What is the main purpose of a heat exchanger?

A heat exchanger facilitates efficient, continuous heat transfer between two fluid streams without allowing them to mix. Two fluids enter in close thermal contact across a physical barrier, driven by local temperature differences. The hotter fluid exits at reduced temperature while the colder fluid exits at increased temperature, making heat exchangers essential for thermal management in car radiators, refrigerators, and power plants.

How does the log mean temperature difference relate to heat exchanger analysis?

The log mean temperature difference is the average temperature difference driving heat transfer between two streams in a counter-flow tube-in-tube heat exchanger. It is calculated from the inlet and outlet temperatures of both fluid streams. This value is essential for determining overall conductance when the heat transfer rate is known, or for predicting performance in heat exchanger design and rating problems.

What are the thermal resistances in a tube-in-tube heat exchanger?

Thermal resistances in a tube-in-tube heat exchanger consist of three components: convection in the hot fluid tube, conduction through the inner tube wall, and convection in the cold fluid annulus. The sum of these resistances determines the overall thermal resistance between the two streams. The inverse of this sum yields the overall conductance, which characterizes the heat transfer capacity of the exchanger.

How is overall conductance determined experimentally in heat exchanger testing?

Overall conductance is determined experimentally by measuring the heat transfer rate and calculating the log mean temperature difference from inlet and outlet temperatures. The heat transfer rate is found by multiplying mass flow rate, specific heat of water, and temperature difference for each fluid stream. Dividing the average heat transfer rate by the log mean temperature difference yields the overall conductance for the heat exchanger.

Why does heat transfer rate equality matter in heat exchanger analysis?

During steady operation with negligible heat leakage to surroundings, the heat transfer rate of the hot fluid equals the heat transfer rate of the cold fluid. This principle means any heat lost by the hot fluid is gained by the cold fluid. Verifying this equality through experimental measurement confirms energy conservation and validates the accuracy of temperature and flow rate measurements in the heat exchanger system.

What are common applications of heat exchangers in energy systems?

Heat exchangers are employed in diverse energy applications. In power plants, steam generator heat exchangers transfer heat from high-temperature gas to produce steam for turbines, while condenser heat exchangers reject heat from low-pressure steam downstream. In refrigeration and air conditioning systems, evaporator heat exchangers absorb thermal energy from conditioned spaces. Car radiators transfer heat from engine coolant to surrounding air for cooling.

How does flow rate affect overall conductance in laminar flow conditions?

For low-velocity laminar flows in a tube-in-tube heat exchanger, overall conductance remains relatively constant across varying flow rates. This occurs because conductance depends primarily on material thermal conductivities, geometry, and flow regime rather than flow velocity in laminar conditions. Experimental measurements typically show small standard deviations in conductance values, confirming this stability across the tested operating range.

تحليل المبادل الحراري

0 مشاهدة11:38 دقيقة

1. تصنيع نظام المبادل الحراري (انظر التخطيطي والصورة ، الشكل 2)

قم بلصق خزانين بلاستيكيين للمياه (~ 1 لتر لكل منهما) على سطح عمل (~ 0.6 متر على حدة). إذا كانت هذه حاويات مغطاة ، فقم بحفر ثقوب في الغطاء لخطوط المياه الداخلة والمخرج وكابل طاقة المضخة. ستكون هذه بمثابة خزانات المياه الساخنة والباردة.
قم بتركيب مضخة غاطسة صغيرة واحدة في كل خزان.
قم بتركيب عدادين لتدفق المياه (عدادات الدوران) عموديا ، أحدهما بالقرب من كل خزان. استخدم أنابيب PVC ناعمة لتوصيل مداخل مقياس التدفق بمنافذ تفريغ المضخة.
قم بتثبيت الأنبوب الخارجي للمبادل الحراري (HX) (~ 0.3 متر ، القطر الخارجي OD = 12.7 مم ، معرف القطر الداخلي = 9.5 مم) في اثنين من تركيبات نقطة الإنطلاق لأنبوب الضغط (انظر الشكل 2). قم بتوصيل أنبوب PVC مرن (OD = 12.7 مم ، المعرف = 6.2 مم) من المنفذ الجانبي على نقطة الإنطلاق الواحدة المركبة بمخرج مقياس التدفق الساخن.
قم بقص أنبوب من الألومنيوم (OD = 7.9 مم ، المعرف = 6.2 مم) بطول المبادل الحراري ، بما في ذلك تركيبات نقطة الإنطلاق في النهاية (~ 0.38 متر طول) ، وأدخله في مجموعة المبادل الحراري. يجب أن ينزلق أنبوب الألمنيوم بإحكام في أنبوب PVC الناعم (OD = 12.7 مم ، المعرف = 6.2 مم) في نهاية تركيب الضغط.
قم بتوصيل أنبوب PVC ناعم من تركيبات الضغط في الطرف الآخر من مجموعة HX بخزان الماء الساخن. شد تركيبات الضغط لإغلاق الأنابيب البلاستيكية الناعمة حول أنبوب الألومنيوم. سيؤدي ذلك إلى فصل التدفق الساخن عبر أنبوب الألمنيوم الداخلي عن التدفق البارد الخارجي.
قم بتوصيل أنبوب PVC مرن من المنفذ الجانبي على نقطة الإنطلاق بتركيب واحد بمخرج مقياس التدفق البارد. قم بتوصيل أنبوب PVC من المنفذ الجانبي الموجود على نقطة الإنطلاق الأخرى بخزان الماء البارد (تدفق العودة). يجب أن تكون مداخل التيار الساخن والبارد إلى HX على طرفي نقيض.
قم بحفر ثقوب صغيرة (قطر ~ 1.6 مم) من خلال جانب واحد من الأنابيب البلاستيكية الناعمة بالقرب من كل مدخل ومخرج مبادل حراري (إجمالي 4). أدخل مسبارا مزدوجا حراريا برفق في كل منفذ بحيث يكون طرف المسبار في وسط الأنبوب تقريبا. قم بتوصيل مجسات المزدوجة الحرارية بقارئ مزدوج حراري
استخدام الايبوكسي أو مادة لاصقة مماثلة لسد الفجوة الصغيرة في الأنابيب حول المجسات الحرارية حتى لا يتسرب الماء.

الشكل 2: (أ) صورة تخطيطية و (ب) مسماة للنظام التجريبي لتصنيف المبادل الحراري

2. العملية

املأ الخزان البارد بماء الصنبور بدرجة حرارة الغرفة ، والخزان الساخن بالماء الدافئ.
قم بتشغيل مضختي المياه ، واستخدم صمامات إبرة مقياس التدفق لضبط معدلات التدفق على القيم المطلوبة ( على سبيل المثال ، 0.1 لتر دقيقة ^-1). قد يكون من الضروري تدوير الماء بمعدل تدفق أعلى في البداية لإزالة فقاعات الهواء المحبوسة.
اسمح للنظام بالاستقرار لبضع دقائق ، ثم سجل قياسات المزدوجات الحرارية الأربعة التي تمثل درجات حرارة المدخل والمخرج. سجل بضع مجموعات من القراءات لكل حالة تدفق. إذا كان ذلك متاحا ، يمكن لوظيفة hold على قارئ المزدوجات الحرارية تجميد القراءات للمساعدة في التسجيل.
اجمع قياسات درجة الحرارة ببضع مجموعات من معدلات تدفق الماء الساخن والبارد. أعد ملء الخزانات بشكل دوري بالماء الساخن والبارد العذب للحفاظ على متوسط الاختلافات في درجات الحرارة (~ 5 - 10 درجة مئوية).

3. التحليل

لكل حالة ، قارن معدلات تغير طاقة التيار الساخن والبارد ( ، ). بالنسبة للمياه، c_p = 4.2 كيلوجول كجم^-1 K^-1. ويمكن ضرب معدل التدفق الحجمي في الكثافة (ρ_الماء = 997 كجم م ^-3) لإيجاد معدل التدفق الكتلي. هل تتطابق معدلات تغير الطاقة (Q) ، كما هو مفترض في Eqn. 1؟
قم بتقييم LMTD لكل شرط بعد Eqn. 2 باستخدام Q من الخطوة 3.1. قم بتقييم UA للمبادل الحراري (المحدد في Eqn. 3). هل هذه الكمية ثابتة تقريبا للظروف المدروسة؟
قم بتقييم UA النظري للتدفق الصفحي المطور بالكامل في HX هذا (Eqn. 4) باستخدام متوسط معدل نقل الحرارة ((Q_C+Q_H)/2). كيف تقارن هذه القيمة النظرية بالقيمة المقاسة؟

عنوان الفصل	نسخة مكتوبة
1	المبادلات الحرارية هي مكونات موجودة في كل مكان في أنظمة الطاقة. بعض الأمثلة الشائعة هي مشعات السيارات ومبخرات الثلاجة. في كلتا الحالتين ، يسهل المبادل الحراري نقل الحرارة ، من تيار من سائل إلى آخر. من هذه الأمثلة ، من الواضح أن المبادلات الحرارية مهمة في مجموعة متنوعة من الأنظمة. توفير الإدارة الحرارية أو التحولات في المقام الأول في الدورات الديناميكية الحرارية. يعد فهم كيفية نمذجة المبادلات الحرارية وتقييمها أمرا مهما لتحسين التصميمات ودمج المبادلات الحرارية في أنظمة أكبر. سيوضح هذا الفيديو بعض مبادئ تصميم وتحليل المبادل الحراري ، ثم يوضح هذه المفاهيم على تصميم مبادل حراري بسيط من الأنبوب في الأنبوب. في النهاية ، سيتم استكشاف بعض التطبيقات الشائعة.
2	يجب أن يسهل المبادل الحراري المصمم جيدا نقل الحرارة الفعال والمستمر بين تيارين سائلين ، دون السماح لهما بالاختلاط. عندما يدخل تياران سائلان إلى مبادل حراري ، يتم إحضارهما إلى اتصال حراري وثيق عبر حاجز مادي. يتم التبادل الحراري من خلال اختلافات في درجات الحرارة المحلية مع تقدم السوائل ، حتى تصل السوائل إلى المخرج. والنتيجة هي أن السائلين الأكثر سخونة اللذين يدخلان المبادل الحراري سيخرج بدرجة حرارة منخفضة ، وأكثر برودة من الاثنين مع زيادة درجة الحرارة. أثناء التشغيل الثابت ، يتم تحديد معدل نقل الحرارة للسائل الساخن من خلال معدل تدفق الكتلة والحرارة النوعية للسائل ، مضروبا في الفرق في درجة الحرارة بين المدخل والخروج. تنطبق نفس الصيغة على السائل البارد عند استخدام القيم المقابلة. إذا كان تسرب الحرارة إلى المناطق المحيطة ضئيلا ، فسيكون حجم معدلي النقل متساويا. هذا يعني أن أي حرارة يفقدها السائل الساخن ، يكتسبها السائل البارد. الموصلية الإجمالية بالواط لكل كلفن ، هي مقياس لقدرة نقل الحرارة للمبادل الحراري. دعونا نحلل هندسة معينة تعرف باسم المبادل الحراري للتدفق العكسي والأنبوب في الأنبوب. في هذا التصميم ، يتدفق السائل الساخن في اتجاه واحد داخل قسم مستقيم من الأنبوب. يتدفق السائل البارد في الاتجاه المعاكس ، في الحلقة بين الأنبوب الساخن والأنبوب الخارجي الثاني. متوسط فرق درجة الحرارة الذي يقود نقل الحرارة بين التيارين في هذه الهندسة ، هو متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي ، والذي يمكن حسابه من درجات حرارة الإدخال والإخراج لكلا التيارين. باستخدام هذا النموذج لتشغيل المبادل الحراري ، يمكننا الإجابة على نوعين مختلفين من مشاكل تحليل المبادل الحراري. التصنيف والتصميم. إذا كان معدل نقل الحرارة وفرق متوسط درجة الحرارة اللوغاريتمي معروفين ، على سبيل المثال عن طريق القياس التجريبي ، فيمكن حساب التوصيل الكلي من نسبة الاثنين. ومع ذلك ، لغرض التصميم ، من المفيد التنبؤ بما سيكون عليه التوصيل الكلي من الهندسة والخصائص المادية للمبادل الحراري. يمكن القيام بذلك عن طريق إيجاد مجموع المقاومات الحرارية بين التيارين. بالنسبة لهندسة الأنبوب في الأنبوب ، يتم تحديد هذه المقاومات من خلال: الحمل الحراري في أنبوب السائل الساخن ، والتوصيل عبر جدار الأنبوب الداخلي ، والحمل الحراري مرة أخرى في حلقة السائل البارد. يعطي معكوس هذا المجموع التوصيل الكلي للمبادل الحراري للتدفق المعاكس للأنبوب في الأنبوب. الآن بعد أن رأينا كيفية تحليل المبادل الحراري ، دعنا نختبر واحدا في المختبر.
3	قم بلصق حاويتين بلاستيكيتين على جانبي سطح العمل لتكون بمثابة خزانات للمياه الساخنة والباردة. إذا لزم الأمر ، قم بحفر ثقوب في الأغطية لخطوط المياه الداخلة والمخرجة ، وكذلك كابل طاقة المضخة. عند الانتهاء ، قم بتركيب مضخة غاطسة صغيرة في كل خزان. بعد ذلك ، قم بتركيب مقياس تدفق المياه ، أو مقياس الدوران ، عموديا بالقرب من كل خزان ، ثم استخدم أنابيب PVC الناعمة لتوصيل منافذ المضخة بمداخل مقياس التدفق. الآن ، قم بتثبيت اثنين من تركيبات نقطة الإنطلاق لأنبوب الضغط على أنبوب الماء البارد الخارجي للمبادل الحراري. قم بتوصيل أنبوب PVC مرن واحد ، من المنفذ الجانبي لتركيب نقطة الإنطلاق القريبة ، بمخرج مقياس التدفق الساخن. بالنسبة لأنبوب التدفق العكسي الساخن ، قم بقص قسم من أنابيب الألومنيوم يساوي الطول للمبادل الحراري ، بما في ذلك تركيبات نقطة الإنطلاق في النهاية ، وأدخله في التجميع. بعد ذلك ، قم بتوصيل أنبوب بلاستيكي ناعم ، من تركيبات الضغط في الطرف الآخر من مجموعة المبادل الحراري ، بخزان الماء الساخن. شد تركيبات الضغط لإغلاق الأنابيب البلاستيكية الناعمة حول أنبوب الألومنيوم. سيؤدي ذلك إلى فصل التدفق الساخن ، من خلال أنبوب الألمنيوم الداخلي ، عن التدفق البارد الخارجي. قم بتوصيل أنبوب PVC المرن ، من المنفذ الجانبي الموجود على تركيب نقطة الإنطلاق ، بمخرج مقياس التدفق البارد ، ثم قم بتوصيل أنبوب ثان بالمنفذ الجانبي لتركيب نقطة الإنطلاق الأخرى التي تعود إلى خزان الماء البارد. قبل المتابعة ، تأكد من أن مداخل التيار الساخن والبارد ، إلى المبادل الحراري ، على طرفي نقيض. احفر ثقبا صغيرا من خلال جانب واحد من الأنبوب البلاستيكي الناعم بالقرب من كل منفذ مدخل ومخرج للمبادل الحراري. أدخل مسبارا مزدوجا حراريا برفق في كل منفذ بحيث يكون طرف المسبار في وسط الأنبوب تقريبا. أخيرا ، استخدم الإيبوكسي ، أو المادة اللاصقة المماثلة ، لسد الفجوة الصغيرة في الأنابيب حول المجسات الحرارية ضد تسرب المياه. عندما يتم علاج الإيبوكسي ، قم بتوصيل جميع المجسات الحرارية الأربعة بقارئ مزدوج حراري. الآن بعد اكتمال التجميع ، فأنت جاهز لبدء الاختبار.
4	املأ الخزان البارد بماء الصنبور بدرجة حرارة الغرفة ، والخزان الساخن بالماء الدافئ. قم بتشغيل كل من مضختي المياه واضبط صمامات الإبرة على عدادات التدفق لزيادة التدفق في كلتا الحلتين. اسمح للماء بالدوران لفترة كافية لطرد أي فقاعات هواء محاصرة. بمجرد إزالة فقاعات الهواء ، اضبط معدل التدفق في كلتا الحلقتين إلى حوالي 0.1 لتر في الدقيقة. انتظر بضع دقائق للسماح للنظام بالاستقرار ، ثم سجل درجات حرارة المدخل والمخرج التي تم الإبلاغ عنها بواسطة قراءات المزدوجات الحرارية الأربعة. قد يحتوي قارئ المزدوج الحراري على وظيفة تعليق لتجميد القيم الحالية أثناء التسجيل. سجل خمس مجموعات أخرى من القراءات في ظروف التدفق هذه. كرر هذه القياسات لمعدلات تدفق تبلغ حوالي 0.125 لتر في الدقيقة و 0.15 لتر في الدقيقة. إذا انخفض فرق درجة الحرارة بين المدخلات الساخنة والباردة إلى أقل من 5 درجات مئوية ، فأعد ملء الخزانات بالماء الساخن والبارد العذب. الآن بعد أن اكتملت القياسات ، دعنا نلقي نظرة على النتائج.
5	يجب أن يكون لديك 18 مجموعة من البيانات، ولكل مجموعة معدل تدفق حجم مقاس. لاحظ في هذه الاختبارات ، يتم استخدام نفس معدل التدفق ، V-dot ، للتيارات الساخنة والباردة. أولا ، استخدم كثافة الماء لتحويل كل قيمة من معدل التدفق الحجمي إلى معدل تدفق كتلي. الآن ، احسب معدل تغير الطاقة للتيارات الساخنة والباردة في كل مجموعة بضرب معدل تدفق الكتلة ، والحرارة النوعية للماء ، والاختلافات في درجات الحرارة ذات الصلة. في قسم المبادئ ، افترضنا أن حجم هذه المعدلات سيكون متساويا. نشر أوجه عدم اليقين حتى تتمكن من مقارنتها. في معظم الحالات ، تتطابق معدلات نقل الحرارة مع عدم اليقين. ومع ذلك ، مع انخفاض معدل التدفق ، هناك اتجاه نحو زيادة فقدان الحرارة من السائل الساخن ، مقارنة بالحرارة المكتسبة من السائل البارد. من المحتمل أن يكون هذا نتيجة فقدان الحرارة للبيئة المحيطة. ولكن نظرا لأن التأثير صغير ، يمكن استخدام متوسط معدل نقل الحرارة لبقية التحليل. بعد ذلك ، دعنا نقيم التوصيل الكلي للمبادل الحراري ، والذي يمكن تحديده من معدل نقل الحرارة المقاس ، وفرق متوسط درجة الحرارة. يعتمد التوصيل الكلي على الموصليات الحرارية للمواد وظروف التدفق وهندسة المبادل الحراري. نتوقع أن هذه القيمة لن تتغير بشكل كبير مع معدل التدفق للتدفقات الصفحية منخفضة السرعة التي تم أخذها في الاعتبار هنا. استخدم درجات الحرارة المقاسة مع المعادلة الواردة في النص لحساب متوسط فرق درجة الحرارة. الآن ، اقسم متوسط معدل تغير الطاقة على متوسط فرق درجة الحرارة لكل مجموعة للحصول على التوصيل الكلي. كما توقعنا ، فإن الموصلية الكلية ثابتة نسبيا على مدى الظروف التي تم اختبارها ، كما يتضح من الانحراف المعياري الصغير على مجموعة البيانات. ومع ذلك ، فإن هذه النتيجة أعلى من القيمة النظرية المتوقعة للتدفق الصفحي الثابت المطور بالكامل. إذا افترضنا تطوير التدفق عند المداخل في كلتا القناتين ، واستخدمنا عوامل تصحيح مناسبة ، فسيكون التنبؤ النظري أعلى من نتيجتنا المقاسة. في الواقع ، سيتم تطوير التدفق في القناة الداخلية جزئيا قبل الوصول إلى مدخل المبادل الحراري ، وهذا قد يفسر القيمة الوسيطة للتوصيل الكلي. الآن بعد أن قمنا بتحليل نتائج مبادل حراري بسيط ، دعونا نلقي نظرة على بعض التطبيقات النموذجية.
6	يتم استخدام المبادلات الحرارية في مجموعة متنوعة من السيناريوهات كلما دعت الحاجة إلى تسهيل نقل الحرارة بين تيارين سائلين. في العديد من محطات توليد الطاقة ، تنقل المبادلات الحرارية لمولدات البخار الحرارة من الغاز ذو درجة الحرارة العالية لإنتاج بخار عالي الضغط لتشغيل التوربينات. في أسفل التيار من هذه التوربينات ، ترفض المبادلات الحرارية للمكثف الحرارة من بخار الضغط المنخفض ، مما يؤدي إلى تسييل السائل والسماح للدورة بالعمل بشكل مستمر. في الثلاجات وأنظمة تكييف الهواء ، تمتص المبادلات الحرارية للمبخر الطاقة الحرارية من الهواء في المساحة المكيفة للحفاظ على درجات الحرارة المطلوبة.
7	لقد شاهدت للتو مقدمة جوف لتحليل المبادل الحراري. يجب أن تعرف فهم المبادئ الأساسية للمبادلات الحرارية ، وكيفية تحليل أدائها تجريبيا ونظريا. شكرا للمشاهدة.