Εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής || Οι 3 σημαντικές συχνές ερωτήσεις ||

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ

Τι είναι ο εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής;

Ένας τύπος άμεσης μεταφοράς εναλλάκτη θερμότητας στον οποίο τόσο το ζεστό υγρό όσο και το κρύο ρευστό ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση για να ανταλλάσσουν θερμική ενέργεια μεταξύ τους χωρίς μεταφορά ενέργειας από το περιβάλλον. 

Θεωρία εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Ο εναλλάκτης θερμότητας ορίζεται ως σταθερή ροή αδιαβατικός ανοικτό σύστημα. Η ροή και των δύο υγρών (ζεστό και κρύο υγρό) είναι προς την ίδια κατεύθυνση για να ανταλλάσσουν θερμότητα μεταξύ τους. Είναι κατηγοριοποιείται ως εναλλάκτης θερμότητας τύπου άμεσης μεταφοράς στον οποίο τα υγρά δεν έχουν φυσική επαφή μεταξύ τους. Η πίεση τόσο του ζεστού όσο και του κρύου υγρού παραμένει σταθερή.
Η απώλεια θερμού υγρού Enthalpy ισούται με το κέρδος Enthalpy από κρύο υγρό. Η διακύμανση της θερμοκρασίας μεταξύ ζεστού και κρύου υγρού προς την κατεύθυνση της ροής μειώνεται πάντα.
Εικ: 1 Εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής (Πιστωτική εικόνα: wikimedia)

Που,

Th, σε: Θερμοκρασία καυτού υγρού εισόδου

Tω, έξω: Θερμοκρασία ψυχρού υγρού εξόδου 

Tγ, σε: Θερμοκρασία κρύου υγρού εισόδου

Tγ, έξω: Θερμοκρασία θερμού υγρού εξόδου

Πλεονεκτήματα του εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Η απώλεια πίεσης είναι πολύ χαμηλή
Είναι απλό στην κατασκευή και φθηνό στην κατασκευή.

Εναλλάκτης θερμότητας πλάκας ροής

Ένα σύμπλεγμα πλακών τοποθετείται με συστηματικό τρόπο το ένα πάνω στο άλλο για το σχηματισμό μιας σειράς καναλιών για ροή υγρού για την ανταλλαγή θερμικής ενέργειας μεταξύ τους. Η αύξηση της επιφάνειας των πλακών επιτρέπει μεγαλύτερη μεταφορά θερμότητας μεταξύ των δύο υγρών.
Αρχείο: เครื่อง แลกเปลี่ยน ความ ร้อน แบบ แผ่น. Png
Εικ: 2 εναλλάκτης θερμότητας τύπου πλάκας (Πιστωτική εικόνα: wikimedia)

Εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής έναντι εναλλάκτη θερμότητας αντίθετης ροής

Η διακύμανση της θερμοκρασίας μεταξύ θερμού υγρού και ψυχρού υγρού σε σχέση με την κατεύθυνση ροής είναι πιο έντονη στον εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής. Η εντροπία του εναλλάκτη θερμότητας τύπου παράλληλης ροής είναι υψηλότερη σε σύγκριση με τον εναλλάκτη θερμότητας τύπου μετρητή. Ο εναλλάκτης θερμότητας αντίθετης ροής είναι πιο αποτελεσματικός από τον εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής. Ως εκ τούτου, για τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς θερμότητας που απαιτείται και στις δύο περιπτώσεις, ο εναλλάκτης θερμότητας αντίθετης ροής καταλαμβάνει μικρότερη περιοχή μεταφοράς θερμότητας ή πιο συμπαγής σε μέγεθος από τον εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής.

Ποια είναι η αποτελεσματικότητα του εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής;

«Η αποτελεσματικότητα (ϵ) ενός εναλλάκτη θερμότητας ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής μεταφοράς θερμότητας προς τη μέγιστη δυνατή μεταφορά θερμότητας.»
Πραγματική μεταφορά θερμότητας (Q) = mh*Cph* (Τh1 - Τ.h2
= μc*Cpc* (Τc2 - Τ.c1)
Μέγιστη δυνατή μεταφορά θερμότητας (Qmax) = Γh(Th1 - Τ.c1)

Πείραμα εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής και αντίθετης ροής

Στόχος: Για τον προσδιορισμό της αποτελεσματικότητας του εναλλάκτη θερμότητας στην παράλληλη ροή και αντίθετη ροή.
Η ρύθμιση πειράματος αποτελείται από το ακόλουθο στοιχείο,
  • Θερμάστρα
  • Αντλία
  • Είσοδος και έξοδος ζεστού νερού
  • Είσοδος και έξοδος κρύου νερού
  • Αισθητήρας θερμοκρασίας
  • Ρυθμιστής ροής

Διαδικασία:

Κατ 'αρχάς, πρέπει να ενεργοποιήσουμε τη συσκευή δοκιμής και μετά να θέσουμε τον θερμαντήρα ON και να ρυθμίσουμε τη θερμοκρασία του θερμοσίφωνα. Πρέπει να περιμένουμε να ανεβεί η θερμοκρασία του νερού μέχρι το σημείο ρύθμισης. Ενεργοποιήστε την αντλία τόσο για ζεστό όσο και για κρύο νερό. Ρυθμίστε το ρυθμό ροής μάζας τόσο ζεστού όσο και κρύου νερού χρησιμοποιώντας ένα κουμπί ρυθμιστή ροής. Καταγράφεται όλη η θερμοκρασία στην είσοδο και την έξοδο. Αρχικά, ρυθμίστε τον εναλλάκτη θερμότητας σε παράλληλη διαμόρφωση και σημειώστε τις ενδείξεις.

Ειδική χωρητικότητα θερμού υγρού: _________

Ειδική χωρητικότητα ψυχρού υγρού: _________

  1. Ρυθμιζόμενος ρυθμός ροής μάζας ζεστού υγρού (mh) καταγράφονται
  2. Προσαρμοσμένη ταχύτητα ροής μάζας ψυχρού υγρού (mc) καταγράφονται
  3. Ορισμός θερμοκρασίας εισόδου καταγράφονται θερμό υγρό (Τh1)
  4. Η θερμοκρασία εξόδου καταγράφονται θερμό υγρό (Τh2)
  5. Θερμοκρασία εισόδου Καταγράφονται κρύο υγρό (Τc1)
  6. Θερμοκρασία εξόδου καταγράφονται κρύο υγρό (Τc2)

Εφαρμογή του εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Χρησιμοποιείται για προθέρμανση αέρα φούρνου, η οποία ανταλλάσσει θερμότητα μεταξύ φρέσκου ψυχρού αέρα και καυσαερίων καμίνου.
Το κέλυφος και ο σωλήνας του εναλλάκτη θερμότητας στο πλοίο χρησιμοποίησαν εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής λεπτού τοιχώματος διπλού σωλήνα

Η διάταξη στην οποία ένα ρευστό ρέει μέσα σε ένα σωλήνα και το άλλο ρευστό ρέει μεταξύ της εξωτερικής επιφάνειας του πρώτου σωλήνα και της εσωτερικής επιφάνειας ενός άλλου σωλήνα που περιβάλλει τον πρώτο. Αυτοί οι σωλήνες έχουν ομόκεντρο χαρακτήρα. 

Εναλλάκτης θερμότητας μετρητή και παράλληλης ροής

Τόσο ο εναλλάκτης θερμότητας, όσο και ο παράλληλος, είναι εναλλάκτης θερμότητας τύπου άμεσης μεταφοράς.
Η κατεύθυνση ροής του ζεστού και υγρού θραύσης σε περίπτωση εναλλάκτη θερμότητας αντίθετου ελαστικού είναι αντίθετη μεταξύ τους ενώ στην περίπτωση παράλληλης ροής η κατεύθυνση των καυτών και κρύων υγρών είναι ίδια.
Η διαφορά μέσης θερμοκρασίας Log (LMTD) είναι υψηλότερη στην περίπτωση της ροής μετρητή σε σύγκριση με τον εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής και έτσι ο εναλλάκτης θερμότητας αντίθετης ροής είναι μικρότερος σε μέγεθος για την ίδια μεταφορά ενέργειας.

Υπολογισμοί εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Όταν και το ζεστό και το κρύο υγρό εισέρχονται στον εναλλάκτη θερμότητας από την ίδια πλευρά, η ροή σε παράλληλη κατεύθυνση και η έξοδος από την ίδια πλευρά είναι γνωστή ως εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής.
Σχήμα 3: Διάγραμμα για εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής
Σκοπός είναι να υπολογιστεί ο συνολικός ρυθμός μεταφοράς θερμότητας (Q) μεταξύ θερμών και ψυχρών υγρών στον εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής.
Που,
Thi είναι η θερμοκρασία εισόδου καυτού υγρού
The είναι θερμοκρασία εξόδου ζεστού υγρού
Tci είναι η θερμοκρασία εισόδου ψυχρού υγρού
Tce είναι θερμοκρασία εξόδου κρύου υγρού 
ΔΤi = Διαφορά θερμοκρασίας εισόδου
     = Thi - Tci
ΔΤe = Διαφορά θερμοκρασίας εξόδου
     = Το - Tce
Q = U x A x ΔΤm
Που,
U = Συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας
A = Συνολική περιοχή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη θερμότητας
ΔΤm= Μέση διαφορά θερμοκρασίας καταγραφής

Εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής διπλού σωλήνα

Έχει μια απλή κατασκευή στην οποία ο ένας σωλήνας εισάγεται ομόκεντρα στον άλλο. Το ζεστό υγρό και το κρύο υγρό εισέρχονται στον εναλλάκτη θερμότητας από την ίδια πλευρά και επίσης ρέουν προς την ίδια κατεύθυνση για να ανταλλάξουν ενθαλπία μεταξύ τους.

Σε περίπτωση εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής ποια είναι η αξία της μέγιστης αποτελεσματικότητας.

«Η αποτελεσματικότητα ενός εναλλάκτη θερμότητας ορίζεται ως η αναλογία μεταξύ του πραγματικού ρυθμού μεταφοράς θερμότητας που λαμβάνει χώρα μεταξύ ζεστού και κρύου υγρού και του μέγιστου δυνατού ρυθμού μεταφοράς θερμότητας μεταξύ τους.»
Η τιμή της μέγιστης αποτελεσματικότητας σε παράλληλη ροή μπορεί να είναι 50%.

Παραγωγή εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Για να εξαγάγετε μια εξίσωση για τη μέση διαφορά θερμοκρασίας (MTD) και τον συνολικό ρυθμό μεταφοράς θερμότητας (Q) του εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής.
Εξετάστε τη διαφορική περιοχή μεταφοράς θερμότητας ΔΑ του εναλλάκτη θερμότητας μήκους Δx μέσω της οποίας ο διαφορικός ρυθμός μεταφοράς θερμότητας μεταξύ θερμών και ψυχρών υγρών είναι dq.
Στη συνέχεια, dq = U x ΔT x dA
Όπου dA = B * dx, και ΔT = Th - Τ.c = f (x)
Οριακές συνθήκες,
Στο x = 0 (δηλ. Είσοδος) ΔT = ΔΤi = Thi - Tci
Στο x = L (δηλ. Έξοδος) ΔT = ΔTe = The - Tce
Έτσι,
dq = -μh*cph* dt
   = + μc*cpc* dt
ΔΤ = Τh - Τ.c
d (ΔT) = dTh - dTc
d (ΔΤ) = -dq [(1 / mh*cph) + (1 / mc*cpc)]
dq = U * (dA) * ΔΤ 
    = U * ΔΤ * (BdX)
dq = -U * (dA) * ΔT * [(1 / mh*cph) + (1 / mc*cpc)]
Ενσωμάτωση και των δύο πλευρών διαχωρίζοντας τη μεταβλητή

Διάγραμμα εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Αρχείο: Εναλλάκτης θερμότητας με ευθεία σωλήνα 2-pass.PNG
Εικ. 4: Εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής (πίστωση εικόνας: wikimedia)

Εξισώσεις εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Η εξίσωση για τη συνολική θερμότητα ανταλλάχθηκε
Που,
U = Συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας
A = Συνολική περιοχή μεταφοράς θερμότητας του εναλλάκτη θερμότητας
봗 m = Μέση διαφορά θερμοκρασίας καταγραφής
Η εξίσωση για Log Mean Temp فرق.
Που,
Αυτή είναι η θερμοκρασία εισόδου ζεστού υγρού
Η θερμοκρασία εξόδου του θερμού υγρού
Το Tci είναι θερμοκρασία εισόδου κρύου υγρού
Tce είναι η θερμοκρασία εξόδου κρύου υγρού 
ΔTi = Διαφορά θερμοκρασίας εισόδου
     = Thi - Tci
ΔTe = Διαφορά θερμοκρασίας εξόδου
     = Το - Tce

Παράδειγμα εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Κέλυφος και σωλήνας
Διπλό σωλήνα
Τύπος πλάκας

Γράφημα εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

 

Σχήμα 5: Γράφημα κατανομής θερμοκρασίας

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Πλεονέκτημα:

Είναι απλό στην κατασκευή και φθηνό στην κατασκευή.
Γρήγορες ανακτήσεις
Χαμηλή απώλεια πίεσης

Μειονέκτημα:

Λιγότερη αποτελεσματικότητα
Το μέγεθος είναι μεγαλύτερο για την ίδια μεταφορά θερμότητας

Προσδιορίστε τα χαρακτηριστικά των εναλλακτών θερμότητας παράλληλης ροής.

Ο εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής χαρακτηρίζεται από εναλλάκτη θερμότητας τύπου άμεσης ροής, στον οποίο η κατεύθυνση ροής είναι ίδια τόσο για ζεστό όσο και για κρύο ρευστό κατά τη μεταφορά ενέργειας.

Εξίσωση LMTD για εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Είναι η παράμετρος που λαμβάνει υπόψη τη διακύμανση του ΔΤ (διαφορά θερμοκρασίας της πλευράς εισόδου και της πλευράς εξόδου του εναλλάκτη θερμότητας) σε σχέση με την κατεύθυνση της ροής του θερμού υγρού με μέσο όρο σε όλο το μήκος του εναλλάκτη θερμότητας από την είσοδο έως την έξοδο.
Η μέση διαφορά θερμοκρασίας καταγραφής (LMTD) είναι η αναλογία διαφοράς διαφοράς θερμοκρασίας εισόδου και διαφοράς διαφοράς θερμοκρασίας εξόδου προς Log του λόγου διαφοράς διαφοράς διαφοράς θερμοκρασίας εισόδου και διαφοράς διαφοράς θερμοκρασίας εξόδου.
Που,
Αυτή είναι η θερμοκρασία εισόδου ζεστού υγρού
Η θερμοκρασία εξόδου του θερμού υγρού
Το Tci είναι θερμοκρασία εισόδου κρύου υγρού
Tce είναι η θερμοκρασία εξόδου κρύου υγρού 
ΔTi = Διαφορά θερμοκρασίας εισόδου
    = Thi - Tci
ΔTe = Διαφορά θερμοκρασίας εξόδου
    = Το - Tce

Βελτιστοποίηση του εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής

Ο εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής τύπου κελύφους και σωλήνων μπορεί να βελτιστοποιηθεί με έναν νέο τύπο διαφράγματος σύσφιξης κατά των κραδασμών. Η γεωμετρική παράμετρος όπως η απόσταση διαφράγματος και το πλάτος διαφράγματος επηρεάζουν επίσης την απόδοσή της. Ο τύπος ροής είναι μια σημαντική παράμετρος που πρέπει να ληφθεί υπόψη για τη βελτιστοποίηση του εναλλάκτη θερμότητας.

Ορίστε την κλίση θερμοκρασίας σε περίπτωση ανταλλαγής θερμότητας παράλληλης ροής

Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ διαφοράς θερμοκρασίας στην πλευρά εισόδου και πλευρά εξόδου του εναλλάκτη θερμότητας είναι γνωστή ως κλίση θερμοκρασίας. Στην περίπτωση ενός εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής, δεν είναι ομοιόμορφος και σταδιακά μειώνεται στην κατεύθυνση της ροής.
Σχήμα 6: Διαβάθμιση θερμοκρασίας σε παράλληλη ροή (πίστωση εικόνας: wikimedia)

Σε ποια κατάσταση πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τον εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής;

Το όριο της θερμοκρασίας εξόδου ψυχρού υγρού είναι η θερμοκρασία εξόδου ζεστού υγρού σε περίπτωση εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής. Έτσι, χρησιμοποιείται κυρίως όπου συνιστάται περιορισμός της μεταφοράς θερμότητας.

Αριθμητική ερώτηση:

Que: Ζεστό νερό στα 46 ℃ μπαίνει στον εναλλάκτη θερμότητας για να αυξήσει την ενθαλπία του νερού που εισέρχεται στα 10 ℃ και βγαίνει από τον εναλλάκτη θερμότητας στα 38 ℃. Ο ρυθμός ροής μάζας ζεστού υγρού είναι 25 l / s και ο ρυθμός ροής μάζας ψυχρού υγρού είναι 19 l / s. Εάν δεν υπάρξουν απώλειες θερμότητας κατά τη μεταφορά θερμότητας, Ποια είναι η θερμοκρασία του θερμού υγρού στην έξοδο;

Sol: Δεδομένη θερμοκρασία εισόδου θερμού υγρού (T1) = 46 ℃

     Δεδομένη θερμοκρασία εισόδου ψυχρού υγρού (T3) = 10 ℃ 

     Δεδομένη θερμοκρασία εξόδου ψυχρού υγρού (T4) = 38 ℃

     Για να βρείτε τη θερμοκρασία εξόδου ζεστού υγρού (T2) = X

     Πυκνότητα νερού () = 1000 kg / m3

     Ρυθμός ροής μάζας καυτού υγρού (mh) = 25 l / s

     Ρυθμός ροής μάζας ψυχρού υγρού (mc) = 19 l / s

     Θερμική ικανότητα νερού (c) = 4186 J / kg-K

Η θερμότητα που χάνεται από ζεστό νερό είναι η ίδια με τη θερμότητα που λαμβάνεται από το κρύο υγρό.

mh * c * (T1-T2) = mc * c * (T3 - T4)

25 (46 - Τ2) = 19 (38 - 10)

T2 = 24.72 ℃

Η θερμοκρασία εξόδου του ζεστού νερού είναι 24.72 ℃

Συχνές ερωτήσεις / Σύντομες σημειώσεις

Πού χρησιμοποιείται ο εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής

Ο εναλλάκτης θερμότητας παράλληλης ροής χρησιμοποιείται κυρίως όταν συνιστάται περιορισμένη μεταφορά θερμότητας. Το όριο της θερμοκρασίας εξόδου του ψυχρού υγρού είναι η θερμοκρασία εξόδου του θερμού υγρού σε περίπτωση εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής.

Εναλλάκτης θερμότητας εγκάρσιας ροής έναντι παράλληλης ροής

Για τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς θερμότητας που απαιτείται και στις δύο περιπτώσεις, ο εναλλάκτης θερμότητας αντίθετης ροής καταλαμβάνει μικρότερη περιοχή μεταφοράς θερμότητας ή πιο συμπαγής σε μέγεθος από τον εναλλάκτη θερμότητας παράλληλης ροής.

 

Όταν το νερό θερμαίνεται και το λάδι ψύχεται σε εναλλάκτη θερμότητας. θα ακολουθήσει μια διαδρομή αντίστροφης ροής ή μια παράλληλη διαδρομή ροής;

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν και οι δύο τύποι εναλλάκτη θερμότητας, αλλά ο εναλλάκτης θερμότητας τύπου αντίθετης ροής θα καταλαμβάνει λιγότερο χώρο σε σύγκριση με τον εναλλάκτη θερμότητας τύπου παράλληλης ροής.

Για περισσότερα άρθρα σχετικά με τη Μηχανική και τη Θερμική Μηχανική, ακολουθήστε μας Μηχανική σελίδα

Σχετικά με τον Κρίσνα Σινγκ

Είμαι ο Krishna K Singh που εργάζεται ως επιστήμονας έργου. Διατηρώντας 5 χρόνια βιομηχανικής εμπειρίας στο Cross Mechanical. Επί του παρόντος, εργάζομαι σε έργα εξόρυξης βαθέων υδάτων διεθνούς σημασίας. Χαίρομαι που είμαι μέλος της οικογένειας Lambdageeks και θέλω να βοηθήσω τους μαθητές με την εις βάθος κατανόηση της μηχανικής και της θερμικής.
Ανυπομονούμε να σας συνδέσουμε μέσω του LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/krishna-k-singh-73b636156/

Lambda Geeks