Scambiatore di calore a flusso parallelo: 23 fatti importanti

CONTENUTO

Che cos'è lo scambiatore di calore a flusso parallelo?

Un tipo di scambiatore di calore a trasferimento diretto in cui sia il fluido caldo che il fluido freddo scorrono nella stessa direzione per scambiare energia termica tra loro senza trasferimento di energia dall'ambiente. 

Teoria dello scambiatore di calore a flusso parallelo

Lo scambiatore di calore è definito come un flusso costante adiabatico sistema aperto. Il flusso di entrambi i fluidi (fluido caldo e fluido freddo) sono nella stessa direzione per scambiare calore tra loro. È uno scambiatore di calore del tipo a trasferimento diretto in cui i fluidi non hanno alcun contatto fisico tra di loro. La pressione del fluido caldo e freddo rimane costante.
La perdita di entalpia del fluido caldo è uguale al guadagno di entalpia del liquido freddo. La variazione di temperatura tra fluido caldo e fluido freddo nella direzione del flusso diminuisce sempre.
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Fig: 1 Flusso nello scambiatore di calore a flusso parallelo (Credito immagine: Wikimedia)

Dove,

Th, a: Temperatura del fluido caldo in ingresso

Th, fuori: Temperatura del fluido raffreddato in uscita 

Tc, in: Temperatura del fluido freddo in ingresso

Tc, fuori: Temperatura del fluido caldo in uscita

Vantaggi dello scambiatore di calore a flusso parallelo

La perdita di pressione è molto bassa
È semplice nella costruzione ed economico da costruire.

Scambiatore di calore a piastre a flusso parallelo

Un grappolo di piastre è disposto in modo sistematico una sopra l'altra per la formazione di una serie di canali di scorrimento del fluido per scambiare energia termica tra di loro. L'aumento della superficie delle piastre consente un maggiore trasferimento di calore tra i due fluidi.
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Fig: 2 Scambiatore di calore a piastre (Credito immagine: Wikimedia)

Scambiatore di calore a flusso parallelo vs scambiatore di calore in controcorrente

La variazione di temperatura tra fluido caldo e fluido freddo rispetto alla direzione del flusso è più pronunciata nello scambiatore di calore a flusso parallelo. L'entropia dello scambiatore di calore del tipo a flusso parallelo è maggiore rispetto allo scambiatore di calore del tipo contatore. Lo scambiatore di calore controcorrente è più efficiente dello scambiatore di calore a flusso parallelo. Quindi per la stessa velocità di trasferimento del calore richiesta in entrambi i casi, lo scambiatore di calore in controcorrente occupa un'area di trasferimento del calore minore o di dimensioni più compatte rispetto allo scambiatore di calore a flusso parallelo.

Qual è l'efficacia dello scambiatore di calore a flusso parallelo?

"L'efficacia (ϵ) di uno scambiatore di calore è definita come il rapporto tra il trasferimento di calore effettivo e il trasferimento di calore massimo possibile."
Trasferimento di calore effettivo (Q) = mh*Cph*(Th1 - Th2
= mc*Cpc*( Tc2 - Tc1)
Massimo trasferimento di calore possibile (Qmax) = ch(Th1 - Tc1)
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Esperimento sugli scambiatori di calore a flusso parallelo e controcorrente

Scopo: Determinare l'efficacia dello scambiatore di calore in flusso parallelo e controcorrente.
La configurazione dell'esperimento è costituita dal seguente componente,
  • riscaldatore
  • Pump
  • Ingresso e uscita acqua calda
  • Ingresso e uscita acqua fredda
  • Sensore di temperatura
  • Regolatore di flusso

Procedura:

Per prima cosa, dobbiamo accendere l'apparato di prova, quindi accendere il riscaldatore e impostare la temperatura dello scaldabagno. Bisogna attendere che la temperatura dell'acqua si alzi fino al set point. Accendere la pompa sia per l'acqua calda che per quella fredda. Impostare la portata massica dell'acqua calda e fredda utilizzando una manopola del regolatore di flusso. Vengono registrate tutte le temperature in ingresso e in uscita. Innanzitutto, impostare lo scambiatore di calore in una configurazione parallela e annotare le letture.

Capacità specifica del fluido caldo: _________

Capacità specifica del fluido freddo: _________

  1. Portata massica regolata del fluido caldo (mh) vengono registrati
  2. Portata massica del fluido freddo regolata (mc) vengono registrati
  3. Imposta temp. di fluido caldo vengono registrati (Th1)
  4. La temp. di fluido caldo vengono registrati (Th2)
  5. Temp. Ingresso Di fluido freddo sono registrati (Tc1)
  6. Temp. uscita di fluido freddo vengono registrati (Tc2)
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Applicazione dello scambiatore di calore a flusso parallelo

Utilizzato per il preriscaldamento dell'aria del forno, che scambia calore tra l'aria fredda fresca e i gas di scarico effluenti dal forno.
Il tipo di scambiatore di calore a fascio tubiero sulla nave utilizza uno scambiatore di calore a flusso parallelo.

Uno scambiatore di calore a flusso parallelo a doppio tubo a parete sottile

La disposizione in cui un fluido scorre all'interno di un tubo e l'altro fluido scorre tra la superficie esterna del primo tubo e la superficie interna di un altro tubo che circonda il primo. Questi tubi sono di natura concentrica. 

Scambiatore di calore controcorrente e parallelo

Sia il contatore che lo scambiatore di calore a flusso parallelo sono scambiatori di calore del tipo a trasferimento diretto.
La direzione del flusso del fluido caldo e della zolla in caso di scambiatore di calore controtipo è opposta l'una all'altra mentre in caso di flusso parallelo la direzione dei fluidi caldi e freddi è la stessa.
La differenza di temperatura media logaritmica (LMTD) di è maggiore in caso di controcorrente rispetto allo scambiatore di calore a flusso parallelo e quindi lo scambiatore di calore controcorrente ha dimensioni inferiori per lo stesso trasferimento di energia.

Calcoli dello scambiatore di calore a flusso parallelo

Quando sia il fluido caldo che quello freddo entrano nello scambiatore di calore dallo stesso lato, il flusso in una direzione parallela e l'uscita dallo stesso lato è noto come scambiatore di calore a flusso parallelo.
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Fig 3: Grafico per scambiatore di calore a flusso parallelo
Lo scopo è calcolare la velocità di trasferimento di calore totale (Q) tra fluidi caldi e freddi nello scambiatore di calore a flusso parallelo.
Dove,
Thi è la temperatura di ingresso del fluido caldo
The è la temperatura di uscita del fluido caldo
Tci è la temperatura di ingresso del fluido freddo
Tce è la temperatura di uscita del fluido freddo 
ATi = Differenza di temperatura in ingresso
     = Thi – Tci
ATe = Differenza di temperatura in uscita
     = Il – Tce
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Q = U x A x ΔTm
Dove,
U = Coefficiente di scambio termico globale
A = Superficie totale di scambio termico dello scambiatore di calore
ATm= Log differenza di temperatura media

Scambiatore di calore a doppio tubo a flusso parallelo

Ha una costruzione semplice in cui un tubo è inserito concentricamente all'altro. Il fluido caldo e il fluido freddo entrano nello scambiatore di calore dallo stesso lato e fluiscono anch'essi nella stessa direzione per scambiare entalpia tra loro.

In caso di scambiatore a flussi paralleli qual è il valore di massima efficacia.

"L'efficacia di uno scambiatore di calore è definita come il rapporto tra la velocità di trasferimento del calore effettiva che si verifica tra il fluido caldo e quello freddo e la velocità di trasferimento del calore massima possibile tra di loro."
Il valore di massima efficacia in un flusso parallelo può essere del 50%.

Derivazione scambiatore di calore a flusso parallelo

Per derivare un'equazione per la differenza di temperatura media (MTD) e la velocità di trasferimento di calore totale (Q) dello scambiatore di calore a flusso parallelo.
Si consideri l'area di scambio termico differenziale ΔA dello scambiatore di calore di lunghezza Δx attraverso la quale la velocità di scambio termico differenziale tra fluidi caldi e freddi è dq.
Allora dq = U x ΔT x dA
Dove dA = B * dx e ΔT = Th - Tc = f(x)
Condizioni al contorno,
A x = 0 (cioè Ingresso) ΔT = ΔTi = Thi – Tci
A x = L (cioè uscita) ΔT = ΔTe = The – Tce
Inoltre
dq = -mh*cph*dt
   = + mc*cpc*dt
T = Th - Tc
d(ΔT) = dTh – dTc
d(ΔT) = -dq[(1/mh*cph) + (1 / mc*cpc)]
dq = U*(dA)*ΔT 
    = U * ΔT * (BdX)
dq = -U*(dA)*ΔT*[(1/mh*cph) + (1 / mc*cpc)]
Integrando entrambi i lati separando la variabile
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Schema scambiatore di calore a flusso parallelo

File: Scambiatore di calore a tubo diritto 2-pass.PNG
Fig 4: Scambiatore di calore a flusso parallelo (credito immagine: Wikimedia)

Equazioni dello scambiatore di calore a flusso parallelo

L'equazione per il calore totale scambiato
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Dove,
U = Coefficiente di scambio termico globale
A = Superficie totale di scambio termico dello scambiatore di calore
봗m = Log differenza di temperatura media
L'equazione per la differenza di temperatura media logaritmica.
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Dove,
Questa è la temperatura di ingresso del fluido caldo
La è la temperatura di uscita del fluido caldo
Tci è la temperatura di ingresso del fluido freddo
Tce è la temperatura di uscita del fluido freddo 
ΔTi = Differenza di temperatura in ingresso
     = Thi – Tci
ΔTe = Differenza di temperatura in uscita
     = Il – Tce

Esempio di scambiatore di calore a flusso parallelo

Shell e tubo
Doppio tubo
Tipo di piastra

Grafico dello scambiatore di calore a flusso parallelo

 

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Fig 5: grafico della distribuzione della temperatura

Vantaggi e svantaggi dello scambiatore di calore a flusso parallelo

Vantaggio:

È semplice nella costruzione ed economico da costruire.
Recuperi rapidi
Perdita di pressione bassa

Svantaggio:

Meno efficacia
La dimensione è maggiore per lo stesso trasferimento di calore

Identificare le caratteristiche degli scambiatori di calore a flusso parallelo.

Lo scambiatore di calore a flusso parallelo è caratterizzato da uno scambiatore di calore del tipo a flusso diretto in cui la direzione del flusso è la stessa sia per il fluido caldo che per quello freddo durante il trasferimento di energia.

Equazione LMTD per scambiatore di calore a flusso parallelo

È il parametro che tiene conto della variazione di ΔT (Differenza di temperatura lato ingresso e lato uscita scambiatore di calore) rispetto alla direzione del flusso del fluido caldo calcolandone la media su tutta la lunghezza dello scambiatore di calore da ingresso a uscita.
Log della differenza di temperatura media (LMTD) è il rapporto tra differenza di differenza di temperatura di ingresso e differenza di differenza di temperatura di uscita rispetto al log del rapporto di differenza di differenza di temperatura di ingresso e differenza di differenza di temperatura di uscita.
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Dove,
Questa è la temperatura di ingresso del fluido caldo
La è la temperatura di uscita del fluido caldo
Tci è la temperatura di ingresso del fluido freddo
Tce è la temperatura di uscita del fluido freddo 
ΔTi = Differenza di temperatura in ingresso
    = Thi – Tci
ΔTe = Differenza di temperatura in uscita
    = Il – Tce

Ottimizzazione dello scambiatore di calore a flusso parallelo

Lo scambiatore di calore a flusso parallelo del tipo a fascio tubiero può essere ottimizzato da un nuovo tipo di deflettore di bloccaggio antivibrazione. Anche i parametri geometrici come la distanza del deflettore e la larghezza del deflettore influenzano le sue prestazioni. Il tipo di flusso è un parametro importante da considerare per l'ottimizzazione dello scambiatore di calore.

Definire il gradiente di temperatura in caso di scambio termico a flusso parallelo

La differenza di temperatura tra la differenza di temperatura sul lato di ingresso e sul lato di uscita dello scambiatore di calore è nota come gradiente di temperatura. Nel caso di uno scambiatore di calore a flusso parallelo, non è uniforme e diminuisce gradualmente nella direzione del flusso.
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Fig 6: Gradiente di temperatura in flusso parallelo (credito immagine: Wikimedia)

In quale condizione dovremmo usare uno scambiatore di calore a flusso parallelo?

Il limite della temperatura di uscita del fluido freddo è la temperatura di uscita del fluido caldo in caso di scambiatore di calore a flusso parallelo. Quindi, viene utilizzato principalmente dove si raccomanda di limitare il trasferimento di calore.

Domanda numerica:

Que: L'acqua calda a 46 entra nello scambiatore di calore per aumentare l'entalpia dell'acqua che entra a 10 ed esce dallo scambiatore di calore a 38 . La portata massica del fluido caldo è di 25 l / s e la portata massica del fluido freddo è 19 l / s. Se durante il trasferimento di calore non si verificano perdite di calore, qual è la temperatura del fluido caldo in uscita?

Sol: Data la temperatura di ingresso del fluido caldo (T1) = 46℃

     Data la temperatura di ingresso del fluido freddo (T3) = 10℃ 

     Data la temperatura di uscita del fluido freddo (T4) = 38℃

     Per trovare la temperatura di uscita del fluido caldo (T2) = X

     Densità dell'acqua () = 1000 kg/m3

     Massa Portata di fluido caldo (mh)= 25 l/s

     Portata massica fluido freddo (mc) = 19 l/s

     Capacità termica dell'acqua (c) = 4186 J / kg-K

Il calore perso dall'acqua calda è uguale al calore guadagnato dal fluido freddo.

mh*c*(T1-T2) = mc*c*(T3 – T4)

25 (46 – T2) = 19 (38 – 10)

T2 = 24.72℃

La temperatura di uscita dell'acqua calda è 24.72

FAQ / Note brevi

Dove viene utilizzato lo scambiatore di calore a flusso parallelo?

Lo scambiatore di calore a flusso parallelo viene utilizzato principalmente dove è raccomandato un trasferimento limitato di calore. Il limite della temperatura di uscita del fluido freddo è la temperatura di uscita del fluido caldo in caso di scambiatore di calore a flusso parallelo.

Scambiatore di calore a flusso incrociato vs flusso parallelo

Per la stessa velocità di trasferimento del calore richiesta in entrambi i casi, lo scambiatore di calore in controcorrente occupa un'area di trasferimento di calore minore o di dimensioni più compatte rispetto allo scambiatore di calore a flusso parallelo.

 

Quando l'acqua viene riscaldata e l'olio viene raffreddato in uno scambiatore di calore. seguirà un percorso controcorrente o un percorso di flusso parallelo?

Entrambi tipo di scambiatore di calore può essere utilizzato, ma lo scambiatore di calore del tipo in controcorrente occuperà meno spazio rispetto allo scambiatore di calore del tipo a flusso parallelo.