Verifica dell'efficienza del trasferimento di calore di uno scambiatore di calore a tubi alettati

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

Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley, Dipartimento di Ingegneria Chimica, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Gli scambiatori di calore trasferiscono il calore da un fluido all’altro. Esistono più classi di scambiatori di calore per soddisfare esigenze diverse. Alcuni dei tipi più comuni sono scambiatori a guscio e tubo e scambiatori a piastre¹. Gli scambiatori di calore a guscio e a tubo utilizzano un sistema di tubi attraverso il quale scorre il fluido¹. Un set di tubi contiene il liquido da raffreddare o riscaldare, mentre il secondo set contiene il liquido che assorbirà il calore o lo trasmetterà¹. Gli scambiatori di calore a piastre utilizzano un concetto simile, in cui le piastre sono strettamente unite tra loro con un piccolo spazio tra ciascuna per il flusso di liquido¹. Il fluido che scorre tra le piastre si alterna tra caldo e freddo in modo che il calore si sposti dentro o fuori dai flussi necessari¹. Questi scambiatori hanno ampie superfici, quindi di solito sono più efficienti¹.

L’obiettivo di questo esperimento è testare l’efficienza di trasferimento del calore di uno scambiatore di calore a tubi alettati (Figura 1) e confrontarla con l’efficienza teorica di uno scambiatore di calore senza alette. I dati sperimentali saranno misurati per tre diverse portate di glicole monoetilenico (MEG). Verranno utilizzate due diverse portate d’acqua per ogni portata MEG. Utilizzando il metodo wilson plot i coefficienti di scambio termico saranno determinati dai dati sperimentali. Inoltre, il numero di Reynold e la quantità di calore trasferito saranno confrontati per il flusso con e senza le alette per valutare l’efficienza del trasferimento di calore.

Figura 1: Scambiatore di calore a tubi alettati. 1) Temperatura di uscita MEG 2) temperatura di ingresso dell’acqua 3) Temperatura di ingresso MEG 4) temperatura di uscita dell’acqua 5) contatore dell’acqua 6) Vetro / cilindro di vista di accumulo MEG.

Principles

Gli scambiatori di calore trasferiscono calore tra due o più fluidi. Gli scambiatori utilizzano specie fluide che scorrono in uno spazio separato da un flusso opposto che fornisce calore. Le alette possono essere aggiunte all’area di flusso per facilitare un maggiore trasferimento di calore, in quanto aumentano la superficie disponibile per il transfert. Le pinne aggiunte riducono l’area attraverso la quale scorre la specie e forniscono più superfici su cui possono formarsi strati limite, con conseguente flusso meno turbolento. Meno turbolento è un flusso, più grande sarà lo strato limite che avrà. Uno strato limite inibisce il trasferimento di calore, quindi con un flusso meno turbolento viene trasferito meno calore. Quando lo strato limite è laminare, c’è pochissima miscelazione.

La relazione tra l’area attraverso la quale il calore può fluire e il coefficiente di scambio termico viene utilizzata nel calcolo del calore totale trasferito. Questa relazione è calcolata attraverso l’equazione 1:

(1)

dove Q è trasferito di calore (Btu/hr), U è il coefficiente di scambio termico complessivo, A è l’area attraverso la quale viene trasferito il calore (ft²), ΔT_LM è la differenza di temperatura media logaritmica.

L’equazione complessiva del coefficiente di scambio termico è:

(2)

dove A_b è l’area superficiale del tubo interno nudo, A_f è l’area superficiale delle alette, A_LM è la differenza di area media logaritmica, A è l’area superficiale del tubo (o = esterno, i = interno), Δx spessore del tubo, k è la conduttività termica del tubo, h = Coefficiente di trasferimento di calore individuale. (o=esterno, i=interno)

Il metodo del diagramma di Wilson utilizza dati sperimentali per trovare U_oA_o dal tipico bilancio energetico sul flusso MEG e tracciare il suo reciproco a 1/Re^0,8 del tubo interno. Adattando una linea retta e trovando l’intercetta y, che è correlata al coefficiente di trasferimento del calore ed è descritta nei primi due termini a destra dell’equazione sopra. Una tipica equazione di efficienza dell’aletta del profilo rettangolare longitudinale viene utilizzata come seconda equazione per risolvere il coefficiente di trasferimento di calore e l’efficienza delle alette riducendo al minimo la somma dei quadrati di una funzione obiettivo. Questo metodo viene applicato a condizioni di flusso MEG con portate d’acqua variabili.

Per calcolare il coefficiente di scambio termico, viene utilizzato il numero di Reynolds, che è dato dalla seguente equazione:

(3)

dove G è la velocità di massa del flusso del fluido, D è il diametro del tubo in cui scorre il fluido (D_eq, il diametro equivalente sostituirà D per i calcoli con le alette) e μ è la viscosità del fluido. L’equazione di efficienza delle alette per un’aletta rettangolare longitudinale è:

(4)

dove m è √ (2h / kt), h è il coefficiente di trasferimento del calore, k è la conduttività termica del tubo, t è lo spessore dell’aletta e b è l’altezza della pinna.

Procedure

1. Determinazione dell’avvio e della portata

Aprire la valvola di carica situata sotto il generatore di vapore.
Avviare l’unità e attendere 15 minuti affinché il vapore inizi a formarsi.
Calcola la portata dell’acqua
1. Avviare un cronometro e monitorare l’indicatore che visualizza il volume d’acqua.
2. Arrestare l’orologio dopo 30 s e registrare il volume totale di acqua visualizzato sull’indicatore.
3. Dividere il volume d’acqua per il tempo per determinare la portata volumetrica.
Registrare la portata MEG dal misuratore di portata.
Osservare la temperatura dalle termocoppie e registrare i valori.

2. Variare la portata e spegnere

Per raccogliere dati per 6 diverse tirature, impostare la portata dell’acqua su una portata alta o bassa ed eseguirla con una portata alta, media o bassa di MEG.
1. Per riferimento, sono state utilizzate le portate precedenti: 0,0439, 0,0881 e 0,1323 gal/sec rispettivamente per le portate basse, medie e alte di MEG.
Come in precedenza, registrare le portate volumetriche e la differenza di temperatura sulla termocoppia per ogni corsa.
Al termine, spegnere lo strumento.
1. Chiudere le valvole per fermare il flusso di vapore, glicole monoetilenico e acqua.
2. Spegnere l’interruttore principale.

3. Calcoli

Utilizzare l’equazione 1 per calcolare il calore totale trasferito, Q, con la differenza di temperatura letta dalle termocoppie (dispositivi utilizzati per misurare la temperatura) e le dimensioni fisiche note dello scambiatore di calore (che si trova nel manuale utente per l’unità in funzione). Le differenze di temperatura possono essere prese dalle letture di temperatura di ogni corsa.
Calcola il calore trasferito per ogni singola prova e utilizza il metodo wilson plot per trovare i coefficienti di trasferimento del calore per le tre portate MEG.
Confrontare il calore trasferito calcolato e il numero di Reynolds con i valori teorici dello scambiatore di calore senza alette.

Gli scambiatori di calore trasferiscono calore tra due specie e vengono utilizzati per un’ampia varietà di applicazioni, dai radiatori per auto agli impianti chimici su larga scala. Esistono molti progetti di scambiatori di calore tra cui scambiatori a guscio e tubo 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 del trasferimento di 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 relative applicazioni.

Ora, diamo un’occhiata a come funzionano gli scambiatori di calore ed esaminiamo i principi che regolano la loro 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 contro l’uno con l’altro. Lo scambio termico 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 maggiore. 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 distanze più lunghe, 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 allo stato stazionario, il calore totale trasferito, Q, può essere calcolato utilizzando il coefficiente di trasferimento di calore 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 del calore. 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 superfici del tubo e delle alette, dei coefficienti di scambio termico e della conduttività 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 sopra il Reynolds elevato agli otto decimi di potenza. La regressione lineare viene utilizzata per risolvere i coefficienti di scambio termico. Il numero adimensionale di Reynold è la razione di forze inerziali a forze viscose e 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 dei fluidi 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 trasferimento del calore di uno scambiatore di calore a tubi alettati variando le portate di acqua e monoetilenglicolo.

Prima di iniziare, familiarizzare con l’apparato scambiatore di calore a tubi alettati. Aprire la valvola di carica, avviare l’unità e attendere che il vapore inizi a formarsi. Utilizzando un cronometro e il calibro, determinare la portata d’acqua. Avvia il cronometro e monitora l’indicatore che mostra il volume d’acqua. Arrestare il cronometro dopo 30 secondi. Registrare il volume totale di acqua sul misuratore e dividere il volume per il tempo misurato. Quindi, leggere la portata MEG sul display. Quando sono trascorsi i 30 secondi per il calcolo della portata, registrare la temperatura dalle termocoppie.

Ora, varia le portate per ottenere dati per sei esecuzioni univoche. Ogni corsa è costituita da una portata d’acqua e MEG impostata. Impostare la portata d’acqua su alta o bassa e far funzionare con una portata alta, media o bassa di MEG per un totale di sei tirature. Ripetere la stessa procedura sopra per ogni 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 di monoetilenglicol. Quindi determinare il numero di Reynold per ogni corsa unica utilizzando le dimensioni del tubo e la velocità di massa e la viscosità dell’acqua.

Ora confrontiamo i risultati con i valori teorici dello scambiatore di calore senza alette. Un grafico di Wilson è stato utilizzato per determinare i coefficienti di trasferimento del calore tracciando uno su UA, contro uno sul numero di Reynold elevato alla potenza di otto decimi e mettendo in relazione l’adattamento lineare all’equazione per il coefficiente di trasferimento di calore complessivo. Le linee blu, rosse e verdi indicano le portate monoetilenglicole alte, medie e basse nell’esperimento. Rispetto a un tubo non alettato, il tubo alettato non ha raggiunto un flusso turbolento. Le alette forniscono superfici aggiuntive per gli strati limite per formare e mantenere 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 MEG, è chiaro che un tubo alettato ha trasferito 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 sono utilizzati in una varietà di impostazioni per trasferire calore da una specie all’altra. In tutti gli edifici, gli scambiatori di calore fanno parte dei sistemi di riscaldamento e condizionamento per regolare la temperatura. Sono anche utilizzati per controllare la temperatura interna del paziente in ambienti di terapia intensiva, come dopo arresto cardiaco, febbre neurogena o chirurgia. Gli scambiatori di calore sono anche utilizzati su piccola scala nella denaturazione e nella precipitazione termica delle proteine degli 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 delle cellule ospiti.

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.

Results

Lo scambiatore di calore a tubi alettati non ha raggiunto un flusso turbolento (Figura 2). Le alette forniscono superfici aggiuntive su cui si formano gli strati limite, come noto attraverso la teoria del flusso laminare e turbolento. Se il fluido non è a una velocità sufficiente, il fluido non raggiungerà la turbolenza. Gli strati limite tra le alette si sovrappongono nella regione laminare, quindi il fluido rimarrà laminare.

Figura 2: Numeri di Reynolds per ogni impostazione.

È stata confrontata la quantità di calore trasferito, Q, nei tubi con e senza alette a diverse portate di MEG (Figura 3). I risultati mostrano che un tubo alettato trasferisce più calore di un tubo senza alette alle stesse condizioni operative. In questo esperimento, le alette hanno chiaramente migliorato il trasferimento di calore. Questo perché il trasferimento di calore è più efficace quando c’è una maggiore superficie disponibile. Lo scambiatore di calore a tubi alettati ha trasferito più calore (Figura 3), nonostante il numero di Reynolds inferiore (Figura 2).

Figura 3: Calore trasferito tra scambiatori con e senza alette ad ogni portata.

Applications and Summary

Gli scambiatori di calore sono utilizzati in una varietà di settori, tra cui agricoltura, produzione chimica e HVAC. L’obiettivo di questo esperimento era quello di testare l’efficienza di trasferimento del calore di uno scambiatore di calore a tubi alettati e confrontarla con l’efficienza teorica di uno scambiatore di calore senza alette. I dati sperimentali sono stati misurati per tre diverse portate di glicole monoetilenico (MEG) e due portate d’acqua uniche per ogni portata MEG utilizzata. Il numero di Reynold è stato determinato per il flusso con e senza le alette ed è stato utilizzato per calcolare il coefficiente di trasferimento di calore, l’area superficiale e l’efficienza delle alette per ogni singola prova. Questi dati sono stati utilizzati per valutare se il flusso turbolento è possibile senza le alette e in quale serie di condizioni di prova si verifica il maggior trasferimento di calore. I tubi alettati non hanno raggiunto un flusso turbolento. I risultati hanno mostrato che un tubo alettro trasferirà più calore di un tubo senza alette nelle stesse condizioni operative perché il flusso di MEG attraverso lo scambiatore di calore non raggiungerà la turbolenza.

Nell’industria agricola, gli scambiatori di calore sono utilizzati nella lavorazione di zucchero ed etanolo². Entrambi questi prodotti vengono trasformati in un succo, che deve essere riscaldato per essere ulteriormente lavorato². Gli scambiatori di calore sono utilizzati nel riscaldamento dei succhi per la chiarificazione². Una volta che i succhi sono stati trasformati in sciroppi pari, è necessario un ulteriore riscaldamento con scambiatori per continuare la lavorazione e formare melassa². La melassa viene raffreddata utilizzando scambiatori di calore, dopo di che può essere conservata per una successiva lavorazione².

I sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria, noti insieme come HVAC, fanno tutti uso di scambiatori di calore³. Le unità domestiche di condizionamento e riscaldamento utilizzano scambiatori di calore³. In ambienti più grandi, impianti chimici, ospedali e centri di trasporto fanno tutti uso di HVAC con scambiatore di calore simile, su una scala molto più ampia³. Nell’industria chimica, gli scambiatori di calore sono utilizzati per il riscaldamento e il raffreddamento di una grande varietà di processi⁴. Fermentazione, distillazione e frammentazione fanno tutti uso di scambiatori di calore⁴. Ancora più processi come la rettifica e la purificazione richiedono scambiatori di calore⁴.

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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