Výměník tepla s paralelním prouděním: 23 důležitých faktů

OBSAH

Co je to výměník tepla s paralelním tokem?

Typ s přímým přenosem výměníku tepla, ve kterém jak horká kapalina, tak studená kapalina proudí stejným směrem, aby mezi sebou vyměňovaly tepelnou energii bez přenosu jakékoli energie z okolí. 

Teorie tepelného výměníku s paralelním tokem

Výměník tepla je definován jako stálý tok adiabatické otevřený systém. Tok obou kapalin (horká kapalina a studená kapalina) probíhá ve stejném směru pro výměnu tepla mezi nimi. Jedná se o kategorizovaný výměník tepla s přímým přenosem, ve kterém kapaliny mezi sebou nemají žádný fyzický kontakt. Tlak horké i studené kapaliny zůstává konstantní.

Ztráta entalpie horké tekutiny se rovná zisku entalpie studenou kapalinou. Kolísání teploty mezi horkou a studenou tekutinou ve směru toku vždy klesá.

Kde,

T_{h, v}: Teplota vstupní horké kapaliny

T_{h, ven}: Teplota kapaliny chlazené na výstupu 

T_{c, v}: Teplota vstupní studené kapaliny

T_{c, ven}: Teplota výstupní teplé kapaliny

Výhody výměníku tepla s paralelním tokem

Ztráta tlaku je velmi nízká

Má jednoduchou konstrukci a levnou stavbu.

Deskový výměník tepla s paralelním průtokem

Shluk desek je systematicky umístěn jeden nad druhým za účelem vytvoření řady kanálů pro tok tekutiny, které si mezi sebou vyměňují tepelnou energii. Zvětšení povrchu deskami umožňuje větší přenos tepla mezi dvěma tekutinami.

Paralelní průtokový výměník tepla proti protiproudému výměníku tepla

Změna teploty mezi horkou a studenou tekutinou vzhledem ke směru proudění je výraznější u výměníku tepla s paralelním průtokem. Entropie výměníku tepla s paralelním tokem je vyšší ve srovnání s výměníkem tepla protiproudého typu. Protiproudý výměník tepla je účinnější než paralelní průtokový výměník tepla. Proto pro stejnou rychlost přenosu tepla požadovanou v obou případech zabírá protiproudý výměník tepla menší oblast přenosu tepla nebo kompaktnější rozměry než výměník tepla s paralelním tokem.

Jaká je účinnost výměníku tepla s paralelním tokem?

„Účinnost (ϵ) tepelného výměníku je definována jako poměr skutečného přenosu tepla k maximálnímu možnému přenosu tepla.“

Skutečný přenos tepla (Q) = m_h*C_ph* (T._h1 - T_h2) 

= m_c*C_pc* (T._c2 - T_c1)

Maximální možný přenos tepla (Q_max) = C._h(T_h1 - T_c1)

Experiment s paralelním a protiproudým výměníkem tepla

Cíl: Zjistit účinnost výměníku tepla v paralelním a protiproudu.

Nastavení experimentu se skládá z následující komponenty,

• Ohřívač
• Čerpadlo
• Vstup a výstup teplé vody
• Vstup a výstup studené vody
• Senzor teploty
• Regulátor průtoku

Postup:

Nejprve musíme zapnout testovací zařízení, poté zapnout ohřívač a nastavit teplotu ohřívače vody. Musíme počkat, až teplota vody vzroste na nastavenou hodnotu. Zapněte čerpadlo teplé i studené vody. Pomocí knoflíku regulátoru průtoku nastavte hmotnostní průtok teplé i studené vody. Zaznamenává se veškerá teplota na vstupu a výstupu. Nejprve nastavte výměník tepla v paralelní konfiguraci a zaznamenejte hodnoty.

Specifická kapacita horké tekutiny: _________

Specifická kapacita studené tekutiny: _________

1. Upravený hmotnostní průtok horké kapaliny (m_h) jsou zaznamenány
2. Upravený hmotnostní průtok studené kapaliny (m_c) jsou zaznamenány
3. Nastavit vstupní teplotu zaznamenává se horká tekutina (T_h1)
4. Výstupní teplota zaznamenává se horká tekutina (T_h2)
5. Vstupní teplota Zaznamenávají se studené tekutiny (T_c1)
6. Výstupní teplota zaznamenává se studená tekutina (T_c2)

Použití výměníku tepla s paralelním tokem

Používá se k předehřívání vzduchu v peci, při kterém dochází k výměně tepla mezi čerstvým studeným vzduchem a spalinami z odpadních vod.

Plášťový a trubkový výměník tepla na lodi používal paralelní průtokový výměník tepla.

Tenkostěnný dvoutrubkový výměník tepla s paralelním průtokem

Uspořádání, ve kterém jedna tekutina proudí uvnitř potrubí a druhá tekutina proudí mezi vnějším povrchem první trubky a vnitřním povrchem jiné trubky, která obklopuje první. Tyto trubky mají soustřednou povahu. 

Počitadlo a paralelní průtokový výměník tepla

Protiproudý a paralelní průtokový výměník tepla jsou přímý přenosový výměník tepla.

Směr proudění horké a hromadné kapaliny je v případě tepelného výměníku proti typeru opačný, zatímco v případě paralelního proudění je směr horké a studené kapaliny stejný.

Log střední teplotní rozdíl (LMTD) je vyšší v případě protiproudu ve srovnání s výměníkem tepla s paralelním průtokem, a proto jsou protiproudé výměníky tepla menší pro stejný přenos energie.

Výpočty výměníku tepla s paralelním tokem

Když jak horká, tak studená tekutina vstupuje do výměníku tepla ze stejné strany, proudění v paralelním směru a výstup ze stejné strany se označuje jako výměník tepla s paralelním tokem.

Cílem je vypočítat celkovou rychlost přenosu tepla (Q) mezi horkými a studenými tekutinami v tepelném výměníku s paralelním průtokem.

Kde,

T_hi je vstupní teplota horké kapaliny

T_he je výstupní teplota horké kapaliny

T_ci je vstupní teplota studené kapaliny

T_ce je výstupní teplota studené kapaliny 

∆T_i = Vstupní teplotní rozdíl

     = Thi - Tci

∆T_e = Odchod teplotního rozdílu

     = The - Tce

Q = U x A x AT_m

Kde,

U = Celkový součinitel prostupu tepla

A = celková plocha přenosu tepla výměníku tepla

∆T_m= Log střední teplotní rozdíl

Dvojitý trubkový paralelní průtokový výměník tepla

Má jednoduchou konstrukci, ve které je jedna trubka vložena soustředně do druhé. Horká tekutina a studená tekutina vstupují do výměníku tepla ze stejné strany a také proudí stejným směrem, aby si mezi sebou vyměňovaly entalpii.

V případě výměníku tepla s paralelním průtokem je to hodnota maximální účinnosti.

„Účinnost tepelného výměníku je definována jako poměr mezi skutečnou rychlostí přenosu tepla mezi horkou a studenou tekutinou a maximální možnou rychlostí přenosu tepla mezi nimi.“

Hodnota maximální účinnosti v paralelním toku může být 50%.

Derivace výměníku tepla s paralelním tokem

Odvodit rovnici pro střední teplotní rozdíl (MTD) a celkovou rychlost přenosu tepla (Q) výměníku tepla s paralelním průtokem.

Zvažte diferenciální plochu přenosu tepla ΔA tepelného výměníku o délce Δx, kterou je rozdílná rychlost přenosu tepla mezi horkými a studenými tekutinami dq.

Potom dq = U x ΔT x dA

Kde dA = B * dx a ΔT = T_h - T_c = f (x)

Okrajové podmínky,

Při x = 0 (tj. Přívod) ΔT = ΔTi = Thi - Tci

Na x = L (tj. Výstup) ΔT = ΔTe = The - Tce

Takže,

dq = -m_h*c_ph* dt

   = + m_c*c_pc* dt

AT = T_h - T_c

d (ΔT) = dT_h - dT_c

d (AT) = -dq [(1 / m_h*c_ph) + (1 / m.)_c*c_pc)]

dq = U * (dA) * ΔT 

    = U * ΔT * (BdX)

dq = -U * (dA) * ΔT * [(1 / m_h*c_ph) + (1 / m.)_c*c_pc)]

Integrace obou stran oddělením proměnných

Schéma výměníku tepla s paralelním tokem

Rovnice výměníku tepla s paralelním tokem

Rovnice pro výměnu celkového tepla

Kde,

U = Celkový součinitel prostupu tepla

A = celková plocha přenosu tepla výměníku tepla

봗 m = Log střední teplotní rozdíl

Rovnice pro Log Mean Temp Difference.

Kde,

Thi je vstupní teplota horké kapaliny

Je výstupní teplota horké kapaliny

Tci je vstupní teplota studené kapaliny

Tce je výstupní teplota studené tekutiny 

ΔTi = rozdíl vstupní teploty

     = Thi - Tci

ΔTe = výstupní teplotní rozdíl

     = The - Tce

Příklad výměníku tepla s paralelním tokem

Shell a trubice

Dvojitá trubka

Typ desky

Graf výměníku tepla s paralelním průtokem

Výhody a nevýhody výměníku tepla s paralelním průtokem

Výhoda:

Má jednoduchou konstrukci a levnou stavbu.

Rychlé načtení

Nízká tlaková ztráta

Nevýhoda:

Méně účinnosti

Velikost je větší pro stejný přenos tepla

Určete vlastnosti výměníků tepla s paralelním tokem.

Výměník tepla s paralelním tokem je charakterizován výměníkem tepla s přímým tokem, ve kterém je směr toku stejný pro horkou i studenou tekutinu během přenosu energie.

Rovnice LMTD pro paralelní průtokový výměník tepla

Je to parametr, který bere v úvahu kolísání ΔT (teplotní rozdíl na vstupní a výstupní straně výměníku tepla) vzhledem ke směru proudění horké tekutiny jeho průměrováním po celé délce tepelného výměníku od vstupu k výstupu.

Rozdíl střední teploty protokolu (LMTD) je poměr rozdílu rozdílu vstupní teploty a rozdílu rozdílu výstupní teploty k protokolu rozdílu rozdílu rozdílu vstupní teploty a rozdílu rozdílu výstupní teploty.

Kde,

Thi je vstupní teplota horké kapaliny

Je výstupní teplota horké kapaliny

Tci je vstupní teplota studené kapaliny

Tce je výstupní teplota studené tekutiny 

ΔTi = rozdíl vstupní teploty

    = Thi - Tci

ΔTe = výstupní teplotní rozdíl

    = The - Tce

Optimalizace paralelního průtoku výměníku tepla

Paralelní průtokový výměník tepla ve tvaru skořepiny a trubice lze optimalizovat novým typem antivibrační upínací přepážky. Jeho výkon ovlivňuje také geometrický parametr, jako je vzdálenost přepážky a šířka přepážky. Typ průtoku je důležitým parametrem, který je třeba vzít v úvahu při optimalizaci tepelného výměníku.

Definujte teplotní gradient v případě výměny tepla s paralelním tokem

Rozdíl teplot mezi teplotním rozdílem na vstupní a výstupní straně tepelného výměníku je známý jako teplotní gradient. V případě výměníku tepla s paralelním průtokem není rovnoměrný a postupně klesá ve směru proudění.

V jakém stavu bychom měli použít výměník tepla s paralelním tokem?

Hranicí výstupní teploty studené tekutiny je výstupní teplota horké tekutiny v případě výměníku tepla s paralelním průtokem. Používá se tedy hlavně tam, kde se doporučuje omezený přenos tepla.

Numerická otázka:

Que: Horká voda o 46 ℃ vstupuje do výměníku tepla, aby se zvýšila entalpie vody, která vstupuje do 10 ℃ a vystupuje z výměníku tepla o 38 ℃. Hmotnostní průtok horké tekutiny je 25 l / s a ​​hmotnostní průtok studené tekutiny je 19 l / s. Pokud během přenosu tepla nedojde k žádným tepelným ztrátám, jaká je teplota horké tekutiny na výstupu?

Sol: Daná vstupní teplota horké kapaliny (T1) = 46 ℃

     Daná vstupní teplota studené kapaliny (T3) = 10 ℃ 

     Daná výstupní teplota studené kapaliny (T4) = 38 ℃

     Zjištění výstupní teploty horké kapaliny (T2) = X

     Hustota vody () = 1000 kg / m3

     Hmota průtok horké kapaliny (mh) = 25 l/s

     Hmotnostní průtok studené tekutiny (mc) = 19 l / s

     Tepelná kapacita vody (c) = 4186 J / kg-K

Teplo ztracené horkou vodou je stejné jako teplo získané studenou tekutinou.

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

25 (46 - T2) = 19 (38 - 10)

T2 = 24.72 ℃

Výstupní teplota teplé vody je 24.72 ° C

FAQ / krátké poznámky

Kde se používá výměník tepla s paralelním tokem

Výměník tepla s paralelním průtokem se používá hlavně tam, kde se doporučuje omezený přenos tepla. Limit výstupní teploty studené kapaliny je výstupní teplota horké kapaliny v případě výměníku tepla s paralelním průtokem.

Crossflow vs paralelní průtokový výměník tepla

Pro stejnou rychlost přenosu tepla požadovanou v obou případech zabírá protiproudý výměník tepla menší oblast přenosu tepla nebo kompaktnější rozměry než výměník tepla s paralelním průtokem.

Když se ohřívá voda a olej se ochladí ve výměníku tepla. bude sledovat cestu protiproudu nebo cestu paralelního toku?

Oba typ výměníku tepla lze použít, ale výměník tepla protiproudého typu zabere méně místa ve srovnání s výměníkem tepla s paralelním průtokem.

TechieScience Core SME

Základní tým TechieScience pro malé a střední podniky je skupina zkušených odborníků z různých vědeckých a technických oborů včetně fyziky, chemie, technologie, elektroniky a elektrotechniky, automobilového průmyslu a strojního inženýrství. Náš tým spolupracuje na vytváření vysoce kvalitních, dobře prozkoumaných článků o široké škále vědeckých a technologických témat pro web TechieScience.com.

Všechny naše senior SME mají více než 7 let zkušeností v příslušných oborech. Jsou to buď profesionálové z pracovního průmyslu, nebo jsou spojeni s různými univerzitami. Odkazovat Naši autoři Stránka, kde se dozvíte o našich základních malých a středních podnicích.