Испытание эффективности теплопередачи теплообменника с оребренными трубами

Теплообменники передают тепло между двумя типами и используются для широкого спектра применений, от автомобильных радиаторов до крупных химических заводов. Существует множество конструкций теплообменников, включая кожухотрубные теплообменники и теплообменники с оребренными трубами. Для этого используется множество трубок и ребер для передачи тепла от горячей жидкости к холодной. Понимание эффективности теплопередачи важно для оптимизации конструкции теплообменников и их интеграции в более крупные системы. В этом видео будут проиллюстрированы принципы работы теплообменников, продемонстрировано, как рассчитать коэффициент теплопередачи и эффективность теплообменника с оребренными трубами, а также обсуждены связанные с этим области применения.

Теперь давайте рассмотрим, как работают теплообменники, и рассмотрим принципы, определяющие их эффективность. Теплопередача в теплообменнике создается жидкостями, находящимися в тесном контакте и разделенными физическим барьером. Они могут течь как параллельно, так и противоположно друг другу. Теплообмен обусловлен локальной разницей температур между жидкостями. Более горячая из двух жидкостей, входящих в теплообменник, будет выходить с пониженной температурой, тогда как более холодная будет выходить с повышенной температурой. Эффективность теплопередачи может быть увеличена за счет добавления ребер к площади потока, что увеличивает площадь поверхности, доступной для теплопередачи. Тем не менее, добавленные ребра также уменьшают область, через которую протекает жидкость, обеспечивая больше поверхностей для формирования пограничных слоев. Пограничный слой — это тонкий слой жидкости, контактирующий с поверхностью, на который действуют силы сдвига. Когда пограничный слой ламинарный, происходит очень небольшое перемешивание и передача тепла тормозится. При более высоких скоростях потока или на больших расстояниях ламинарный поток прерывается и переходит в турбулентный поток, в котором объемная жидкость смешивается более эффективно. В установившемся режиме работы общая теплопередача, Q, может быть рассчитана с использованием общего коэффициента теплопередачи U, площади, через которую протекает тепло, A и дельта TLM, логарифмической средней разницы температур между потоком объемной жидкости и тепловой поверхностью. UA — это общая проводимость и мера теплообменной способности теплообменника. Общий коэффициент теплопередачи определяется этим уравнением, которое учитывает площадь поверхности трубы и ребер, коэффициенты теплопередачи, а также теплопроводность и толщину трубы. Коэффициент теплопередачи оценивается по экспериментальным данным с использованием графических методов, таких как график Вильсона, который отображает обратную величину общей проводимости по отношению к коэффициенту Рейнольдса, увеличенному до восьми десятых степени. Линейная регрессия используется для расчета коэффициентов теплопередачи. Безразмерное число Рейнольдса представляет собой отношение сил инерции к вязким силам и используется для описания картины течения. Где D — эквивалентный диаметр трубы, G — массовая скорость жидкости, а Mu — вязкость жидкости. Более высокое число Рейнольдса указывает на более турбулентный поток, большее перемешивание жидкостей и повышенную теплопередачу. Теперь, когда вы понимаете, как рассчитать коэффициенты теплопередачи и числа Рейнольдса, давайте оценим эффективность теплопередачи теплообменника с оребренными трубами, варьируя расход воды и моноэтиленгликоля.

Прежде чем приступить к работе, ознакомьтесь с аппаратом теплообменника с оребренными трубами. Откройте клапан наддува, запустите агрегат и подождите, пока не начнет образовываться пар. С помощью секундомера и манометра определите расход воды. Запустите секундомер и следите за датчиком, показывающим объем воды. Остановите секундомер через 30 секунд. Запишите общий объем воды на манометре и разделите объем на измеренное время. Далее считайте расход МЭГ на дисплее. По истечении 30 секунд для расчета расхода запишите температуру с термопар.

Теперь измените скорость потока, чтобы получить данные для шести уникальных прогонов. Каждый прогон состоит из заданного расхода воды и МЭГ. Установите высокий или низкий расход воды и запустите его с высоким, средним или низким расходом MEG в общей сложности шесть запусков. Повторите ту же процедуру, описанную выше, для каждого расхода, чтобы записать объемные расход воды и МЭГ и разницу температур от термопары. Когда закончите, выключите прибор. Закройте клапаны для потока пара, гликоля и воды. Затем выключите главный выключатель.

Для расчета суммарной теплоотдачи Q, для каждого прогона используют полученные разности температур из каждого эксперимента и физические параметры моноэтиленгликола. Затем определите число Рейнольдса для каждого уникального прогона, используя размеры трубы и массу, скорость и вязкость воды.

Теперь сравним результаты с теоретическими значениями теплообменника без ребер. График Вильсона был использован для определения коэффициентов теплопередачи путем построения графика одного над UA против одного над числом Рейнольдса, возведенным в степень восьми десятых, и соотнесением линейной аппроксимации с уравнением для общего коэффициента теплопередачи. Синяя, красная и зеленая линии указывают на высокие, средние и низкие скорости потока моноэтиленгликоля в эксперименте. По сравнению с трубой без ребра, труба с оребренным покрытием не достигала турбулентного потока. Ребра обеспечивают дополнительные поверхности для формирования пограничных слоев и поддержания моноэтиленгликоля в более ламинарном режиме потока. Однако при сравнении теплопередачи, передаваемой между теплообменником с ребрами и без них при разных скоростях потока МЭГ, становится ясно, что труба с оребренными стеклами передавала больше тепла, чем труба без оребрения при тех же рабочих настройках. Теплообмен более эффективен при большей площади поверхности, несмотря на то, что оребренные трубы индуцируют ламинарное течение, их тепловая эффективность была значительно выше, чем у неоребренных труб.

Теплообменники используются в различных условиях для передачи тепла от одного вида к другому. Во всех зданиях теплообменники являются частью систем отопления и кондиционирования воздуха для регулирования температуры. Они также используются для контроля температуры тела пациента в условиях интенсивной терапии, например, после остановки сердца, нейрогенной лихорадки или хирургического вмешательства. Теплообменники также используются в небольших масштабах для денатурации и выпадения в осадок белков из растительных экстрактов. Этот метод был использован при экстракции кандидата в противомалярийную вакцину из трансгенных растений табака для снижения концентрации белков клеток хозяина.

Вы только что посмотрели презентацию компании JoVE о теплообменниках с оребренными трубами. Теперь вы должны понимать принципы теплообмена, уметь оценивать тепловую эффективность и знать несколько применений теплообменников в различных процессах. Спасибо за просмотр.