Test de l'efficacité du transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur à ailettes et à tubes

Testing the Heat Transfer Efficiency of a Finned-tube Heat Exchanger

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Testing the Heat Transfer Efficiency of a Finned-tube Heat Exchanger

4.13: Kinetics of Addition Polymerization to Polydimethylsiloxane

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08:35 min

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April 11, 2017

Overview

Source : Michael G. Benton et Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur d’un fluide à un autre. Plusieurs classes d’échangeurs de chaleur existent pour répondre à différents besoins. Certains des types les plus communs sont les échangeurs de coques et de tubes et les échangeurs de plaques¹. Les échangeurs de chaleur shell et tube utilisent un système de tubes à travers lequel le fluide coule¹. Un ensemble de tubes contient le liquide à refroidir ou à chauffer, tandis que le deuxième ensemble contient le liquide qui absorbe la chaleur ou le transmet¹. Les échangeurs de chaleur de plaque emploient un concept semblable, dans lequel les plaques sont étroitement jointes avec un petit écart entre chacun pour que le liquide coule^1. Le liquide qui circule entre les plaques alterne entre le chaud et le froid de sorte que la chaleur se déplace dans ou hors des cours d’eau nécessaires¹. Ces échangeurs ont de grandes surfaces, de sorte qu’ils sont généralement plus^{efficaces 1}.

L’objectif de cette expérience est de tester l’efficacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur à tube d’aileron (figure 1) et de le comparer à l’efficacité théorique d’un échangeur de chaleur sans nageoires. Les données expérimentales seront mesurées pour trois débits différents de monoéthylène glycol (MEG). Deux débits d’eau différents pour chaque débit MEG seront utilisés. À l’aide de la méthode de la parcelle Wilson, les coefficients de transfert de chaleur seront déterminés à partir des données expérimentales. En outre, le nombre du Reynold et la quantité de chaleur transférée seront comparés pour le débit avec et sans les nageoires pour évaluer l’efficacité du transfert de chaleur.

Figure 1 : Échangeur de chaleur à tube fin. 1) Température de sortie MEG 2) température d’alet d’eau 3) température d’inlet de MEG 4) température de sortie d’eau 5) mètre d’eau 6) verre de vue d’accumulation de MEG/cylindre.

Principles

Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur entre deux fluides ou plus. Les échangeurs utilisent des espèces fluides qui s’écoulent dans un espace séparé d’un cours d’eau opposé qui fournit de la chaleur. Des nageoires peuvent être ajoutées à la zone d’écoulement pour faciliter plus de transfert de chaleur, car elles augmentent la surface disponible pour le transfert. Les nageoires ajoutées diminuent la zone à travers laquelle l’espèce s’écoule et fournissent plus de surfaces sur lesquelles les couches limites peuvent se former, ce qui entraîne un débit moins turbulent. Moins un débit est turbulent, plus il aura de couche limite. Une couche limite inhibe le transfert de chaleur, de sorte qu’avec un débit moins turbulent, moins de chaleur est transférée. Lorsque la couche limite est laminaire, il y a très peu de mélange.

La relation entre la zone par laquelle la chaleur peut s’écouler et le coefficient de transfert de chaleur est utilisée dans le calcul de la chaleur totale transférée. Cette relation est calculée par l’équation 1 :

(1)

où Q est transféré de chaleur (Btu/hr), U est le coefficient global de transfert de chaleur, A est zone par laquelle la chaleur est transférée (pi^2),T_LM est la différence de température moyenne logarithmique.

L’équation globale du coefficient de transfert de chaleur est la suivante :

(2)

où A_b est la surface du tuyau intérieur nu, A_f est la surface des nageoires, Un_LM est la différence de surface moyenne logarithmique, A est la surface du tuyau (o – extérieur, i – à l’intérieur), l’épaisseur x du tuyau, k est conductivité thermique du tuyau, h – Coefficient de transfert de chaleur individuel. (o ‘extérieur, i ‘à l’intérieur)

La méthode de la parcelle Wilson utilise des données expérimentales pour trouver U_oA_o de l’équilibre énergétique typique sur le flux MEG et tracer sa réciprocité à 1/Re^0,8 du tuyau intérieur. En installant une ligne droite et en trouvant l’interception y, qui est liée au coefficient de transfert de chaleur et est décrite dans les deux premiers termes sur le droit de l’équation ci-dessus. Une équation d’efficacité rectangulaire de profil longitudinal typique est utilisée comme deuxième équation à résoudre pour le coefficient de transfert de chaleur et l’efficacité de l’aileron en minimisant la somme des carrés d’une fonction objective. Cette méthode est appliquée aux conditions d’écoulement MEG avec des débits d’eau variables.

Pour calculer le coefficient de transfert de chaleur, le numéro Reynolds est utilisé, qui est donné par l’équation suivante :

(3)

où G est la vitesse de masse du flux de fluide, D est le diamètre du tuyau où le fluide s’écoule (D_eq, le diamètre équivalent remplacera D pour les calculs avec des nageoires), et est la viscosité du fluide. L’équation d’efficacité de fin pour une nageoire rectangulaire longitudinale est :

(4)

où est m (2h/kt), h est le coefficient de transfert de chaleur, k est conductivité thermique du tuyau, t est l’épaisseur de la nageoire, et b est la hauteur de la nageoire.

Procedure

1. Détermination du taux de démarrage et de débit

Ouvrez la soupape de charge située sous le générateur de vapeur.
Démarrer l’unité, et laisser 15 min pour la vapeur de commencer à former.
Calculer le débit de l’eau
1. Démarrez un chronomètre et surveillez la jauge affichant le volume d’eau.
2. Arrêtez la montre après 30 s et enregistrez le volume total d’eau affiché sur la jauge.
3. Divisez le volume d’eau au moment de déterminer le débit volumétrique.
Enregistrez le débit MEG à partir du débitmètre.
Observez la température des thermocouples et enregistrez les valeurs.

2. Varier le débit et arrêter

Pour recueillir des données pour 6 séries différentes, régler le débit d’eau à un débit élevé ou faible et l’exécuter avec un débit élevé, moyen ou faible de MEG.
1. À titre de référence, les débits précédents ont été utilisés : 0,0439, 0,0881 et 0,1323 gal/sec pour les débits faibles, moyens et élevés de MEG, respectivement.
Comme précédemment, enregistrez les débits volumétriques et la différence de température sur le thermocouple pour chaque course.
Une fois terminé, arrêtez l’instrument.
1. Fermez les vannes pour arrêter l’écoulement de la vapeur, du monoéthylène glycol et de l’eau.
2. Éteignez l’interrupteur principal.

3. Calculs

Utilisez l’équation 1 pour calculer la chaleur totale transférée, Q, avec la différence de température lue à partir des thermocouples (dispositifs utilisés pour mesurer la température) et les dimensions physiques connues de l’échangeur de chaleur (trouvé dans le manuel d’utilisation pour l’unité en cours d’exploitation ). Les différences de température peuvent être prises à partir des lectures de température de chaque course.
Calculez la chaleur transférée pour chaque essai unique et utilisez la méthode de la parcelle Wilson pour trouver les coefficients de transfert de chaleur pour les trois débits MEG.
Comparez la chaleur calculée transférée et le nombre de Reynolds aux valeurs théoriques de l’échangeur de chaleur sans nageoires.

Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur entre deux espèces et sont utilisés pour une grande variété d’applications allant des radiateurs de voiture aux usines chimiques à grande échelle. Il y a beaucoup d’échangeurs de chaleur comprenant des échangeurs de coquille et de tube et des échangeurs de tube finned. Pour ceux-ci un tableau de tubes et de nageoires est utilisé pour transférer la chaleur du liquide chaud au liquide froid. Une compréhension de l’efficacité de transfert de chaleur est importante pour l’optimisation de conception d’échangeur de chaleur et leur intégration dans de plus grands systèmes. Cette vidéo illustrera les principes des échangeurs de chaleur, démontrera comment calculer le coefficient de transfert de chaleur et l’efficacité d’un échangeur de chaleur de tube finiset et discutera des applications connexes.

Examinons maintenant le fonctionnement des échangeurs de chaleur et examinons les principes régissant leur efficacité. Le transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur est généré par des espèces fluides en contact étroit qui sont séparées par une barrière physique. Ils peuvent circuler soit parallèles ou contre actuellement les uns aux autres. L’échange de chaleur est motivé par les différences de température locales entre les fluides. Le plus chaud des deux fluides entrant dans l’échangeur de chaleur sortira avec une température réduite tandis que le plus froid sortira avec une température accrue. L’efficacité de transfert de chaleur peut être augmentée par l’ajout de nageoires à la zone d’écoulement qui augmente la surface disponible pour le transfert de chaleur. Cependant, les nageoires ajoutées diminuent également la région par laquelle le fluide s’écoule, fournissant plus de surfaces pour que les couches de limite s’forment. Une couche limite est la mince couche de liquide en contact avec la surface qui est affectée par les forces de tonte. Lorsque la couche limite est laminaire, il y a très peu de mélange et le transfert de chaleur est inhibé. À des débits plus élevés, ou à des distances plus longues, le débit laminaire se décompose et passe à un débit turbulent où le fluide en vrac se mélange plus efficacement. Pendant l’opération d’état régulière, la chaleur totale transférée, Q, peut être calculée en utilisant le coefficient global de transfert de chaleur U, la zone par laquelle la chaleur coule, A et delta TLM, la différence de température moyenne logarithmique entre le flux de fluide en vrac et la chaleur Surface. L’UA est la conductance globale et est une mesure de la capacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur. Le coefficient global de transfert de chaleur est déterminé par cette équation qui prend en compte les surfaces du tuyau et des nageoires, les coefficients de transfert de chaleur et la conductivité thermique et l’épaisseur du tuyau. Le coefficient de transfert de chaleur est estimé à partir de données expérimentales utilisant des méthodes graphiques telles que la parcelle Wilson qui trace la réciprocité de la conductance globale par rapport à une sur le Reynolds soulevée à la puissance de huit dixièmes. La régression linéaire est utilisée pour résoudre les coefficients de transfert de chaleur. Le nombre sans dimension de Reynold est la ration de forces inertielles aux forces visqueuses et il a utilisé pour décrire le modèle de flux. Là où D est le diamètre équivalent du tuyau, G est la vitesse de masse du fluide et Mu est la viscosité du fluide. Un nombre plus élevé de Reynold indique un flux plus turbulent, un plus grand mélange de fluide et un transfert de chaleur accru. Maintenant que vous comprenez comment calculer les coefficients de transfert de chaleur et les nombres de Reynold, évaluons l’efficacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur de tube finenné en variant les débits de l’eau et du monoetilenglicol.

Avant de commencer, familiarisez-vous avec l’appareil d’échangeur de chaleur de tube finis. Ouvrez la soupape de charge, démarrez l’unité et attendez que la vapeur commence à se former. À l’aide d’un chronomètre et de la jauge, déterminez le débit d’eau. Démarrez votre chronomètre et surveillez la jauge affichant le volume d’eau. Arrêtez le chronomètre après 30 secondes. Enregistrez le volume total d’eau sur la jauge et divisez le volume par le temps mesuré. Ensuite, lisez le débit MEG sur l’écran. Lorsque les 30 secondes pour le calcul du débit ont passé, enregistrez la température des thermocouples.

Maintenant, variez les débits pour obtenir des données pour six exécutions uniques. Chaque course se compose d’un débit d’eau et de débit MEG. Fixez le débit d’eau à haut ou bas et exécutez-le avec un débit élevé, moyen ou faible de MEG pour un total de six pistes. Répétez la même procédure ci-dessus pour chaque débit pour enregistrer les débits volumétriques de l’eau et MEG et la différence de température du thermocouple. Une fois terminé, arrêtez l’instrument. Fermez les vannes pour la vapeur, le glycol et l’écoulement de l’eau. Puis éteignez l’interrupteur principal.

Pour calculer la chaleur totale transférée, Q, pour chaque course, utiliser les différences de température obtenues de chaque expérience et les paramètres physiques du monoetilenglicol. Déterminez ensuite le nombre du Reynold pour chaque course unique en utilisant les dimensions du tuyau et la vitesse de masse et la viscosité de l’eau.

Maintenant, nous allons comparer les résultats aux valeurs théoriques de l’échangeur de chaleur sans nageoires. Une parcelle Wilson a été utilisée pour déterminer les coefficients de transfert de chaleur en traçant un sur UA, contre un sur le nombre de Reynold augmenté à la puissance de huit dixièmes et reliant l’ajustement linéaire à l’équation pour le coefficient global de transfert de chaleur. Les lignes bleues, rouges et vertes indiquent les débits élevés, moyens et faibles de monoetilenglicol dans l’expérience. Par rapport à un tube non finné, le tube à nageoires n’a pas atteint un débit turbulent. Les nageoires fournissent des surfaces supplémentaires pour les couches limites pour former et maintenir le monoéthylène glycol dans un régime d’écoulement plus laminaire. Cependant, en comparant la chaleur transférée entre l’échangeur avec et sans nageoires à différents débits MEG, il est clair qu’un tube à nageoires transféré plus de chaleur qu’un tube sans nageoires aux mêmes réglages de fonctionnement. Le transfert de chaleur est plus efficace avec une plus grande surface, malgré le fait que les tubes à nageoires induisent le débit laminaire, leur efficacité thermique était beaucoup plus élevée que pour le tube non finned.

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans une variété de contextes pour transférer la chaleur d’une espèce à une autre. Dans tous les bâtiments, les échangeurs de chaleur font partie des systèmes de chauffage et de climatisation pour réguler la température. Ils sont également utilisés pour contrôler la température du patient de base dans les milieux de soins critiques, comme après un arrêt cardiaque, la fièvre neurogène ou la chirurgie. Les échangeurs de chaleur sont également utilisés à petite échelle dans la dénature et la chaleur des protéines provenant d’extraits de plantes. Cette technique a été utilisée dans l’extraction d’un candidat vaccin antipaludique à partir de plants de tabac transgéniques pour réduire la concentration de protéines cellulaires hôtes.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux échangeurs de chaleur de tube finis. Vous devez maintenant comprendre les principes du transfert de chaleur, être en mesure d’évaluer l’efficacité thermique et connaître plusieurs applications d’échangeurs de chaleur dans divers processus. Merci d’avoir regardé.

Results

L’échangeur de chaleur du tube à nageoires n’a pas atteint un débit turbulent (figure 2). Les nageoires fournissent des surfaces supplémentaires sur lesquelles les couches limites se forment, comme on le sait par la théorie de l’écoulement laminaire et turbulent. Si le fluide n’est pas à une vitesse suffisante, le fluide n’atteindra pas la turbulence. Les couches de limite entre les nageoires se chevauchent dans la région laminaire, de sorte que le fluide restera laminaire.

Figure 2: Numéros Reynolds pour chaque paramètre.

La quantité de chaleur transférée, Q, dans les tubes avec et sans nageoires à différents débits de MEG a été comparée (Figure 3). Les résultats montrent qu’un tube à nageoires transfère plus de chaleur qu’un tube sans nageoires aux mêmes conditions de fonctionnement. Dans cette expérience, les nageoires ont clairement amélioré le transfert de chaleur. C’est parce que le transfert de chaleur est plus efficace quand il ya une plus grande surface disponible. L’échangeur de chaleur à tube d’aileron a transféré plus de chaleur (Figure 3), malgré le nombre plus faible de Reynolds (Figure 2).

Figure 3: Chaleur transférée entre les échangeurs avec et sans ailerons à chaque débit.

Applications and Summary

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans une variété d’industries, y compris l’agriculture, la production chimique et le CVC. L’objectif de cette expérience était de tester l’efficacité de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur à tube d’aileron et de le comparer à l’efficacité théorique d’un échangeur de chaleur sans nageoires. Des données expérimentales ont été mesurées pour trois débits différents de monoéthylène glycol (MEG) et deux débits d’eau uniques pour chaque débit MEG utilisé. Le nombre du Reynold a été déterminé pour le débit avec et sans les nageoires et a été utilisé pour calculer le coefficient de transfert de chaleur, la surface et l’efficacité des nageoires pour chaque essai unique. Ces données ont été utilisées pour évaluer si le débit turbulent est possible sans les nageoires et dans quels ensembles de conditions d’essai le plus de transfert de chaleur se produit. Les tubes à nageoires n’ont pas atteint un débit turbulent. Les résultats ont montré qu’un tube d’aileron transférera plus de chaleur qu’un tube sans nageoires aux mêmes conditions de fonctionnement parce que le flux de MEG par l’échangeur de chaleur n’atteindra pas la turbulence.

Dans l’industrie agricole, les échangeurs de chaleur sont utilisés dans la transformation du sucre et de l’éthanol². Ces deux produits sont transformés en jus, qui doit être chauffé pour être transformé². Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans le chauffage des jus pour des éclaircissements². Une fois que les jus ont été transformés en sirops uniformes, un chauffage plus poussé avec des échangeurs est nécessaire pour continuer le traitement et former de la mélasse². La mélasse est refroidie à l’aide d’échangeurs de chaleur, après quoi elle peut être stockée pour un traitement ultérieur².

Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, connus sous le nom de CVC, font tous appel à des échangeurs de chaleur³. Les unités de climatisation et de chauffage des ménages font appel à des échangeurs de chaleur³. Dans les grands environnements, les usines chimiques, les hôpitaux et les centres de transport font tous appel à des échangeurs de chaleur similaires HVAC, à une échelle beaucoup plus grande³. Dans l’industrie chimique, les échangeurs de chaleur sont utilisés pour le chauffage et le refroidissement d’une grande variété de processus⁴. La fermentation, la distillation et la fragmentation font tous appel à des échangeurs de chaleur⁴. Encore plus de processus comme la rectification et la purification nécessitent des échangeurs de chaleur⁴.

Transcript

Heat exchangers transfer heat between two species and are used for a wide variety of applications from car radiators to large-scale chemical plants. There are many heat exchanger designs including shell and tube exchangers and finned tube exchangers. For these an array of tubes and fins is used to transfer heat from the hot fluid to the cold fluid. An understanding of the heat transfer efficiency is important for heat exchanger design optimization and their integration into larger systems. This video will illustrate the principles of heat exchangers, demonstrate how to calculate the heat transfer coefficient and efficiency for a finned tube heat exchanger and discuss related applications.

Now, let’s look at how heat exchangers work and examine the principles governing their efficiency. The heat transfer in a heat exchanger is generated by fluid species in close contact that are separated by a physical barrier. They can flow either parallel or counter currently to each other. Heat exchange is driven by local temperature differences between the fluids. The hotter of the two fluids entering the heat exchanger will exit with a reduced temperature whereas the colder will exit with an increased temperature. The heat transfer efficiency can be increased by the addition of fins to the flow area which increases the surface area available for heat transference. However, the added fins also decrease the region through which the fluid flows, providing more surfaces for boundary layers to form. A boundary layer is the thin layer of fluid in contact with the surface that is affected by shearing forces. When the boundary layer is laminar, there is very little mixing and heat transfer is inhibited. At higher flow rates, or longer distances, the laminar flow breaks down and transitions to a turbulent flow where the bulk fluid mixes more effectively. During steady state operation, the total heat transferred, Q, can be calculated using the overall heat transfer coefficient U, the area through which the heat flows, A and delta TLM, the logarithmic mean temperature difference between the bulk fluid flow and the heat surface. UA is the overall conductance and is a measure of the heat transfer capacity of a heat exchanger. The overall heat transfer coefficient is determined by this equation which takes into account the surface areas of the pipe and fins, the heat transfer coefficients and the thermal conductivity and thickness of the pipe. The heat transfer coefficient is estimated from experimental data using graphical methods such as the Wilson plot which plots the reciprocal of the overall conductance versus one over the Reynolds raised to the eight tenths power. Linear regression is used to solve for the heat transfer coefficients. The dimensionless Reynold’s number is the ration of inertial forces to viscous forces and it used to describe flow pattern. Where D is the equivalent diameter of the pipe, G is the mass velocity of the fluid and Mu is the viscosity of the fluid. A higher Reynold’s number indicates a more turbulent flow, greater fluid mixing and increased heat transfer. Now that you understand how to calculate the heat transfer coefficients and Reynold’s numbers, let’s evaluate the heat transfer efficiency of a finned tube heat exchanger by varying the flow rates of water and monoetilenglicol.

Before your start, familiarize yourself with the finned tube heat exchanger apparatus. Open the charge valve, start the unit and wait for steam to begin forming. Using a stopwatch and the gauge, determine the water flow rate. Start your stopwatch and monitor the gauge displaying the volume of water. Stop the stopwatch after 30 seconds. Record the total volume of water on the gauge and divide the volume by the measured time. Next, read the MEG flow rate on the display. When the 30 seconds for flow rate calculation have passed, record the temperature from the thermocouples.

Now, vary the flow rates to obtain data for six unique runs. Each run consists of a set water and MEG flow rate. Set the water flow rate to either high or low and run it with a high, medium or low flow rate of MEG for a total of six runs. Repeat the same procedure above for each flow rate to record the volumetric flow rates of water and MEG and the temperature difference from the thermocouple. When finished, shut down the instrument. Close the valves for the steam, glycol and water flow. Then turn off the main switch.

To calculate the total heat transferred, Q, for each run, use the obtained temperature differences from each experiment and the physical parameters of monoetilenglicol. Then determine the Reynold’s number for each unique run using the dimensions of the pipe and the mass velocity and viscosity of water.

Now let’s compare the results to the theoretical values of the heat exchanger without fins. A Wilson plot was used to determine the heat transfer coefficients by plotting one over UA, versus one over the Reynold’s number raised to the eight tenths power and relating the linear fit to the equation for the overall heat transfer coefficient. The blue, red and green lines indicate the high, middle and low monoetilenglicol flow rates in the experiment. When compared to a non-finned tube, the finned tube did not reach turbulent flow. The fins provide additional surfaces for boundary layers to form and maintain the monoethylene glycol in a more laminar flow regime. However, when comparing the heat transferred between the exchanger with and without fins at different MEG flow rates, it is clear that a finned tube transferred more heat than a tube without fins at the same operating settings. Heat transfer is more effective with a greater surface area, despite the fact that the finned tubes induce laminar flow, their heat efficiency was much higher than for the non-finned tube.

Heat exchangers are used in a variety of settings to transfer heat from one species to another. In all buildings, heat exchangers are part of the heating and air conditioning systems to regulate temperature. They are also used to control core patient temperature in critical care settings, such as after cardiac arrest, neurogenic fever or surgery. Heat exchangers are also used on the small scale in the denature and heat precipitation of proteins from plant extracts. This technique was used in the extraction of a malarial vaccine candidate from transgenic tobacco plants to reduce the concentration of host cell proteins.

You’ve just watched JoVE’s introduction to finned tube heat exchangers. You should now understand the principles of heat transfer, be able to evaluate heat efficiency and know several applications of heat exchangers in various processes. Thanks for watching.

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