3-9 EXERGY LOSS IN HEAT EXCHANGERS Heat exchangers are major components in most energy system, and they are the source of significant exergy losses. Heat exchangers are generally inefficient from an exergy standpoint because they have been designed in the past on the basis of low first cost that dictates a minimum-sized unit. To achieve the small-sized heat exchangers, the temperature differencebetween the fluid streams is maximized. However, the larger is the temperature difference in a heat exchangers, the greater will be the exergy loss during heat transfer. The basis of exergy loss in heat exchangers is discussed here relative to the design and operating conditions. Example 3-1 to show the procedure in developing the exergy loss in heat exchangers, a simple counterflow air-air unit (Figure 3-6) is considered. The temperature of the hot airstream is held constant while the temperature of the cold airstream is varied to show the variation of the exergy loss as a function of the temperature difference between the hot and cold airstream. It is assumed that 50,000 Btu/hr of heat is transferred to the cold airstream. The mean temperature difference is 200 Airflow rate The exergy available in the hot air inlet is The exergy leaving in the hot airstream is The exergy picked up by the cold airstream is The exergy lost in transfer is Which is 6% of the initial exergy in the hot air inlet stream Performing the same calculation as those for condition A, the mean temperature difference between the airstream is 300 F and the hot airflow rate is 633 lb/hr, as before. The cold airflow rate is The exergy available in the hot air inlet and exit are the same as those for condition A, but the exergy picked up by the cold airstream is The exergy loss in heat transfer is then Or approximately 10% of the available exergy in the inlet hot airstream Performing the same calculation as those for condition A, the mean temperature difference between the airsream is 400 f, and the hot airflow rate is 633,7 lb/hr, as before. The cold air flow rate is The exergy available in the hot airstream inlet and outlet are the same as that for conditions A and B. The exergy picked up by the cold airstream is The exergy lost in the heat transfer is
Which is 14% of the total available exergy in hot-air inlet stream The percent exergy loss as a function of the mean temperature for a constant heat-transfer load is plotted in Figure 3-7. These results indicate that the exergy loss through irreversible heat transfer may not negligible and should be considered especially in energy realated systems that have a number of heat exchangers. Example 3-2 Another important aspect of heat exchanger performance is the method of determining the efficiency of a heat exchanger. Generally, heat exchangers are rated according to their heat transfer effectiveness, which is (Kays and London 1958) When the heat capacity of the two fluid streams are the same, the heat transfer effectiveness can be replaced by the temperature effectiveness of the fluid stream The important of heat exchanger performance for low temperature cryogenic systems is highlighted by the research development efforts that are applied to those components despite the fact tha the temperature effectiveness of the fluid streams are around 96-98%. Figure 3-8 gives the condition of a typical helium recuperative heat exchanger for a cryogenic refrigerator. The heat balance on this heat exchanger gives a heat transfer effectiveness of The temperature effectiveness values of the helium flow streams are These high values of effectiveness indicate that the heat exchanger is designed well from a heat balance standpoint. However, the picture is quite different when the second law and irreversibilities are considered. The exergy values shown in Figure 3-8 are calculated for a reference condition of helium at 340 R and 1 atm pressure. The exergy balance using these values is Exergy released = Exergy absorbed Which shows that the exergy lost in the heat transfer is 400 Btu/lb. The exergy efficiency of this heat exchanger is then Exergy efficiency = These result show that this heat exchanger is not very efficient from an exergy standpoint. It is now desirable to ascertain the reason for the low exergy efficiency. To do this, the end temperature of the helium flow stream are varied to indicate the sensitivity of these areas. The exit temperatures of the warming and cooling streams are varied to provide temperature differences up to 30 K. The exergy balance made for these conditions result in the curves shown in Figure 3-9. The change in exergy efficiency is much greater for a given change in temperature, , at the cold end than for the same temperature change at the warm end. Trepp (1961) has pointed out that efficient heat exchanger design for low temperature operation will have the temperature difference between the fluid streams decreasing with decrease in temperature to minimize irreversible heat transfer losses. This can be done
by increasing the mass flow rate of the fluid stream in the low temperature area through reducing the flow area. The pressure drop of the fluid stream will be higher because of this change. However, in many cases the increased power for the pump or blower to move the fluid will result in only a small increase in exergy loss compared to the gain by reducing the temperature difference in the fluid streams. Bejan (1978b) gives a thorough discussion of this relationship between irreversible heat transfer and pressure drop. Another method of reducing the temperature difference in heat exchangers and the exergy loss associated with it is to increased the heat transfer area. This can be done by building a larger heat exchanger or adding extended surface fins to the primary surface. These method will result in increased first cost of the unit that must be considered in a trade off for the most effective life cycle cost and use of available energy sources. The advent of heat pipes or thermosyphon tubes has provided a useful technique to improve the performance characteristics of heat exchangers. These devices do not eliminate the major source of exergy loss in air – air heat exchangers, the boundary layer, but they do remove some of the constraints on designing thermally efficient heat exchangers. For example, the heat exchanger shown in Figure 3-10 uses heat pipes or tilted thermosyphons to transfer heat from the hot gas stream to the cold airstream. This type of heat exchanger would be used as an air heater in a power plant or to remove waste heat from exhaust gases of a processing plant. Since the hot gas and the cold Airstream can have varying mass flow rates, pressure levels, allowable pressure drops and different temperature levels and radiation heat transfer characteristics, the heat transfer geometries should generally be quite different fo overall optimum thermal performance of the heat exchanger. Conventional tubular type heat exchanger impose a constraint in this respect because of the difficulty of internally finning the tubes, and they generally require cross flow operation. The heat pipe heat exchanger can be designed so that the fins installed at the evaporator end of the pipe are different than those installed on the condenser end of the pipe. Counterflow operation of the flow streams can be easily accomplished for most effective thermal performance. However, the use of heat pipes in heat exchangers has little effect on the thermodynamic performance of the heat exchanger since the major thermal resistance to heat transfer is in the gas film boundary layer, which is not changed. Exergy losses in the heat pipe heat exchanger will be reduced to the extend that the heat transfer- pressure drop factor is better optimized because of the wider choice of heat exchange surface configurations available by using heat pipes.
3-9 Exergy RUGI PADA penukar panas Heat exchanger merupakan komponen utama dalam sistem energi yang paling , dan mereka merupakan sumber kerugian exergy signifikan . Heat exchanger umumnya tidak efisien dari sudut pandang exergy karena mereka telah dirancang di masa lalu atas dasar biaya rendah pertama yang menentukan unit berukuran minimal . Untuk mencapai penukar panas berukuran kecil , yang difference between suhu aliran fluida dimaksimalkan . Namun, yang lebih besar adalah perbedaan suhu dalam penukar panas , semakin besar akan kehilangan exergy selama perpindahan panas . Dasar kehilangan exergy di penukar panas dibicarakan di sini relatif terhadap kondisi desain dan operasi. Contoh 3-1 menunjukkan prosedur dalam mengembangkan kehilangan exergy dalam penukar panas , yang berlawanan unit pendingin udara sederhana ( Gambar 3-6 ) dianggap . Suhu aliran udara panas tetap konstan sedangkan suhu dari aliran udara dingin yang bervariasi untuk menunjukkan variasi exergy loss sebagai fungsi dari perbedaan suhu antara aliran udara panas dan dingin . Hal ini diasumsikan bahwa 50.000 Btu / jam panas dipindahkan ke aliran udara dingin. Perbedaan suhu rata-rata adalah 200 tingkat aliran udara The exergy tersedia di inlet udara panas The exergy meninggalkan dalam aliran udara panas The exergy dijemput oleh aliran udara dingin The exergy hilang dalam transfer Sebesar 6% dari exergy awal dalam aliran inlet udara panas Melakukan perhitungan yang sama dengan yang untuk kondisi A , perbedaan suhu rata-rata antara aliran udara adalah 300 F dan tingkat aliran udara panas £ 633 / jam , seperti sebelumnya . Tingkat aliran udara dingin The exergy tersedia di inlet udara panas dan keluar adalah sama dengan yang untuk kondisi A , tapi exergy yang dijemput oleh aliran udara dingin The exergy kerugian dalam transfer panas ini kemudian Atau sekitar 10 % dari exergy tersedia dalam aliran udara panas inlet Melakukan perhitungan yang sama dengan yang untuk kondisi A , perbedaan suhu rata-rata antara airsream adalah 400 f , dan tingkat aliran udara panas 633,7 lb / jam , seperti sebelumnya . Laju aliran udara dingin The exergy tersedia di inlet aliran udara panas dan stopkontak yang sama dengan yang untuk kondisi A dan B. exergy dijemput oleh aliran udara dingin
The exergy hilang dalam transfer panas Yang 14 % dari total exergy tersedia dalam aliran inlet udara panas Persentase kehilangan exergy sebagai fungsi dari suhu rata-rata untuk beban transfer panas konstan diplot pada Gambar 3-7 . Hasil ini menunjukkan bahwa kehilangan exergy melalui perpindahan panas ireversibel mungkin tidak dapat diabaikan dan harus dipertimbangkan terutama dalam sistem energi realated yang memiliki sejumlah penukar panas . Contoh 3-2 Aspek penting lain dari kinerja penukar panas adalah metode penentuan efisiensi penukar panas . Umumnya , penukar panas yang dinilai menurut mereka efektivitas perpindahan panas , yaitu ( Kays dan London 1958 ) Ketika kapasitas panas dari dua aliran fluida yang sama , efektivitas perpindahan panas dapat digantikan oleh efektivitas suhu dari aliran fluida Yang penting kinerja penukar panas untuk sistem kriogenik suhu rendah disorot oleh upaya pengembangan penelitian yang diterapkan untuk komponen meskipun fakta tha efektivitas suhu fluida sungai adalah sekitar 96-98 % . Gambar 3-8 memberikan kondisi penukar khas helium panas penyembuhan untuk kulkas kriogenik . Keseimbangan panas pada penukar panas ini memberikan transfer efektivitas panas Nilai-nilai efektivitas suhu aliran aliran helium yang Nilai-nilai efektivitas yang tinggi menunjukkan bahwa penukar panas dirancang dengan baik dari sudut pandang keseimbangan panas . Namun, gambar sangat berbeda ketika hukum kedua dan irreversibilities dianggap . Exergy nilai-nilai yang ditunjukkan pada Gambar 3-8 dihitung untuk kondisi referensi helium pada 340 R dan 1 atm tekanan . Saldo exergy menggunakan nilai-nilai ini Exergy dirilis = exergy diserap Yang menunjukkan bahwa exergy hilang dalam perpindahan panas adalah 400 Btu / lb . Efisiensi exergy penukar panas ini kemudian Efisiensi Exergy = Hasil ini menunjukkan bahwa penukar panas ini sangat tidak efisien dari sudut pandang exergy . Sekarang diinginkan untuk memastikan alasan efisiensi exergy rendah . Untuk melakukan ini , suhu akhir aliran aliran helium bervariasi untuk menunjukkan sensitivitas daerah ini . Keluarnya suhu pemanasan dan pendinginan aliran yang bervariasi untuk memberikan perbedaan suhu hingga 30 K. Saldo exergy dibuat untuk kondisi ini mengakibatkan kurva yang ditunjukkan pada Gambar 3-9 . Perubahan dalam efisiensi exergy jauh lebih besar untuk perubahan yang diberikan dalam suhu, , pada ujung dingin daripada untuk perubahan suhu yang sama pada akhir hangat. Trepp ( 1961) telah menunjukkan bahwa desain penukar panas yang efisien untuk operasi suhu rendah akan memiliki perbedaan suhu antara
aliran fluida menurun dengan penurunan suhu untuk meminimalkan kerugian perpindahan panas ireversibel . Hal ini dapat dilakukan dengan meningkatkan laju aliran massa dari aliran fluida di daerah suhu rendah melalui pengurangan daerah aliran . Penurunan tekanan aliran fluida akan lebih tinggi karena perubahan ini . Namun, dalam banyak kasus, peningkatan daya untuk pompa atau blower untuk memindahkan cairan akan mengakibatkan hanya sedikit peningkatan kehilangan exergy dibandingkan dengan keuntungan dengan mengurangi perbedaan suhu dalam cairan stream . Bejan ( 1978b ) memberikan suatu pembahasan menyeluruh hubungan antara perpindahan panas ireversibel dan penurunan tekanan . Cara lain untuk mengurangi perbedaan suhu dalam penukar panas dan kehilangan exergy yang terkait dengan itu adalah untuk meningkatkan area perpindahan panas . Hal ini dapat dilakukan dengan membangun penukar panas yang lebih besar atau menambahkan sirip permukaan diperpanjang ke permukaan primer. Metode ini akan mengakibatkan peningkatan biaya pertama dari unit yang harus dipertimbangkan dalam trade off untuk biaya siklus hidup yang paling efektif dan penggunaan sumbersumber energi yang tersedia . Munculnya heat pipe atau tabung thermosyphon telah memberikan teknik yang berguna untuk meningkatkan karakteristik kinerja penukar panas . Perangkat ini tidak menghilangkan sumber utama hilangnya exergy di udara - penukar panas udara, lapisan batas , tetapi mereka menghapus beberapa kendala pada perancangan penukar panas termal efisien . Misalnya, penukar panas ditunjukkan pada Gambar 3-10 menggunakan heat pipe atau thermosyphons miring untuk mentransfer panas dari aliran gas panas untuk aliran udara dingin. Jenis penukar panas akan digunakan sebagai pemanas udara di pembangkit listrik atau untuk menghilangkan limbah panas dari gas buang dari pabrik pengolahan . Karena gas panas dan dingin Airstream dapat memiliki berbagai laju aliran massa , tingkat tekanan , penurunan tekanan diijinkan dan tingkat suhu yang berbeda dan karakteristik perpindahan panas radiasi , perpindahan panas geometri umumnya harus sangat berbeda fo keseluruhan kinerja thermal optimal dari penukar panas . Tubular penukar panas jenis konvensional memaksakan kendala dalam hal ini karena kesulitan internal pemotongan sirip hiu tabung , dan mereka umumnya memerlukan operasi cross flow . Para penukar panas pipa panas dapat dirancang sehingga sirip dipasang pada ujung evaporator pipa berbeda dari yang terpasang di ujung kondensor pipa . Operasi berlawanan dari sungai mengalir dapat dengan mudah dicapai untuk kinerja termal yang paling efektif . Namun, penggunaan pipa panas dalam penukar panas memiliki pengaruh yang kecil pada kinerja termodinamika dari penukar panas sejak tahan panas utama untuk mentransfer panas dalam film lapisan batas gas , yang tidak berubah . Kerugian Exergy dalam penukar panas pipa panas akan dikurangi dengan memperpanjang bahwa perpindahan panas - tekanan faktor drop lebih dioptimalkan karena pilihan yang lebih luas pertukaran panas konfigurasi permukaan tersedia dengan menggunakan heat pipe .
