测试芬管热交换器的传热效率

热交换器在两种物质之间传递热量，用于从汽车散热器到大型化工厂的各种应用。有许多换热器设计，包括管壳式换热器和翅片管式换热器。对于这些流体，使用一系列管子和翅片将热量从热流体传递到冷流体。了解传热效率对于换热器设计优化及其集成到大型系统中非常重要。本视频将说明换热器的原理，演示如何计算翅片管换热器的传热系数和传热效率，并讨论相关应用。

现在，让我们看看换热器的工作原理，并研究控制其效率的原理。换热器中的传热是由紧密接触的流体种类产生的，这些流体由物理屏障隔开。它们可以同时平行或相反地流动。热交换是由流体之间的局部温差驱动的。进入热交换器的两种流体中较热的流体将以较低的温度退出，而较冷的流体将随着温度的升高而退出。通过在流动区域添加翅片可以提高传热效率，从而增加可用于传热的表面积。然而，添加的翅片也减少了流体流经的区域，为边界层的形成提供了更多的表面。边界层是与表面接触的流体薄层，受剪切力影响。当边界层为层状时，混合非常少，传热受到抑制。在更高的流速或更长的距离下，层流会分解并转变为湍流，其中本体流体可以更有效地混合。在稳态运行期间，总传热 Q 可以使用总传热系数 U（热流经的面积 A 和 delta TLM，即整体流体流动与热表面之间的对数平均温差）来计算。UA 是整体流导率，是衡量换热器传热能力的指标。总传热系数由该公式确定，该公式考虑了管道和翅片的表面积、传热系数以及管道的导热系数和厚度。传热系数是使用图形方法从实验数据中估计的，例如威尔逊图，该图绘制了整体电导与 1 的倒数，雷诺数提高到十分之八次方。线性回归用于求解传热系数。无量纲雷诺数是惯性力与粘性力的比率，它用于描述流型。其中 D 是管道的等效直径，G 是流体的质量速度，Mu 是流体的粘度。雷诺数越高，表示湍流越大，流体混合越大，传热越大。现在您了解了如何计算传热系数和雷诺数，让我们通过改变水和 monoetilenglicol 的流速来评估翅片管换热器的传热效率。

在开始之前，请熟悉翅片管换热器设备。打开充气阀，启动设备并等待蒸汽开始形成。使用秒表和仪表，确定水流速。启动秒表并监控显示水量的仪表。在 30 秒后停止秒表。在仪表上记录水的总体积，并将体积除以测量的时间。接下来，读取显示屏上的 MEG 流速。当流量计算的 30 秒过去后，记录热电偶的温度。

现在，改变流速以获得 6 次唯一运行的数据。每次运行由设定的水和 MEG 流速组成。将水流速设置为高或低，并以 MEG 的高、中或低流速运行，总共运行六次。对每个流速重复上述相同步骤，以记录水和 MEG 的体积流速以及与热电偶的温差。完成后，关闭仪器。关闭蒸汽、乙二醇和水流的阀门。然后关闭主开关。

要计算每次运行的总传热 Q，请使用从每个实验中获得的温差和 monoetilenglicol 的物理参数。然后，使用管道的尺寸以及水的质量速度和粘度确定每个唯一游程的雷诺数。

现在，我们将结果与不带翅片的换热器的理论值进行比较。威尔逊图用于确定传热系数，方法是在 UA 上绘制 1，在提高到十分之八次方的雷诺数上绘制 1，并将线性拟合与总传热系数的方程相关联。蓝色、红色和绿色线表示实验中的高、中、低单替利醇流速。与非翅片管相比，翅片管不会达到湍流。翅片为边界层提供额外的表面，以形成单乙二醇并将其保持在更层流的状态下。然而，当比较不同 MEG 流速下带翅片和不带翅片的换热器之间的传热时，很明显，在相同的运行设置下，带翅片管比不带翅片的管传递更多的热量。尽管翅片管会引起层流，但它们的热效率远高于非翅片管，因此传热效率更高。

热交换器用于各种环境，将热量从一种物质传递到另一种物质。在所有建筑物中，热交换器都是供暖和空调系统的一部分，用于调节温度。它们还用于在重症监护环境中控制核心患者体温，例如心脏骤停、神经源性发热或手术后。热交换器也小规模用于植物提取物中蛋白质的变性和热沉淀。该技术用于从转基因烟草植物中提取疟疾候选疫苗，以降低宿主细胞蛋白的浓度。

您刚刚观看了 JoVE 对翅片管换热器的介绍。您现在应该了解传热的原理，能够评估热效率并了解换热器在各种过程中的几种应用。感谢观看。