Échangeur de chaleur à flux parallèle || Ses 3 FAQ importantes ||

CONTENU

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur à flux parallèle?

Un type d'échangeur de chaleur à transfert direct dans lequel le fluide chaud et le fluide froid s'écoulent dans la même direction pour échanger de l'énergie thermique entre eux sans transfert d'énergie de l'environnement. 

Théorie de l'échangeur de chaleur à flux parallèle

L'échangeur de chaleur est défini comme un débit constant adiabatique système ouvert. L'écoulement des deux fluides (fluide chaud et fluide froid) est dans le même sens pour échanger de la chaleur entre eux. Il s'agit d'un échangeur de chaleur de type à transfert direct dans lequel les fluides n'ont aucun contact physique entre eux. La pression du fluide chaud et froid reste constante.
La perte d'enthalpie du fluide chaud est égale au gain d'enthalpie du liquide froid. La variation de température entre fluide chaud et fluide froid dans le sens de l'écoulement diminue toujours.
Fig: 1 Flux dans l'échangeur de chaleur à flux parallèle (Crédit image: wikimedia)

Où,

Th, dans: Température du fluide chaud d'entrée

Th, dehors: Température du fluide refroidi en sortie 

Tc, dans: Température d'entrée du fluide froid

Tc, dehors: Température du fluide chaud en sortie

Avantages de l'échangeur de chaleur à flux parallèle

La perte de pression est très faible
Il est de construction simple et bon marché à construire.

Échangeur de chaleur à plaques à flux parallèle

Un groupe de plaques est placé de manière systématique les unes au-dessus des autres pour la formation d'une série de canaux d'écoulement de fluide pour échanger de l'énergie thermique entre eux. L'augmentation de surface par les plaques permet plus de transfert de chaleur entre les deux fluides.
Fichier:เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่น.png
Fig: 2 Échangeur de chaleur à plaques (Crédit image: wikimedia)

Échangeur de chaleur à flux parallèle vs échangeur de chaleur à contre-courant

La variation de température entre fluide chaud et fluide froid par rapport au sens d'écoulement est plus prononcée dans l'échangeur de chaleur à flux parallèle. L'entropie de l'échangeur de chaleur de type à flux parallèle est plus élevée que celle de l'échangeur de chaleur de type compteur. L'échangeur de chaleur à contre-courant est plus efficace que l'échangeur de chaleur à flux parallèle. Par conséquent, pour le même taux de transfert de chaleur requis dans les deux cas, l'échangeur de chaleur à contre-courant occupe une surface de transfert de chaleur moindre ou de taille plus compacte que l'échangeur de chaleur à flux parallèle.

Quelle est l'efficacité de l'échangeur de chaleur à flux parallèle?

«L'efficacité (ϵ) d'un échangeur de chaleur est définie comme le rapport entre le transfert de chaleur réel et le transfert de chaleur maximal possible.»
Transfert de chaleur réel (Q) = mh*Cph* (Th1 - Th2
= mc*Cpc* (Tc2 - Tc1)
Transfert de chaleur maximal possible (Qmax) = Ch(Th1 - Tc1)

Expérience d'échangeur de chaleur à écoulement parallèle et à contre-courant

Objectif: déterminer l'efficacité de l'échangeur de chaleur en flux parallèle et à contre-courant.
La configuration de l'expérience comprend le composant suivant,
  • Chauffe-eau
  • Pompe
  • Entrée et sortie d'eau chaude
  • Entrée et sortie d'eau froide
  • Capteur de température
  • Regulateur de DEBIT

Procédure:

Tout d'abord, nous devons allumer l'appareil d'essai, puis allumer le chauffage et régler la température du chauffe-eau. Nous devons attendre que la température de l'eau augmente jusqu'au point de consigne. Allumez la pompe pour l'eau chaude et froide. Réglez le débit massique de l'eau chaude et froide à l'aide d'un bouton de régulateur de débit. Toutes les températures à l'entrée et à la sortie sont enregistrées. Tout d'abord, réglez l'échangeur de chaleur en configuration parallèle et notez les lectures.

Capacité spécifique du fluide chaud: _________

Capacité spécifique du fluide froid: _________

  1. Débit massique ajusté de fluide chaud (mh) sont enregistrés
  2. Débit massique ajusté de fluide froid (mc) sont enregistrés
  3. Réglez la température d'entrée. de fluide chaud sont enregistrés (Th1)
  4. La température de sortie. de fluide chaud sont enregistrés (Th2)
  5. Temp d'entrée. Du fluide froid sont enregistrés (Tc1)
  6. Temp de sortie. de fluide froid sont enregistrés (Tc2)

Application de l'échangeur de chaleur à flux parallèle

Utilisé pour le préchauffage de l'air du four, qui échange de la chaleur entre l'air froid frais et les effluents des gaz de combustion du four.
L'échangeur de chaleur à calandre et à tube sur le navire utilisait un échangeur de chaleur à flux parallèle.

Un échangeur de chaleur à flux parallèle à double tuyau à paroi mince

L'agencement dans lequel un fluide s'écoule à l'intérieur d'un tuyau et l'autre fluide s'écoule entre la surface extérieure du premier tuyau et la surface intérieure d'un autre tuyau qui entoure le premier. Ces tuyaux sont de nature concentrique. 

Échangeur de chaleur à contre-courant et à flux parallèle

Les échangeurs de chaleur à contre-courant et à flux parallèle sont des échangeurs de chaleur de type à transfert direct.
Le sens d'écoulement du fluide chaud et de motte dans le cas d'un échangeur de chaleur à contre-type est opposé l'un à l'autre tandis que dans le cas d'un écoulement parallèle, le sens des fluides chaud et froid est le même.
La différence de température moyenne logarithmique (LMTD) de est plus élevée en cas de contre-courant par rapport à l'échangeur de chaleur à flux parallèle et donc, les échangeurs de chaleur à contre-courant sont de plus petite taille pour le même transfert d'énergie.

Calculs d'échangeurs de chaleur à flux parallèle

Lorsque le fluide chaud et froid entre dans l'échangeur de chaleur du même côté, l'écoulement dans une direction parallèle et la sortie du même côté est connu sous le nom d'échangeur de chaleur à écoulement parallèle.
Fig 3: Graphique pour l'échangeur de chaleur à flux parallèle
L'objectif est de calculer le taux de transfert de chaleur total (Q) entre les fluides chauds et froids dans l'échangeur de chaleur à flux parallèle.
Où,
Thi est la température d'entrée du fluide chaud
The est la température de sortie du fluide chaud
Tci est la température d'entrée du fluide froid
Tce est la température de sortie du fluide froid 
ΔTi = Différence de température d'entrée
     = Thi - Tci
ΔTe = Différence de température de sortie
     = Le - Tce
Q = U x A x Tm
Où,
U = coefficient de transfert thermique global
A = surface totale de transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur
ΔTm= Log différence de température moyenne

Échangeur de chaleur à flux parallèle à double tube

Il a une construction simple dans laquelle un tuyau est inséré concentriquement à l'autre. Le fluide chaud et le fluide froid pénètrent dans l'échangeur de chaleur du même côté et s'écoulent également dans le même sens pour échanger l'enthalpie entre eux.

Dans le cas d'un échangeur de chaleur à flux parallèle, quelle est la valeur de l'efficacité maximale.

«L'efficacité d'un échangeur de chaleur est définie comme le rapport entre le taux de transfert de chaleur réel qui a lieu entre le fluide chaud et froid et le taux de transfert de chaleur maximal possible entre eux.»
La valeur d'efficacité maximale dans un flux parallèle peut être de 50%.

Dérivation d'échangeur de chaleur à flux parallèle

Pour dériver une équation pour la différence de température moyenne (MTD) et le taux de transfert de chaleur total (Q) de l'échangeur de chaleur à flux parallèle.
Considérons la zone de transfert de chaleur différentielle ΔA de l'échangeur de chaleur de longueur Δx à travers laquelle le taux de transfert de chaleur différentiel entre les fluides chauds et froids est dq.
Alors, dq = U x ΔT x dA
Où dA = B * dx, et T = Th - Tc = f (x)
Conditions aux limites,
À x = 0 (c.-à-d. Entrée) ΔT = ΔTi = Thi - Tci
À x = L (c'est-à-dire sortie) ΔT = ΔTe = The - Tce
Aussi, les
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)]
Intégrer les deux côtés en séparant la variable

Schéma de l'échangeur de chaleur à flux parallèle

Fichier:Échangeur de chaleur à tube droit 2-pass.PNG
Fig 4: Échangeur de chaleur à flux parallèle (crédit d'image: wikimedia)

Équations d'échangeurs de chaleur à flux parallèle

L'équation de la chaleur totale échangée
Où,
U = coefficient de transfert thermique global
A = surface totale de transfert de chaleur de l'échangeur de chaleur
봗 m = Log différence de température moyenne
L'équation pour la différence de température moyenne logarithmique.
Où,
Thi est la température d'entrée du fluide chaud
La température de sortie du fluide chaud est
Tci est la température d'entrée du fluide froid
Tce est la température de sortie du fluide froid 
ΔTi = différence de température d'entrée
     = Thi - Tci
ΔTe = différence de température de sortie
     = Le - Tce

Exemple d'échangeur de chaleur à flux parallèle

Coquille et tube
Double pipe
Type de plaque

Graphique de l'échangeur de chaleur à flux parallèle

 

Fig 5: Graphique de distribution de température

Avantages et inconvénients de l'échangeur de chaleur à flux parallèle

Avantage:

Il est de construction simple et bon marché à construire.
Récupérations rapides
Perte de pression faible

Désavantage:

Moins d'efficacité
La taille est plus grande pour le même transfert de chaleur

Identifiez les caractéristiques des échangeurs de chaleur à flux parallèle.

L'échangeur de chaleur à flux parallèle est caractérisé par un échangeur de chaleur de type à flux direct dans lequel le sens d'écoulement est le même pour le fluide chaud et froid pendant le transfert d'énergie.

Equation LMTD pour échangeur de chaleur à flux parallèle

C'est le paramètre qui prend en compte la variation de ΔT (Différence de température du côté entrée et du côté sortie de l'échangeur de chaleur) par rapport au sens d'écoulement du fluide chaud en le faisant la moyenne sur toute la longueur de l'échangeur de chaleur de l'entrée à la sortie.
La différence de température moyenne logarithmique (LMTD) est le rapport de la différence de différence de température d'entrée et de différence de température de sortie au log du rapport de différence de différence de température d'entrée et de différence de différence de température de sortie.
Où,
Thi est la température d'entrée du fluide chaud
La température de sortie du fluide chaud est
Tci est la température d'entrée du fluide froid
Tce est la température de sortie du fluide froid 
ΔTi = différence de température d'entrée
    = Thi - Tci
ΔTe = différence de température de sortie
    = Le - Tce

Optimisation de l'échangeur de chaleur à flux parallèle

L'échangeur de chaleur à flux parallèle de type coque et tube peut être optimisé par un nouveau type de chicane de serrage anti-vibration. Les paramètres géométriques tels que la distance du déflecteur et la largeur du déflecteur influencent également ses performances. Le type de débit est un paramètre important à considérer pour l'optimisation de l'échangeur de chaleur.

Définir le gradient de température en cas d'échange thermique à flux parallèle

La différence de température entre la différence de température du côté entrée et du côté sortie de l'échangeur de chaleur est appelée gradient de température. Dans le cas d'un échangeur de chaleur à flux parallèle, il n'est pas uniforme et diminue progressivement dans le sens de l'écoulement.
Fig 6: Gradient de température en flux parallèle (crédit image: wikimedia)

Dans quelles conditions devons-nous utiliser un échangeur de chaleur à flux parallèle?

La limite de la température de sortie du fluide froid est la température de sortie du fluide chaud dans le cas d'un échangeur de chaleur à flux parallèle. Ainsi, il est principalement utilisé là où la limitation du transfert de chaleur est recommandée.

Question numérique:

Que: L'eau chaude à 46 ℃ entre dans l'échangeur de chaleur pour augmenter l'enthalpie de l'eau qui entre à 10 ℃ et sort de l'échangeur de chaleur à 38 ℃. Le débit massique de fluide chaud est de 25 l / s, et le débit massique de fluide froid est de 19 l / s. Si aucune perte de chaleur n'a lieu pendant le transfert de chaleur, quelle est la température du fluide chaud à la sortie?

Sol: température d'entrée du fluide chaud (T1) = 46 ℃

     Compte tenu de la température d'entrée du fluide froid (T3) = 10 

     Étant donné la température de sortie du fluide froid (T4) = 38 ℃

     Pour trouver la température de sortie du fluide chaud (T2) = X

     Densité de l'eau () = 1000 kg / m3

     Débit massique de fluide chaud (mh) = 25 l / s

     Débit massique de fluide froid (mc) = 19 l / s

     Capacité calorifique de l'eau (c) = 4186 J / kg-K

La chaleur perdue par l'eau chaude est la même que la chaleur acquise par le fluide froid.

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

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

T2 = 24.72 ℃

La température de sortie de l'eau chaude est de 24.72 ℃

FAQ / Notes courtes

Où est utilisé l'échangeur de chaleur à flux parallèle

L'échangeur de chaleur à flux parallèle est principalement utilisé lorsqu'un transfert de chaleur limité est recommandé. La limite de la température de sortie du fluide froid est la température de sortie du fluide chaud dans le cas d'un échangeur de chaleur à flux parallèle.

Échangeur de chaleur à flux transversal vs à flux parallèle

Pour le même taux de transfert de chaleur requis dans les deux cas, l'échangeur de chaleur à contre-courant occupe une zone de transfert de chaleur moindre ou plus compacte que l'échangeur de chaleur à flux parallèle.

 

Lorsque l'eau est chauffée et l'huile est refroidie dans un échangeur de chaleur. suivra-t-il un chemin à contre-courant ou un chemin d'écoulement parallèle?

Les deux types d'échangeur de chaleur peuvent être utilisés, mais l'échangeur de chaleur de type à contre-courant occupera moins d'espace que l'échangeur de chaleur de type à flux parallèle.

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À propos de Krishna Singh

Je suis Krishna K Singh et je travaille en tant que scientifique de projet. Possédant 5 ans d'expérience industrielle dans le domaine de la Cross Mechanical. Actuellement, je travaille sur des projets d'exploitation minière en haute mer qui sont d'importance internationale. Je suis heureux de faire partie de la famille Lambdageeks et je souhaite aider les étudiants à mieux comprendre la mécanique et la thermique.
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