フィンドチューブ熱交換器の熱伝達効率のテスト

熱交換器は、2つの種間で熱を伝達し、自動車のラジエーターから大規模な化学プラントまで、さまざまな用途に使用されています。シェルアンドチューブ交換器やフィン付きチューブ交換器など、多くの熱交換器の設計があります。これらのために、チューブとフィンの配列を使用して、高温の流体から低温の流体に熱を伝達します。熱伝達効率を理解することは、熱交換器の設計を最適化し、それらを大規模システムに統合するために重要です。このビデオでは、熱交換器の原理を説明し、フィン付きチューブ熱交換器の熱伝達係数と効率を計算する方法を示し、関連するアプリケーションについて説明します。

それでは、熱交換器がどのように機能するかを見て、その効率を支配する原理を調べてみましょう。熱交換器の熱伝達は、物理的な障壁によって分離された密接な接触状態の流体種によって生成されます。それらは、現在互いに平行に流れるか、または逆方向に流れることができます。熱交換は、流体間の局所的な温度差によって駆動されます。熱交換器に入る2つの流体のうち、高温の流体は低温で排出され、低温の流体は高温で排出されます。熱伝達効率は、熱伝達に利用可能な表面積を増加させる流れ領域にフィンを追加することで向上させることができます。ただし、フィンが追加されると、流体が流れる領域も減少し、境界層が形成される表面が増えます。境界層は、せん断力の影響を受ける表面と接触する流体の薄い層です。境界層が層流の場合、混合はほとんどなく、熱伝達が阻害されます。流量が速い場合、または距離が長い場合、層流は崩壊して乱流に遷移し、バルク流体がより効果的に混合されます。定常状態運転中、総熱伝達係数Qは、全体の熱伝達係数U、熱が流れる面積、AおよびデルタTLM、バルク流体の流れと熱表面との間の対数平均温度差を使用して計算できます。UAは全体のコンダクタンスであり、熱交換器の熱伝達能力の尺度です。全体的な熱伝達係数は、パイプとフィンの表面積、熱伝達係数、パイプの熱伝導率と厚さを考慮に入れたこの式によって決定されます。熱伝達係数は、ウィルソンプロットなどのグラフィカルな方法を使用して、全体のコンダクタンスとレイノルズの1の逆数を10分の8の累乗にした逆数をプロットする手法を使用して推定されます。線形回帰は、熱伝達係数を解くために使用されます。無次元レイノルズ数は、慣性力と粘性力の比率であり、流れパターンを説明するために使用されます。ここで、Dはパイプの等価直径、Gは流体の質量速度、Muは流体の粘度です。レイノルズ数が大きいほど、乱流が多く、流体の混合が多く、熱伝達が増加することを示します。熱伝達係数とレイノルズ数の計算方法を理解したところで、水とモノエチレングリコールの流量を変化させて、フィン付きチューブ熱交換器の熱伝達効率を評価しましょう。

始める前に、フィン付きチューブ熱交換器装置に慣れてください。チャージバルブを開き、ユニットを始動して、蒸気が形成され始めるのを待ちます。ストップウォッチとゲージを使用して、水の流量を決定します。ストップウォッチを起動し、水の量を表示しているゲージを監視します。30秒後にストップウォッチを停止します。ゲージに水の総量を記録し、その量を測定時間で割ります。次に、ディスプレイでMEG流量を読み取ります。流量計算の30秒が経過したら、熱電対からの温度を記録します。

次に、流量を変化させて、6 つの一意の分析のデータを取得します。各ランは、設定された水とMEG流量で構成されています。水の流量を高または低に設定し、MEGの高、中、または低の流量で合計6回実行します。流量ごとに上記と同じ手順を繰り返して、水とMEGの体積流量と熱電対からの温度差を記録します。終了したら、機器をシャットダウンします。蒸気、グリコール、水の流れのためにバルブを閉じます。次に、メインスイッチをオフにします。

各実行で伝達される総熱Qを計算するには、各実験から得られた温度差とモノエチレングリコールの物理的パラメータを使用します。次に、パイプの寸法と水の質量速度と粘度を使用して、一意の各配管のレイノルズ数を決定します。

次に、結果をフィンのない熱交換器の理論値と比較してみましょう。ウィルソンプロットを使用して、UA上に1つをプロットし、レイノルズ数を10分の8乗に上げた上に1つプロットし、線形近似を全体的な熱伝達係数の方程式に関連付けることにより、熱伝達係数を決定しました。青、赤、緑の線は、実験におけるモノエチレングリコールの高流量、中流量、低流量を示しています。フィンなしチューブと比較すると、フィン付きチューブは乱流に達しませんでした。フィンは、モノエチレングリコールをより層流領域で形成および維持するための境界層のための追加の表面を提供します。しかし、フィン付きとフィンなしの交換器間で伝達される熱を異なるMEG流量で比較すると、同じ動作設定では、フィン付きチューブはフィンなしのチューブよりも多くの熱を伝達したことは明らかです。フィン付きチューブが層流を誘導するという事実にもかかわらず、熱伝達はより大きな表面積でより効果的であり、それらの熱効率は非フィン付きチューブよりもはるかに高かった。

熱交換器は、ある種から別の種に熱を伝達するために、さまざまな設定で使用されます。すべての建物で、熱交換器は温度を調整するための暖房および空調システムの一部です。また、心停止後、神経因性発熱後、手術後などの救命救急医療現場で患者の中核体温を制御するためにも使用されます。熱交換器は、植物抽出物からのタンパク質の変性および熱沈殿においても小規模で使用されます。この技術は、宿主細胞タンパク質の濃度を下げるために、トランスジェニックタバコ植物からマラリアワクチン候補を抽出する際に使用されました。

JoVEのフィン付きチューブ熱交換器の紹介をご覧になりました。これで、熱伝達の原理を理解し、熱効率を評価し、さまざまなプロセスでの熱交換器のいくつかのアプリケーションを知ることができるはずです。ご覧いただきありがとうございます。