フィンドチューブ熱交換器の熱伝達効率のテスト

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

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4.13: Kinetics of Addition Polymerization to Polydimethylsiloxane

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08:35 min

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April 11, 2017

Overview

出典:マイケル・G・ベントンとケリー・M・ドゥーリー、ルイジアナ州立大学化学工学科、バトンルージュ、ロサンゼルス

熱交換器は、ある流体から別の流体に熱を伝達します。異なるニーズを満たすために熱交換器の複数のクラスが存在します。最も一般的なタイプのいくつかは、シェルとチューブ交換器とプレート交換器¹です。シェルおよびチューブ熱交換器は、流体が流れるチューブのシステムを使用します^。チューブの1セットには冷却または加熱する液体が含まれ、2番目のセットには熱を吸収するか1を伝達する^液体が含まれます。プレート熱交換器は、プレートが^{流れる液体}のための各間の小さなギャップと密接に結合されている同様の概念を使用しています。プレート間を流れる流体は、熱と低温の間で交互に、熱が必要な流れ¹に出入りするようにする。これらの交換器は表面積が大きいため、通常は¹より効率的です。

この実験の目的は、フィン管熱交換器の熱伝達効率をテストし(図1)、フィンのない熱交換器の理論効率と比較することです。実験データは、モノエチレングリコール(MEG)の3つの異なる流量について測定されます。MEG流量ごとに2つの異なる水流量が使用されます。ウィルソンプロット法を使用して、熱伝達係数は実験データから決定されます。さらに、レイノルドの数と転送される熱量は、熱伝達効率を評価するためにフィンの有無にかかわらず流れと比較されます。

図1:フィンドチューブ熱交換器1)MEG出口温度2)水入口温度3)MEG入口温度4)水出口温度5)水量計6)MEG蓄積視力ガラス/シリンダー。

Principles

熱交換器は、2つ以上の流体間で熱を伝達します。交換器は、熱を提供している対流とは別の空間で流れる流体種を使用します。フィンは、転写に使用できる表面積を増やすため、より熱伝達を容易にするために流れ領域に追加できます。フィンを追加すると、種が流れる領域が減少し、境界レイヤーが形成できるサーフェスが増え、乱流が少なくなります。流れの乱流が少ないほど、境界層が大きくなります。境界層は熱伝達を阻害するので、乱流が少ないと熱が伝達されなくなる。境界層が層状の場合、混合はほとんどありません。

熱が流れる領域と熱伝達係数の関係は、転送される合計熱の計算に使用されます。この関係は、方程式 1 を使用して計算されます。

(1)

ここでQは熱伝達(Btu/hr)、Uは全体的な熱伝達係数、Aは熱が伝達される面積(ft2)、ΔT _LMは対数平均温度差である。

全体的な熱伝達係数方程式は次のとおりです。

(2)

ここで_、aは裸の内管の表面積_、Afはフィンの表面積、A_LMは対数平均面積差、Aはパイプの表面積(o=外側、i=内側)、配管のΔx厚さ、kはパイプの熱伝導率、h=個別熱伝達係数である。(o=外側、i=内側)

ウィルソンプロット法は、実験データを使用してMEGフロー上の典型的なエネルギーバランスからU_oA_oを見つけ、その逆を内側パイプの1/Re^0.8にプロットします。直線をフィットさせ、熱伝達係数に関連し、上記の式の右側の最初の2つの用語で説明されているy切片を見つけることによって。典型的な縦長方形プロファイルフィン効率方程式は、目的関数の平方和を最小化することによって熱伝達係数とフィン効率を解く2番目の方程式として使用されます。この方法は、水流量が異なるMEG流路条件に適用されます。

熱伝達係数を計算するには、次の式で指定するレイノルズ数を使用します。

(3)

ここで、G は流体の質量速度、D は流体が流れるパイプの直径(D_eq、同等の直径は計算のために D をフィンに置き換えます)、μ は流体の粘度です。縦長方形プロファイルフィンのフィン効率方程式は次のとおりです。

(4)

ここで、m は √(2h/kt)、h は熱伝達係数、k はパイプの熱伝導率、t はフィンの厚さ、b はフィンの高さです。

Procedure

1. 開始および流量決定

蒸気発生器の下にある充電バルブを開きます。
ユニットを起動し、蒸気が形成を開始するために15分を許可します。
水の流量を計算する
1. ストップウォッチを開始し、水の体積を表示するゲージを監視します。
2. 30sの後に時計を停止し、ゲージに表示される水の総量を記録します。
3. 体積流量を時間で割って体積流量を決定します。
流量計からのMEG流量を記録します。
熱電対から温度を観察し、値を記録します。

2. 流量の変化とシャットダウン

6 つの異なる実行のデータを収集するには、水の流量を高流量または低流量に設定し、MEG の高、中、または低流量で実行します。
1. 参考までに、MEG の低、中、高流量に対して、0.0439、0.0881、および 0.1323 gal/秒が使用されています。
前に、各ランの熱電対の体積流量と温度差を記録します。
完了したら、楽器をシャットダウンします。
1. バルブを閉じて、蒸気、モノエチレングリコール、水の流れを止めます。
2. メインスイッチをオフにします。

3. 計算

式1を使用して、熱電対(温度測定に使用されるデバイス)と熱交換器の既知の物理的寸法(操作対象ユニットのユーザーマニュアルに記載されている)から読み取られた温度差を使用して、転送された総熱量Qを計算します。).温度差は、各実行の温度測定値から取得できます。
一意の試運転ごとに転送される熱を計算し、ウィルソンプロット法を使用して3つのMEG流量の熱伝達係数を求めます。
計算された熱伝達とレイノルズ数をフィンのない熱交換器の理論値と比較します。

熱交換器は2種間で熱を伝達し、自動車ラジエーターから大規模化学プラントまで幅広い用途に使用されています。シェルやチューブ交換器、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。これらの場合、チューブとフィンの配列は、熱い流体から冷たい流体に熱を伝達するために使用されます。熱伝達効率を理解することは、熱交換器の設計の最適化と大規模なシステムへの統合にとって重要です。このビデオでは、熱交換器の原理を示し、フィン管熱交換器の熱伝達係数と効率を計算し、関連するアプリケーションについて説明します。

次に、熱交換器の仕組みを見て、その効率を支配する原則を見てみましょう。熱交換器内の熱伝達は、物理的な障壁によって分離された密接触の流体種によって生成されます。現在、互いに並列またはカウンタを流すことができます。熱交換は、流体間の局所温度差によって駆動されます。熱交換器に入る2つの流体の熱い方は温度を下げると、寒い方は温度が上がって終了します。熱伝達効率は熱伝達のために利用できる表面積を増加させる流れ区域にフィンを加えることによって高めることができる。ただし、追加されたフィンは流体が流れる領域も減少し、境界層が形成されるサーフェスが増えます。境界層は、せん断力の影響を受けるサーフェスに接触する流体の薄い層です。境界層が層状であると、混合が非常に少なく、熱伝達が阻害される。より高い流量、または長い距離では、層流が分解され、バルク流体がより効果的に混合する乱流に遷移します。定常状態動作中に、総熱伝達、Q、熱伝達係数U、熱流れの面積、AとデルタTLM、バルク流体流れと熱との対数平均温度差を用いて計算することができる表面。UAは全体的な伝導性であり、熱交換器の熱伝達能力の尺度である。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、およびパイプの熱伝導率と厚さを考慮したこの方程式によって決定されます。熱伝達係数は、全体的な伝導率の逆数をプロットする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実験データから推定され、レイノルズの1つは80分の1の電力に上がります。線形回帰は、熱伝達係数の解決に使用されます。次元のないレイノルドの数は、粘性力への慣性力の配給であり、流れパターンを記述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。レイノルドの数値が高いほど、乱流、流体混合の増加、熱伝達の増加を示します。熱伝達係数とレイノルドの数値を計算する方法を理解したので、水とモノエシレングリコルの流量を変えることによって、フィンドチューブ熱交換器の熱伝達効率を評価してみましょう。

開始する前に、フィン付きチューブ熱交換器装置に慣れてみてください。充電バルブを開き、ユニットを起動し、蒸気が形成を開始するのを待ちます。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、水の体積を表示す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。ゲージ上の水の総体積を記録し、測定された時間で体積を割ります。次に、ディスプレイのMEG流量を読みます。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。

ここで、流量を変更して、6 つの一意の実行のデータを取得します。各実行は、設定された水とMEG流量で構成されています。水流量を高いか低いかに設定し、合計6回の実行でMEGの高、中、または低流量で実行します。各流量について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。完了したら、楽器をシャットダウンします。蒸気、グリコール、水流のバルブを閉じます。次に、メインスイッチをオフにします。

転送された総熱を計算するために、Qは、各実行について、各実験から得られた温度差およびモノエチレンリコールの物理的パラメータを使用する。次に、パイプの寸法と水の質量速度と粘度を使用して、各一意の実行のレイノルドの番号を決定します。

次に、フィンのない熱交換器の理論値と結果を比較してみましょう。ウィルソンプロットは、UA上で1つをプロットし、レイノルドの数を80分の1の電力に引き上げ、線形適合度を全体的な熱伝達係数の方程式に関連付けることによって、熱伝達係数を決定するために使用されました。青、赤、緑の線は、実験における高、中、低のモノレクリングリコル流量を示します。非フィンチューブと比較すると、フィンドチューブは乱流に達しませんでした。フィンは、より層流れ体制でモノエチレングリコールを形成し、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、異なるMEG流量でフィンとの交換器間で伝達される熱を比較すると、フィンチューブが同じ動作設定でフィンのないチューブよりも多くの熱を伝達することは明らかです。熱伝達は、フィン管が層流を誘発するという事実にもかかわらず、より大きな表面積でより効果的であり、その熱効率は非フィン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節するための暖房および空調システムの一部である。彼らはまた、心停止後、神経原性発熱や手術などの重要なケアの設定でコア患者の温度を制御するために使用されます。熱交換器はまた、植物抽出物からのタンパク質の変性および熱沈殿の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低下させるためにトランスジェニックタバコ植物からのマラリアワクチン候補の抽出に使用された。

JoVEのフィン付きチューブ熱交換器の紹介を見たばかりです。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における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必要があります。見てくれてありがとう。

Results

フィンドチューブ熱交換器が乱流に達しませんでした(図2)。フィンは、層流および乱流理論を通じて知られている境界層が形成される追加のサーフェスを提供します。流体が十分な速度でない場合、流体は乱流に到達しません。フィン間の境界層は層領域で重なり合うので、流体は層状のままです。

図2:各設定のレイノルズ数

MEGの異なる流量でフィンの有無にかかわらずチューブ内で伝達される熱量、Q(図3)。結果は、フィンチューブが同じ動作条件でフィンのないチューブよりも多くの熱を伝達することを示しています。この実験では、フィンは明らかに熱伝達を改善した。これは、より大きな表面積がある場合に熱伝達がより効果的であるためです。フィンチューブ熱交換器は、レイノルズ数が低いにもかかわらず、より多くの熱を伝達しました(図3)。

図3:各流量でフィンの有無にかかわらず交換器間で熱を伝達する。

Applications and Summary

熱交換器は、農業、化学生産、HVACなど様々な産業で使用されています。この実験の目的は、フィン管熱交換器の熱伝達効率をテストし、フィンのない熱交換器の理論効率と比較する点でした。実験データは、使用されるMEG流量ごとにモノエチレングリコール(MEG)の3つの異なる流量と2つの固有の水流量について測定した。Reynoldの数はフィンの有無にかかわらず流れを決定し、各ユニークな試運転の熱伝達係数、表面積、フィン効率を計算するために使用されました。このデータは、フィンなしで乱流が可能かどうか、およびどの試験条件の下で最も熱伝達が発生するかを評価するために使用されました。フィンドチューブは乱流に達しなかった。その結果、熱交換器を通るMEGの流れが乱流に達しないため、フィンチューブは同じ動作条件でフィンのないチューブよりも多くの熱を伝達する。

農業業界では、熱交換器は、砂糖およびエタノール²の処理に使用されます。これらの製品は両方ともジュースに加工され、さらに処理するために加熱する必要があります^2.熱交換器は、2を^{明確にするためにジュース}を加熱するために使用される。ジュースが偶数シロップに処理されると、さらに交換器による加熱は、処理を継続し、糖蜜²を形成する必要がある。糖蜜は熱交換器を使用して冷却され、その後、後で処理するために保存することができます^2.

暖房、換気、および空調システムは、HVACとして知られており、すべて熱交換器³を利用しています。家庭用空調・暖房ユニットは、熱交換器³を利用しています。より大きな設定では、化学プラント、病院、および輸送センターはすべて、はるかに大きなスケール³で、同様の熱交換器HVACを利用しています。化学工業では、熱交換器は、多種多様なプロセス⁴を加熱および冷却するために使用される。発酵、蒸留、断片化はすべて熱交換器⁴を利用する。整流および精製のようなさらに多くのプロセスは熱交換器^4を必要とする。

References

Types of Heat Exchangers." Types of Heat Exchangers. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
Heat exchangers for sugar factories and distilleries." Heat exchanger for sugar and ethanol industry. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
Biotechnology and green chemistry heat exchangers." Heat exchanger for green chemical industry. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.
Heat exchangers for heating and cooling." Heat exchangers for district heating, cooling and HVAC. N.p., n.d. Web. 19 Jan. 2017.

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.