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Análisis del intercambiador de calor

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Intercambiadores de calor son componentes omnipresentes en sistemas de energía. Algunos ejemplos comunes son radiadores de coche y refrigerador evaporadores. En ambos casos, el intercambiador de calor es facilitar a la transferencia de calor desde una corriente de fluido a otro. De estos ejemplos, es claro que los intercambiadores de calor son importantes en una variedad de sistemas; Principalmente proporcionando administración térmica o transiciones de ciclos termodinámicos. Una comprensión de cómo modelo y tipo de intercambiadores de calor es importante para optimizar diseños e integración de intercambiadores de calor en sistemas más grandes. Este video se ilustran algunos de los principios de análisis y diseño de intercambiadores de calor y luego demostrar esos conceptos en un diseño de intercambiador de calor tubo en tubo simple. Al final, se explorarán algunas aplicaciones comunes.

Un intercambiador bien diseñado debe facilitar la transferencia de calor eficiente, continua entre dos corrientes de fluido, sin permitirles que se mezclan. Dos corrientes de fluido al entrar un intercambiador de calor, se traen en contacto térmico a través de una barrera física. Intercambio de calor es conducido por una diferencia de temperatura local como el progreso de fluidos, los fluidos hasta la salida. El resultado es que el más caliente de los dos fluidos para entrar en el intercambiador de calor sale con una temperatura reducida y el más frío de los dos con una temperatura mayor. Durante la operación estable, la tasa de transferencia de calor del fluido caliente se determina por el flujo másico y calor específico del líquido, multiplicado por la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La misma fórmula se aplica para el fluido frío cuando se utilizan los valores correspondientes. Si la fuga de calor a los alrededores es despreciable, la magnitud de las tasas de transferencia de dos será igual. Esto significa que cualquier calor perdido por el líquido caliente, es ganado por el fluido frío. La conductancia total en Watt por Kelvin, es una medida de la capacidad de transferencia de calor de un intercambiador de calor. Vamos a analizar una geometría particular que se conoce como contracorriente, intercambiador de calor tubo en tubo. En este diseño, el fluido caliente fluye en una dirección dentro de una sección recta del tubo. El fluido frío fluye en la dirección opuesta, en el anillo entre el tubo caliente y un segundo tubo exterior. La diferencia de temperatura media conducción transferencia de calor entre las dos corrientes en esta geometría, es la diferencia de temperatura media de registro, que puede calcularse de las temperaturas de entrada y salidas de ambas corrientes. Utilizando este modelo de funcionamiento del intercambiador de calor, podemos responder a dos tipos diferentes de problemas de análisis de intercambiadores de calor. Clasificación y diseño. Si la tasa de transferencia de calor y el registro significan diferencia de temperatura son conocidos, por ejemplo mediante la medición experimental, la conductancia total puede calcularse la relación de los dos. Sin embargo, a efectos de diseño es útil para predecir cuál será la conductancia global de las propiedades del material y geometría del intercambiador. Esto puede hacerse mediante la búsqueda de la suma de las resistencias térmicas entre las dos corrientes. Para la geometría del tubo en tubo, estas resistencias se determinan por: convección en el tubo de fluido caliente, la conducción a través de la pared del tubo interno y convección otra vez en el anillo líquido frío. El inverso de esta suma da la conductancia global para el intercambiador de calor de tubo en contracorriente. Ahora que hemos visto cómo analizar el intercambiador de calor, vamos a probar en el laboratorio.

Coloque dos recipientes de plástico en los lados opuestos de la superficie de trabajo para servir como depósitos de agua caliente y fría. Si es necesario, perforar agujeros en las tapas de entrada y salida las líneas de agua, así como el cable de alimentación de la bomba. Cuando haya terminado, montar una bomba sumergible, pequeño en cada depósito. A continuación, montar un medidor de flujo de agua, o un rotámetro, verticalmente cerca de cada depósito y luego usar tubería de PVC blando para conectar las salidas de la bomba a las entradas del medidor de flujo. Ahora, instale dos compresión tee de tuberías en el tubo de agua fría externa del intercambiador. Conecte un tubo de PVC flexible, desde el puerto del lado de la t cercana guarnición, a la salida del medidor de flujo caliente. Para el tubo de flujo del contador caliente, corte una sección de tubería de aluminio igual en longitud al intercambiador de calor, incluyendo las conexiones t en el extremo e inserte en la Asamblea. A continuación, conecte un tubo de plástico blando, de la compresión en el otro extremo de la Asamblea de intercambiador de calor, para el depósito de agua caliente. Apriete las conexiones de compresión para sellar el tubo de plástico blando alrededor del tubo de aluminio. Esto separará el flujo caliente, a través del tubo interior de aluminio, del flujo frío del exterior. Conecte el tubo de PVC flexible, desde el puerto de lado en una conexión en t, a la salida del medidor de flujo frío y luego conecte un segundo tubo para el puerto lateral del tee conexión volver al depósito de agua fría. Antes de continuar, confirme que las tomas de corriente caliente y fría, el intercambiador de calor, en los extremos opuestos. Taladre un pequeño orificio en un lado del tubo plástico suave cerca de cada puerto de entrada y salida del intercambiador. Suavemente inserte una sonda de termopar en cada puerto para que la punta de la sonda es aproximadamente en el centro del tubo. Por último, usar el epoxi o pegamento similar, para sellar el hueco pequeño en los tubos de las sondas de termopar contra fugas de agua. El epoxi es curado, conecte todos cuatro sondas de termopar a un lector de termopares. Que la Asamblea se ha completado, usted está listo para comenzar la prueba.

Llene el depósito frío con temperatura de agua y el depósito caliente con agua tibia. Encienda ambas bombas de agua y ajustar las válvulas de aguja en los medidores de flujo para aumentar el flujo en ambos circuitos. Permita que el agua circule lo suficiente para eliminar cualquier burbuja de aire atrapado. Una vez que se eliminan las burbujas de aire, ajustar el flujo en ambos circuitos de aproximadamente 0,1 litros por minuto. Espere unos minutos para permitir que el sistema se estabilice y luego registrar las temperaturas de entrada y salida por las cuatro lecturas de termopar. El lector de termopares puede tener una función hold para congelar los valores de corriente mientras está grabando. Registrar cinco más conjuntos de lecturas en estas condiciones de flujo. Repita estas mediciones de caudales de aproximadamente 0,125 litros por minuto y de 0,15 litros por minuto. Si la diferencia de temperatura entre las entradas calientes y frías cae por debajo de 5 grados Celsius, vuelva a llenar los depósitos con agua caliente y fría. Ahora que las medidas son completas, echemos un vistazo a los resultados.

Usted debe tener 18 conjuntos de datos y para cada conjunto un caudal de volumen medido. Nota para estas pruebas, el mismo caudal, V-dot, se utiliza para las corrientes calientes y frías. En primer lugar, usar la densidad del agua para convertir cada valor de la tasa de flujo de volumen a una tasa de flujo de masa. Ahora, calcular la tasa de cambio de la energía de las corrientes calientes y frías en cada juego multiplicando la tasa de flujo de masa, el calor específico del agua y las diferencias de temperatura correspondiente. En la sección de principio, asumimos que la magnitud de estas tasas serían igual. Propagar las incertidumbres por lo que se les pueden comparar. En la mayoría de los casos, las tasas de transferencia de calor igualar a incertidumbre; Sin embargo, a medida que el caudal disminuye, hay una tendencia hacia la pérdida de calor mayor de fluido caliente, en comparación con el calor ganado por el fluido frío. Este es probablemente el resultado de la pérdida de calor al medio circundante; Pero puesto que el efecto es pequeño, la tasa de transferencia de calor promedio puede ser utilizada para el resto del análisis. A continuación, permite evaluar la conductancia total de la intercambiador de calor, que puede ser determinada de la tasa de transferencia de calor medido, y el registro de diferencia de temperatura media. La conductancia total depende de la conductividad térmica de materiales, condiciones de flujo y la geometría del intercambiador de calor. Anticipamos que este valor no cambiará significativamente con caudal de los flujos laminar de baja velocidad considerado aquí. Utilizar las temperaturas medidas con la ecuación dada en el texto para calcular la diferencia de temperatura media de registro. Ahora, divida la tasa promedio de cambio de energía por la diferencia de temperatura media de registro para cada uno para producir la conductancia global. Como hemos anticipado, la conductancia total es relativamente constante sobre la gama de las condiciones que se han probado, como lo demuestra la pequeña desviación de estándar sobre el conjunto de datos. Sin embargo, este resultado es mayor que el valor teórico predicho para el constante flujo laminar completamente desarrollado. Si suponer flujo en desarrollo en las entradas en ambos canales y utilizar factores de corrección adecuados, la predicción teórica será más alta que nuestro resultado de medición. En realidad, el flujo en el canal interno se desarrollarán parcialmente antes de llegar a la entrada del intercambiador de calor, y esto puede explicar el valor intermedio de conductancia global. Ahora que hemos analizado los resultados de nuestro intercambiador de calor simple, vamos a ver algunas aplicaciones típicas.

Intercambiadores de calor se emplean en una amplia variedad de escenarios cada vez que la transferencia de calor debe facilitarse entre dos corrientes fluidas. En muchas plantas de generación de energía, vapor generador calor de transferencia de intercambiadores de calor de gas de alta temperatura para producir vapor de alta presión a las turbinas de impulsión. Abajo de estas turbinas, intercambiadores de calor de condensador rechazar calor desde el vapor de baja presión, licuar el líquido y permitiendo que el ciclo funcione continuamente. En refrigeradores y sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de calor del evaporador absorbe energía térmica del aire en el espacio acondicionado para mantener la temperatura deseada.

Sólo ha visto la introducción de Zeus al análisis del intercambiador de calor. Usted debe saber comprender los principios básicos de intercambiadores de calor y cómo analizar su rendimiento experimental y teóricamente. Gracias por ver.

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