Prüfung der Wärmeübertragungseffizienz eines Rippenrohrwärmetauschers

Wärmetauscher übertragen Wärme zwischen zwei Spezies und werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Autokühlern bis hin zu großen Chemieanlagen. Es gibt viele Wärmetauscherausführungen, darunter Rohrbündelwärmetauscher und Rippenrohrwärmetauscher. Für diese wird eine Reihe von Rohren und Lamellen verwendet, um Wärme von der heißen Flüssigkeit auf die kalte Flüssigkeit zu übertragen. Das Verständnis des Wärmeübergangswirkungsgrads ist wichtig für die Optimierung des Wärmetauscherdesigns und deren Integration in größere Systeme. In diesem Video werden die Prinzipien von Wärmetauschern veranschaulicht, die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten und des Wirkungsgrads für einen Rippenrohrwärmetauscher und die damit verbundenen Anwendungen erläutert.

Schauen wir uns nun an, wie Wärmetauscher funktionieren, und untersuchen wir die Prinzipien, die ihren Wirkungsgrad bestimmen. Der Wärmeübergang in einem Wärmetauscher wird durch eng miteinander in engem Kontakt stehende Fluidspezies erzeugt, die durch eine physikalische Barriere getrennt sind. Sie können entweder parallel oder gegenläufig zueinander fließen. Der Wärmeaustausch wird durch lokale Temperaturunterschiede zwischen den Flüssigkeiten angetrieben. Die heißere der beiden Flüssigkeiten, die in den Wärmetauscher eintritt, tritt mit einer reduzierten Temperatur aus, während die kältere mit einer erhöhten Temperatur austritt. Die Wärmeübertragungseffizienz kann durch das Hinzufügen von Lamellen zum Strömungsbereich erhöht werden, wodurch die für die Wärmeübertragung verfügbare Oberfläche vergrößert wird. Die zusätzlichen Lamellen verkleinern jedoch auch den Bereich, durch den die Flüssigkeit fließt, und bieten mehr Oberflächen, durch die sich Grenzschichten bilden können. Eine Grenzschicht ist die dünne Schicht aus Flüssigkeit, die mit der Oberfläche in Kontakt kommt und von Scherkräften beeinflusst wird. Wenn die Grenzschicht laminar ist, kommt es zu einer sehr geringen Durchmischung und die Wärmeübertragung wird gehemmt. Bei höheren Durchflussraten oder längeren Strecken bricht die laminare Strömung zusammen und geht in eine turbulente Strömung über, bei der sich das Schüttgut effektiver vermischt. Während des stationären Betriebs kann die gesamte übertragene Wärme Q anhand des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten U berechnet werden, dem Bereich, durch den die Wärme fließt, A und Delta TLM, der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz zwischen der Volumenströmung des Fluids und der Wärmeoberfläche. UA ist der Gesamtleitwert und ein Maß für die Wärmeübertragungskapazität eines Wärmetauschers. Der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient wird durch diese Gleichung bestimmt, die die Oberflächen des Rohrs und der Lamellen, die Wärmedurchgangskoeffizienten sowie die Wärmeleitfähigkeit und Dicke des Rohrs berücksichtigt. Der Wärmeübergangskoeffizient wird aus experimentellen Daten unter Verwendung grafischer Methoden wie dem Wilson-Diagramm geschätzt, das den Kehrwert des Gesamtleitwerts im Vergleich zu einem über dem auf die Achtzehntelpotenz angehobenen Reynolds-Wert darstellt. Die lineare Regression wird verwendet, um die Wärmeübergangskoeffizienten zu lösen. Die dimensionslose Reynold-Zahl ist das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften und wird zur Beschreibung des Strömungsmusters verwendet. Dabei ist D der äquivalente Durchmesser des Rohrs, G ist die Massengeschwindigkeit des Fluids und Mu ist die Viskosität des Fluids. Eine höhere Reynold-Zahl deutet auf eine turbulentere Strömung, eine stärkere Durchmischung der Flüssigkeit und eine erhöhte Wärmeübertragung hin. Nachdem Sie nun verstanden haben, wie die Wärmeübergangskoeffizienten und die Reynold-Zahlen berechnet werden, bewerten wir die Wärmeübertragungseffizienz eines Rippenrohrwärmetauschers, indem wir die Durchflussraten von Wasser und Monoetilenglicol variieren.

Machen Sie sich vor dem Start mit dem Apparat des Rippenrohrwärmetauschers vertraut. Öffnen Sie das Ladeventil, starten Sie das Gerät und warten Sie, bis sich Dampf bildet. Bestimmen Sie mit einer Stoppuhr und dem Messgerät den Wasserdurchfluss. Starten Sie Ihre Stoppuhr und überwachen Sie die Anzeige, die das Wasservolumen anzeigt. Stoppen Sie die Stoppuhr nach 30 Sekunden. Notieren Sie das Gesamtvolumen des Wassers auf dem Messgerät und dividieren Sie das Volumen durch die gemessene Zeit. Lesen Sie anschließend die MEG-Durchflussmenge auf dem Display ab. Wenn die 30 Sekunden für die Berechnung der Durchflussmenge abgelaufen sind, zeichnen Sie die Temperatur der Thermoelemente auf.

Variieren Sie nun die Durchflussraten, um Daten für sechs einzelne Durchläufe zu erhalten. Jeder Lauf besteht aus einer eingestellten Wasser- und MEG-Durchflussmenge. Stellen Sie die Wasserdurchflussmenge entweder auf hoch oder niedrig ein und lassen Sie sie mit einer hohen, mittleren oder niedrigen Durchflussmenge von MEG für insgesamt sechs Durchläufe laufen. Wiederholen Sie den gleichen Vorgang wie oben für jede Durchflussrate, um die Volumenströme von Wasser und MEG sowie die Temperaturdifferenz vom Thermoelement aufzuzeichnen. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie das Instrument aus. Schließen Sie die Ventile für den Dampf-, Glykol- und Wasserfluss. Schalten Sie dann den Hauptschalter aus.

Um die gesamte übertragene Wärme Q für jeden Lauf zu berechnen, verwenden Sie die erhaltenen Temperaturdifferenzen aus jedem Experiment und die physikalischen Parameter von Monoetilenglicol. Bestimmen Sie dann die Reynold-Zahl für jeden einzelnen Lauf anhand der Abmessungen des Rohrs und der Massengeschwindigkeit und Viskosität des Wassers.

Vergleichen wir nun die Ergebnisse mit den theoretischen Werten des Wärmetauschers ohne Lamellen. Ein Wilson-Diagramm wurde verwendet, um die Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen, indem eins über UA und eins über der Reynold-Zahl aufgetragen wurde, die auf die Achtzehntelpotenz erhöht wurde, und die lineare Anpassung mit der Gleichung für den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten in Beziehung gesetzt wurde. Die blauen, roten und grünen Linien zeigen die hohen, mittleren und niedrigen Monoetilenglicol-Flussraten im Experiment an. Im Vergleich zu einem Rohr ohne Rippen erreichte das Rippenrohr keine turbulente Strömung. Die Lamellen bieten zusätzliche Oberflächen für Grenzschichten, um das Monoethylenglykol in einem laminareren Strömungsregime zu bilden und zu halten. Vergleicht man jedoch die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmetauscher mit und ohne Lamellen bei unterschiedlichen MEG-Durchflussraten, so wird deutlich, dass ein Rippenrohr bei gleichen Betriebseinstellungen mehr Wärme überträgt als ein Rohr ohne Lamellen. Die Wärmeübertragung ist mit einer größeren Oberfläche effektiver, trotz der Tatsache, dass die Rippenrohre eine laminare Strömung induzieren, war ihr Wärmewirkungsgrad viel höher als bei den Rohren ohne Rippen.

Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt, um Wärme von einer Art auf eine andere zu übertragen. In allen Gebäuden sind Wärmetauscher Teil der Heizungs- und Klimaanlagen, um die Temperatur zu regulieren. Sie werden auch zur Kontrolle der Kerntemperatur von Patienten auf der Intensivstation eingesetzt, z. B. nach einem Herzstillstand, neurogenem Fieber oder einer Operation. Wärmetauscher werden auch im kleinen Maßstab bei der Denaturierung und Wärmefällung von Proteinen aus Pflanzenextrakten eingesetzt. Diese Technik wurde bei der Extraktion eines Malaria-Impfstoffkandidaten aus transgenen Tabakpflanzen verwendet, um die Konzentration von Wirtszellproteinen zu reduzieren.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Rippenrohrwärmetauscher gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien der Wärmeübertragung verstehen, in der Lage sein, den Wärmewirkungsgrad zu bewerten und mehrere Anwendungen von Wärmetauschern in verschiedenen Prozessen kennen. Danke fürs Zuschauen.