螺旋盘管换热器废物回收系统的优化研究

摘要

到2035年，对能源的需求将比目前的市场需求多50%。不可再生能源在过去十年中开始枯竭。这种消耗导致每个人的能源使用价格上涨。能源资源的枯竭对运输燃料消耗的影响最大。这项研究仅仅是为了回收排气管中的热损失。在热交换器中获得的热量可以用作另一种热源。这种热交换器技术导致了发动机效率的提高。在回收管道中的热损失后，发动机的燃料消耗减少了。这种减少燃料消耗的现象导致每使用一定量燃料的成本降低。利用Solid Works软件对换热器进行了设计和仿真。 A prototype was produced in line with the simulated design of the heat exchanger. A pilot test was done to compare the initial data gathered using the prototype and that of gathered using the simulation. The test was run five times, measuring values for different variables. The results of the research show that the variables have different relationships with other variables. The data gathered and p-values computed show the correlations between exit temperatures, pitch size, heat gain, and mass flow rate. The exit temperature is directly proportional to the heat gain and pitch size. On the contrary, the maximum heat gain is indirectly proportional to the effectiveness of the heat exchanger. The conclusion can be drawn that the analysis for the design helical coil heat exchanger and the results were found to be in good agreement with the experimental results. Furthermore, the effectiveness of the heat exchanger was proven to be directly proportional to the diesel fuel temperature. Following an in-depth multi-dimensional analysis of preliminary research results, it is recommended to consider for upgrade and invest further study regarding other parameters that might affect the recovery of heat losses.

关键字

热交换器,热膨胀(流体)、温差、热交换器效能

介绍

热是“由于系统和系统周围环境之间的温度差异而跨越系统边界传递的能量”。由于系统不含热量，它含有能量，而热量是传递中的能量或称为“传热”[1]。在任何情况下，温差都是由流入系统的能量或从系统流向环境的能量造成的。前者使物体升温，而后者使物体冷却。牛顿冷却定律指出，物体温度的变化率与物体自身温度与周围环境温度(即其周围环境的温度)之差成正比。[2]。

引擎效率对燃料消耗很重要;现代发动机的最高效率约为20%至35%，这意味着燃料所含能量的65%以热能的形式散失，35%以废气的形式散失，30%则通过发动机的冷却器或散热器散失。[3.]。大约一半的废热或热损失来自废气，这些废热可以被回收利用，并作为另一种热源来重新加热被发动机消耗的燃料。非常高效。燃烧在发动机中添加燃油可以使发动机效率更高，油耗更低。回收排气管中的热量损失，作为发动机的另一热源，提高发动机的效率是本研究的主要目的[4]指出“发动机气缸内的燃烧温度可达到2700 K甚至更高”。从发动机气缸排出的热量最终被排出到周围环境中。不幸的是，为了防止发动机过热并将热量传递给周围环境，发动机内部产生的很大一部分能量被浪费了，大多数发动机的制动热效率在30-40%之间[5]。发动机通过排气管道排出的能量是可以回收的能量，并可以作为另一种热源使用热交换器。热交换器是一种用于将废热从一种热源转移或回收到另一种热源的装置，在由固体壁隔开的两种温度不同的流体之间进行热交换的过程在许多工程应用中都有发生[6]。换热器有不同的类型，本研究将为回收废弃热量的换热器设计提供参考的换热器类型有螺旋换热器和逆流换热器。螺旋盘管式换热器是一种利用流体和换热器设计所用材料的温差将热量从一种流体传递到另一种流体而不使流体混合的换热器[7]。

螺旋盘绕式换热器具有一定的优势。更高的膜系数，热量通过壁面从一种流体传递到另一种流体的速率以及更有效地利用可用的压降，导致高效率和更便宜的设计[8]。真正的逆流充分利用了可用的LMTD(对数平均值)温度区别)。螺旋结构允许处理高温和极端温差，而不会产生高诱发应力或昂贵的膨胀节。高压能力和完全清洁作业流体流动区域的能力增加了换热器的优势[9]。

和所有液体一样，柴油的体积随着温度的升高而略微膨胀。热膨胀系数衡量的是膨胀的速率。柴油热膨胀系数的典型值是每摄氏度0.00083(每华氏度0.00046)。使用这个值，在-7°C(20°F)下的1,000加仑柴油将在38°C(100°F)下膨胀到1.037加仑。［1］

实验的程序

实验装置的原理图如图所示图1。实验装置由一个不锈钢外壳组成，在外壳内放置螺旋形的铜管，发动机的废气从铜管中流过。为了确保最大的热量传递，铜螺旋线圈完全暴露在发动机的废气中，最高温度为133°C。不锈钢外壳适当隔热，避免热量散失到周围，最大限度地利用废气产生的热量[10]。

在表1显示了在实验过程和模拟过程中将使用的标准参数。如图所示图2，温度升高与螺旋线圈节距的关系。随着螺距的增加，线圈中的温度也会增加。

总结

温度升高与球场螺旋线圈。随着螺距的增加，线圈中的温度也会增加。螺距的增加对温度的升高有影响，因为初始温度为133°C的废气通过线圈的间隙(螺距)，线圈携带柴油吸收的热量。燃料吸收的温度的增加也对减少燃料消耗有影响。燃料的热增益也会增加(图3）.利用模拟过程收集的数据和热交换器的实际运行，计算发动机的质量流量，以检查热交换器是否有效，以最大限度地减少燃油消耗。此外，它还显示在表2。燃料外质量流量与温度的关系[11]。

方差分析

所有数据均采用单因素方差分析(Anova)检验。p值必须小于0.05才能接受本文前面提到的假设。在p值小于0.05的情况下，对换热器出口温度与节距关系的检验数据可以证明这两个参数成正比关系。随着螺距尺寸的增大，出口温度逐渐升高。另一方面，出口温度和热增益的p值小于0.05。因此，当出口温度显著较大时，可以说柴油的热增益也较大。在平均热增益与换热器效率的关系中也可以得出同样的结论[12]。计算数据表明，最大热增益与效率成反比，而效率与平均热增益成正比(表3和表4）.

表3:实验过程中的计算数据表。

表4:柴油指标的计算。

结论

本文对……进行了比较分析优化螺旋盘管换热器的盘管设计。热交换器从一个热源重新获取和再利用废热的能力在行业中是一个常识。本文介绍了换热器螺旋盘管设计优化的相关分析。本研究认为，对螺旋盘管换热器进行改造，有利于降低燃料消耗和微粒排放。各种方程证明对确定研究中使用的常数参数的值有很大的帮助。对设计进行了评价，取得了预期的效果。通过增加隔热层改变螺旋盘管的设计，热交换器能够收集废热并利用它们更好地燃烧燃料，从而减少燃料消耗。螺旋线圈的绝缘让位于减少对环境的热损失。根据表中的结果，可以确定本研究的结果符合初始设计程序。对所考虑的研究进行了设计程序和热评价，并得出以下结论。

所采用的设计方法对螺旋盘管换热器的尺寸和额定值进行了分析，结果与实验结果吻合较好。通过增加螺旋盘管的螺距长度，可以提高换热器在定长条件下的效率。当柴油温度升高时，热交换器的效率也随之提高，反之亦然。不同的方程使用不同的参数进行分析。这些参数对发动机中燃料消耗的比重、温度/热量增益和质量流率的总体影响。分析表明，当燃料获得较高的温升时，质量流量所消耗的燃油量小于发动机的正常进油量。考虑该参数，表明螺旋线圈的效率较高。分析还表明，在线圈直径一定的情况下，随着管距的增大，温度增益也随之增大，从而提高了螺旋线圈的散热效率。

参考文献

1. Merle P和Somerton。Craig Schaum的工程师热力学大纲。第二版。2006.
2. Perry RH和Green D. Perry的化学工程师手册，第七版，McGraw-Hill。1997.
3. Incropera FP。《热传导导论》，第五版，Wiley, 2007。
4. Patil RK，等。螺旋盘管换热器的设计。化学工程。2000。
5. 鲁尔克拉国立理工学院。《燃料消耗》，Isidro Martinez, 2001。
6. Merle CP和Craig WS。工程师热力学第二版。2010。
7. Ajay C和Suryawanshi JG。利用内燃机回收废气余热
8. 热电发电机。应用科学学报，2013;3(3):779 - 779。
9. 美国环境保护署EPA 400 F 92 007。流动消息来源办公室概况介绍oms-5。1994.
10. Ghobadi等。圆管层流传热与压降关系的研究进展。传热工程，2015;37:1-71。
11. 张建军，张建军。壳管和盘管换热器的实验研究。国际传输学研究。2008;35:84-92。
12. 西奥多·L.实习工程师的热传导应用。威利，新泽西，2011。
13. 戴，等。用于低功耗移动电子设备的人力无线充电器。IEEE消费电子商务汇刊