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Gli scambiatori di calore trasferiscono il calore tra due specie e sono utilizzati per un'ampia varietà di applicazioni, dai radiatori delle auto agli impianti chimici su larga scala. Esistono molti modelli di scambiatori di calore, tra cui scambiatori a fascio tubiero e scambiatori a tubi alettati. Per questi viene utilizzata una serie di tubi e alette per trasferire il calore dal fluido caldo al fluido freddo. La comprensione dell'efficienza di trasferimento del calore è importante per l'ottimizzazione della progettazione degli scambiatori di calore e la loro integrazione in sistemi più grandi. Questo video illustrerà i principi degli scambiatori di calore, dimostrerà come calcolare il coefficiente di scambio termico e l'efficienza per uno scambiatore di calore a tubi alettati e discuterà le applicazioni correlate.
Ora, diamo un'occhiata a come funzionano gli scambiatori di calore ed esaminiamo i principi che ne regolano l'efficienza. Il trasferimento di calore in uno scambiatore di calore è generato da specie fluide a stretto contatto che sono separate da una barriera fisica. Possono fluire parallelamente o in controcorrente l'uno rispetto all'altro. Lo scambio di calore è guidato dalle differenze di temperatura locali tra i fluidi. Il più caldo dei due fluidi che entrano nello scambiatore di calore uscirà con una temperatura ridotta mentre il più freddo uscirà con una temperatura aumentata. L'efficienza di trasferimento del calore può essere aumentata con l'aggiunta di alette all'area di flusso che aumenta la superficie disponibile per il trasferimento di calore. Tuttavia, le alette aggiunte riducono anche la regione attraverso la quale scorre il fluido, fornendo più superfici per la formazione degli strati limite. Uno strato limite è il sottile strato di fluido a contatto con la superficie che è influenzato dalle forze di taglio. Quando lo strato limite è laminare, c'è pochissima miscelazione e il trasferimento di calore è inibito. A portate più elevate o a distanze maggiori, il flusso laminare si rompe e passa a un flusso turbolento in cui il fluido sfuso si mescola in modo più efficace. Durante il funzionamento in stato stazionario, il calore totale trasferito, Q, può essere calcolato utilizzando il coefficiente di scambio termico complessivo U, l'area attraverso la quale scorre il calore, A e delta TLM, la differenza di temperatura media logaritmica tra il flusso del fluido sfuso e la superficie termica. UA è la conduttanza complessiva ed è una misura della capacità di trasferimento del calore di uno scambiatore di calore. Il coefficiente di scambio termico complessivo è determinato da questa equazione che tiene conto delle aree superficiali del tubo e delle alette, dei coefficienti di scambio termico e della conducibilità termica e dello spessore del tubo. Il coefficiente di scambio termico è stimato da dati sperimentali utilizzando metodi grafici come il diagramma di Wilson che traccia il reciproco della conduttanza complessiva rispetto a uno sulla Reynolds elevata alla potenza di otto decimi. La regressione lineare viene utilizzata per risolvere i coefficienti di scambio termico. Il numero di Reynold adimensionale è il rapporto tra le forze inerziali e le forze viscose ed è usato per descrivere il modello di flusso. Dove D è il diametro equivalente del tubo, G è la velocità di massa del fluido e Mu è la viscosità del fluido. Un numero di Reynold più alto indica un flusso più turbolento, una maggiore miscelazione del fluido e un maggiore trasferimento di calore. Ora che hai capito come calcolare i coefficienti di scambio termico e i numeri di Reynold, valutiamo l'efficienza di scambio termico di uno scambiatore di calore a tubi alettati variando le portate di acqua e monoetilenglicol.
Prima di iniziare, familiarizzare con l'apparato dello scambiatore di calore a tubi alettati. Aprire la valvola di carica, avviare l'unità e attendere che inizi a formarsi il vapore. Utilizzando un cronometro e il manometro, determinare la portata d'acqua. Avvia il cronometro e monitora l'indicatore che mostra il volume dell'acqua. Arrestare il cronometro dopo 30 secondi. Registrare il volume totale dell'acqua sul manometro e dividere il volume per il tempo misurato. Quindi, leggere la portata del MEG sul display. Trascorsi i 30 secondi per il calcolo della portata, registrare la temperatura dalle termocoppie.
A questo punto, è possibile variare le portate per ottenere i dati per sei esecuzioni uniche. Ogni corsa è composta da una portata d'acqua e MEG impostata. Impostare la portata dell'acqua su alta o bassa ed eseguirla con una portata alta, media o bassa di MEG per un totale di sei corse. Ripetere la stessa procedura sopra per ciascuna portata per registrare le portate volumetriche di acqua e MEG e la differenza di temperatura dalla termocoppia. Al termine, spegnere lo strumento. Chiudere le valvole per il flusso di vapore, glicole e acqua. Quindi spegnere l'interruttore principale.
Per calcolare il calore totale trasferito, Q, per ogni corsa, utilizzare le differenze di temperatura ottenute da ciascun esperimento e i parametri fisici del monoetilenglicol. Quindi determina il numero di Reynold per ogni corsa unica utilizzando le dimensioni del tubo e la massa, la velocità e la viscosità dell'acqua.
Ora confrontiamo i risultati con i valori teorici dello scambiatore di calore senza alette. Un diagramma di Wilson è stato utilizzato per determinare i coefficienti di scambio termico tracciando uno su UA, rispetto a uno sopra il numero di Reynold elevato alla potenza di otto decimi e mettendo in relazione l'adattamento lineare con l'equazione per il coefficiente di scambio termico complessivo. Le linee blu, rosse e verdi indicano le velocità di flusso di monoetilenglicol alte, medie e basse nell'esperimento. Rispetto a un tubo non alettato, il tubo alettato non raggiungeva un flusso turbolento. Le alette forniscono superfici aggiuntive per la formazione degli strati limite e mantengono il glicole monoetilenico in un regime di flusso più laminare. Tuttavia, quando si confronta il calore trasferito tra lo scambiatore con e senza alette a diverse portate di MEG, è chiaro che un tubo alettato trasferisce più calore di un tubo senza alette alle stesse impostazioni operative. Il trasferimento di calore è più efficace con una maggiore superficie, nonostante il fatto che i tubi alettati inducano un flusso laminare, la loro efficienza termica era molto più alta rispetto al tubo non alettato.
Gli scambiatori di calore vengono utilizzati in una varietà di contesti per trasferire il calore da una specie all'altra. In tutti gli edifici, gli scambiatori di calore fanno parte degli impianti di riscaldamento e condizionamento dell'aria per regolare la temperatura. Vengono inoltre utilizzati per controllare la temperatura interna del paziente in contesti di terapia intensiva, ad esempio dopo un arresto cardiaco, una febbre neurogena o un intervento chirurgico. Gli scambiatori di calore sono utilizzati anche su piccola scala nella denaturazione e nella precipitazione termica delle proteine da estratti vegetali. Questa tecnica è stata utilizzata nell'estrazione di un candidato vaccino contro la malaria da piante di tabacco transgeniche per ridurre la concentrazione di proteine della cellula ospite.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE agli scambiatori di calore a tubi alettati. Ora dovresti comprendere i principi del trasferimento di calore, essere in grado di valutare l'efficienza termica e conoscere diverse applicazioni degli scambiatori di calore in vari processi. Grazie per l'attenzione.
