핀 튜브 열교환기의 열전달 효율 테스트

열교환기는 두 종 사이에서 열을 전달하며 자동차 라디에이터에서 대규모 화학 공장에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 쉘 및 튜브 교환기 및 핀 튜브 교환기를 포함한 많은 열교환기 설계가 있습니다. 이를 위해 뜨거운 유체에서 차가운 유체로 열을 전달하기 위해 일련의 튜브와 핀이 사용됩니다. 열 전달 효율에 대한 이해는 열교환기 설계 최적화와 더 큰 시스템으로의 통합에 중요합니다. 이 비디오는 열교환기의 원리를 설명하고, 핀 튜브 열교환기의 열 전달 계수 및 효율을 계산하는 방법을 보여주고, 관련 응용 분야에 대해 논의합니다.

이제 열교환기의 작동 방식을 살펴보고 효율성을 제어하는 원리를 살펴보겠습니다. 열교환기의 열 전달은 물리적 장벽으로 분리된 밀접하게 접촉하는 유체 종에 의해 생성됩니다. 그들은 현재 서로 평행하거나 역으로 흐를 수 있습니다. 열 교환은 유체 간의 국부적 온도 차이에 의해 주도됩니다. 열교환기로 유입되는 두 유체 중 더 뜨거운 유체는 감소된 온도로 빠져나가는 반면 더 차가운 유체는 증가된 온도로 빠져나옵니다. 열전달 효율은 유동 영역에 핀을 추가하여 열 전달에 사용할 수 있는 표면적을 증가시켜 높일 수 있습니다. 그러나 추가된 핀은 또한 유체가 흐르는 영역을 줄여 경계층이 형성될 수 있는 더 많은 표면을 제공합니다. 경계층은 전단력의 영향을 받는 표면과 접촉하는 얇은 유체 층입니다. 경계층이 층류일 때 혼합이 거의 없고 열 전달이 억제됩니다. 더 높은 유속 또는 더 먼 거리에서는 층류가 분해되어 벌크 유체가 더 효과적으로 혼합되는 난류로 전환됩니다. 정상 상태 작동 중에 전달된 총 열 Q는 전체 열 전달 계수 U, 열이 흐르는 면적, A 및 델타 TLM, 벌크 유체 흐름과 열 표면 사이의 대수 평균 온도 차이를 사용하여 계산할 수 있습니다. UA는 전체 전도도이며 열교환기의 열 전달 용량을 측정한 것입니다. 전체 열 전달 계수는 파이프와 핀의 표면적, 열 전달 계수, 열전도율 및 파이프의 두께를 고려한 이 방정식에 의해 결정됩니다. 열 전달 계수는 전체 전도도의 역수와 레이놀즈의 10분의 8 거듭제곱을 그래프로 표시하는 Wilson 플롯과 같은 그래픽 방법을 사용하여 실험 데이터에서 추정됩니다. 선형 회귀는 열 전달 계수를 해결하는 데 사용됩니다. 무차원 레이놀드 수는 점성력에 대한 관성력의 비율이며 흐름 패턴을 설명하는 데 사용됩니다. 여기서 D는 파이프의 등가 직경, G는 유체의 질량 속도, Mu는 유체의 점도입니다. 레이놀드 수치가 높을수록 더 난류가 많고 유체 혼합이 더 많으며 열 전달이 증가함을 나타냅니다. 이제 열전달 계수와 레이놀드 수를 계산하는 방법을 이해했으므로 물과 모노에틸렌글리콜의 유속을 변경하여 지느러미 튜브 열교환기의 열전달 효율을 평가해 보겠습니다.

시작하기 전에 핀이 있는 튜브 열교환기 장치에 익숙해지십시오. 충전 밸브를 열고 장치를 시작한 다음 증기가 형성되기 시작할 때까지 기다립니다. 스톱워치와 게이지를 사용하여 물의 유속을 결정합니다. 스톱워치를 시작하고 물의 양을 표시하는 게이지를 모니터링하십시오. 30초 후에 스톱워치를 중지합니다. 게이지에 물의 총량을 기록하고 부피를 측정된 시간으로 나눕니다. 그런 다음 디스플레이에서 MEG 유량을 읽습니다. 유량 계산을 위한 30초가 지나면 열전대의 온도를 기록합니다.

이제 유속을 변경하여 6개의 고유한 실행에 대한 데이터를 얻습니다. 각 주행은 설정된 물과 MEG 유량으로 구성됩니다. 물의 유속을 높음 또는 낮음으로 설정하고 MEG의 높음, 중간 또는 낮은 유속으로 총 6회 실행합니다. 각 유속에 대해 위와 동일한 절차를 반복하여 물과 MEG의 체적 유량과 열전대와의 온도 차이를 기록합니다. 완료되면 기기를 종료합니다. 증기, 글리콜 및 물의 흐름을 위해 밸브를 닫으십시오. 그런 다음 메인 스위치를 끕니다.

각 실행에 대해 전달된 총 열 Q를 계산하려면 각 실험에서 얻은 온도 차이와 monoetilenglicol의 물리적 매개변수를 사용합니다. 그런 다음 파이프의 치수와 물의 질량, 속도 및 점도를 사용하여 각 고유 런에 대한 Reynold의 수를 결정합니다.

이제 결과를 핀이 없는 열교환기의 이론적 값과 비교해 보겠습니다. Wilson 플롯을 사용하여 UA에 대해 1을 플로팅하고 8/10 제곱으로 올린 Reynold의 수에 대해 플롯하고 선형 피팅을 전체 열 전달 계수에 대한 방정식과 관련시켜 열 전달 계수를 결정했습니다. 파란색, 빨간색 및 녹색 선은 실험에서 높은, 중간 및 낮은 모노 틸렌 글리콜 유속을 나타냅니다. 핀이 없는 튜브와 비교할 때 핀이 있는 튜브는 난류에 도달하지 않았습니다. 핀은 경계층이 더 많은 층류 체제에서 모노에틸렌 글리콜을 형성하고 유지하기 위한 추가 표면을 제공합니다. 그러나 서로 다른 MEG 유속에서 핀이 있거나 없는 교환기 사이에서 전달되는 열을 비교할 때 핀이 있는 튜브가 동일한 작동 설정에서 핀이 없는 튜브보다 더 많은 열을 전달한 것이 분명합니다. 열 전달은 지느러미가 있는 관이 층류를 유도한다는 사실에도 불구하고 더 큰 표면적에서 더 효과적이며, 그들의 열효율은 지느러미가 없는 관보다 훨씬 높았습니다.

열교환기는 한 종에서 다른 종으로 열을 전달하기 위해 다양한 설정에서 사용됩니다. 모든 건물에서 열교환기는 온도를 조절하는 난방 및 공조 시스템의 일부입니다. 또한 심정지, 신경인성 발열 또는 수술 후와 같은 중환자 치료 환경에서 핵심 환자 체온을 제어하는 데 사용됩니다. 열교환기는 또한 식물 추출물에서 단백질의 변성 및 열 침전에서 소규모로 사용됩니다. 이 기술은 숙주 세포 단백질의 농도를 줄이기 위해 형질전환 담배 식물에서 말라리아 백신 후보를 추출하는 데 사용되었습니다.

방금 JoVE의 핀 튜브 열교환기 소개를 시청했습니다. 이제 열 전달의 원리를 이해하고 열 효율을 평가할 수 있으며 다양한 공정에서 열교환기의 여러 응용 프로그램을 알아야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.