Teste de eficiência da transferência de calor de um trocador de calor de tubos aletados

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, Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Louisiana, Baton Rouge, LA

Trocadores de calor transferem calor de um fluido para outro fluido. Existem múltiplas classes de trocadores de calor para preencher diferentes necessidades. Alguns dos tipos mais comuns são trocadores de conchas e tubos e trocadores^{de placas 1}. Os trocadores de calor de conchas e tubos usam um sistema de tubos através do qual o fluido flui¹. Um conjunto de tubos contém o líquido a ser resfriado ou aquecido, enquanto o segundo conjunto contém o líquido que absorverá o calor ou transmitirá¹. Os trocadores de calor da placa usam um conceito semelhante, no qual as placas são intimamente unidas com uma pequena lacuna entre cada uma para o líquido fluir¹. O fluido que flui entre as placas alterna entre quente e frio para que o calor se mova para dentro ou para fora dos fluxos necessários¹. Esses trocadores têm grandes áreas de superfície, por isso geralmente são mais eficientes¹.

O objetivo deste experimento é testar a eficiência de transferência de calor de um trocador de calor de tubos de finned (Figura 1) e compará-lo com a eficiência teórica de um trocador de calor sem aletas. Os dados experimentais serão medidos para três diferentes taxas de fluxo de monoetileno glicol (MEG). Serão utilizadas duas taxas diferentes de fluxo de água para cada vazão meg. Usando o método de enredo wilson, os coeficientes de transferência de calor serão determinados a partir dos dados experimentais. Além disso, o número do Reynold e a quantidade de calor transferido serão comparados para o fluxo com e sem as aletas para avaliar a eficiência da transferência de calor.

Figura 1: Trocador de calor de tubo de finned. 1) Temperatura da saída MEG 2) temperatura da entrada de água 3) Temperatura da entrada MEG 4) temperatura da saída de água 5) medidor de água 6) MEG acumulando vidro/cilindro de visão de acúmulo.

Principles

Trocadores de calor transferem calor entre dois ou mais fluidos. Os trocadores usam espécies fluidas que fluem em um espaço separado de um córrego oposto que está fornecendo calor. As aletas podem ser adicionadas à área de fluxo para facilitar a transferência de calor, pois aumentam a área de superfície disponível para transferência. As barbatanas adicionadas diminuem a área pela qual a espécie flui e fornecem mais superfícies nas quais as camadas de fronteira podem se formar, resultando em fluxo menos turbulento. Quanto menos turbulento um fluxo, a camada de limite maior que terá. Uma camada de fronteira inibe a transferência de calor, por isso, com menos fluxo turbulento, menos calor é transferido. Quando a camada de fronteira é laminar, há muito pouca mistura.

A relação entre a área pela qual o calor pode fluir e o coeficiente de transferência de calor é usada no cálculo do calor total transferido. Esta relação é calculada através da Equação 1:

(1)

onde Q é transferido de calor (Btu/hr), U é coeficiente global de transferência de calor, A é área através da qual o calor é transferido (ft²), ΔT_LM é a diferença de temperatura média logarítmica.

A equação geral do coeficiente de transferência de calor é:

(2)

onde A_b é a área superficial do tubo interno nu, A_f é a área superficial das aletas, A_LM é a diferença de área média logarítmica, A é a área superficial do tubo (o = fora, i = interior), Δx espessura do tubo, k é condutividade térmica do tubo, h = Coeficiente de transferência de calor individual. (o=fora, i=dentro)

O método de enredo de Wilson usa dados experimentais para encontrar U_oA_do equilíbrio energético típico no fluxo MEG e traçar sua recíproca para 1/Re^0,8 do tubo interno. Ao encaixar uma linha reta e encontrar o y-intercept, que está relacionado com o coeficiente de transferência de calor e é descrito nos dois primeiros termos à direita da equação acima. Uma típica equação de eficiência de barbatana retangular de perfil retangular longitudinal é usada como a segunda equação para resolver para o coeficiente de transferência de calor e eficiência da barbatana, minimizando a soma de quadrados de uma função objetiva. Este método é aplicado às condições de fluxo MEG com taxas de fluxo de água variadas.

Para calcular o coeficiente de transferência de calor, é utilizado o Número de Reynolds, que é dado pela seguinte equação:

(3)

onde G é a velocidade de massa do fluxo de fluidos, D é o diâmetro do tubo onde o fluido flui (D_eq, o diâmetro equivalente substituirá D para cálculos com aletas), e μ é a viscosidade do fluido. Equação de eficiência de barbatana para uma barbatana de perfil retangular longitudinal é:

(4)

onde m é √(2h/kt), h é o coeficiente de transferência de calor, k é condutividade térmica do tubo, t é espessura da barbatana, e b é a altura da barbatana.

Procedure

1. Determinação da taxa de início e fluxo

Abra a válvula de carga localizada abaixo do gerador de vapor.
Inicie a unidade e deixe 15 minutos para que o vapor comece a se formar.
Calcule a taxa de fluxo de água
1. Inicie um cronômetro e monitore o medidor exibindo o volume de água.
2. Pare o relógio depois dos 30 e regise o volume total de água exibido no medidor.
3. Divida o volume de água pelo tempo para determinar a taxa de fluxo volumoso.
Regisso da vazão MEG do medidor de fluxo.
Observe a temperatura dos termopares e regissurre os valores.

2. Variando a taxa de fluxo e desligando

Para coletar dados para 6 corridas diferentes, defina a taxa de fluxo de água para uma taxa de fluxo alta ou baixa e execute-os com uma taxa de fluxo alta, média ou baixa de MEG.
1. Para referência, foram utilizadas as taxas de fluxo anteriores: 0,0439, 0,0881 e 0,1323 gal/seg para as baixas, médias e altas taxas de fluxo de MEG, respectivamente.
Como anterior, registo as taxas de fluxo volumoso e a diferença de temperatura no termopar para cada corrida.
Quando terminar, desligue o instrumento.
1. Feche as válvulas para parar o fluxo de vapor, monoetileno glicol e água.
2. Desligue o interruptor principal.

3. Cálculos

Use a Equação 1 para calcular o calor total transferido, Q, com a diferença de temperatura lida dos termopares (dispositivos usados para medir a temperatura) e as dimensões físicas conhecidas do trocador de calor (encontrado no manual do usuário para a unidade em funcionamento). As diferenças de temperatura podem ser retiradas das leituras de temperatura de cada corrida.
Calcule o calor transferido para cada execução de teste único, e use o método de enredo de Wilson para encontrar os coeficientes de transferência de calor para as três taxas de fluxo MEG.
Compare o calor calculado transferido e o número de Reynolds com os valores teóricos do trocador de calor sem barbatanas.

Os trocadores de calor transferem calor entre duas espécies e são usados para uma grande variedade de aplicações de radiadores de carros para plantas químicas de grande escala. Existem muitos projetos de trocadores de calor, incluindo trocadores de conchas e tubos e trocadores de tubos. Para estes, uma matriz de tubos e barbatanas é usada para transferir calor do fluido quente para o fluido frio. A compreensão da eficiência da transferência de calor é importante para a otimização do design do trocador de calor e sua integração em sistemas maiores. Este vídeo ilustrará os princípios dos trocadores de calor, demonstrará como calcular o coeficiente e eficiência da transferência de calor para um trocador de calor de tubos e discutir aplicações relacionadas.

Agora, vamos ver como os trocadores de calor trabalham e examinar os princípios que regem sua eficiência. A transferência de calor em um trocador de calor é gerada por espécies fluidas em contato próximo que são separadas por uma barreira física. Eles podem fluir paralelamente ou contra-atacar atualmente um ao outro. A troca de calor é impulsionada por diferenças de temperatura local entre os fluidos. O mais quente dos dois fluidos que entram no trocador de calor sairá com uma temperatura reduzida, enquanto o mais frio sairá com uma temperatura aumentada. A eficiência da transferência de calor pode ser aumentada pela adição de aletas à área de fluxo, o que aumenta a área de superfície disponível para transferência de calor. No entanto, as aletas adicionadas também diminuem a região através da qual o fluido flui, fornecendo mais superfícies para camadas de fronteira se formarem. Uma camada de limite é a fina camada de fluido em contato com a superfície que é afetada pelas forças de corte. Quando a camada de fronteira é laminar, há muito pouca mistura e a transferência de calor é inibida. Em taxas de fluxo mais altas, ou distâncias mais longas, o fluxo laminar quebra e transita para um fluxo turbulento onde o fluido a granel se mistura de forma mais eficaz. Durante a operação de estado estável, o calor total transferido, Q, pode ser calculado usando o coeficiente global de transferência de calor U, a área através da qual o calor flui, A e delta TLM, a diferença de temperatura média logarítmica entre o fluxo de fluido a granel e a superfície térmica. UA é a condução geral e é uma medida da capacidade de transferência de calor de um trocador de calor. O coeficiente geral de transferência de calor é determinado por esta equação que leva em conta as áreas superficiais do tubo e das aletas, os coeficientes de transferência de calor e a condutividade térmica e espessura do tubo. O coeficiente de transferência de calor é estimado a partir de dados experimentais usando métodos gráficos como o enredo de Wilson que traça a recíproca da condutância global versus uma sobre o Reynolds elevado para a potência de oito décimos. A regressão linear é usada para resolver para os coeficientes de transferência de calor. O número do reynold a- inacular é a ração de forças inerciais para forças viscosas e usado para descrever o padrão de fluxo. Onde D é o diâmetro equivalente do tubo, G é a velocidade de massa do fluido e Mu é a viscosidade do fluido. Um número maior de Reynold indica um fluxo mais turbulento, maior mistura de fluidos e maior transferência de calor. Agora que você entende como calcular os coeficientes de transferência de calor e os números de Reynold, vamos avaliar a eficiência de transferência de calor de um trocador de calor de tubo afirmado variando as taxas de fluxo de água e monoetilenglicol.

Antes de começar, familiarize-se com o aparelho de trocador de calor do tubo. Abra a válvula de carga, inicie a unidade e aguarde a formação do vapor. Usando um cronômetro e o medidor, determine a taxa de fluxo de água. Inicie o cronômetro e monitore o medidor exibindo o volume de água. Pare o cronômetro depois de 30 segundos. Regisso volume total de água no medidor e divida o volume pelo tempo medido. Em seguida, leia a taxa de fluxo MEG no visor. Quando os 30 segundos para o cálculo da taxa de fluxo tiverem passado, regissurre a temperatura dos termopares.

Agora, varie as taxas de fluxo para obter dados para seis corridas únicas. Cada corrida consiste em uma água definida e taxa de fluxo MEG. Defina a vazão de água para alta ou baixa e execute-a com uma taxa de fluxo alta, média ou baixa de MEG para um total de seis corridas. Repita o mesmo procedimento acima para que cada vazão regisse regisão das taxas de fluxo volumétrico de água e MEG e a diferença de temperatura do termopar. Quando terminar, desligue o instrumento. Feche as válvulas para o vapor, glicol e fluxo de água. Em seguida, desligue o interruptor principal.

Para calcular o calor total transferido, Q, para cada corrida, utilize as diferenças de temperatura obtidas de cada experimento e os parâmetros físicos do monoetilenglicol. Em seguida, determine o número do Reynold para cada corrida única usando as dimensões do tubo e a velocidade de massa e viscosidade da água.

Agora vamos comparar os resultados com os valores teóricos do trocador de calor sem barbatanas. Uma trama de Wilson foi usada para determinar os coeficientes de transferência de calor, plotando um sobre UA, contra um sobre o número do Reynold elevado à potência de oito décimos e relacionando o ajuste linear à equação para o coeficiente geral de transferência de calor. As linhas azul, vermelha e verde indicam as altas, médias e baixas taxas de fluxo monoetilenglicol no experimento. Quando comparado a um tubo não-afiado, o tubo não atingiu o fluxo turbulento. As aletas fornecem superfícies adicionais para que as camadas de fronteira se formem e mantenham o monoetileno glicol em um regime de fluxo mais laminar. No entanto, ao comparar o calor transferido entre o trocador com e sem aletas em diferentes taxas de fluxo MEG, é claro que um tubo finned transferiu mais calor do que um tubo sem aletas nas mesmas configurações operacionais. A transferência de calor é mais eficaz com uma área de superfície maior, apesar do fato de que os tubos de finned induzem o fluxo laminar, sua eficiência térmica foi muito maior do que para o tubo não-finned.

Os trocadores de calor são usados em uma variedade de configurações para transferir calor de uma espécie para outra. Em todos os edifícios, os trocadores de calor fazem parte dos sistemas de aquecimento e ar condicionado para regular a temperatura. Eles também são usados para controlar a temperatura do paciente central em ambientes de cuidados críticos, como após parada cardíaca, febre neurogênica ou cirurgia. Os trocadores de calor também são usados em pequena escala na desnatura e precipitação térmica de proteínas de extratos vegetais. Esta técnica foi utilizada na extração de um candidato à vacina malária de plantas transgênicas de tabaco para reduzir a concentração de proteínas de células hospedeiras.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE aos trocadores de calor de tubos. Agora você deve entender os princípios da transferência de calor, ser capaz de avaliar a eficiência térmica e conhecer várias aplicações de trocadores de calor em vários processos. Obrigado por assistir.

Results

O trocador de calor do tubo não atingiu o fluxo turbulento(Figura 2). As barbatanas fornecem superfícies adicionais nas quais as camadas de fronteira se formam, como é conhecida através da teoria do fluxo laminar e turbulento. Se o fluido não estiver em velocidade suficiente, o fluido não atingirá turbulência. As camadas de fronteira entre as barbatanas se sobrepõem na região laminar, de modo que o fluido permanecerá laminar.

Figura 2: Números de Reynolds para cada configuração.

Foi comparada a quantidade de calor transferido, Q, nos tubos com e sem aletas em diferentes vazões de MEG (Figura 3). Os resultados mostram que um tubo de finned transfere mais calor do que um tubo sem aletas nas mesmas condições de operação. Neste experimento, as barbatanas claramente melhoraram a transferência de calor. Isso ocorre porque a transferência de calor é mais eficaz quando há uma maior área de superfície disponível. O trocador de calor do tubo finned transferiu mais calor(Figura 3),apesar do menor número de Reynolds(Figura 2).

Figura 3: Calor transferido entre cambistas com e sem aletas a cada vazão.

Applications and Summary

Os trocadores de calor são usados em uma variedade de indústrias, incluindo agricultura, produção química e HVAC. O objetivo deste experimento era testar a eficiência de transferência de calor de um trocador de calor de tubos de finned e compará-lo com a eficiência teórica de um trocador de calor sem aletas. Os dados experimentais foram medidos para três diferentes taxas de fluxo de monoetileno glicol (MEG) e duas taxas únicas de fluxo de água para cada taxa de fluxo MEG utilizada. O número do Reynold foi determinado para o fluxo com e sem as aletas e foi usado para calcular o coeficiente de transferência de calor, área de superfície e eficiência de barbatana para cada execução única de ensaio. Esses dados foram utilizados para avaliar se o fluxo turbulento é possível sem as aletas e sob qual conjunto de condições de ensaio ocorre a maior transferência de calor. Os tubos de finned não atingiram fluxo turbulento. Os resultados mostraram que um tubo de barbatana vai transferir mais calor do que um tubo sem aletas nas mesmas condições de funcionamento porque o fluxo de MEG através do trocador de calor não atingirá a turbulência.

Na indústria agrícola, os trocadores de calor são utilizados no processamento de açúcar e etanol². Ambos os produtos são transformados em um suco, que deve ser aquecido para ser processado ainda mais². Os trocadores de calor são usados no aquecimento dos sucos para esclarecimento². Uma vez que os sucos tenham sido transformados em xaropes uniformes, é necessário um aquecimento adicional com os trocadores para continuar o processamento e formar melaço². O melaço é resfriado usando trocadores de calor, após o qual pode ser armazenado para processamento posterior².

Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado, juntos conhecidos como HVAC, todos fazem uso de trocadores de calor³. As unidades de ar condicionado e aquecimento domésticos fazem uso de trocadores de calor³. Em ambientes maiores, plantas químicas, hospitais e centros de transporte fazem uso de um trocador de calor semelhante HVAC, em uma escala muito maior³. Na indústria química, os trocadores de calor são usados para aquecer e resfriar uma grande variedade de processos⁴. Fermentação, destilação e fragmentação fazem uso de trocadores de calor⁴. Ainda mais processos como retificação e purificação requerem trocadores de calor⁴.

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.

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