Parallelstromwärmetauscher: 23 wichtige Fakten

INHALT

Was ist ein Parallelstrom-Wärmetauscher?

Ein Wärmetauscher vom Typ mit direkter Übertragung, bei dem sowohl heißes Fluid als auch kaltes Fluid in die gleiche Richtung fließen, um Wärmeenergie zwischen ihnen auszutauschen, ohne Energie aus der Umgebung zu übertragen. 

Theorie des Parallelstromwärmetauschers

Wärmetauscher ist als stetige Strömung definiert adiabatisch offenes System. Die Strömung beider Flüssigkeiten (heiße Flüssigkeit und kalte Flüssigkeit) erfolgt in die gleiche Richtung, um Wärme auszutauschen. Es handelt sich um einen Wärmetauscher vom Direktübertragungstyp, bei dem die Flüssigkeiten keinen physischen Kontakt zwischen ihnen haben. Der Druck sowohl der heißen als auch der kalten Flüssigkeit bleibt konstant.

Der Enthalpieverlust der heißen Flüssigkeit ist gleich dem Enthalpiegewinn der kalten Flüssigkeit. Die Temperaturschwankung zwischen heißem Fluid und kaltem Fluid in Strömungsrichtung nimmt immer ab.

Woher,

T_{h, in}: Temperatur der heißen Flüssigkeit am Einlass

T_{h, raus}: Temperatur der gekühlten Flüssigkeit am Auslass 

T_{c, ein}: Temperatur der kalten Flüssigkeit am Einlass

T_{c, aus}: Temperatur der warmen Flüssigkeit am Auslass

Vorteile Parallelstrom-Wärmetauscher

Druckverlust ist sehr gering

Es ist einfach im Aufbau und billig zu bauen.

Parallelstrom-Plattenwärmetauscher

Eine Gruppe von Platten wird in systematischer Weise übereinander angeordnet, um eine Reihe von Kanälen für die Fluidströmung zu bilden, um Wärmeenergie zwischen ihnen auszutauschen. Die Oberflächenvergrößerung durch die Platten ermöglicht mehr Wärmeübertragung zwischen den beiden Flüssigkeiten.

Parallelstrom-Wärmetauscher vs. Gegenstrom-Wärmetauscher

Die Temperaturschwankung zwischen heißem Fluid und kaltem Fluid in Bezug auf die Strömungsrichtung ist beim Parallelstrom-Wärmetauscher stärker ausgeprägt. Die Entropie eines Wärmetauschers vom Parallelstromtyp ist im Vergleich zu einem Wärmetauscher vom Gegentyp höher. Gegenstromwärmetauscher sind effizienter als Parallelstromwärmetauscher. Für die gleiche Wärmeübertragungsrate, die in beiden Fällen erforderlich ist, belegt der Gegenstrom-Wärmetauscher daher eine geringere Wärmeübertragungsfläche oder kompaktere Abmessungen als der Parallelstrom-Wärmetauscher.

Was ist die Wirksamkeit eines Parallelstrom-Wärmetauschers?

„Der Wirkungsgrad (ϵ) eines Wärmetauschers ist definiert als das Verhältnis der tatsächlichen Wärmeübertragung zur maximal möglichen Wärmeübertragung.“

Tatsächliche Wärmeübertragung (Q) = m_h*C_ph*(T_h1 - T_h2) 

= m_c*C_pc*( T_c2 - T_c1)

Maximal möglicher Wärmeübergang (Q_max) = C_h(T_h1 - T_c1)

Experiment mit Parallel- und Gegenstromwärmetauschern

Ziel: Ermittlung der Wirksamkeit des Wärmetauschers im Gleich- und Gegenstrom.

Der Versuchsaufbau besteht aus folgendem Bestandteil,

• Heizung
• Pumpe
• Warmwassereinlass und -auslass
• Kaltwassereinlass und -auslass
• Temperatursensor
• Durchflussregler

Verfahren:

Zuerst müssen wir das Testgerät einschalten, dann die Heizung einschalten und die Temperatur des Warmwasserbereiters einstellen. Wir müssen warten, bis die Temperatur des Wassers auf den Sollwert angehoben ist. Schalten Sie die Pumpe für heißes und kaltes Wasser ein. Stellen Sie den Massendurchfluss von heißem und kaltem Wasser mit einem Durchflussreglerknopf ein. Die gesamte Temperatur am Einlass und am Auslass wird aufgezeichnet. Stellen Sie zunächst den Wärmetauscher in Parallelschaltung und notieren Sie die Messwerte.

Spezifisches Fassungsvermögen der heißen Flüssigkeit: _________

Spezifische Kapazität der kalten Flüssigkeit: _________

1. Angepasster Massenstrom des heißen Fluids (m_h) sind aufgenommen
2. Angepasster Massenstrom des kalten Fluids (m_c) sind aufgenommen
3. Einlasstemp. einstellen. der heißen Flüssigkeit aufgezeichnet (T_h1)
4. Die Auslasstemp. der heißen Flüssigkeit werden aufgezeichnet (T_h2)
5. Einlasstemp. Von kalter Flüssigkeit werden aufgezeichnet (T_c1)
6. Austrittstemp. der kalten Flüssigkeit werden aufgezeichnet (T_c2)

Anwendung des Parallelstrom-Wärmetauschers

Wird für die Ofenluftvorwärmung verwendet, die Wärme zwischen frischer kalter Luft und den Ofenabgasen austauscht.

Rohrbündelwärmetauscher auf dem Schiff verwendet Parallelstrom-Wärmetauscher.

Ein dünnwandiger Doppelrohr-Parallelstrom-Wärmetauscher

Die Anordnung, bei der ein Fluid innerhalb eines Rohrs strömt und das andere Fluid zwischen der Außenfläche des ersten Rohrs und der Innenfläche eines anderen Rohrs, das das erste umgibt, strömt. Diese Rohre sind konzentrischer Natur. 

Gegen- und Parallelstromwärmetauscher

Sowohl Gegen- als auch Parallelstromwärmetauscher sind Wärmetauscher vom Direktübertragungstyp.

Die Strömungsrichtung des heißen und des Klumpen-Fluids ist beim Gegenstrom-Wärmetauscher entgegengesetzt, während bei der parallelen Strömung die Richtung des heißen und kalten Fluids gleich ist.

Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz (LMTD) von ist bei Gegenstrom höher als beim Parallelstrom-Wärmetauscher und somit sind Gegenstrom-Wärmetauscher bei gleicher Energieübertragung kleiner.

Berechnungen von Parallelstrom-Wärmetauschern

Wenn sowohl heißes als auch kaltes Fluid von derselben Seite in den Wärmetauscher eintritt, wird die Strömung in paralleler Richtung und der Austritt von derselben Seite als Parallelfluss-Wärmetauscher bezeichnet.

Ziel ist es, die Gesamtwärmeübertragungsrate (Q) zwischen heißen und kalten Fluiden im Parallelstrom-Wärmetauscher zu berechnen.

Woher,

T_hi ist Eintrittstemperatur der heißen Flüssigkeit

T_he ist Austrittstemperatur der heißen Flüssigkeit

T_ci ist die Einlasstemperatur der kalten Flüssigkeit

T_ce ist Austrittstemperatur der kalten Flüssigkeit 

ΔT_i = Einlasstemperaturdifferenz

     = Thi – Tzi

ΔT_e = Austrittstemperaturdifferenz

     = Der – Tce

Q = U x A x T_m

Woher,

U = Gesamtwärmedurchgangskoeffizient

A = Gesamtwärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers

ΔT_m= Mittlere Temperaturdifferenz protokollieren

Doppelrohr-Parallelstrom-Wärmetauscher

Es hat einen einfachen Aufbau, bei dem ein Rohr konzentrisch zum anderen eingesetzt wird. Heißes Fluid und kaltes Fluid treten von der gleichen Seite in den Wärmetauscher ein und fließen auch in die gleiche Richtung, um zwischen ihnen Enthalpie auszutauschen.

Was ist der Wert der maximalen Effektivität im Falle eines Parallelstrom-Wärmetauschers?

"Die Effektivität eines Wärmetauschers ist definiert als das Verhältnis zwischen der tatsächlich stattfindenden Wärmeübertragungsrate zwischen heißem und kaltem Fluid und der maximal möglichen Wärmeübertragungsrate zwischen ihnen.“

Der Wert der maximalen Wirksamkeit im Parallelstrom kann 50 % betragen.

Ableitung Parallelstrom-Wärmetauscher

Ableiten einer Gleichung für die mittlere Temperaturdifferenz (MTD) und die Gesamtwärmeübertragungsrate (Q) des Parallelstrom-Wärmetauschers.

Betrachten Sie die unterschiedliche Wärmeübertragungsfläche ΔA des Wärmetauschers der Länge Δx, durch die die unterschiedliche Wärmeübertragungsrate zwischen heißen und kalten Flüssigkeiten dq beträgt.

Dann gilt dq = U x ΔT x dA

Wobei dA = B * dx und ΔT = T_h - T_c = f(x)

Randbedingungen,

Bei x = 0 (dh Einlass) ΔT = ΔTi = Thi – Tci

Bei x = L (dh Ausgang) ΔT = ΔTe = The – Tce

Ebenfalls,

dq = -m_h*c_ph*dt

   = +m_c*c_pc*dt

T = 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)]

Integration beider Seiten durch Trennung der Variablen

Diagramm Parallelstrom-Wärmetauscher

Gleichungen für Parallelstrom-Wärmetauscher

Die Gleichung für die gesamte ausgetauschte Wärme

Woher,

U = Gesamtwärmedurchgangskoeffizient

A = Gesamtwärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers

봗m = Logge mittlere Temperaturdifferenz

Die Gleichung für die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz.

Woher,

Dies ist die Einlasstemperatur der heißen Flüssigkeit

Dies ist die Austrittstemperatur der heißen Flüssigkeit

Tci ist die Einlasstemperatur der kalten Flüssigkeit

Tce ist die Austrittstemperatur der kalten Flüssigkeit 

ΔTi = Einlasstemperaturdifferenz

     = Thi – Tzi

ΔTe = Austrittstemperaturdifferenz

     = Der – Tce

Beispiel für Parallelstrom-Wärmetauscher

Rohrbündel-

Doppelrohr

Plattentyp

Parallelstrom-Wärmetauscher-Grafik

Vor- und Nachteile von Parallelstrom-Wärmetauschern

Vorteil:

Es ist einfach im Aufbau und billig zu bauen.

Schnellabrufe

Geringer Druckverlust

Nachteil:

Weniger Wirksamkeit

Größe ist größer für gleiche Wärmeübertragung

Identifizieren Sie die Eigenschaften von Parallelstrom-Wärmetauschern.

Der Parallelstrom-Wärmetauscher zeichnet sich durch einen Direktdurchfluss-Wärmetauscher aus, bei dem die Strömungsrichtung sowohl für das heiße als auch für das kalte Fluid während der Energieübertragung gleich ist.

LMTD-Gleichung für Parallelstrom-Wärmetauscher

Es ist der Parameter, der die Variation von ΔT (Temperaturdifferenz der Einlassseite und der Auslassseite des Wärmetauschers) in Bezug auf die Richtung des heißen Fluidstroms berücksichtigt, indem er über die gesamte Länge des Wärmetauschers vom Einlass bis zum Auslass gemittelt wird.

Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz (LMTD) ist das Verhältnis der Differenz der Differenz der Einlasstemperatur und der Differenz der Differenz der Austrittstemperatur zum Log des Verhältnisses der Differenz der Differenz der Einlasstemperatur und der Differenz der Differenz der Austrittstemperatur.

Woher,

Dies ist die Einlasstemperatur der heißen Flüssigkeit

Dies ist die Austrittstemperatur der heißen Flüssigkeit

Tci ist die Einlasstemperatur der kalten Flüssigkeit

Tce ist die Austrittstemperatur der kalten Flüssigkeit 

ΔTi = Einlasstemperaturdifferenz

    = Thi – Tzi

ΔTe = Austrittstemperaturdifferenz

    = Der – Tce

Optimierung Parallelstrom-Wärmetauscher

Rohrbündel-Parallelstrom-Wärmetauscher können durch eine neuartige schwingungsdämpfende Spannwand optimiert werden. Auch die geometrischen Parameter wie Prallblechabstand und Prallblechbreite beeinflussen seine Leistung. Die Strömungsart ist ein wichtiger Parameter, der bei der Optimierung des Wärmetauschers berücksichtigt werden muss.

Temperaturgradienten bei Parallelstrom-Wärmetausch definieren

Der Temperaturunterschied zwischen der Temperaturdifferenz auf der Einlassseite und der Auslassseite des Wärmetauschers wird als Temperaturgradient bezeichnet. Bei einem Parallelstrom-Wärmetauscher ist sie ungleichmäßig und nimmt in Strömungsrichtung allmählich ab.

In welchem ​​Zustand sollten wir Parallelstrom-Wärmetauscher verwenden?

Die Grenze der Austrittstemperatur des kalten Mediums ist die Austrittstemperatur des heißen Mediums bei einem Parallelstrom-Wärmetauscher. Daher wird es hauptsächlich dort verwendet, wo eine Begrenzung der Wärmeübertragung empfohlen wird.

Numerische Frage:

Que: Heißes Wasser mit 46℃ tritt in den Wärmetauscher ein, um die Enthalpie des Wassers zu erhöhen, das bei 10℃ eintritt und bei 38 at aus dem Wärmetauscher austritt. Der Massendurchsatz des heißen Fluids beträgt 25 l/s und der Massendurchsatz des kalten Fluids beträgt 19 l/s. Wenn bei der Wärmeübertragung keine Wärmeverluste auftreten, wie hoch ist die Temperatur des heißen Fluids am Austritt?

Sol: Gegebene Eintrittstemperatur des heißen Fluids (T1) = 46℃

     Gegebene Eintrittstemperatur der kalten Flüssigkeit (T3) = 10℃ 

     Gegebene Austrittstemperatur des kalten Fluids (T4) = 38℃

     So ermitteln Sie die Austrittstemperatur des heißen Fluids (T2) = X

     Dichte des Wassers () = 1000 kg/m3

     Masse Fließrate heiße Flüssigkeit (mh) = 25 l/s

     Massenstrom der kalten Flüssigkeit (mc) = 19 l/s

     Wärmekapazität von Wasser (c) = 4186 J/kg-K

Der Wärmeverlust durch heißes Wasser entspricht der Wärme, die durch die kalte Flüssigkeit gewonnen wird.

mh*c*(T1-T2) = mc*c*(T3 – T4)

25 (46 – T2) = 19 (38 – 10)

T2 = 24.72℃

Die Austrittstemperatur des Warmwassers beträgt 24.72℃

FAQ / Kurznotizen

Wo wird der Parallelstrom-Wärmetauscher verwendet

Der Parallelstrom-Wärmetauscher wird hauptsächlich dort verwendet, wo eine begrenzte Wärmeübertragung empfohlen wird. Die Grenze der Austrittstemperatur des kalten Fluids ist im Falle eines Parallelstrom-Wärmetauschers die Austrittstemperatur des heißen Fluids.

Kreuzstrom- vs. Parallelstrom-Wärmetauscher

Für die gleiche Wärmeübertragungsrate, die in beiden Fällen erforderlich ist, belegt der Gegenstrom-Wärmetauscher eine geringere Wärmeübertragungsfläche oder eine kompaktere Größe als der Parallelstrom-Wärmetauscher.

Wenn Wasser erhitzt und Öl in einem Wärmetauscher abgekühlt wird. Wird es einem Gegenstrompfad oder einem Parallelströmungspfad folgen?

Beide Art von Wärmetauscher verwendet werden, aber ein Gegenstrom-Wärmetauscher nimmt im Vergleich zu einem Parallelstrom-Wärmetauscher weniger Platz ein.

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