Μέτρηση του συνολικού συντελεστή μεταφοράς θερμότητας σε Εναλλάκτη σωλήνα-σωλήνα

Question 1

Τι είναι οι εναλλάκτες θερμότητας, ποια αρχή τους διέπει και ποια τα συχνότερα παραδείγματα ;

Answer 1

Εναλλάκτες θερμότητας : πρόκειται για διατάξεις που επιτρέπουν την μεταφορά θερμότητας μεταξύ δύο ρευστών που βρίσκονται σε διαφορετική θερμοκρασία χωρίς να επιτρέπουν την ανάμειξη τους
Αρχή: το θερμό ρευστό δίνει θερμότητα στο ψυχρό και μειώνει η Τ του ή συμπυκνώνεται ενώ το ψυχρό απορροφά θερμότητα , αυξάνει την Τ του ή εξατμίζεται.
Παραδείγματα: εναλλάκτης κελύφους-σωληνών στην συμπύκνωση γάλακτος και εναλλάκτες πλακών στην παστερίωση.

Question 2

Τι είναι οι εναλλάκτες σωλήνα-σωλήνα και πως κατηγοριοποιείται η δράση τους ;

Answer 2

Εναλλάκτης σωλήνα- σωλήνα : αποτελείται από δύο ομοαξονικούς σωλήνες όπου το θερμό ρευστό ρέει στον κεντρικό σωλήνα ενώ το ψυχρό στον δακτυλιοειδή χώρο μεταξύ των 2 σωληνών. Εάν λειτουργία ομοροής τότε τα δύο ρευστά έχουν την ίδια φορά ροής ενώ εάν λειτουργία αντιροής έχουν αντίθετη.

Question 3

Πως υπολογίζεται ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας και με τι ισούται ;

Answer 3

Q̇=(πDL (Δθ1−Δθ2))/ln⁡〖(Δθ1/Δθ2)〗 η οποία μπορεί να πάρει μια απλούστερη μορφή Q̇= U A ΔΘm όπου ΔΘm = ΔΤ1-ΔΤ2/ ln (ΔΤ1/ΔΤ2) και οι σχέσεις είναι γενικές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε ομοροή και σε αντιροή καθώς και για άλλους τύπους εναλλακτών. Για ομορροή ΔΤ1= Τθ1-ΤΨ1 και ΔΤ2= Τθ2- ΤΨ2. Για αντιρροή ΔΤ1= Τθ1-ΤΨ2 και ΔΤ2= Τθ2- ΤΨ1.
Θεωρώντας ότι όλη η θερμότητα του θερμού ρευστού μεταφέρεται μέσω τοιχώματος του εσωτερικού σωλήνα προς το ψυχρό ρευστό, ο ρυθμός ροής θερμότητας από το θερμό ρευστό στο ψυχρό είναι Q̇θ= ṁθ •Cpθ • ΔΤθ =Q̇εναλασσόμενο και Q̇ψ= ṁψ •Cpψ • ΔΤψ και εάν οι θερμικές απώλειες είναι μηδενικές τότε Q̇θ= Q̇ψ =Q̇εναλασσόμενο
Εάν θεωρήσουμε οτι qαπωλ=0 τότε Qθ=Qεν=Qψ

Question 4

Η αντιρροή ή η ομορροή είναι προτιμότερη ;

Answer 4

Επειδή στην αντιροή η ΔΘm είναι συνήθως μεγαλύτερη απαιτείται μικρότερη επιφάνεια εναλλαγής από ότι στην ομοροή για το ίδιο θερμικό φορτίο και για τον ίδιο εναλλάκτη η αντιροή είναι αποδοτικότερη. Η ομοροή προτιμάται όταν απαιτούνται υψηλοί ρυθμοί ροής στην αρχή και ηπιότεροι προς το τέλος

Question 5

Πως βρίσκουμε την μαζική παροχή θερμού ρευστού;

Answer 5

Η μαζική παροχή του θερμού ρευστού μπορεί να προσδιοριστεί από την ογκομετρική παροχή και την πυκνότητα : ṁθ= ρθ • V̇θ

Question 6

Τι θα συμβεί στον συνολικό συντελεστή μετάδοσης θερμότητας εάν αυξηθεί η ογκομετρική παροχή;

Answer 6

Θεωρητικά η επίδραση της αύξησης της ογκομετρικής παροχής του θερμού ρευστού στον συνολικό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας είναι αύξουσα λόγω της μείωσης του ιξώδους οριακού στρώματος του θερμού ρευστού που σχηματίζεται στην επαφή του θερμού ρευστού με το τοίχωμα του σωλήνα, με αποτέλεσμα μεγαλύτερο μέρος θερμότητας να διαδίδεται με μεταφορά και έτσι να αυξάνει ο εσωτερικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας από το θερμό ρευστό στο εσωτερικό τοίχωμα της επιφάνειας εναλλαγής και ισούται με 1/U=1/h_θ +1/h_ψ

Question 7

Ποια η οργανολογία του πειράματος ;

Answer 7

Ο εργαστηριακός εναλλάκτης στην διάταξη μελέτης εναλλαγής θερμότητας αποτελείται από συστοιχία τεσσάρων εναλλακτών σωλήνα/σωλήνα συνδεδεμένων εν σειρά με δυνατότητα καταγραφής θερμοκρασίας θερμού και ψυχρού ρευστού σε δέκα ενδιάμεσα σημεία με θερμοστοιχεία. Η κυκλοφορία του θερμού ρευστού γίνεται με βοήθεια αντλίας μέσω των στροφών της οποίας ελέγχεται η ογκομετρική παροχή. Το θερμό ρευστό μετά την έξοδο του από το σύστημα επιστρέφει στο δοχείο συλλογής όπου θερμαίνεται μέσω αντίστασης και η στάθμη του δοχείου ελέγχεται μέσω αισθητήρα στάθμης για να καλύπτεται πάντα η αντίσταση. Το ψυχρό νερό εισέρχεται στο σύστημα μέσω της πίεσης του δικτύου παροχής (βρύση) και εξέρχεται μέσω εύκαμπτου σωλήνα στην αποχέτευση. Η ογκομετρική παροχή του ψυχρού ρευστού ελέγχεται μέσω ηλεκτροβαλβίδας στην είσοδο του εναλλάκτη.
Ο έλεγχος γίνεται μέσω λογισμικού όπου καταγράφονται και οι θερμοκρασίες σε όλα τα σημεία και οι ογκομετρικές παροχές και μπορούν να ρυθμιστούν οι θερμοκρασία εισόδου , οι ογκομετρικές παροχές και το είδος ροής.