4.1: בדיקת יעילות העברת החום של מחליף חום פין-צינור

1. קביעת קצב התחלה וזרימה

1. פתח את שסתום המטען הממוקם מתחת לגנרטור הקיטור.
2. התחל את היחידה, ואפשר 15 דקות עבור קיטור להתחיל להרכיב.
3. חישוב קצב זרימת המים
   1. הפעל שעון עצר ונטר את מד המציג את נפח המים.
   2. עצור את השעון לאחר 30 s ורשום את הנפח הכולל של מים המוצגים על המד.
   3. חלק את נפח המים עד כדי לקבוע את קצב הזרימה נפחית.
4. הקלט את קצב זרימת MEG מד הזרימה.
5. שים לב לטמפרטורה מהתרמיקופלים, ורשום את הערכים.

2. שינוי קצב הזרימה וכיבוי

1. כדי לאסוף נתונים עבור 6 ריצות שונות, הגדר את קצב זרימת המים לקצב זרימה גבוה או נמוך והפעל אותו עם קצב זרימה גבוה, בינוני או נמוך של MEG.
   1. לעיון, נעשה שימוש בשיעורי הזרימה הקודמים: 0.0439, 0.0881 ו- 0.1323 גל/שניה עבור קצבי הזרימה הנמוכים, הבינוניים והגבוהים של MEG, בהתאמה.
2. כבעבר, תיעד את קצבי הזרימה הנפחיים ואת הפרשי הטמפרטורה בתרמי-סקופ לכל ריצה.
3. כשתסיים, כבה את הכלי.
   1. סגור את השסתומים כדי לעצור את זרימת הקיטור, מונואתילן גליקול ומים.
   2. כבה את המתג הראשי.

3. חישובים

1. השתמש במשוואה 1 כדי לחשב את החום הכולל שהועבר, Q, כאשר הפרש הטמפרטורה נקרא מהתרמיקופלים (התקנים המשמשים למדידת טמפרטורה) והממדים הפיזיים הידועים של מחליף החום (נמצא במדריך למשתמש עבור היחידה המופעלת). הבדלי הטמפרטורה ניתן לקחת מתוך קריאות הטמפרטורה של כל ריצה.
2. חשב את החום שהועבר עבור כל גירסת ניסיון ייחודית והשתמש בשיטת התוויית וילסון כדי למצוא את מקדמי העברת החום עבור שלושת קצבי זרימת MEG.
3. השווה את החום המחושב שהועבר ואת מספר ריינולדס לערכים תיאורטיים של מחליף החום ללא סנפירים.

מחליפי חום מעבירים חום בין שני מינים ומשמשים למגוון רחב של יישומים, החל מרדיאטורים לרכב וכלה במפעלים כימיים בקנה מידה גדול. ישנם עיצובים רבים של מחליפי חום כולל מחליפי מעטפת וצינורות ומחליפי צינורות סנפירים. לשם כך משתמשים במערך של צינורות וסנפירים להעברת חום מהנוזל החם לנוזל הקר. הבנה של יעילות העברת החום חשובה לאופטימיזציה של תכנון מחליף חום ושילובם במערכות גדולות יותר. סרטון זה ימחיש את העקרונות של מחליפי חום, ידגים כיצד לחשב את מקדם העברת החום והיעילות עבור מחליף חום עם סנפיר ולדון ביישומים קשורים.

כעת, בואו נסתכל כיצד מחליפי חום פועלים ונבחן את העקרונות השולטים ביעילותם. העברת החום במחליף חום נוצרת על ידי מיני נוזלים הנמצאים במגע הדוק המופרדים על ידי מחסום פיזי. הם יכולים לזרום במקביל או נגדי זה לזה. חילופי חום מונעים על ידי הפרשי טמפרטורה מקומיים בין הנוזלים. החם מבין שני הנוזלים הנכנסים למחליף החום ייצא בטמפרטורה מופחתת ואילו הקר יותר ייצא בטמפרטורה מוגברת. ניתן להגדיל את יעילות העברת החום על ידי הוספת סנפירים לאזור הזרימה מה שמגדיל את שטח הפנים הזמין להעברת חום. עם זאת, הסנפירים שנוספו גם מקטינים את האזור שדרכו זורם הנוזל, ומספקים יותר משטחים להיווצרות שכבות גבול. שכבת גבול היא השכבה הדקה של נוזל במגע עם פני השטח המושפעת מכוחות גזירה. כאשר שכבת הגבול היא למינרית, יש מעט מאוד ערבוב והעברת החום מעוכבת. בקצבי זרימה גבוהים יותר, או למרחקים ארוכים יותר, הזרימה הלמינרית מתפרקת ועוברת לזרימה סוערת שבה הנוזל בתפזורת מתערבב בצורה יעילה יותר. במהלך פעולת מצב יציב, ניתן לחשב את סך החום המועבר, Q, באמצעות מקדם העברת החום הכולל U, האזור שדרכו זורם החום, A ודלתא TLM, הפרש הטמפרטורה הממוצע הלוגריתמי בין זרימת הנוזל בתפזורת למשטח החום. UA היא המוליכות הכוללת והיא מדד ליכולת העברת החום של מחליף חום. מקדם העברת החום הכולל נקבע על ידי משוואה זו שלוקחת בחשבון את שטחי הפנים של הצינור והסנפירים, מקדמי העברת החום ואת המוליכות התרמית ועובי הצינור. מקדם העברת החום מוערך מנתונים ניסיוניים בשיטות גרפיות כגון תרשים וילסון המתווה את ההדדיות של המוליכות הכוללת לעומת אחד מעל ריינולדס שהועלה לעוצמה של שמונה עשיריות. רגרסיה ליניארית משמשת לפתרון מקדמי העברת החום. מספר ריינולד חסר הממד הוא היחס של כוחות אינרציאלים לכוחות צמיגים והוא משמש לתיאור דפוס זרימה. כאשר D הוא הקוטר המקביל של הצינור, G היא מהירות המסה של הנוזל ו-Mu היא צמיגות הנוזל. מספר ריינולד גבוה יותר מצביע על זרימה סוערת יותר, ערבוב נוזלים גדול יותר והעברת חום מוגברת. כעת, לאחר שהבנתם כיצד לחשב את מקדמי העברת החום ואת המספרים של ריינולד, בואו נעריך את יעילות העברת החום של מחליף חום צינור סנפיר על ידי שינוי קצבי הזרימה של מים ומונואטילנגליקול.

לפני שתתחיל, הכירו את מנגנון מחליף החום עם הסנפיר. פתח את שסתום הטעינה, הפעל את היחידה והמתן עד שיתחיל להיווצר אדים. בעזרת שעון עצר ומד, קבעו את קצב זרימת המים. הפעל את שעון העצר שלך ופקח על המד המציג את נפח המים. עצור את שעון העצר לאחר 30 שניות. רשום את נפח המים הכולל על המד וחלק את הנפח בזמן הנמדד. לאחר מכן, קרא את קצב זרימת ה-MEG בתצוגה. לאחר שחלפו 30 השניות לחישוב קצב הזרימה, רשום את הטמפרטורה מהצמדים התרמיים.

כעת, שנה את קצבי הזרימה כדי לקבל נתונים עבור שש ריצות ייחודיות. כל ריצה מורכבת מקצב זרימת מים ו-MEG מוגדר. הגדר את קצב זרימת המים לגבוה או נמוך והפעל אותו עם קצב זרימה גבוה, בינוני או נמוך של MEG בסך הכל שש ריצות. חזור על אותו הליך לעיל עבור כל קצב זרימה כדי לרשום את קצב הזרימה הנפחי של מים ו-MEG ואת הפרש הטמפרטורה מהצמד התרמי. בסיום, כבה את המכשיר. סגור את השסתומים לזרימת הקיטור, הגליקול והמים. לאחר מכן כבה את המתג הראשי.

כדי לחשב את סך החום המועבר, Q, עבור כל ריצה, השתמש בהפרשי הטמפרטורה המתקבלים מכל ניסוי ובפרמטרים הפיזיקליים של monoetilenglicol. לאחר מכן קבע את מספר ריינולד עבור כל ריצה ייחודית באמצעות מידות הצינור ומהירות המסה והצמיגות של המים.

עכשיו בואו נשווה את התוצאות לערכים התיאורטיים של מחליף החום ללא סנפירים. תרשים וילסון שימש לקביעת מקדמי העברת החום על ידי התוויית אחד מעל UA, לעומת אחד מעל מספר ריינולד שהועלה בחזקת שמונה עשיריות וקישור ההתאמה הליניארית למשוואה עבור מקדם העברת החום הכולל. הקווים הכחולים, האדומים והירוקים מציינים את קצבי הזרימה הגבוהים, האמצעיים והנמוכים בניסוי. בהשוואה לצינור ללא סנפיר, הצינור הסנפיר לא הגיע לזרימה סוערת. הסנפירים מספקים משטחים נוספים לשכבות גבול ליצירה ושמירה על המונואתילן גליקול במשטר זרימה למינרי יותר. עם זאת, כאשר משווים את החום המועבר בין המחליף עם ובלי סנפירים בקצבי זרימת MEG שונים, ברור שצינור עם סנפיר העביר יותר חום מאשר צינור ללא סנפירים באותן הגדרות הפעלה. העברת חום יעילה יותר עם שטח פנים גדול יותר, למרות העובדה שהצינורות הסנפירים גורמים לזרימה למינרית, יעילות החום שלהם הייתה גבוהה בהרבה מאשר עבור הצינור ללא סנפיר.

מחליפי חום משמשים במגוון הגדרות להעברת חום ממין אחד למשנהו. בכל הבניינים, מחליפי חום הם חלק ממערכות החימום והמיזוג לוויסות הטמפרטורה. הם משמשים גם לשליטה בטמפרטורת הליבה של המטופל במסגרות טיפול נמרץ, כגון לאחר דום לב, חום נוירוגני או ניתוח. מחליפי חום משמשים גם בקנה מידה קטן בדנטורציה ומשקעי חום של חלבונים מתמציות צמחים. טכניקה זו שימשה במיצוי מועמד לחיסון מלריה מצמחי טבק מהונדסים כדי להפחית את ריכוז חלבוני התא המארח.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE למחליפי חום עם סנפירים. כעת עליכם להבין את עקרונות העברת החום, להיות מסוגלים להעריך את יעילות החום ולהכיר מספר יישומים של מחליפי חום בתהליכים שונים. תודה שצפית.