Testowanie sprawności wymiany ciepła wymiennika ciepła z rurą żebrowaną

Wymienniki ciepła przenoszą ciepło między dwoma gatunkami i są wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach, od chłodnic samochodowych po duże zakłady chemiczne. Istnieje wiele konstrukcji wymienników ciepła, w tym wymienniki płaszczowo-rurowe i wymienniki z rurami żebrowanymi. W tym celu stosuje się szereg rurek i żeber do przenoszenia ciepła z gorącego płynu do zimnego płynu. Zrozumienie sprawności wymiany ciepła jest ważne dla optymalizacji konstrukcji wymienników ciepła i ich integracji z większymi systemami. Ten film zilustruje zasady działania wymienników ciepła, pokaże, jak obliczyć współczynnik przenikania ciepła i sprawność dla wymiennika ciepła z rurą żebrowaną oraz omówi powiązane zastosowania.

Przyjrzyjmy się teraz, jak działają wymienniki ciepła i przyjrzyjmy się zasadom rządzącym ich wydajnością. Wymiana ciepła w wymienniku ciepła jest generowana przez związki cieczy w bliskim kontakcie, które są oddzielone fizyczną barierą. Mogą one płynąć równolegle lub przeciwbieżnie do siebie. Wymiana ciepła jest napędzana przez lokalne różnice temperatur między płynami. Cieplejszy z dwóch płynów wchodzących do wymiennika ciepła wyjdzie ze obniżoną temperaturą, podczas gdy zimniejszy wyjdzie z wyższą temperaturą. Wydajność wymiany ciepła można zwiększyć poprzez dodanie żeber do obszaru przepływu, co zwiększa powierzchnię dostępną do wymiany ciepła. Jednak dodane żebra zmniejszają również obszar, przez który przepływa płyn, zapewniając więcej powierzchni do tworzenia warstw granicznych. Warstwa graniczna to cienka warstwa płynu stykająca się z powierzchnią, na którą działają siły ścinające. Gdy warstwa graniczna jest laminarna, mieszanie jest bardzo niewielkie, a wymiana ciepła jest zahamowana. Przy większych natężeniach przepływu lub większych odległościach przepływ laminarny załamuje się i przechodzi w przepływ turbulentny, w którym płyn masowy miesza się bardziej efektywnie. Podczas pracy w stanie ustalonym całkowite przenoszone ciepło, Q, można obliczyć za pomocą całkowitego współczynnika przenikania ciepła U, obszaru, przez który przepływa ciepło, A i delta TLM, logarytmicznej średniej różnicy temperatur między przepływem płynu objętościowego a powierzchnią cieplną. UA jest całkowitą przewodnością i jest miarą zdolności wymiany ciepła wymiennika ciepła. Całkowity współczynnik przenikania ciepła określa się za pomocą tego równania, które uwzględnia powierzchnie rury i żeber, współczynniki przenikania ciepła oraz przewodność cieplną i grubość rury. Współczynnik przenikania ciepła jest szacowany na podstawie danych eksperymentalnych przy użyciu metod graficznych, takich jak wykres Wilsona, który wykreśla odwrotność całkowitej przewodności w funkcji jeden nad Reynoldsem podniesionym do potęgi ośmiu dziesiątych. Regresja liniowa służy do obliczania współczynników przenikania ciepła. Bezwymiarowa liczba Reynoldsa jest stosunkiem sił bezwładności do sił lepkości i służy do opisania wzorca przepływu. Gdzie D jest równoważną średnicą rury, G jest prędkością masową płynu, a Mu jest lepkością płynu. Wyższa liczba Reynoldsa wskazuje na bardziej turbulentny przepływ, większe mieszanie płynów i zwiększoną wymianę ciepła. Teraz, gdy już wiesz, jak obliczyć współczynniki przenikania ciepła i liczby Reynoldsa, oceńmy wydajność wymiany ciepła wymiennika ciepła z rurą żebrową, zmieniając natężenia przepływu wody i monoetilenglikolu.

Przed rozpoczęciem należy zapoznać się z aparaturą do wymiennika ciepła z rurą żebrowaną. Otwórz zawór ładowania, uruchom urządzenie i poczekaj, aż zacznie tworzyć się para. Za pomocą stopera i manometru określ natężenie przepływu wody. Uruchom stoper i monitoruj wskaźnik wyświetlający objętość wody. Zatrzymaj stoper po 30 sekundach. Zapisz całkowitą objętość wody na manometrze i podziel objętość przez zmierzony czas. Następnie odczytaj natężenie przepływu MEG na wyświetlaczu. Po upływie 30 sekund na obliczenie natężenia przepływu zapisz temperaturę z termopar.

Teraz zmieniaj natężenia przepływu, aby uzyskać dane dla sześciu unikalnych przebiegów. Każdy przebieg składa się z ustawionego natężenia przepływu wody i MEG. Ustaw natężenie przepływu wody na wysokie lub niskie i uruchom go z wysokim, średnim lub niskim natężeniem przepływu MEG, co daje łącznie sześć cykli. Powtórz tę samą procedurę powyżej dla każdego natężenia przepływu, aby zarejestrować objętościowe natężenia przepływu wody i MEG oraz różnicę temperatur z termopary. Po zakończeniu wyłącz instrument. Zamknij zawory przepływu pary, glikolu i wody. Następnie wyłącz wyłącznik główny.

Aby obliczyć całkowite przetransferowane ciepło, Q, dla każdego przebiegu, należy użyć uzyskanych różnic temperatur z każdego eksperymentu oraz parametrów fizycznych monoetilenglikolu. Następnie określ liczbę Reynoldsa dla każdego unikalnego przebiegu, korzystając z wymiarów rury oraz masy, prędkości i lepkości wody.

Porównajmy teraz wyniki z teoretycznymi wartościami wymiennika ciepła bez żeber. Wykres Wilsona został wykorzystany do wyznaczenia współczynników wymiany ciepła poprzez wykreślenie jednego nad UA, w porównaniu z jednym nad liczbą Reynoldsa podniesioną do potęgi ośmiu dziesiątych i odniesienie dopasowania liniowego do równania całkowitego współczynnika przenikania ciepła. Niebieskie, czerwone i zielone linie wskazują wysokie, średnie i niskie natężenia przepływu monoetilenglikolu w eksperymencie. W porównaniu z rurą nieżebrowaną, rura żebrowana nie osiągała przepływu turbulentnego. Żebra zapewniają dodatkowe powierzchnie dla warstw granicznych do tworzenia i utrzymywania glikolu monoetylenowego w bardziej laminarnym reżimie przepływu. Jednak porównując ciepło przenoszone między wymiennikiem z żebrami i bez żeber przy różnych natężeniach przepływu MEG, jasne jest, że rura żebrowana przenosiła więcej ciepła niż rura bez żeber przy tych samych ustawieniach roboczych. Przenoszenie ciepła jest bardziej efektywne przy większej powierzchni, pomimo tego, że rury żebrowane indukują przepływ laminarny, ich sprawność cieplna była znacznie wyższa niż w przypadku rury bez żeber.

Wymienniki ciepła są używane w różnych ustawieniach do przenoszenia ciepła z jednego gatunku na drugi. We wszystkich budynkach wymienniki ciepła są częścią systemów grzewczych i klimatyzacyjnych do regulacji temperatury. Są one również używane do kontrolowania temperatury głębokiej pacjenta w warunkach intensywnej terapii, takich jak zatrzymanie krążenia, gorączka neurogenna lub operacja. Wymienniki ciepła są również stosowane na małą skalę w denaturacji i wytrącaniu ciepła białek z ekstraktów roślinnych. Technika ta została wykorzystana do ekstrakcji kandydata na szczepionkę przeciw malarii z transgenicznych roślin tytoniu w celu zmniejszenia stężenia białek komórek gospodarza.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do wymienników ciepła z rurami żebrowanymi. Powinieneś teraz zrozumieć zasady wymiany ciepła, być w stanie ocenić wydajność cieplną i znać kilka zastosowań wymienników ciepła w różnych procesach. Dzięki za oglądanie.