Πειραματική μελέτη διφασικής ροής νερού-αέρα σε εναλλακτή πλακών-πλαισίου

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η πειραματική μελέτη ενός εναλλάκτη πλακών - πλαισίου σε συνθήκες διφασικής ροής. Τελικός στόχος είναι η συσχέτιση της θερμικής συμπεριφοράς με τις διάφορες μορφές που ενδεχομένως παρουσιάζει η διφασική ροή νερού-αέρα στη συγκεκριμένη γεωμετρία Πρέπει να τονιστεί ότι πολύ λίγα είναι γνωστά στη γνωστική αυτή περιοχή, κάτι που προσδίδει έναν καινοτομικό χαρακτήρα στη συγκεκριμένη εργασία. Ο εναλλάκτης πλακών - πλαισίου χαρακτηρίζεται από ορισμένα πλεονεκτήματα που τον καθιστούν αρκετά δημοφιλή στις μέρες μας. Ο τύπος αυτός παρέχει μεγάλη επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας ανά μονάδα όγκου ενώ η παρουσία κυματοειδών αυλακώσεων στις πλάκες βοηθά στην επίτευξη έντονα τυρβώδους ροής και υψηλών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας. Ακόμα είναι πολύ εύκολη η επέμβαση με σκοπό τον περιορισμό των αποθέσεων σε όλη την έκταση της επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας. Η ροή στους εναλλάκτες πλακών έχει ως εξής: τα δύο ρευστά κινούνται σε αντιρροή διαμέσου μικρών διακένων μεταξύ των πλακών. Τα ρευστά κινούνται εναλλάξ προς τα πάνω και προς τα κάτω ενώ η παρουσία παρεμβυσμάτων ανάμεσα στις πλάκες ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο ανάμιξης τους. Όλα τα παραπάνω συντελούν στο γεγονός οι εναλλάκτες πλακών - πλαισίου να έχουν κυρίαρχη θέση στις διεργασίες όπου εμπλέκονται προϊόντα υψηλής ποιότητας όπως τρόφιμα και φάρμακα ενώ τελευταία τους συναντάμε όλο και περισσότερο στις κλασσικές χημικές βιομηχανίες. Στα μειονεκτήματα της συσκευής μπορούμε να καταγράψουμε τις κατασκευαστικές αδυναμίες όσον αφορά το χειρισμό ρευστών υψηλού ιξώδους και τη λειτουργία σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. Στην παρούσα εργασία μελετάται τόσο η θερμική συμπεριφορά όσο και η διφασική ροή. Πιο συγκεκριμένα, κύριο ζητούμενο είναι ο υπολογισμός του συντελεστή μετάδοσης θερμότητας από τη μεριά του διφασικού μίγματος h2 καθώς και η αποτύπωση της επιρροής του αέρα στο συγκεκριμένο συντελεστή σε σχέση με το συντελεστή που θα έδινε ρεύμα μονοφασικού ψυχρού νερού. Παράλληλα κατασκευάστηκε ένας πρώτος χάρτης ροής για τους διάφορους συνδυασμούς του διφασικού μίγματος νερού - αέρα και έγινε προσπάθεια να εξηγηθεί η συμπεριφορά του h2 με βάση τη μορφή ροής του μίγματος Οι διάφοροι συντελεστές μετάδοσης θερμότητας υπολογίστηκαν από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων με χρήση ολοκληρωτικών ισοζυγίων ενέργειας. Πρώτα μετρήθηκε ο συντελεστής από τη μεριά του θερμού μονοφασικού νερού hi. Αυτό έγινε χρησιμοποιώντας ίσες παροχές μονοφασικού νερού τόσο ως θερμό όσο και ως ψυχρό ρεύμα. Ακολούθως εκτελέστηκε σειρά πειραμάτων έχοντας διφασικό μίγμα στη θέση του ψυχρού ρεύματος καν ο Η2 στάθηκε δυνατό να υπολογιστεί από την παρακάτω σχέση: . 1 2 Ι_1_Δ* U Λ, Κ όπου U είναι ο ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, Δχ το πάχος του ελάσματος που διαχωρίζει τα δύο ρευστά και Κ ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του ελάσματος. Όσον αφορά τη διφασική ροή, αυτή στάθηκε δυνατόν να παρατηρηθεί αντικαθιστώντας τον ακόλουθο (καπάκι) του εναλλάκτη με διαφανή πλάκα plexiglass στην οποία είχε εντυπωθεί η γεωμετρία μίας τυπικής πλάκας. Για την καταγραφή των χαρακτηριστικών ροής χρησιμοποιήθηκε οπτική κάμερα φωτογράφησης υψηλής ταχύτητας, η οποία συνδέεται με υπολογιστή και αποθηκεύει τις εικόνες με ψηφιακή μορφή. Τέλος, μπόρεσαν να εξαχθούν μερικά ενδιαφέροντα συμπεράσματα για τη σχέση μεταξύ του h2 και τη μορφή της ροής.