المبادل الحراري للتدفق الموازي: 23 حقائق مهمة

CONTENT

ما هو مبادل حراري التدفق المتوازي؟

نوع نقل مباشر من المبادل الحراري حيث يتدفق كل من السائل الساخن والسائل البارد في نفس الاتجاه لتبادل الطاقة الحرارية بينهما دون نقل أي طاقة من البيئة المحيطة. 

نظرية المبادل الحراري للتدفق المتوازي

يُعرَّف المبادل الحراري بأنه تدفق ثابت ثابت الحرارة نظام مفتوح. تدفق كلا الموائع (السائل الساخن والسائل البارد) في نفس الاتجاه لتبادل الحرارة بينهما. يتم تصنيفها على أنها مبادل حراري من نوع النقل المباشر حيث لا يوجد أي اتصال مادي بين السوائل. يظل ضغط كل من السائل الساخن والبارد ثابتًا.

يساوي فقدان المحتوى الحراري للسائل الساخن كسب المحتوى الحراري بواسطة السائل البارد. يتناقص دائمًا اختلاف درجة الحرارة بين السائل الساخن والسائل البارد في اتجاه التدفق.

أين،

T_{ح ، في}: درجة حرارة السائل الساخن الداخل

T_{ح ، خارج}: درجة حرارة السائل المبرد مخرج 

T_{ج ، في}: درجة حرارة السائل البارد الداخل

T_{ج ، خارج}: درجة حرارة السائل الدافئ الخارج

مزايا التدفق المتوازي للمبادل الحراري

فقدان الضغط منخفض جدا

إنه بسيط في البناء ورخيص البناء.

مبادل حراري ذو لوحة التدفق المتوازي

يتم وضع مجموعة من الصفائح بطريقة منهجية واحدة فوق الأخرى لتشكيل سلسلة من القنوات لتدفق السوائل لتبادل الطاقة الحرارية فيما بينها. تسمح الزيادة في مساحة السطح بواسطة الألواح بنقل المزيد من الحرارة بين السائلين.

المبادل الحراري للتدفق الموازي مقابل المبادل الحراري للتدفق العكسي

يكون التباين في درجة الحرارة بين السائل الساخن والسائل البارد فيما يتعلق باتجاه التدفق أكثر وضوحًا في المبادل الحراري للتدفق المتوازي. تعتبر إنتروبيا المبادل الحراري من نوع التدفق المتوازي أعلى مقارنة بالمبادل الحراري من النوع المضاد. يعتبر المبادل الحراري للتدفق العكسي أكثر كفاءة من المبادل الحراري للتدفق المتوازي. ومن ثم ، بالنسبة لنفس معدل نقل الحرارة المطلوب في كلتا الحالتين ، يشغل المبادل الحراري للتدفق العكسي مساحة أقل لنقل الحرارة أو أكثر إحكاما في الحجم من المبادل الحراري للتدفق المتوازي.

ما هي فعالية المبادل الحراري بالتدفق المتوازي؟

يتم تعريف فعالية () المبادل الحراري على أنها نسبة نقل الحرارة الفعلي إلى أقصى قدر ممكن من نقل الحرارة.

انتقال الحرارة الفعلي (س) = م_h*C_ph* (ت_h1 - تي_h2) 

= م_c*C_pc* (ت_c2 - تي_c1)

أقصى قدر ممكن من نقل الحرارة (Q_ماكس) = ج_h(T_h1 - تي_c1)

تجربة مبادل حراري التدفق الموازي والتدفق العكسي

الهدف: تحديد فعالية المبادل الحراري في التدفق المتوازي والتدفق المعاكس.

يتكون إعداد التجربة من المكون التالي ،

• سخان
• مضخة
• مدخل ومخرج الماء الساخن
• مدخل ومخرج الماء البارد
• جهاز استشعار درجة الحرارة
• منظم التدفق

إجراء:

أولاً ، يتعين علينا تشغيل جهاز الاختبار ، ثم تشغيل السخان وضبط درجة حرارة سخان المياه. علينا الانتظار حتى ترتفع درجة حرارة الماء حتى النقطة المحددة. قم بتشغيل المضخة لكل من الماء الساخن والبارد. اضبط معدل تدفق الكتلة لكل من الماء الساخن والبارد باستخدام مقبض منظم التدفق. يتم تسجيل كل درجات الحرارة عند المدخل والخروج. أولاً ، اضبط المبادل الحراري في تكوين متوازي ولاحظ القراءات.

السعة النوعية للسائل الساخن: _________

القدرة النوعية للسائل البارد: _________

1. معدل التدفق الكتلي المعدل للسائل الساخن (م_h) تسجل
2. معدل التدفق الكتلي المعدل للسائل البارد (م_c) تسجل
3. ضبط درجة حرارة المدخل. يتم تسجيل السائل الساخن (T_h1)
4. درجة حرارة المخرج. يتم تسجيل السائل الساخن (T_h2)
5. مدخل درجة الحرارة. يتم تسجيل السائل البارد (T_c1)
6. درجة حرارة المخرج. يتم تسجيل السائل البارد (T_c2)

تطبيق مبادل حراري التدفق المتوازي

تستخدم للتسخين المسبق لهواء الفرن ، والتي تتبادل الحرارة بين الهواء البارد النقي وغازات المداخن السائلة للفرن.

يستخدم نوع الغلاف والأنبوب للمبادل الحراري على متن السفينة مبادل حراري متوازي التدفق.

مبادل حراري تدفق متوازي مزدوج الجدران بجدار رفيع

الترتيب الذي يتدفق فيه أحد السوائل داخل الأنبوب ويتدفق السائل الآخر بين السطح الخارجي للأنبوب الأول والسطح الداخلي للأنبوب الآخر الذي يحيط بالأنبوب الأول. هذه الأنابيب متحدة المركز بطبيعتها. 

مبادل حراري بالتدفق العكسي والمتوازي

كلا المبادل الحراري بالتدفق العكسي والمتوازي عبارة عن مبادل حراري من نوع التحويل المباشر.

يكون اتجاه تدفق السائل الساخن والسائل التكتل في حالة المبادل الحراري من النوع المضاد معاكسًا لبعضهما البعض بينما في حالة التدفق المتوازي ، يكون اتجاه السوائل الساخنة والباردة هو نفسه.

يكون اختلاف متوسط ​​درجة الحرارة في السجل (LMTD) أعلى في حالة التدفق العكسي مقارنةً بالمبادل الحراري للتدفق الموازي ، وبالتالي يكون المبادل الحراري للتدفق العكسي أصغر في الحجم لنقل نفس الطاقة.

حسابات مبادل حراري التدفق المتوازي

عندما يدخل كل من السائل الساخن والبارد المبادل الحراري من نفس الجانب ، فإن التدفق في اتجاه موازٍ والخروج من نفس الجانب يُعرف باسم المبادل الحراري للتدفق المتوازي.

الهدف هو حساب إجمالي معدل نقل الحرارة (Q) بين السوائل الساخنة والباردة في المبادل الحراري للتدفق المتوازي.

أين،

T_hi هي درجة حرارة مدخل السائل الساخن

T_he هي درجة حرارة خروج السائل الساخن

T_ci هي درجة حرارة مدخل السائل البارد

T_ce هي درجة حرارة خروج السائل البارد 

Δ ت_i = فرق درجة حرارة المدخل

     = ثي - Tci

Δ ت_e = فرق درجة حرارة الخروج

     = - تسي

Q = U x A x ΔT_m

أين،

U = معامل انتقال الحرارة الكلي

أ = إجمالي مساحة نقل الحرارة للمبادل الحراري

Δ ت_m= سجل يعني فرق درجة الحرارة

مبادل حراري مزدوج التدفق المتوازي

إنه ذو بنية بسيطة يتم فيها إدخال أحد الأنابيب بشكل مركزي في الآخر. يدخل السائل الساخن والسائل البارد في المبادل الحراري من نفس الجانب ويتدفقان أيضًا في نفس الاتجاه لتبادل المحتوى الحراري بينهما.

في حالة المبادل الحراري بالتدفق المتوازي ، ما هي قيمة الفعالية القصوى.

يتم تعريف فعالية المبادل الحراري على أنها النسبة بين معدل نقل الحرارة الفعلي الذي يحدث بين السائل الساخن والبارد وأقصى معدل ممكن لنقل الحرارة بينهما.

يمكن أن تكون قيمة الفعالية القصوى في التدفق المتوازي 50٪.

اشتقاق مبادل حراري التدفق المتوازي

لاشتقاق معادلة لمتوسط ​​فرق درجة الحرارة (MTD) ومعدل نقل الحرارة الكلي (Q) لمبادل حراري التدفق المتوازي.

ضع في اعتبارك منطقة انتقال الحرارة التفاضلية ΔA للمبادل الحراري بطول Δx والتي من خلالها يكون معدل نقل الحرارة التفاضلي بين السوائل الساخنة والباردة dq.

ثم ، dq = U x ΔT x dA

حيث dA = B * dx و ΔT = T._h - تي_c = و (س)

شروط الحدود،

عند x = 0 (أي المدخل) ΔT = Ti = Thi - Tci

عند x = L (أي خروج) ΔT = Te = - Tce

أيضا،

دق = -م_h*c_ph* د

   = + م_c*c_pc* د

ΔT = T._h - تي_c

د (ΔT) = دي تي_h - دي تي_c

د (ΔT) = -dq [(1 / م_h*c_ph) + (1 / م_c*c_pc)]

dq = U * (dA) * ΔT 

    = U * ΔT * (BdX)

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

تكامل الطرفين بفصل المتغير

مخطط مبادل حراري التدفق المتوازي

معادلات مبادل حراري التدفق المتوازي

معادلة إجمالي التبادل الحراري

أين،

U = معامل انتقال الحرارة الكلي

أ = إجمالي مساحة نقل الحرارة للمبادل الحراري

봗 م = سجل يعني فرق درجة الحرارة

معادلة السجل يعني فرق درجة الحرارة.

أين،

Thi هي درجة حرارة مدخل السائل الساخن

درجة حرارة خروج السائل الساخن

Tci هي درجة حرارة مدخل السائل البارد

Tce هي درجة حرارة الخروج من السائل البارد 

ΔTi = فرق درجة حرارة المدخل

     = ثي - Tci

ΔTe = خروج فرق درجة الحرارة

     = - تسي

مثال على مبادل حراري التدفق المتوازي

شل وأنبوب

أنبوب مزدوج

نوع اللوحة

الرسم البياني لمبادل حراري التدفق المتوازي

 

مزايا وعيوب المبادل الحراري بالتدفق المتوازي

ميزة:

إنه بسيط في البناء ورخيص البناء.

عمليات الجلب السريع

فقدان الضغط المنخفض

العيب:

فعالية أقل

الحجم أكبر لنقل نفس الحرارة

التعرف على خصائص المبادلات الحرارية ذات التدفق المتوازي.

يتميز المبادل الحراري بالتدفق المتوازي بمبادل حراري من نوع التدفق المباشر يكون فيه اتجاه التدفق هو نفسه لكل من السائل الساخن والبارد أثناء نقل الطاقة.

معادلة LMTD للمبادل الحراري بالتدفق المتوازي

إنها المعلمة التي تأخذ في الاعتبار تباين ΔT (اختلاف درجة الحرارة من جانب المدخل وجانب الخروج من المبادل الحراري) فيما يتعلق باتجاه تدفق السائل الساخن عن طريق حساب متوسطه على طول طول المبادل الحراري من المدخل إلى الخروج.

متوسط ​​فرق درجة حرارة الدخول (LMTD) هو نسبة الاختلاف في درجة حرارة المدخل والاختلاف في درجة حرارة الخروج إلى لوغاريتم نسبة الاختلاف في درجة حرارة المدخل وفرق الاختلاف في درجة حرارة الخروج.

أين،

Thi هي درجة حرارة مدخل السائل الساخن

درجة حرارة خروج السائل الساخن

Tci هي درجة حرارة مدخل السائل البارد

Tce هي درجة حرارة الخروج من السائل البارد 

ΔTi = فرق درجة حرارة المدخل

    = ثي - Tci

ΔTe = خروج فرق درجة الحرارة

    = - تسي

تحسين المبادل الحراري بالتدفق المتوازي

يمكن تحسين المبادل الحراري للتدفق المتوازي من نوع الغلاف والأنبوب من خلال نوع جديد من حاجز التثبيت المضاد للاهتزاز. تؤثر المعلمة الهندسية مثل مسافة الحاجز وعرض الحاجز أيضًا على أدائها. نوع التدفق هو معلمة مهمة يجب مراعاتها لتحسين المبادل الحراري.

تحديد تدرج درجة الحرارة في حالة التبادل الحراري للتدفق الموازي

يُعرف اختلاف درجة الحرارة بين اختلاف درجة الحرارة في جانب المدخل وجانب الخروج من المبادل الحراري باسم تدرج درجة الحرارة. في حالة المبادل الحراري للتدفق المتوازي ، فإنه ليس متجانسًا وينخفض ​​تدريجياً في اتجاه التدفق.

في أي حالة يجب أن نستخدم المبادل الحراري بالتدفق المتوازي؟

الحد الأقصى لدرجة حرارة خروج السائل البارد هو درجة حرارة خروج السائل الساخن في حالة المبادل الحراري بالتدفق المتوازي. لذلك ، يتم استخدامه بشكل أساسي حيث يوصى بالحد من نقل الحرارة.

سؤال عددي:

كيو: الماء الساخن عند 46 يدخل المبادل الحراري لزيادة المحتوى الحراري للماء الذي يدخل عند 10 ℃ ويخرج من المبادل الحراري عند 38. معدل التدفق الكتلي للسائل الساخن 25 لتر / ثانية ، ومعدل تدفق الكتلة للسائل البارد 19 لتر / ثانية. إذا لم يحدث فقد للحرارة أثناء انتقال الحرارة ، ما هي درجة حرارة السائل الساخن عند الخروج؟

Sol: تعطى درجة حرارة مدخل السائل الساخن (T1) = 46 ℃

     تعطى درجة حرارة مدخل السائل البارد (T3) = 10 ℃ 

     بالنظر إلى درجة حرارة خروج السائل البارد (T4) = 38 ℃

     لإيجاد درجة حرارة خروج السائل الساخن (T2) = X

     كثافة الماء () = 1000 كجم / م 3

     كتلة معدل التدفق السائل الساخن (م · ح) = 25 لتر / ث

     معدل التدفق الكتلي للسائل البارد (mc) = 19 لتر / ثانية

     السعة الحرارية للماء (ج) = 4186 جول / كجم كلفن

الحرارة المفقودة بواسطة الماء الساخن هي نفس الحرارة التي يكتسبها السائل البارد.

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

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

T2 = 24.72 ℃

درجة حرارة خروج الماء الساخن 24.72 ℃

أسئلة وأجوبة / ملاحظات قصيرة

أين يستخدم مبادل حراري التدفق المتوازي

يستخدم المبادل الحراري بالتدفق المتوازي بشكل أساسي حيث يوصى بنقل محدود للحرارة. حدود درجة حرارة خروج السائل البارد هي درجة حرارة خروج السائل الساخن في حالة المبادل الحراري للتدفق المتوازي.

Crossflow مقابل التدفق المتوازي للمبادل الحراري

بالنسبة إلى نفس معدل نقل الحرارة المطلوب في كلتا الحالتين ، يشغل المبادل الحراري للتدفق العكسي مساحة أقل لنقل الحرارة أو أكثر إحكاما في الحجم من المبادل الحراري للتدفق المتوازي.

 

عند تسخين الماء وتبريد الزيت في مبادل حراري. هل سيتبع مسار التدفق المعاكس أم مسار التدفق الموازي؟

يبلغ قطر كلاً من نوع المبادل الحراري يمكن استخدامها ، ولكن المبادل الحراري من نوع التدفق العكسي سيشغل مساحة أقل مقارنة بالمبادل الحراري من نوع التدفق المتوازي.

لمزيد من المقالات حول الهندسة الميكانيكية والحرارية ، يرجى متابعة موقعنا صفحة الهندسة