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Overview

출처: 알렉산더 S 래트너와 크리스토퍼 J 그리어; 펜실베이니아 주립대학, 유니버시티 파크, 펜실베이니아 주 기계 및 원자력 공학과

열교환기는 두 개의 유체 스트림 간에 열 에너지를 전달하며 에너지 시스템에서 유비쿼터스입니다. 일반적인 응용 분야에는 자동차 라디에이터(핫 엔진 냉각수에서 주변 공기로의 열 전달), 냉장고 증발기(냉장고 실 내부 공기 가용공기) 및 발전소의 냉각탑(물과 주변 공기를 증발시키는 응축 증기)이 있습니다. 이 실험의 목적은 열교환기를 위한 실험측정(등급)및 모델링 절차를 도입하는 것입니다.

이 실험에서는 수중 튜브 내 열교환기를 구성하고 평가합니다. 온도 및 유량 측정은 열 전달속도(Q)및 전체 전도도(UA)를 결정하기 위해 사용될 것입니다. 측정된 열교환기 UA는 기하학 및 작동 조건에 대한 예측값과 비교됩니다.

Principles

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열교환기(HX)에서 열에너지는뜨거운(H)유체 스트림에서차가운(C)유체 스트림으로 이송된다. 각 스트림은 상이한 질량 유량() Equation 1 및 특정 열()을 가질 수 Equation 2 있다. 스트림이 HX를 통과하면 뜨거운 흐름의 온도가 감소하고 냉류의 온도가 증가합니다. 꾸준한 작동 중에 주변 의 열 누출이 무시할 수 있는 경우 입구에서 콘센트로 의 두 스트림의 에너지 변화가 균형을 이루어야 합니다. 이러한 에너지 변화는 열교환기 열전달속도 Q.

Equation 3 (1)

이 실험에서, 열 전달 성능은 역류 튜브-인-튜브 열교환기용으로 분석된다. 여기에 뜨거운 유체는 내부 튜브를 통해 한 방향으로 흐른다. 차가운 유체는 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 환상 공간을 통해 반대 방향으로 흐른다. 두 스트림 간의 열 전달을 유도하는 평균 온도 차이는 카운터 플로우 HX 구성에 대해 Eqn.2에 정의된 로그 평균 온도 차이(LMTD, 도 1)입니다. 열교환기의 양 끝에서 온도 차가 측정 정밀도 내에서 일치하는 Equation 4 경우(), 간단한 LMTD 수식을 사용해야 한다.

Equation 5 (2)

열교환기의 열 전달 용량은 전체 전도도(UA)의 관점에서 측정됩니다. 이 수량은 WK-1 단위 (온도 차이당 열 전달 속도)를 가지고 있습니다. UA는 측정된 열 전달 속도 및 유체 온도에서 평가할 수 있습니다.

Equation 6 (3)

튜브 인 튜브 HX 지오메트리는튜브(L),내부 튜브 내부 및 외부 직경(IDi,ODi)및 외부 튜브 직경(ID o, ODo)의길이에의해 정의됩니다. 이러한 파라미터 및 재료 특성을 사용하여 열교환기 UA는 두 스트림 간의 열 저항을 고려하여 예측할 수 있습니다. 내부 튜브에서 완전히 발달된 라미나르 흐름의 경우 내부 스트림에서 내부 튜브 내부 벽으로의 열 Equation 7 저항은 k가 유체 열 전도도(물의 경우 0.61 W m-1 K-1)입니다. 내부 튜브 벽을 통한 전도에 대한 열 저항은 다음과 같이 한다: Equation 8 (k튜브 = 알루미늄에 대한 160Wm-1 K-1). 마지막으로, 완전히 발달된 라미나르 의 흐름이 좁은 아눌루스에서, 외부 스트림에 내부 튜브의 외부에서 대류 저항은 다음과 Equation 9 이다. 이러한 조건에서 예측된 HX UA는 다음과 같은 것입니다.
Equation 10 (4)

Figure 1
그림 1: 냉간 및 열스트림 온도 프로파일 및 역류 열교환기의 로그 평균 온도 차이.

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Procedure

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1. 열 교환기 시스템의 제조 (회로도 및 사진 참조, 도 2)

  1. 플라스틱 물 저장소 2개(각~1리터)를 작업 표면(~0.6m 간격)에 부착합니다. 이 용기가 덮여 있는 경우 입구및 출구 수로및 펌프 전원 케이블을 위해 뚜껑에 구멍을 뚫십시오. 이들은 뜨겁고 차가운 물 저수지 역할을 할 것입니다.
  2. 각 저수지에 작은 잠수정 펌프 1개를 장착합니다.
  3. 수직으로 두 개의 물 유량 미터 (로타미터)를 장착, 각 저수지 근처 하나. 부드러운 PVC 튜브를 사용하여 유량 계 입구를 펌프 방전 포트에 연결합니다.
  4. 열교환기(HX) 외측 튜브(~0.3m 길이, 외경 OD = 12.7mm, 내경 ID = 9.5mm)를 두 개의 압축 파이프 티 피팅에 설치한다(도 2 참조). 하나의 티 피팅에 측면 포트에서 유연한 PVC 튜브 (OD = 12.7mm, ID = 6.2 mm)를 핫 유량 계측기 콘센트에 연결합니다.
  5. 알루미늄 튜브(OD = 7.9mm, ID = 6.2mm)를 끝에 있는 티 피팅(~0.38m 길이)을 포함하여 열교환기의 길이로 자르고 열교환기 어셈블리에 삽입한다. 알루미늄 튜브는 압축 피팅의 끝에 부드러운 연결 PVC 튜브 (OD = 12.7mm, ID = 6.2 mm)로 아늑하게 미끄러져야합니다.
  6. HX 어셈블리의 다른 쪽 끝에 있는 압축 피팅에서 온수 저수지에 부드러운 PVC 튜브를 연결합니다. 압축 피팅을 조이어 알루미늄 튜브 주변의 부드러운 플라스틱 튜브를 밀봉합니다. 이렇게 하면 내부 알루미늄 튜브를 통과하는 뜨거운 흐름과 외부 냉기 흐름이 분리됩니다.
  7. 한 티 피팅의 측면 포트에서 유연한 PVC 튜브를 차가운 유량 계측기 콘센트에 연결합니다. 다른 티 피팅의 측면 포트에서 PVC 튜브를 차가운 물 저수지(리턴 플로우)에 연결합니다. HX에 대한 뜨겁고 차가운 스트림 입구는 반대쪽 끝에 있어야합니다.
  8. 각 열교환기 입구 및 콘센트 포트 (총 4개)근처의 부드러운 플라스틱 튜브의 한쪽을 통해 작은 구멍 (~1.6 mm 직경)을 드릴. 각 포트에 열전대 프로브를 부드럽게 삽입하여 프로브 팁이 튜브 중앙에 약합니다. 열전대 프로브를 열전대 판독기에 연결
  9. 에폭시 또는 이와 유사한 접착제를 사용하여 열전대 프로브 주변의 튜브의 작은 틈새를 밀봉하여 물이 누출되지 않도록 합니다.

Figure 2
그림 2: (a) 회로도 및 (b) 열교환기 등급 실험 시스템의 표지 사진

2. 작동

  1. 차가운 저수지를 실온 수돗물로 채우고 뜨거운 저수지를 따뜻한 물로 채웁니다.
  2. 두 개의 물 펌프를 켜고 유량계 바늘 밸브를 사용하여 유량을 원하는값(예:0.1 l min-1)으로조정합니다. 갇힌 기포를 제거하기 위해 처음에는 더 높은 유량으로 물을 순환시켜야 할 수도 있습니다.
  3. 시스템이 몇 분 동안 안정화된 다음 입구 및 출구 온도를 나타내는 4개의 열전대 측정값을 기록합니다. 각 흐름 조건에 대해 몇 가지 판독값을 기록합니다. 사용 가능한 경우 열전대 판독기의 보류 함수는 판독값을 동결하여 녹화를 도울 수 있습니다.
  4. 몇 세트의 온수 및 냉수 유량에서 온도 측정을 수집합니다. 충분한 평균 온도 차이 (~5 - 10°C)를 유지하기 위해 저수지를 신선한 온수및 차가운 물로 주기적으로 다시 채웁니다.

3. 분석

  1. 각 조건에 대해, 뜨겁고 냉스트림 에너지 변화율(, Equation 11 Equation 12 1)을 비교한다. 물의 경우, cp = 4.2 kJ kg-1 K-1. 및 부피 유량은 질량 유량을 찾기 위해밀도(θwater = 997kgm-3)를곱할 수 있다. 에너지변화율(Q)이Eqn. 1에서 가정한 대로 일치합니까?
  2. 3.1단계에서 Q를 사용하여 Eqn. 2 다음각 조건에 대한 LMTD를 평가합니다. 열교환기 UA(Eqn. 3에 정의)를 평가합니다. 이 수량은 고려된 조건에 대해 거의 일정합니까?
  3. 평균 열 전달 속도((QC+QH)/2)를사용하여 이 HX(Eqn. 4)에서 완전히 개발된 라미나르 흐름에 대한 이론적 UA를 평가합니다. 이 이론적 가치는 측정된 값과 어떻게 비교됩니까?

장 제목

사본

1

열 교환기는 에너지 시스템의 유비쿼터스 구성 요소입니다. 몇 가지 일반적인 예로는 자동차 라디에이터와 냉장고 증발기도 있습니다. 두 경우 모두, 열교환기는 유체의 한 스트림에서 다른 스트림으로 열 의 전달을 용이하게한다. 이러한 예에서 열 교환기는 다양한 시스템에서 중요하다는 것이 분명합니다. 주로 열역학 사이클에서 열 관리 또는 전환을 제공합니다. 열교환기를 모델링하고 평가하는 방법에 대한 이해는 설계를 최적화하고 열교환기를 더 큰 시스템에 통합하는 데 중요합니다. 이 비디오는 열교환기 설계 및 분석의 몇 가지 원리를 설명한 다음 간단한 튜브 내 열교환기 설계에서 이러한 개념을 보여줍니다. 결국, 몇 가지 일반적인 응용 프로그램을 탐구할 것입니다.

2

잘 설계된 열 교환기는 혼합할 수 없이 두 유체 스트림 간의 효율적이고 지속적인 열 전달을 용이하게 해야 합니다. 두 개의 유체 스트림이 열교환기로 들어가면 물리적 장벽을 가로질러 가까운 열 접촉으로 전환됩니다. 열 교환은 유체가 출구에 도달할 때까지 유체가 진행됨에 따라 국외 온도 차이에 의해 구동됩니다. 그 결과 열교환기로 유입되는 두 유체의 더워지는 온도가 낮아지고 온도가 높아진 두 체액의 추울이 발생합니다. 꾸준한 작동 동안, 뜨거운 유체의 열 전달 속도는 유체의 질량 유량 및 특정 열에 의해 결정되며, 입구와 출구 사이의 온도 차이를 곱합니다. 해당 값을 사용할 때 동일한 수식이 차가운 유체에 적용됩니다. 주변의 열 누출이 무시할 경우 두 전송 속도의 크기는 동일합니다. 이것은 뜨거운 액체에 의해 분실된 어떤 열든지, 차가운 액체에 의해 얻어지는다는 것을 의미합니다. 켈빈 당 와트의 전반적인 전도도는 열 교환기의 열 전달 용량의 척도입니다. 역류, 튜브 내 열교환기로 알려진 특정 형상을 분석해 보겠습니다. 이 설계에서, 뜨거운 유체는 튜브의 직선 섹션 내부 한 방향으로 흐른다. 차가운 액체는 반대 방향으로, 뜨거운 튜브와 제 2 외부 튜브 사이의 무효화로 흐른다. 이 지오메트리의 두 스트림 간의 열 전달을 유도하는 평균 온도 차이는 두 스트림의 입력 및 출력 온도에서 계산할 수 있는 로그 평균 온도 차이입니다. 열교환기 작동의이 모델을 사용하여, 우리는 열 교환기 분석 문제의 두 가지 유형에 응답 할 수 있습니다. 등급 및 설계. 예를 들어 실험 측정에 의해 열 전달 속도와 로그 평균 온도 차가 알려지면 전체 전도도를 둘 의 비율에서 계산할 수 있습니다. 그러나 설계를 위해 열교환기의 형상 및 재료 특성에서 전체 전도도가 무엇인지 예측하는 것이 유용합니다. 이 작업은 두 스트림 간의 열 저항 합계를 찾아서 수행할 수 있습니다. 튜브 내 기하학의 경우, 이러한 저항은 뜨거운 유체 튜브의 대류, 내부 튜브 벽을 통한 전도 및 차가운 유체 annulus에서 다시 대류에 의해 결정됩니다. 이 합계의 역은 튜브 내 역유 열교환기의 전체 전도도를 제공합니다. 이제 열 교환기를 분석하는 방법을 보았으니 실험실에서 테스트해 보겠습니다.

3

작업 표면의 반대편에 두 개의 플라스틱 용기를 부착하여 온수 및 냉수 저장소역할을 합니다. 필요한 경우, 입구 및 콘센트 물 라인뿐만 아니라 펌프 전원 케이블에 대한 뚜껑에 구멍을 드릴. 완료되면 각 저장소에 작고 잠수정 펌프를 장착합니다. 다음으로 각 저수지 근처에 수직으로 물 유량계 또는 로타미터를 장착한 다음 소프트 PVC 튜빙을 사용하여 펌프 콘센트를 유량 계 입구에 연결합니다. 이제 열교환기의 외부 냉수 튜브에 두 개의 압축 파이프 티 피팅을 설치합니다. 근처의 티 피팅의 측면 포트에서부터 핫 유량계 의 출구에 유연한 PVC 튜브 하나를 연결합니다. 핫 카운터 플로우 튜브의 경우 끝에 있는 티 피팅을 포함하여 열교환기와 동일한 길이의 알루미늄 튜브 섹션을 잘라 어셈블리에 삽입합니다. 다음으로 열교환기 조립의 다른 쪽 끝에 있는 압축 피팅에서 온수 저수지에 부드러운 플라스틱 튜브를 연결합니다. 압축 피팅을 조이어 알루미늄 튜브 주변의 부드러운 플라스틱 튜브를 밀봉합니다. 이렇게 하면 뜨거운 흐름이 내부 알루미늄 튜브를 통해 외부 냉기 흐름과 분리됩니다. 한 티 피팅의 측면 포트에서 차가운 유량계 출구에 유연한 PVC 튜브를 연결한 다음 두 번째 튜브를 차가운 물 저수지로 돌아오는 다른 티 피팅의 측면 포트에 연결합니다. 계속하기 전에 열교환기로 의 핫스트림 및 냉류 입구가 반대쪽 끝에 있는지 확인합니다. 열교환기의 각 입구와 출구 포트 근처의 부드러운 플라스틱 튜브의 한쪽을 뚫고 작은 구멍을 뚫습니다. 각 포트에 열전대 프로브를 부드럽게 삽입하여 프로브 팁이 튜브 중앙에 약합니다. 마지막으로, 에폭시 또는 이와 유사한 접착제를 사용하여 열전대 프로브 주변의 튜브의 작은 틈새를 물 누출에 대한 밀봉합니다. 에폭시가 경화되면 네 개의 열전대 프로브를 모두 열전대 판독기에 연결합니다. 이제 어셈블리가 완료되었으므로 테스트를 시작할 준비가 되었습니다.

4

차가운 저수지를 실온 수돗물로 채우고 뜨거운 저수지를 따뜻한 물로 채웁니다. 두 개의 물 펌프를 켜고 유량 계의 바늘 밸브를 조정하여 두 루프의 흐름을 증가시면 됩니다. 물이 갇힌 기포를 씻어낼 만큼 충분히 오래 순환하도록 허용하십시오. 기포가 제거되면 두 루프의 유속을 분당 약 0.1리터로 조정합니다. 시스템이 안정화될 수 있도록 몇 분 정도 기다린 다음 4개의 열전대 판독값으로 보고된 입구 및 출구 온도를 기록합니다. 열전대 판독기는 기록하는 동안 현재 값을 동결하는 보류 기능이 있을 수 있습니다. 이러한 흐름 조건에서 5개의 판독 값을 더 기록합니다. 분당 약 0.125리터의 유량과 분당 0.15리터의 유량에 대해 이러한 측정값을 반복합니다. 뜨거운 입력과 차가운 입력의 온도 차이가 섭씨 5도 이하로 떨어지면 저수지를 신선한 온수와 차가운 물로 다시 채웁니다. 이제 측정이 완료되었으므로 결과를 살펴보겠습니다.

5

18개의 데이터 집합이 있어야 하며 각 집합에 대해 측정된 볼륨 유량이 있어야 합니다. 이러한 테스트에 대 한 참고, 동일한 유량, V-점, 뜨거운 및 차가운 스트림에 사용 됩니다. 첫째, 물 밀도를 사용하여 체적 유량의 각 값을 질량 유량으로 변환합니다. 이제 질량 유량, 물의 특정 열 및 각각의 온도 차이를 곱하여 각 세트의 온열 및 냉간 스트림에 대한 에너지 변화 속도를 계산합니다. 원칙 섹션에서, 우리는 이 비율의 크기가 동일할 것이라고 가정했습니다. 불확실성을 전파하여 비교할 수 있습니다. 대부분의 경우 열 전달 속도는 불확실성 내에서 일치합니다. 그러나 유량이 감소함에 따라, 차가운 유체에 의해 얻어지는 열에 비해 뜨거운 유체로부터의 열 손실이 증가하는 추세가 있다. 이것은 아마도 주변 환경에 열 손실의 결과; 그러나 효과가 작기 때문에 평균 열 전달 속도를 분석의 나머지 부분에 사용할 수 있습니다. 다음으로, 측정된 열전달율에서 결정할 수 있는 열교환기의 전반적인 전도도및 로그 평균 온도 차이를 평가할 수 있다. 전체 전도도는 재료 열 전도도, 유량 조건 및 열교환기 형상에 따라 달라집니다. 여기서 고려되는 낮은 속도 라미나르 흐름의 유량으로 이 값이 크게 변하지 않을 것으로 예상됩니다. 텍스트에 지정된 방정식과 함께 측정된 온도를 사용하여 로그 평균 온도 차이를 계산합니다. 이제 전체 전도도를 산출하기 위해 각 세트의 평균 온도 차이를 로그로 전환하여 에너지 변화의 평균 속도를 나눕니다. 우리가 예상한 바와 같이, 데이터 세트에 대한 작은 표준 편차에 의해 입증된 바와 같이, 전체 전도도는 테스트된 조건의 범위에 비해 상대적으로 일정합니다. 그러나 이러한 결과는 안정적으로 완전히 개발된 라미나르 흐름에 대해 예측된 이론적 값보다 높습니다. 두 채널의 입구에서 유동을 개발하고 적절한 교정 요소를 사용하는 경우 이론적 예측은 측정된 결과보다 높을 것입니다. 실제로, 내부 채널의 흐름은 열교환기 입구에 도달하기 전에 부분적으로 개발될 것이며, 이는 전체 전도의 중간 값을 설명할 수 있다. 이제 간단한 열 교환기의 결과를 분석한 결과 몇 가지 일반적인 응용 프로그램을 살펴보겠습니다.

6

열 교환기는 두 유체 스트림 사이에 열 전달을 용이하게 해야 할 때마다 다양한 시나리오에서 사용됩니다. 많은 발전소에서 증기 발전기 열교환기는 고온 가스에서 열을 전송하여 터빈을 구동하기 위해 고압 증기를 생성합니다. 이 터빈의 하류에서, 응축기 열 교환기는 저압 증기에서 열을 거부, 유체를 액화하고 주기가 지속적으로 작동 할 수 있도록. 냉장고 및 에어컨 시스템에서 증발기 열 교환기는 원하는 온도를 유지하기 위해 에어컨 공간에서 공기로부터 열 에너지를 흡수합니다.

7

당신은 단지 열 교환기 분석에 Jove\의 소개를 보았다. 열교환기의 기본 원리와 실험적으로 그리고 이론적으로 성능을 분석하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

열 교환기는 에너지 시스템의 유비쿼터스 구성 요소입니다. 몇 가지 일반적인 예로는 자동차 라디에이터와 냉장고 증발기도 있습니다. 두 경우 모두, 열교환기는 유체의 한 스트림에서 다른 스트림으로 열 의 전달을 용이하게한다. 이러한 예에서 열 교환기는 다양한 시스템에서 중요하다는 것이 분명합니다. 주로 열역학 사이클에서 열 관리 또는 전환을 제공합니다. 열교환기를 모델링하고 평가하는 방법에 대한 이해는 설계를 최적화하고 열교환기를 더 큰 시스템에 통합하는 데 중요합니다. 이 비디오는 열교환기 설계 및 분석의 몇 가지 원리를 설명한 다음 간단한 튜브 내 열교환기 설계에서 이러한 개념을 보여줍니다. 결국, 몇 가지 일반적인 응용 프로그램을 탐구할 것입니다.

잘 설계된 열 교환기는 혼합할 수 없이 두 유체 스트림 간의 효율적이고 지속적인 열 전달을 용이하게 해야 합니다. 두 개의 유체 스트림이 열교환기로 들어가면 물리적 장벽을 가로질러 가까운 열 접촉으로 전환됩니다. 열 교환은 유체가 출구에 도달할 때까지 유체가 진행됨에 따라 국외 온도 차이에 의해 구동됩니다. 그 결과 열교환기로 유입되는 두 유체의 더워지는 온도가 낮아지고 온도가 높아진 두 체액의 추울이 발생합니다. 꾸준한 작동 동안, 뜨거운 유체의 열 전달 속도는 유체의 질량 유량 및 특정 열에 의해 결정되며, 입구와 출구 사이의 온도 차이를 곱합니다. 해당 값을 사용할 때 동일한 수식이 차가운 유체에 적용됩니다. 주변의 열 누출이 무시할 경우 두 전송 속도의 크기는 동일합니다. 이것은 뜨거운 액체에 의해 분실된 어떤 열든지, 차가운 액체에 의해 얻어지는다는 것을 의미합니다. 켈빈 당 와트의 전반적인 전도도는 열 교환기의 열 전달 용량의 척도입니다. 역류, 튜브 내 열교환기로 알려진 특정 형상을 분석해 보겠습니다. 이 설계에서, 뜨거운 유체는 튜브의 직선 섹션 내부 한 방향으로 흐른다. 차가운 액체는 반대 방향으로, 뜨거운 튜브와 제 2 외부 튜브 사이의 무효화로 흐른다. 이 지오메트리의 두 스트림 간의 열 전달을 유도하는 평균 온도 차이는 두 스트림의 입력 및 출력 온도에서 계산할 수 있는 로그 평균 온도 차이입니다. 열교환기 작동의이 모델을 사용하여, 우리는 열 교환기 분석 문제의 두 가지 유형에 응답 할 수 있습니다. 등급 및 설계. 예를 들어 실험 측정에 의해 열 전달 속도와 로그 평균 온도 차가 알려지면 전체 전도도를 둘 의 비율에서 계산할 수 있습니다. 그러나 설계를 위해 열교환기의 형상 및 재료 특성에서 전체 전도도가 무엇인지 예측하는 것이 유용합니다. 이 작업은 두 스트림 간의 열 저항 합계를 찾아서 수행할 수 있습니다. 튜브 내 기하학의 경우, 이러한 저항은 뜨거운 유체 튜브의 대류, 내부 튜브 벽을 통한 전도 및 차가운 유체 annulus에서 다시 대류에 의해 결정됩니다. 이 합계의 역은 튜브 내 역유 열교환기의 전체 전도도를 제공합니다. 이제 열 교환기를 분석하는 방법을 보았으니 실험실에서 테스트해 보겠습니다.

작업 표면의 반대편에 두 개의 플라스틱 용기를 부착하여 온수 및 냉수 저장소역할을 합니다. 필요한 경우, 입구 및 콘센트 물 라인뿐만 아니라 펌프 전원 케이블에 대한 뚜껑에 구멍을 드릴. 완료되면 각 저장소에 작고 잠수정 펌프를 장착합니다. 다음으로 각 저수지 근처에 수직으로 물 유량계 또는 로타미터를 장착한 다음 소프트 PVC 튜빙을 사용하여 펌프 콘센트를 유량 계 입구에 연결합니다. 이제 열교환기의 외부 냉수 튜브에 두 개의 압축 파이프 티 피팅을 설치합니다. 근처의 티 피팅의 측면 포트에서부터 핫 유량계 의 출구에 유연한 PVC 튜브 하나를 연결합니다. 핫 카운터 플로우 튜브의 경우 끝에 있는 티 피팅을 포함하여 열교환기와 동일한 길이의 알루미늄 튜브 섹션을 잘라 어셈블리에 삽입합니다. 다음으로 열교환기 조립의 다른 쪽 끝에 있는 압축 피팅에서 온수 저수지에 부드러운 플라스틱 튜브를 연결합니다. 압축 피팅을 조이어 알루미늄 튜브 주변의 부드러운 플라스틱 튜브를 밀봉합니다. 이렇게 하면 뜨거운 흐름이 내부 알루미늄 튜브를 통해 외부 냉기 흐름과 분리됩니다. 한 티 피팅의 측면 포트에서 차가운 유량계 출구에 유연한 PVC 튜브를 연결한 다음 두 번째 튜브를 차가운 물 저수지로 돌아오는 다른 티 피팅의 측면 포트에 연결합니다. 계속하기 전에 열교환기로 의 핫스트림 및 냉류 입구가 반대쪽 끝에 있는지 확인합니다. 열교환기의 각 입구와 출구 포트 근처의 부드러운 플라스틱 튜브의 한쪽을 뚫고 작은 구멍을 뚫습니다. 각 포트에 열전대 프로브를 부드럽게 삽입하여 프로브 팁이 튜브 중앙에 약합니다. 마지막으로, 에폭시 또는 이와 유사한 접착제를 사용하여 열전대 프로브 주변의 튜브의 작은 틈새를 물 누출에 대한 밀봉합니다. 에폭시가 경화되면 네 개의 열전대 프로브를 모두 열전대 판독기에 연결합니다. 이제 어셈블리가 완료되었으므로 테스트를 시작할 준비가 되었습니다.

차가운 저수지를 실온 수돗물로 채우고 뜨거운 저수지를 따뜻한 물로 채웁니다. 두 개의 물 펌프를 켜고 유량 계의 바늘 밸브를 조정하여 두 루프의 흐름을 증가시면 됩니다. 물이 갇힌 기포를 씻어낼 만큼 충분히 오래 순환하도록 허용하십시오. 기포가 제거되면 두 루프의 유속을 분당 약 0.1리터로 조정합니다. 시스템이 안정화될 수 있도록 몇 분 정도 기다린 다음 4개의 열전대 판독값으로 보고된 입구 및 출구 온도를 기록합니다. 열전대 판독기는 기록하는 동안 현재 값을 동결하는 보류 기능이 있을 수 있습니다. 이러한 흐름 조건에서 5개의 판독 값을 더 기록합니다. 분당 약 0.125리터의 유량과 분당 0.15리터의 유량에 대해 이러한 측정값을 반복합니다. 뜨거운 입력과 차가운 입력의 온도 차이가 섭씨 5도 이하로 떨어지면 저수지를 신선한 온수와 차가운 물로 다시 채웁니다. 이제 측정이 완료되었으므로 결과를 살펴보겠습니다.

18개의 데이터 집합이 있어야 하며 각 집합에 대해 측정된 볼륨 유량이 있어야 합니다. 이러한 테스트에 대 한 참고, 동일한 유량, V-점, 뜨거운 및 차가운 스트림에 사용 됩니다. 첫째, 물 밀도를 사용하여 체적 유량의 각 값을 질량 유량으로 변환합니다. 이제 질량 유량, 물의 특정 열 및 각각의 온도 차이를 곱하여 각 세트의 온열 및 냉간 스트림에 대한 에너지 변화 속도를 계산합니다. 원칙 섹션에서, 우리는 이 비율의 크기가 동일할 것이라고 가정했습니다. 불확실성을 전파하여 비교할 수 있습니다. 대부분의 경우 열 전달 속도는 불확실성 내에서 일치합니다. 그러나 유량이 감소함에 따라, 차가운 유체에 의해 얻어지는 열에 비해 뜨거운 유체로부터의 열 손실이 증가하는 추세가 있다. 이것은 아마도 주변 환경에 열 손실의 결과; 그러나 효과가 작기 때문에 평균 열 전달 속도를 분석의 나머지 부분에 사용할 수 있습니다. 다음으로, 측정된 열전달율에서 결정할 수 있는 열교환기의 전반적인 전도도및 로그 평균 온도 차이를 평가할 수 있다. 전체 전도도는 재료 열 전도도, 유량 조건 및 열교환기 형상에 따라 달라집니다. 여기서 고려되는 낮은 속도 라미나르 흐름의 유량으로 이 값이 크게 변하지 않을 것으로 예상됩니다. 텍스트에 지정된 방정식과 함께 측정된 온도를 사용하여 로그 평균 온도 차이를 계산합니다. 이제 전체 전도도를 산출하기 위해 각 세트의 평균 온도 차이를 로그로 전환하여 에너지 변화의 평균 속도를 나눕니다. 우리가 예상한 바와 같이, 데이터 세트에 대한 작은 표준 편차에 의해 입증된 바와 같이, 전체 전도도는 테스트된 조건의 범위에 비해 상대적으로 일정합니다. 그러나 이러한 결과는 안정적으로 완전히 개발된 라미나르 흐름에 대해 예측된 이론적 값보다 높습니다. 두 채널의 입구에서 유동을 개발하고 적절한 교정 요소를 사용하는 경우 이론적 예측은 측정된 결과보다 높을 것입니다. 실제로, 내부 채널의 흐름은 열교환기 입구에 도달하기 전에 부분적으로 개발될 것이며, 이는 전체 전도의 중간 값을 설명할 수 있다. 이제 간단한 열 교환기의 결과를 분석한 결과 몇 가지 일반적인 응용 프로그램을 살펴보겠습니다.

열 교환기는 두 유체 스트림 사이에 열 전달을 용이하게 해야 할 때마다 다양한 시나리오에서 사용됩니다. 많은 발전소에서 증기 발전기 열교환기는 고온 가스에서 열을 전송하여 터빈을 구동하기 위해 고압 증기를 생성합니다. 이 터빈의 하류에서, 응축기 열 교환기는 저압 증기에서 열을 거부, 유체를 액화하고 주기가 지속적으로 작동 할 수 있도록. 냉장고 및 에어컨 시스템에서 증발기 열 교환기는 원하는 온도를 유지하기 위해 에어컨 공간에서 공기로부터 열 에너지를 흡수합니다.

당신은 열 교환기 분석에 조브의 소개를 보았다. 열교환기의 기본 원리와 실험적으로 그리고 이론적으로 성능을 분석하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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표 1 - 열교환기의 측정 및 파생 LMTD 및 UA 값은 0.20 및 0.15 l min-1의열 교환기입니다.

뜨겁고 차가운 유량 (l 분-1) TH,인(°C, ±0.25°C) TC,out(°C, ±0.25°C) TH,out(°C, ±0.25°C) TC,인(°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

대표적인 측정 온도 및 유량 및 결과 LMTD 및 UA 값은 0.20 및 0.15lmin-1(각각 3측정)의 온수 및 냉온 유체 유량표에 대해 표 1에 제시됩니다. 불확실성 전파 분석은 파생 수량(QC, QH,LMTD, UA)에 대한 불확실성을 결정하기 위해 수행되었다. UA는 두 스트림의 평균 열 전달 속도를 사용하여 평가되었다. 높은 유량 조건에서 는 뜨겁고 차가운 유량에 대한 긴밀한 합의가 관찰된다. 낮은 유량에서 합의는 실험적인 불확실성 에 불과합니다.

평균 전체 열 전달 속도는 고려된 조건 범위(UA ~ 4.0 ± 0.5 WK-1)에비해 상대적으로 일정합니다. 이는 라미나르의 예측값보다 높은 흐름(Eqn. 4): UA = 2.7 WK-1. 측정값은 입구에서 시작되는 두 채널에서 발생하는 흐름을 가정하는 결과보다 낮습니다: 4.8 WK-1([1]에서 유량 보정 인자를 사용하여). 실제로, 뜨거운 내부 채널 흐름은 HX 입구에 도달하기 전에 배관에서 부분적으로 발생합니다. 이것은 중간 측정 된 UA 값을 설명 할 수있다.

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Applications and Summary

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본 실험에서 튜브 내 역류 열교환기는 제조되었고, 열 전달 용량(UA)은 실험적으로측정하였다(등급). 결과 성능은 이론 모델의 결과와 비교되었습니다. 최신 열 교환기는 종종 지느러미와 향상된 표면을 사용하여 열 전달 강도와 유체 교차 및 카운터 플로우의 최적화된 배열을 사용하여 보다 정교한 설계를 사용합니다. 그러나 여기에 도입된 기본 개념 및 매개 변수(UA, LMTD)는 모든 열 교환기에도 적용됩니다.

열교환기 등급 실험은 제조된 열교환기가 원하는 용량(UA 값)을 충족하는지 여부를 결정하는 데 매우 중요합니다. 마찬가지로 열교환기 성능모델(예:Eqn. 4)은 열교환기 설계를 안내하기 위해 개발 및 검증되어야 합니다. 이 실험은 이러한 열교환기 등급 및 모델링 프로세스에 대한 실습 소개를 제공합니다.

열교환기는 수많은 에너지 집약적 기술과 친숙한 가전 제품에 사용됩니다. 많은 발전소에서 증기 발전기 열교환기는 고온 가스에서 열을 전송하여 고압 증기를 생성하여 터빈을 구동합니다. 이러한 터빈의 하류, 응축기 열 교환기는 저압 증기에서 열을 거부하고 유체를 액화하고 주기가 지속적으로 작동 할 수 있도록합니다. 많은 산업 공정에서 회복 열 교환기는 배기가스 스트림에서 섭취 유체를 예열하여 에너지 소비를 줄이도록 저온 열을 전달할 수 있습니다. 냉장고와 에어컨 시스템에서 증발기 열교환기는 원하는 온도를 유지하기 위해 에어컨 공간에서 공기중의 열 에너지를 흡수합니다.

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References

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

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