اختبار كفاءة نقل الحرارة لمبادل حراري ذو أنبوب زعانف

تنقل المبادلات الحرارية الحرارة بين نوعين وتستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات من مشعات السيارات إلى المصانع الكيماوية واسعة النطاق. هناك العديد من تصميمات المبادلات الحرارية بما في ذلك مبادلات الغلاف والأنبوب والمبادلات الأنبوبية ذات الزعانف. بالنسبة لهؤلاء ، يتم استخدام مجموعة من الأنابيب والزعانف لنقل الحرارة من السائل الساخن إلى السائل البارد. يعد فهم كفاءة نقل الحرارة أمرا مهما لتحسين تصميم المبادل الحراري ودمجها في الأنظمة الأكبر. سيوضح هذا الفيديو مبادئ المبادلات الحرارية ، ويوضح كيفية حساب معامل نقل الحرارة وكفاءته للمبادل الحراري الأنبوبي ذو الزعانف ومناقشة التطبيقات ذات الصلة.

الآن ، دعونا نلقي نظرة على كيفية عمل المبادلات الحرارية ونفحص المبادئ التي تحكم كفاءتها. يتم إنشاء نقل الحرارة في المبادل الحراري بواسطة أنواع السوائل التي تتلامس الوثيق والتي يفصلها حاجز مادي. يمكن أن تتدفق إما بالتوازي أو العكسي لبعضها البعض حاليا. التبادل الحراري مدفوع باختلافات درجات الحرارة المحلية بين السوائل. سيخرج السائل الأكثر سخونة الذي يدخل المبادل الحراري بدرجة حرارة منخفضة بينما سيخرج البرد مع زيادة درجة الحرارة. يمكن زيادة كفاءة نقل الحرارة عن طريق إضافة الزعانف إلى منطقة التدفق مما يزيد من مساحة السطح المتاحة لنقل الحرارة. ومع ذلك ، فإن الزعانف المضافة تقلل أيضا من المنطقة التي يتدفق من خلالها السائل ، مما يوفر المزيد من الأسطح لتشكيل الطبقات الحدودية. الطبقة الحدودية هي الطبقة الرقيقة من السائل الملامسة للسطح والتي تتأثر بقوى القص. عندما تكون الطبقة الحدودية رقائقية ، يكون هناك القليل جدا من الخلط ويتم تثبيط نقل الحرارة. عند معدلات التدفق الأعلى ، أو المسافات الأطول ، ينهار التدفق الرقائقي وينتقل إلى تدفق مضطرب حيث يختلط السائل السائب بشكل أكثر فعالية. أثناء التشغيل في الحالة المستقرة ، يمكن حساب إجمالي الحرارة المنقولة ، Q ، باستخدام معامل نقل الحرارة الكلي U ، المنطقة التي تتدفق من خلالها الحرارة ، A و delta TLM ، متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي بين تدفق السائل السائب وسطح الحرارة. UA هو الموصلية الكلية وهو مقياس لقدرة نقل الحرارة للمبادل الحراري. يتم تحديد معامل نقل الحرارة الكلي من خلال هذه المعادلة التي تأخذ في الاعتبار المساحات السطحية للأنبوب والزعانف ومعاملات نقل الحرارة والتوصيل الحراري وسمك الأنبوب. يتم تقدير معامل نقل الحرارة من البيانات التجريبية باستخدام طرق رسومية مثل مخطط ويلسون الذي يرسم مقلوب الموصلية الكلية مقابل واحد فوق رينولدز مرفوعا إلى قوة ثمانية أعشار. يستخدم الانحدار الخطي لحل معاملات نقل الحرارة. رقم رينولد عديم الأبعاد هو حصة قوى القصور الذاتي للقوى اللزجة ويستخدم لوصف نمط التدفق. حيث D هو القطر المكافئ للأنبوب ، G هي سرعة كتلة السائل و Mu هي لزوجة السائل. يشير رقم رينولد الأعلى إلى تدفق أكثر اضطرابا وخلط أكبر للسوائل وزيادة نقل الحرارة. الآن بعد أن فهمت كيفية حساب معاملات نقل الحرارة وأرقام رينولد ، دعنا نقيم كفاءة نقل الحرارة للمبادل الحراري الأنبوبي ذو الزعانف عن طريق تغيير معدلات تدفق الماء و monoetilenglicol.

قبل أن تبدأ ، تعرف على جهاز المبادل الحراري الأنبوبي ذو الزعانف. افتح صمام الشحن ، وابدأ تشغيل الوحدة وانتظر حتى يبدأ البخار في التكون. باستخدام ساعة الإيقاف والمقياس ، حدد معدل تدفق المياه. ابدأ ساعة الإيقاف وراقب المقياس الذي يعرض حجم الماء. أوقف ساعة الإيقاف بعد 30 ثانية. سجل الحجم الكلي للماء على المقياس واقسم الحجم على الوقت المقاس. بعد ذلك ، اقرأ معدل تدفق MEG على الشاشة. عند مرور 30 ثانية لحساب معدل التدفق ، سجل درجة الحرارة من المزدوجات الحرارية.

الآن ، قم بتغيير معدلات التدفق للحصول على البيانات لستة عمليات تشغيل فريدة. يتكون كل تشغيل من معدل تدفق محدد للمياه و MEG. اضبط معدل تدفق المياه على مرتفع أو منخفض وقم بتشغيله بمعدل تدفق مرتفع أو متوسط أو منخفض من MEG ليصبح المجموع ستة أشواط. كرر نفس الإجراء أعلاه لكل معدل تدفق لتسجيل معدلات التدفق الحجمي للمياه و MEG وفرق درجة الحرارة من المزدوجة الحرارية. عند الانتهاء ، أغلق الجهاز. أغلق الصمامات لتدفق البخار والجليكول والماء. ثم قم بإيقاف تشغيل المفتاح الرئيسي.

لحساب إجمالي الحرارة المنقولة ، Q ، لكل تشغيل ، استخدم الاختلافات في درجات الحرارة التي تم الحصول عليها من كل تجربة والمعلمات الفيزيائية ل monoetilenglicol. ثم حدد رقم رينولد لكل شوط فريد باستخدام أبعاد الأنبوب وسرعة الكتلة ولزوجة الماء.

والآن دعونا نقارن النتائج بالقيم النظرية للمبادل الحراري بدون زعانف. تم استخدام مخطط ويلسون لتحديد معاملات نقل الحرارة عن طريق رسم واحد على UA ، مقابل واحد فوق رقم رينولد المرتفع إلى قوة ثمانية أعشار وربط الملاءمة الخطية لمعادلة معامل نقل الحرارة الكلي. تشير الخطوط الزرقاء والحمراء والخضراء إلى معدلات تدفق monoetilenglicol العالية والمتوسطة والمنخفضة في التجربة. عند مقارنتها بالأنبوب غير ذو الزعانف ، لم يصل الأنبوب ذو الزعانف إلى التدفق المضطرب. توفر الزعانف أسطحا إضافية للطبقات الحدودية لتشكيل والحفاظ على أحادي الإيثيلين جلايكول في نظام تدفق أكثر رقائقية. ومع ذلك ، عند مقارنة الحرارة المنقولة بين المبادل مع وبدون زعانف بمعدلات تدفق MEG مختلفة ، من الواضح أن الأنبوب ذو الزعانف ينقل حرارة أكثر من الأنبوب بدون زعانف في نفس إعدادات التشغيل. يكون نقل الحرارة أكثر فاعلية مع مساحة سطح أكبر ، على الرغم من حقيقة أن الأنابيب ذات الزعانف تحفز التدفق الرقائقي ، إلا أن كفاءتها الحرارية كانت أعلى بكثير من الأنبوب غير ذو الزعانف.

تستخدم المبادلات الحرارية في مجموعة متنوعة من الإعدادات لنقل الحرارة من نوع إلى آخر. في جميع المباني ، تعد المبادلات الحرارية جزءا من أنظمة التدفئة وتكييف الهواء لتنظيم درجة الحرارة. كما أنها تستخدم للتحكم في درجة حرارة المريض الأساسية في أماكن الرعاية الحرجة ، مثل بعد السكتة القلبية أو الحمى العصبية أو الجراحة. تستخدم المبادلات الحرارية أيضا على نطاق صغير في تشويه الطبيعة والترسيب الحراري للبروتينات من المستخلصات النباتية. استخدمت هذه التقنية في استخراج لقاح مرشح للملاريا من نباتات التبغ المعدلة وراثيا لتقليل تركيز بروتينات الخلية المضيفة.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمبادلات الحرارية الأنبوبية ذات الزعانف. يجب أن تفهم الآن مبادئ نقل الحرارة ، وأن تكون قادرا على تقييم كفاءة الحرارة ومعرفة العديد من تطبيقات المبادلات الحرارية في العمليات المختلفة. شكرا للمشاهدة.