Διφασική ροή νερού-αέρα σε εναλλάκτη πλακών και πλαισίου
Voir/ Ouvrir
Auteur
Καραγιάννης, ΓεώργιοςSupervisor name
Μποντόζογλου, Βασίλειος
Date
1998Language
el
Access
free
Résumé
Οι εναλλάκτες θερμότητας με πλάκες (plate heat exchangers)
χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση ή ψύξη κυρίως υγρών και παρουσιάζουν
ορισμένα πλεονεκτήματα έναντι των σωληνωτών εναλλακτών. Πιο
συγκεκριμένα, παρέχουν μεγάλη επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας για
συγκεκριμένο όγκο εγκατάστασης και αποσυνδέονται εύκολα για καθαρισμό.
Τα δύο ρευστά ρέουν σε αντιρροή δια μέσου μικρών διακένων μεταξύ
των πλακών. Κάθε υγρό κινείται εναλλάξ προς τα πάνω και προς τα κάτω με
τυρβώδη ροή, επιτυγχάνοντας υψηλούς συντελεστές μετάδοσης θερμότητας.
Οι πλάκες συνδέονται στεγανά μεταξύ τους με παρεμβύσματα (gaskets) και
συμπιέζονται με τρόπο ανάλογο προς τα διηθητικά πιεστήρια (φιλτροπρέσσα).
Οι πλάκες φέρουν κυματοειδείς αυλακώσεις μέσω των οποίων
επιτυγχάνεται έντονη τυρβώδης ροή και υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης
θερμότητας. Οι συνολικοί συντελεστές μετάδοσης θερμότητας είναι περίπου
διπλάσιοι των αντιστοίχων συντελεστών των σωληνωτών εναλλακτών και
κυμαίνονται μεταξύ 5000-10000W/m2K. Οι συντελεστές αποθέσεων είναι πολύ
υψηλοί (10000-100000W/m2K).
Οι εναλλάκτες θερμότητας με πλάκες ενδείκνυνται ιδιαίτερα για τη
θέρμανση ευπαθών προϊόντων, λόγω του υψηλού ρυθμού μεταφοράς
θερμότητας και του μικρού χρόνου παραμονής. Για το λόγο αυτό,
χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην παστερίωση του γάλατος, των χυμών
φρούτων κ.λ.π. Για κατασκευαστικούς λόγους οι εναλλάκτες αυτοί δεν
ενδείκνυνται για ιξώδη ρευστά και αιωρήματα και για λειτουργία σε υψηλή
πίεση ή θερμοκρασία.
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη
ενός εναλλάκτη θερμότητας πλακών-πλαισίου σε συνθήκες διφασικής ροής.
Αρχικά, ως θερμαντικό μέσο χρησιμοποιήθηκε λάδι της SHELL, το THERMIA
Β. Το λάδι αυτό, στη συνέχεια, αντί καταστάθηκε με αποσκληρυμένο νερό.
Ως ψυχρό ρευστό, χρησιμοποιήθηκε διφασικό μίγμα νερού-αέρα. Στο
σημείο αυτό έγκειται και ο πρωτοποριακός χαρακτήρας αυτής της μελέτης,
αφού δεν υπάρχουν ανάλογες διαθέσιμες δημοσιεύσεις.
Για να μελετηθεί μια συσκευή, πρέπει να υπολογιστεί μια ποσότητα που
την χαρακτηρίζει, όπως ο βαθμός απόδοσης. Το μέγεθος που χαρακτηρίζει
μια συσκευή εναλλαγής θερμότητας είναι ο συντελεστής μετάδοσης
θερμότητας U. Για τον υπολογισμό του συντελεστή αυτού εκτελέστηκαν
αρκετές σειρές πειραμάτων. Ο συντελεστής μετάδοσης θερμότητας hi από
την πλευρά του θερμαντικού ρευστού υπολογίζεται με τη βοήθεια του
υπολογιστικού πακέτου APLE1 της HTFS (περιγραφή στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5). Ο
υπολογισμός αυτός γίνεται με βάση παροχές, θερμοκρασίες, πιέσεις και
φυσικές ιδιότητες των ρευστών. Οι αποθέσεις θεωρούνται και είναι στην
πραγματικότητα αμελητέες.
Από τα παραπάνω, μπορεί να υπολογιστεί ο συντελεστής μετάδοσης
θερμότητας h2 από την πλευρά του διφασικού ρεύματος , ως το πηλίκο:
h 2 =
hfU
hi-U
Το μέγεθος αυτό αποτελεί το ζητούμενο αυτής της διπλωματικής
εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, το ζητούμενο είναι ο συσχετισμός του συντελεστή
μετάδοσης θερμότητας h2 από την πλευρά του διφασικού μίγματος, με το
είδος της ροής.
Αναφορικά με το είδος της ροής, λήφθηκε ως μοντέλο η διφασική ροή
ροή νερού-αέρα σε κατακόρυφο κυλινδρικό σωλήνα. Αυτή ήταν η καλύτερη
προσέγγιση που μπορούσε να γίνει με βάση τις υπάρχουσες δημοσιεύσεις και
τη βιβλιογραφία. Λόγω πίεσης χρόνου, δεν πάρθηκαν φωτογραφίες της ροής,
αφού θα έπρεπε να γίνει κάποια αναπροσαρμογή στην κεφαλή του εναλλάκτη.
Μελλοντικά, προβλέπεται να φωτογραφηθεί η ροή, έτσι ώστε να αποκαλυφθεί
η πραγματική σχέση που υπάρχει ανάμεσα στην περιοχή ροής και το
συντελεστή h2 (σχετική πρόταση στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6).
Αναφέρθηκε και προηγουμένως, ότι στην πορεία των πειραμάτων το
λάδι της SHELL, το THERMIA Β, αντί καταστάθηκε με νερό. Το πρόβλημα που
οδήγησε στην αντικατάσταση του λαδιού ήταν ότι η κυρίαρχη αντίσταση στη
μετάδοση θερμότητας εμφανιζόταν από την πλευρά του λαδιού. Το
αποτέλεσμα ήταν ότι ο συντελεστής μετάδοσης θερμότητας hi από την
πλευρά του λαδιού έπαιρνε μικρότερες τιμές από τον ολικό συντελεστή U και
συνεπώς (από την προηγούμενη εξίσωση) ο συντελεστής h2 εμφανιζόταν να
έχει αρνητική τιμή.
Φυσικά, αυτές οι μετρήσεις δεν είχαν αξία, αφού καθιστούσαν αδύνατη
κάθε περαιτέρω επεξεργασία. Η αντικατάσταση του λαδιού από νερό έδωσε
αναμενόμενα αποτελέσματα και οι συντελεστές μετάδοσης θερμότητας h2
κυμαίνονταν στο αναμενόμενο εύρος. Βέβαια, και εδώ υπήρξαν ελάχιστες
εξαιρέσεις, όπου η κυρίαρχη αντίσταση ήταν από την πλευρά του θερμού
νερού και συνεπώς ο συντελεστής h2 εμφανιζόταν να έχει αρνητική τιμή.
Η ανάλυση και η επεξεργασία των μετρήσεων παρουσιάζεται στο
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5, ενώ στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 παρατίθενται όλα τα παραρτήματα με
τους πίνακες και όλα τα σχετικά με τα πειράματα.
Academic publisher
Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιομηχανίας.