Wymiennik ciepła o przepływie równoległym: 23 ważne fakty

TREŚĆ

Co to jest wymiennik ciepła z przepływem równoległym?

Typ wymiennika ciepła z bezpośrednim przenoszeniem, w którym zarówno gorący płyn, jak i zimny płyn przepływają w tym samym kierunku, wymieniając energię cieplną między nimi bez przenoszenia jakiejkolwiek energii z otoczenia. 

Teoria wymiennika ciepła o przepływie równoległym

Wymiennik ciepła jest zdefiniowany jako przepływ stały adiabatyczny otwarty system. Przepływ obu płynów (płynu gorącego i płynu zimnego) odbywa się w tym samym kierunku, aby wymieniać ciepło pomiędzy nimi. Jest klasyfikowany jako wymiennik ciepła typu bezpośredniego przenoszenia, w którym płyny nie mają między nimi żadnego fizycznego kontaktu. Ciśnienie zarówno gorącego, jak i zimnego płynu pozostaje stałe.

Strata entalpii gorącego płynu jest równa zyskowi entalpii przez zimną ciecz. Zmienność temperatury pomiędzy gorącym płynem a zimnym płynem w kierunku przepływu zawsze maleje.

Gdzie,

T_h,w: Temperatura wlotowego gorącego płynu

T_{h, na zewnątrz}: Temperatura chłodzonego płynu na wylocie 

T_{c, w}: Temperatura wlotowego zimnego płynu

T_{c, na zewnątrz}: Temperatura wylotowego ciepłego płynu

Zalety równoległego wymiennika ciepła

Utrata ciśnienia jest bardzo niska

Jest prosty w budowie i tani w budowie.

Płytowy wymiennik ciepła o równoległym przepływie

Grupę płyt umieszcza się w sposób systematyczny jedna nad drugą w celu utworzenia szeregu kanałów do przepływu płynu w celu wymiany energii cieplnej między nimi. Zwiększenie pola powierzchni przez płyty umożliwia lepsze przenoszenie ciepła między dwoma płynami.

Równoległy wymiennik ciepła a przeciwprądowy wymiennik ciepła

Zmiana temperatury pomiędzy gorącym płynem a zimnym płynem w odniesieniu do kierunku przepływu jest bardziej wyraźna w równoległym wymienniku ciepła. Entropia wymiennika ciepła z przepływem równoległym jest wyższa w porównaniu z wymiennikiem typu licznikowego. Przeciwprądowy wymiennik ciepła jest bardziej wydajny niż wymiennik ciepła z przepływem równoległym. Stąd dla tej samej szybkości wymiany ciepła wymaganej w obu przypadkach, przeciwprądowy wymiennik ciepła zajmuje mniejszą powierzchnię wymiany ciepła lub bardziej zwarty rozmiar niż wymiennik ciepła z przepływem równoległym.

Jaka jest skuteczność równoległego wymiennika ciepła?

„Skuteczność (ϵ) wymiennika ciepła jest definiowana jako stosunek rzeczywistego transferu ciepła do maksymalnego możliwego transferu ciepła”.

Rzeczywisty transfer ciepła (Q) = m_h*C_ph*(T_h1 - T_h2) 

= m_c*C_pc*( T_c2 - T_c1)

Maksymalna możliwa wymiana ciepła (Q_max) = C_h(T_h1 - T_c1)

Eksperyment z wymiennikiem ciepła z przepływem równoległym i przeciwprądowym

Cel: Określenie efektywności wymiennika ciepła przy przepływie równoległym i przeciwprądowym.

Konfiguracja eksperymentu składa się z następującego komponentu,

• Podgrzewacz
• Pompa
• Wlot i wylot ciepłej wody
• Wlot i wylot zimnej wody
• Czujnik temperatury
• Regulator przepływu

Procedura:

Najpierw musimy włączyć aparaturę testową, następnie włączyć grzałkę i ustawić temperaturę podgrzewacza wody. Musimy poczekać, aż temperatura wody wzrośnie do wartości zadanej. Włączyć pompę zarówno dla ciepłej jak i zimnej wody. Ustawić masowe natężenie przepływu zarówno gorącej, jak i zimnej wody za pomocą pokrętła regulatora przepływu. Wszystkie temperatury na wlocie i wylocie są rejestrowane. Najpierw ustaw wymiennik ciepła w konfiguracji równoległej i zanotuj odczyty.

Specyficzna pojemność gorącego płynu: _________

Specyficzna pojemność zimnego płynu: _________

1. Skorygowane masowe natężenie przepływu gorącego płynu (m_h) są nagrywane
2. Skorygowane masowe natężenie przepływu zimnego płynu (m_c) są nagrywane
3. Ustaw temp. wlotu gorącego płynu są rejestrowane (T_h1)
4. Temperatura na wylocie gorącego płynu są rejestrowane (T_h2)
5. Temperatura na wlocie zimnego płynu są rejestrowane (T_c1)
6. Temperatura na wylocie zimnego płynu są rejestrowane (T_c2)

Zastosowanie równoległego wymiennika ciepła

Służy do podgrzewania powietrza w piecu, które wymienia ciepło między świeżym zimnym powietrzem a spalinami z pieca.

W wymienniku płaszczowo-rurowym na statku zastosowano wymiennik ciepła o przepływie równoległym.

Cienkościenny dwururowy równoległy wymiennik ciepła

Układ, w którym jeden płyn przepływa wewnątrz rury, a drugi płyn przepływa między zewnętrzną powierzchnią pierwszej rury a wewnętrzną powierzchnią innej rury, która otacza pierwszą. Rury te mają charakter koncentryczny. 

Przeciwprądowy i równoległy wymiennik ciepła

Zarówno przeciwprądowy, jak i równoległy wymiennik ciepła są wymiennikami ciepła z bezpośrednim transferem.

Kierunek przepływu cieczy gorącej i grudkowej w przypadku przeciwprądowego wymiennika ciepła jest przeciwny do siebie, natomiast w przypadku przepływu równoległego kierunek cieczy gorącej i zimnej jest taki sam.

Logarytmiczna średnia różnica temperatur (LMTD) jest wyższa w przypadku przeciwprądu w porównaniu z równoległym wymiennikiem ciepła, a zatem przeciwprądowe wymienniki ciepła są mniejsze dla tego samego transferu energii.

Obliczenia wymiennika ciepła z przepływem równoległym

Gdy zarówno gorący, jak i zimny płyn wpływa do wymiennika ciepła z tej samej strony, przepływ w kierunku równoległym i wyjście z tej samej strony jest znany jako wymiennik ciepła z przepływem równoległym.

Celem jest obliczenie całkowitego współczynnika wymiany ciepła (Q) pomiędzy gorącymi i zimnymi płynami w równoległym wymienniku ciepła.

Gdzie,

T_hi to temperatura wlotowa gorącego płynu

T_he to temperatura wyjściowa gorącego płynu

T_ci to temperatura wlotowa zimnego płynu

T_ce to temperatura wyjściowa zimnego płynu 

T_i = Różnica temperatur na wlocie

     = Thi – Tci

T_e = Różnica temperatur na wyjściu

     = The – Tce

Q = U x A x T_m

Gdzie,

U = Całkowity współczynnik przenikania ciepła

A = Całkowita powierzchnia wymiany ciepła wymiennika ciepła

T_m= Logarytmiczna średnia różnica temperatur

Dwururowy równoległy wymiennik ciepła

Ma prostą konstrukcję, w której jedna rura jest włożona koncentrycznie do drugiej. Ciecz gorąca i zimna wchodzą do wymiennika ciepła z tej samej strony i również przepływają w tym samym kierunku, aby wymienić entalpię między nimi.

W przypadku wymiennika ciepła o przepływie równoległym jaka jest wartość maksymalnej efektywności.

„Skuteczność wymiennika ciepła definiuje się jako stosunek rzeczywistej szybkości wymiany ciepła zachodzącej między gorącym i zimnym płynem a maksymalną możliwą szybkością wymiany ciepła między nimi”.

Wartość maksymalnej skuteczności w przepływie równoległym może wynosić 50%.

Wyprowadzenie równoległego wymiennika ciepła

Aby wyprowadzić równanie na średnią różnicę temperatur (MTD) i całkowitą szybkość wymiany ciepła (Q) równoległego wymiennika ciepła.

Rozważmy różnicową powierzchnię wymiany ciepła ΔA wymiennika ciepła o długości Δx, przez którą różnica prędkości wymiany ciepła pomiędzy gorącymi i zimnymi płynami wynosi dq.

Wtedy dq = U x ΔT x dA

Gdzie dA = B * dx, a ΔT = T_h - T_c = fa(x)

Warunki brzegowe,

Przy x = 0 (tj. wlocie) ΔT = ΔTi = Thi – Tci

Przy x = L (tj. wyjściu) ΔT = ΔTe = The – Tce

Tak więc,

dq = -m_h*c_ph*dt

   = + m_c*c_pc*dt

ΔT = T_h - T_c

d(ΔT) = dT_h – dT_c

d(ΔT) = -dq[(1/m_h*c_ph) + (1/m²_c*c_pc)]

dq = U*(dA)*ΔT 

    = U*ΔT*(BdX)

dq = -U*(dA)*ΔT*[(1/m_h*c_ph) + (1/m²_c*c_pc)]

Integracja obu stron przez oddzielenie zmiennej

Schemat wymiennika ciepła z przepływem równoległym

Równania wymiennika ciepła o przepływie równoległym

Równanie całkowitej wymiany ciepła

Gdzie,

U = Całkowity współczynnik przenikania ciepła

A = Całkowita powierzchnia wymiany ciepła wymiennika ciepła

봗m = Log średnia różnica temperatur

Równanie logarytmicznej różnicy temperatur.

Gdzie,

Jest to temperatura wlotowa gorącego płynu

Jest temperatura wyjściowa gorącego płynu

Tci jest temperaturą wlotową zimnego płynu

Tce to temperatura wyjściowa zimnego płynu 

ΔTi = różnica temperatur na wlocie

     = Thi – Tci

ΔTe = Różnica temperatur na wyjściu

     = The – Tce

Przykład wymiennika ciepła z przepływem równoległym

Powłoka i rura

Podwójna rura

Rodzaj płyty

Wykres wymiennika ciepła o przepływie równoległym

Zalety i wady równoległego wymiennika ciepła

Korzyść:

Jest prosty w budowie i tani w budowie.

Szybkie pobieranie

Niska strata ciśnienia

Niekorzyść:

Mniejsza skuteczność

Rozmiar jest większy dla tego samego transferu ciepła

Zidentyfikuj charakterystykę równoległych wymienników ciepła.

Wymiennik ciepła z przepływem równoległym charakteryzuje się wymiennikiem ciepła z przepływem bezpośrednim, w którym kierunek przepływu jest taki sam zarówno dla gorącego, jak i zimnego płynu podczas przenoszenia energii.

Równanie LMTD dla wymiennika ciepła o przepływie równoległym

Jest to parametr uwzględniający zmienność ΔT (różnica temperatur strony wlotowej i wylotowej wymiennika ciepła) względem kierunku przepływu gorącego płynu poprzez uśrednienie jej na całej długości wymiennika ciepła od wlotu do wylotu.

Log Mean Temperature Difference (LMTD) to stosunek różnicy różnicy temperatury wlotowej i różnicy temperatury wyjściowej do logarytmu różnicy różnicy temperatury wejściowej i różnicy różnicy temperatury wyjściowej.

Gdzie,

Jest to temperatura wlotowa gorącego płynu

Jest temperatura wyjściowa gorącego płynu

Tci jest temperaturą wlotową zimnego płynu

Tce to temperatura wyjściowa zimnego płynu 

ΔTi = różnica temperatur na wlocie

    = Thi – Tci

ΔTe = Różnica temperatur na wyjściu

    = The – Tce

Optymalizacja równoległego wymiennika ciepła

Równoległy wymiennik ciepła typu płaszczowo-rurowego można zoptymalizować za pomocą nowego typu antywibracyjnej przegrody zaciskowej. Parametry geometryczne, takie jak odległość od przegrody i szerokość przegrody, również wpływają na jej wydajność. Rodzaj przepływu jest ważnym parametrem, który należy wziąć pod uwagę przy optymalizacji wymiennika ciepła.

Określ gradient temperatury w przypadku równoległej wymiany ciepła

Różnica temperatur pomiędzy różnicą temperatur po stronie wlotowej i wylotowej wymiennika ciepła nazywana jest gradientem temperatury. W przypadku wymiennika ciepła o przepływie równoległym nie jest on równomierny i stopniowo maleje w kierunku przepływu.

W jakim stanie należy zastosować wymiennik ciepła o przepływie równoległym?

Granicą temperatury wyjściowej zimnego płynu jest temperatura wyjściowa gorącego płynu w przypadku wymiennika ciepła o przepływie równoległym. Jest więc stosowany głównie tam, gdzie zalecane jest ograniczenie przenoszenia ciepła.

Pytanie liczbowe:

Pytanie: Gorąca woda o temperaturze 46 ℃ wchodzi do wymiennika ciepła, aby zwiększyć entalpię wody, która wchodzi do 10 ℃ i wychodzi z wymiennika ciepła przy 38 ℃. Masowe natężenie przepływu gorącego płynu wynosi 25 l/s, a masowe natężenie przepływu zimnego płynu 19 l/s. Jeżeli podczas wymiany ciepła nie dochodzi do strat ciepła, jaka jest temperatura gorącego płynu na wylocie?

Sol: podana temperatura wlotowa gorącego płynu (T1) = 46 ℃

     Podana temperatura wlotowa zimnego płynu (T3) = 10℃ 

     Podana temperatura wyjściowa zimnego płynu (T4) = 38 ℃

     Aby znaleźć temperaturę wyjściową gorącego płynu (T2) = X

     Gęstość wody () = 1000 kg/m3

     Masa Przepływ gorącego płynu (mh)= 25 l/s

     Przepływ masowy zimnego płynu (mc) = 19 l/s

     Pojemność cieplna wody (c) = 4186 J/kg-K

Ciepło tracone przez gorącą wodę jest takie samo jak ciepło uzyskiwane przez zimny płyn.

MH * C * (T1-T2) = mc * C * (T3 - T4)

25 (46 – T2) = 19 (38 – 10)

T2 = 24.72 ℃

Temperatura wyjściowa gorącej wody wynosi 24.72 ℃

FAQ / krótkie notatki

Gdzie jest używany równoległy wymiennik ciepła?

Wymiennik ciepła o przepływie równoległym jest stosowany głównie tam, gdzie zalecany jest ograniczony transfer ciepła. Granicą temperatury wyjściowej zimnego płynu jest temperatura wyjściowa gorącego płynu w przypadku wymiennika ciepła o przepływie równoległym.

Wymiennik ciepła z przepływem krzyżowym a równoległym

Dla tej samej szybkości wymiany ciepła wymaganej w obu przypadkach, przeciwprądowy wymiennik ciepła zajmuje mniejszą powierzchnię wymiany ciepła lub bardziej zwarty rozmiar niż wymiennik ciepła z przepływem równoległym.

Gdy woda jest podgrzewana, a olej jest chłodzony w wymienniku ciepła. czy będzie podążał ścieżką przeciwprądową czy równoległą?

Obie rodzaj wymiennika ciepła można zastosować, ale wymiennik ciepła typu przeciwprądowego zajmie mniej miejsca w porównaniu z wymiennikiem ciepła typu równoległego.

Podstawowe MŚP TechieScience

Zespół TechieScience Core MŚP to grupa doświadczonych ekspertów merytorycznych z różnych dziedzin nauki i techniki, w tym fizyki, chemii, technologii, elektroniki i elektrotechniki, motoryzacji, inżynierii mechanicznej. Nasz zespół współpracuje przy tworzeniu wysokiej jakości, dobrze udokumentowanych artykułów na szeroki zakres tematów naukowych i technologicznych dla witryny TechieScience.com.

Wszystkie nasze starsze MŚP mają ponad 7-letnie doświadczenie w odpowiednich dziedzinach. Są to albo pracujący profesjonaliści z branży, albo związani z różnymi uniwersytetami. Wspominać Nasi autorzy Strona, na której można poznać nasze podstawowe MŚP.