento del calore del fluido caldo è determinata dalla portata di massa e dal calore specifico del fluido, moltiplicato per la differenza di temperatura tra l'ingresso e l'uscita. La stessa formula si applica al fluido freddo quando vengono utilizzati i valori corrispondenti. Se la perdita di calore nell'ambiente circostante è trascurabile, l'entità delle due velocità di trasferimento sarà uguale. Ciò significa che qualsiasi calore perso dal fluido caldo, viene guadagnato dal fluido freddo. La conduttanza complessiva in Watt per Kelvin, è una misura della capacità di trasferimento del calore di uno scambiatore di calore. Analizziamo una particolare geometria nota come scambiatore di calore tubo-in-tubo a controcorrente. In questo progetto, il fluido caldo scorre in una direzione all'interno di una sezione diritta del tubo. Il fluido freddo scorre nella direzione opposta, nell'anulus tra il tubo caldo e un secondo tubo esterno. La differenza di temperatura media che guida il trasferimento di calore tra i due flussi in questa geometria, è la differenza di temperatura media logaritmo, che può essere calcolata dalle temperature di ingresso e uscita di entrambi i flussi. Utilizzando questo modello di funzionamento dello scambiatore di calore, possiamo rispondere a due diversi tipi di problemi di analisi dello scambiatore di calore. Valutazione e design. Se la velocità di trasferimento del calore e la differenza di temperatura media del log sono note, ad esempio mediante misurazione sperimentale, la conduttanza complessiva può essere calcolata dal rapporto tra i due. Ai fini della progettazione, tuttavia, è utile prevedere quale sarà la conduttanza complessiva dalla geometria e dalle proprietà del materiale dello scambiatore di calore. Questo può essere fatto trovando la somma delle resistenze termiche tra i due flussi. Per la geometria tubo-in-tubo, queste resistenze sono determinate da: convezione nel tubo del fluido caldo, conduzione attraverso la parete del tubo interno e convezione di nuovo nell'anulus del fluido freddo. L'inverso di questa somma fornisce la conduttanza complessiva per lo scambiatore di calore controcorrente tubo-in-tubo. Ora che abbiamo visto come analizzare lo scambiatore di calore, proviamone uno in laboratorio.

3

Apporre due contenitori di plastica sui lati opposti del piano di lavoro per fungere da serbatoi di acqua calda e fredda. Se necessario, praticare fori nei coperchi per le linee dell'acqua di ingresso e di uscita, nonché nel cavo di alimentazione della pompa. Quando hai finito, monta una piccola pompa sommergibile in ogni serbatoio. Quindi, montare un misuratore di portata d'acqua, o rotametro, verticalmente vicino a ciascun serbatoio, quindi utilizzare tubi in PVC morbido per collegare le uscite della pompa alle prese del flussometro. Ora, installare due raccordi a T per tubi di compressione sul tubo esterno dell'acqua fredda dello scambiatore di calore. Collegare un tubo flessibile in PVC, dalla porta laterale del vicino tee fitting, all'uscita del misuratore di portata calda. Per il tubo di flusso del contatore caldo, tagliare una sezione di tubo di alluminio di lunghezza uguale allo scambiatore di calore, compresi i raccordi a T all'estremità, e inserirlo nell'assieme. Quindi, collegare un tubo di plastica morbida, dal raccordo a compressione all'altra estremità del gruppo scambiatore di calore, al serbatoio dell'acqua calda. Stringere i raccordi a compressione per sigillare il tubo di plastica morbida attorno al tubo di alluminio. Questo separerà il flusso caldo, attraverso il tubo interno in alluminio, dal flusso freddo esterno. Collegare il tubo flessibile in PVC, dalla porta laterale su un raccordo a T, all'uscita del misuratore di portata fredda, quindi collegare un secondo tubo alla porta laterale dell'altro raccordo a T che ritorna al serbatoio dell'acqua fredda. Prima di continuare, confermare che le insenature del flusso caldo e freddo, allo scambiatore di calore, si trovino alle estremità opposte. Praticare un piccolo foro attraverso un lato del tubo di plastica morbida vicino a ciascuna porta di ingresso e di uscita dello scambiatore di calore. Inserire delicatamente una sonda termocoppia in ciascuna porta in modo che la punta della sonda si trova approssimativamente al centro del tubo. Infine, utilizzare la resina epossidica, o adesivo simile, per sigillare il piccolo spazio nei tubi attorno alle sonde della termocoppia contro le perdite d'acqua. Quando la resina epossidica è indurito, collegare tutte e quattro le sonde termocoppia a un lettore di termocoppie. Ora che l'assembly è completo, è possibile iniziare il test.

4

Riempire il serbatoio freddo con acqua di rubinetto a temperatura ambiente e il serbatoio caldo con acqua calda. Accendere entrambe le pompe dell'acqua e regolare le valvole a spillo sui misuratori di portata per aumentare il flusso in entrambi i circuiti. Lasciare che l'acqua circoli abbastanza a lungo da scovare eventuali bolle d'aria intrappolate. Una volta rimosse le bolle d'aria, regolare la portata in entrambi i loop a circa 0,1 litri al minuto. Attendere qualche minuto per consentire al sistema di stabilizzarsi, quindi registrare le temperature di ingresso e di uscita riportate dalle quattro letture della termocoppia. Il lettore di termocoppie potrebbe avere una funzione di attesa per bloccare i valori correnti durante la registrazione. Registrare altre cinque serie di letture in queste condizioni di flusso. Ripetere queste misurazioni per portate di circa 0,125 litri al minuto e 0,15 litri al minuto. Se la differenza di temperatura tra gli ingressi caldi e freddi scende al di sotto dei 5 gradi Celsius, riempire i serbatoi con acqua calda e fredda fresca. Ora che le misurazioni sono complete, diamo un'occhiata ai risultati.

5

Dovresti avere 18 set di dati e per ogni set una portata volumetrica misurata. Nota per questi test, la stessa portata, V-dot, viene utilizzata per i flussi caldi e freddi. Innanzitutto, utilizzare la densità dell'acqua per convertire ogni valore della portata volumetrica in una portata di massa. Ora, calcola il tasso di variazione di energia per i flussi caldi e freddi in ciascun set moltiplicando la portata di massa, il calore specifico dell'acqua e le rispettive differenze di temperatura. Nella sezione principale, abbiamo ipotizzato che l'entità di questi tassi sarebbe stata uguale. Propagare le incertezze in modo da poterle confrontare. Nella maggior parte dei casi, le velocità di trasferimento del calore corrispondono all'interno dell'incertezza; Tuttavia, man mano che la portata diminuisce, c'è una tendenza verso una maggiore perdita di calore dal fluido caldo, rispetto al calore acquisito dal fluido freddo. Questo è probabilmente il risultato della perdita di calore nell'ambiente circostante; Ma poiché l'effetto è piccolo, la velocità media di trasferimento del calore può essere utilizzata per il resto dell'analisi. Successivamente, valutiamo la conduttanza complessiva dello scambiatore di calore, che può essere determinata dalla velocità di trasferimento del calore misurata e dalla differenza di temperatura media del registro. La conduttanza complessiva dipende dalle conduttività termiche del materiale, dalle condizioni di flusso e dalla geometria dello scambiatore di calore. Prevediamo che questo valore non cambierà in modo significativo con la portata per i flussi laminari a bassa velocità considerati qui. Utilizzare le temperature misurate con l'equazione fornita nel testo per calcolare la differenza di temperatura media del registro. Ora, dividi il tasso medio di variazione dell'energia per la differenza di temperatura media del registro per ogni set per ottenere la conduttanza complessiva. Come anticipato, la conduttanza complessiva è relativamente costante nell'intervallo di condizioni che sono state testate, come evidenziato dalla piccola deviazione standard sul set di dati. Questo risultato, tuttavia, è superiore al valore teorico previsto per un flusso laminare costante completamente sviluppato. Se assumiamo il flusso in via di sviluppo alle insenature in entrambi i canali e utilizziamo fattori di correzione adatti, la previsione teorica sarà superiore al nostro risultato misurato. In realtà, il flusso nel canale interno sarà parzialmente sviluppato prima di raggiungere l'ingresso dello scambiatore di calore, e questo potrebbe spiegare il valore intermedio della conduttanza complessiva. Ora che abbiamo analizzato i risultati del nostro semplice scambiatore di calore, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni tipiche.

6

Gli scambiatori di calore sono impiegati in un'ampia varietà di scenari ogni volta che il trasferimento di calore deve essere facilitato tra due flussi di fluido. In molti impianti di generazione di energia, gli scambiatori di calore dei generatori di vapore trasferiscono calore dal gas ad alta temperatura per produrre vapore ad alta pressione per azionare le turbine. A valle di queste turbine, gli scambiatori di calore a condensatore respingono il calore dal vapore a bassa pressione, liquefacendo il fluido e consentendo al ciclo di funzionare in modo continuo. Nei frigoriferi e nei sistemi di condizionamento dell'aria, gli scambiatori di calore dell'evaporatore assorbono l'energia termica dall'aria nello spazio condizionato per mantenere le temperature desiderate.

7

Hai appena visto l'introduzione di Jove all'analisi degli scambiatori di calore. Dovresti conoscere i principi di base degli scambiatori di calore e come analizzare le loro prestazioni sperimentalmente e teoricamente. Grazie per l'attenzione.

Gli scambiatori di calore sono componenti onnipresenti nei sistemi energetici. Alcuni esempi comuni sono i radiatori per auto e gli evaporatori per frigoriferi. In entrambi i casi, lo scambiatore di calore facilita il trasferimento di calore, da un flusso di fluido all'altro. Da questi esempi, è chiaro che gli scambiatori di calore sono importanti in una varietà di sistemi; Principalmente fornendo gestione termica o transizioni in cicli termodinamici. La comprensione di come modellare e valutare gli scambiatori di calore è importante per ottimizzare i progetti e integrare gli scambiatori di calore in sistemi più grandi. Questo video illustrerà alcuni principi della progettazione e dell'analisi degli scambiatori di calore e quindi dimostrerà tali concetti su un semplice design di scambiatore di calore tubo-in-tubo. Alla fine, verranno esplorate alcune applicazioni comuni.

Uno scambiatore di calore ben progettato dovrebbe facilitare un trasferimento di calore efficiente e continuo tra due flussi di fluido, senza consentire loro di mescolarsi. Quando due flussi di fluido entrano in uno scambiatore di calore, vengono portati in stretto contatto termico attraverso una barriera fisica. Lo scambio termico è guidato da differenze di temperatura locali man mano che i fluidi progrediscono, fino a quando i fluidi raggiungono l'uscita. Il risultato è che il più caldo dei due fluidi che entrano nello scambiatore di calore uscirà con una temperatura ridotta e il più freddo dei due con una temperatura aumentata. Durante il funzionamento costante, la velocità di trasferimento del calore del fluido caldo è determinata dalla portata di massa e dal calore specifico del fluido, moltiplicato per la differenza di temperatura tra l'ingresso e l'uscita. La stessa formula si applica al fluido freddo quando vengono utilizzati i valori corrispondenti. Se la perdita di calore nell'ambiente circostante è trascurabile, l'entità delle due velocità di trasferimento sarà uguale. Ciò significa che qualsiasi calore perso dal fluido caldo, viene guadagnato dal fluido freddo. La conduttanza complessiva in Watt per Kelvin, è una misura della capacità di trasferimento del calore di uno scambiatore di calore. Analizziamo una particolare geometria nota come scambiatore di calore tubo-in-tubo a controcorrente. In questo progetto, il fluido caldo scorre in una direzione all'interno di una sezione diritta del tubo. Il fluido freddo scorre nella direzione opposta, nell'anulus tra il tubo caldo e un secondo tubo esterno. La differenza di temperatura media che guida il trasferimento di calore tra i due flussi in questa geometria, è la differenza di temperatura media logaritmo, che può essere calcolata dalle temperature di ingresso e uscita di entrambi i flussi. Utilizzando questo modello di funzionamento dello scambiatore di calore, possiamo rispondere a due diversi tipi di problemi di analisi dello scambiatore di calore. Valutazione e design. Se la velocità di trasferimento del calore e la differenza di temperatura media del log sono note, ad esempio mediante misurazione sperimentale, la conduttanza complessiva può essere calcolata dal rapporto tra i due. Ai fini della progettazione, tuttavia, è utile prevedere quale sarà la conduttanza complessiva dalla geometria e dalle proprietà del materiale dello scambiatore di calore. Questo può essere fatto trovando la somma delle resistenze termiche tra i due flussi. Per la geometria tubo-in-tubo, queste resistenze sono determinate da: convezione nel tubo del fluido caldo, conduzione attraverso la parete del tubo interno e convezione di nuovo nell'anulus del fluido freddo. L'inverso di questa somma fornisce la conduttanza complessiva per lo scambiatore di calore controcorrente tubo-in-tubo. Ora che abbiamo visto come analizzare lo scambiatore di calore, proviamone uno in laboratorio.

Apporre due contenitori di plastica sui lati opposti del piano di lavoro per fungere da serbatoi di acqua calda e fredda. Se necessario, praticare fori nei coperchi per le linee dell'acqua di ingresso e di uscita, nonché nel cavo di alimentazione della pompa. Quando hai finito, monta una piccola pompa sommergibile in ogni serbatoio. Quindi, montare un misuratore di portata d'acqua, o rotametro, verticalmente vicino a ciascun serbatoio, quindi utilizzare tubi in PVC morbido per collegare le uscite della pompa alle prese del flussometro. Ora, installare due raccordi a T per tubi di compressione sul tubo esterno dell'acqua fredda dello scambiatore di calore. Collegare un tubo flessibile in PVC, dalla porta laterale del vicino tee fitting, all'uscita del misuratore di portata calda. Per il tubo di flusso del contatore caldo, tagliare una sezione di tubo di alluminio di lunghezza uguale allo scambiatore di calore, compresi i raccordi a T all'estremità, e inserirlo nell'assieme. Quindi, collegare un tubo di plastica morbida, dal raccordo a compressione all'altra estremità del gruppo scambiatore di calore, al serbatoio dell'acqua calda. Stringere i raccordi a compressione per sigillare il tubo di plastica morbida attorno al tubo di alluminio. Questo separerà il flusso caldo, attraverso il tubo interno in alluminio, dal flusso freddo esterno. Collegare il tubo flessibile in PVC, dalla porta laterale su un raccordo a T, all'uscita del misuratore di portata fredda, quindi collegare un secondo tubo alla porta laterale dell'altro raccordo a T che ritorna al serbatoio dell'acqua fredda. Prima di continuare, confermare che le insenature del flusso caldo e freddo, allo scambiatore di calore, si trovino alle estremità opposte. Praticare un piccolo foro attraverso un lato del tubo di plastica morbida vicino a ciascuna porta di ingresso e di uscita dello scambiatore di calore. Inserire delicatamente una sonda termocoppia in ciascuna porta in modo che la punta della sonda si trova approssimativamente al centro del tubo. Infine, utilizzare la resina epossidica, o adesivo simile, per sigillare il piccolo spazio nei tubi attorno alle sonde della termocoppia contro le perdite d'acqua. Quando la resina epossidica è indurito, collegare tutte e quattro le sonde termocoppia a un lettore di termocoppie. Ora che l'assembly è completo, è possibile iniziare il test.

Riempire il serbatoio freddo con acqua di rubinetto a temperatura ambiente e il serbatoio caldo con acqua calda. Accendere entrambe le pompe dell'acqua e regolare le valvole a spillo sui misuratori di portata per aumentare il flusso in entrambi i circuiti. Lasciare che l'acqua circoli abbastanza a lungo da scovare eventuali bolle d'aria intrappolate. Una volta rimosse le bolle d'aria, regolare la portata in entrambi i loop a circa 0,1 litri al minuto. Attendere qualche minuto per consentire al sistema di stabilizzarsi, quindi registrare le temperature di ingresso e di uscita riportate dalle quattro letture della termocoppia. Il lettore di termocoppie potrebbe avere una funzione di attesa per bloccare i valori correnti durante la registrazione. Registrare altre cinque serie di letture in queste condizioni di flusso. Ripetere queste misurazioni per portate di circa 0,125 litri al minuto e 0,15 litri al minuto. Se la differenza di temperatura tra gli ingressi caldi e freddi scende al di sotto dei 5 gradi Celsius, riempire i serbatoi con acqua calda e fredda fresca. Ora che le misurazioni sono complete, diamo un'occhiata ai risultati.

Dovresti avere 18 set di dati e per ogni set una portata volumetrica misurata. Nota per questi test, la stessa portata, V-dot, viene utilizzata per i flussi caldi e freddi. Innanzitutto, utilizzare la densità dell'acqua per convertire ogni valore della portata volumetrica in una portata di massa. Ora, calcola il tasso di variazione di energia per i flussi caldi e freddi in ciascun set moltiplicando la portata di massa, il calore specifico dell'acqua e le rispettive differenze di temperatura. Nella sezione principale, abbiamo ipotizzato che l'entità di questi tassi sarebbe stata uguale. Propagare le incertezze in modo da poterle confrontare. Nella maggior parte dei casi, le velocità di trasferimento del calore corrispondono all'interno dell'incertezza; Tuttavia, man mano che la portata diminuisce, c'è una tendenza verso una maggiore perdita di calore dal fluido caldo, rispetto al calore acquisito dal fluido freddo. Questo è probabilmente il risultato della perdita di calore nell'ambiente circostante; Ma poiché l'effetto è piccolo, la velocità media di trasferimento del calore può essere utilizzata per il resto dell'analisi. Successivamente, valutiamo la conduttanza complessiva dello scambiatore di calore, che può essere determinata dalla velocità di trasferimento del calore misurata e dalla differenza di temperatura media del registro. La conduttanza complessiva dipende dalle conduttività termiche del materiale, dalle condizioni di flusso e dalla geometria dello scambiatore di calore. Prevediamo che questo valore non cambierà in modo significativo con la portata per i flussi laminari a bassa velocità considerati qui. Utilizzare le temperature misurate con l'equazione fornita nel testo per calcolare la differenza di temperatura media del registro. Ora, dividi il tasso medio di variazione dell'energia per la differenza di temperatura media del registro per ogni set per ottenere la conduttanza complessiva. Come anticipato, la conduttanza complessiva è relativamente costante nell'intervallo di condizioni che sono state testate, come evidenziato dalla piccola deviazione standard sul set di dati. Questo risultato, tuttavia, è superiore al valore teorico previsto per un flusso laminare costante completamente sviluppato. Se assumiamo il flusso in via di sviluppo alle insenature in entrambi i canali e utilizziamo fattori di correzione adatti, la previsione teorica sarà superiore al nostro risultato misurato. In realtà, il flusso nel canale interno sarà parzialmente sviluppato prima di raggiungere l'ingresso dello scambiatore di calore, e questo potrebbe spiegare il valore intermedio della conduttanza complessiva. Ora che abbiamo analizzato i risultati del nostro semplice scambiatore di calore, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni tipiche.

Gli scambiatori di calore sono impiegati in un'ampia varietà di scenari ogni volta che il trasferimento di calore deve essere facilitato tra due flussi di fluido. In molti impianti di generazione di energia, gli scambiatori di calore dei generatori di vapore trasferiscono calore dal gas ad alta temperatura per produrre vapore ad alta pressione per azionare le turbine. A valle di queste turbine, gli scambiatori di calore a condensatore respingono il calore dal vapore a bassa pressione, liquefacendo il fluido e consentendo al ciclo di funzionare in modo continuo. Nei frigoriferi e nei sistemi di condizionamento dell'aria, gli scambiatori di calore dell'evaporatore assorbono l'energia termica dall'aria nello spazio condizionato per mantenere le temperature desiderate.

Hai appena visto l'introduzione di Jove all'analisi degli scambiatori di calore. Dovresti conoscere i principi di base degli scambiatori di calore e come analizzare le loro prestazioni sperimentalmente e teoricamente. Grazie per l'attenzione.

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Results

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Tabella 1 - Misure e valori LMTD e UA derivati per scambiatori di calore a portate calde e fredde di 0,20 e 0,15 l min-1.

Portate calde e fredde (l min-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

Le temperature e le portate misurate rappresentative e i valori LMTD e UA risultanti sono presentati nella Tabella 1 per le portate dei fluidi caldi e freddi di 0,20 e 0,15 l min-1 (3 misurazioni ciascuna). L'analisi di propagazione dell'incertezza è stata eseguita per determinare le incertezze per le quantità derivate(QC, QH,LMTD, UA). L'UA è stato valutato utilizzando la velocità media di trasferimento del calore dei due flussi. Alle condizioni di portata più elevate si osserva uno stretto accordo per le portate calde e fredde. A portate più basse, l'accordo è solo all'interno dell'incertezza sperimentale.

La velocità media complessiva di trasferimento del calore è relativamente costante nell'intervallo di condizioni considerato (UA ~ 4,0 ± 0,5 W K-1). Questo è superiore al valore previsto per il flusso laminare costante completamente sviluppato (Eqn. 4): UA = 2,7 W K-1. Il valore misurato è inferiore al risultato assumendo un flusso in via di sviluppo in entrambi i canali a partire dalle insenature: 4,8 W K-1 (utilizzando fattori di correzione del flusso in via di sviluppo da [1]). In realtà, il flusso del canale interno caldo si sviluppa parzialmente nell'impianto idraulico prima di raggiungere l'ingresso HX. Questo può spiegare il valore UA misurato intermedio.

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In questo esperimento, è stato fabbricato uno scambiatore di calore controcorrente tubo-in-tubo e la sua capacità di trasferimento di calore (UA) è stata misurata sperimentalmente (nominale). Le prestazioni risultanti sono state confrontate con i risultati di un modello teorico. I moderni scambiatori di calore impiegano spesso design più sofisticati, con superfici alettate e migliorate per aumentare l'intensità del trasferimento di calore e disposizioni ottimizzate di flusso incrociato e controflusso del fluido. Tuttavia, i concetti e i parametri di base qui introdotti (UA, LMTD) si applicano a tutti gli scambiatori di calore.

Gli esperimenti di classificazione degli scambiatori di calore, come dimostrato qui, sono fondamentali per determinare se gli scambiatori di calore fabbricati soddisfano le capacità desiderate (valori UA) per garantire prestazioni accettabili del sistema energetico. Allo stesso modo, i modelli di prestazioni dello scambiatore di calore(ad esempio,Eqn. 4) devono essere sviluppati e convalidati per guidare la progettazione dello scambiatore di calore. Questo esperimento fornisce un'introduzione pratica a questi processi di valutazione e modellazione dello scambiatore di calore.

Gli scambiatori di calore sono impiegati in numerose tecnologie ad alta intensità energetica ed elettrodomestici familiari. In molti impianti di generazione di energia, gli scambiatori di calore dei generatori di vapore trasferiscono il calore dal gas ad alta temperatura per produrre vapore ad alta pressione per azionare le turbine. A valle di queste turbine, gli scambiatori di calore a condensatore respingono il calore dal vapore a bassa pressione, liquefacendo il fluido e consentendo al ciclo di funzionare continuamente. In molti processi industriali, gli scambiatori di calore recuperativi possono trasferire calore a bassa temperatura da un flusso di scarico al fluido di aspirazione preriscaldato, riducendo il consumo di energia. Nei frigoriferi e nei sistemi di climatizzazione, gli scambiatori di calore dell'evaporatore assorbono l'energia termica dall'aria in uno spazio climatizzato per mantenere le temperature desiderate.

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References

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

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