フィン チューブ熱交換器の伝熱効率をテスト

Chemical Engineering
 

Overview

ソース: マイケル g. ベントンとケリー ・ m ・ ドゥーリー、工業化学科、ルイジアナ州立大学、バトン ルージュ, ルイジアナ

熱交換器は、他の流体に液体から熱を転送します。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。いくつかの最も一般的なタイプは、シェルとチューブ交換プレート交換1。シェルとチューブ熱交換器は、チューブを介して流体が流れる1のシステムを使用します。チューブの 1 つのセットには冷却または加熱する液体が入っている、一方 2 番目セットに含まれるいずれか液体1を送信したり熱を吸収します。プレート熱交換器は、プレートが液体フロー1のそれぞれの間の小さなギャップと密接に参加するいると同様の概念を使用します。プレートの間を流れる流体を交互にホットとコールド、熱が必要なストリーム1の内外に移動します。これらの交換器通常より効率的な1であるので大きい表面積があります。

この実験の目的は、フィン チューブ熱交換器 (図 1) の伝熱効率をテストし、熱交換器フィンなしの理論的な効率を比較することです。モノエチレング リコール (MEG) の 3 つの異なる流量の実験データで測定されます。各メグの流量の 2 つ異なる水の流量が使用されます。ウィルソン プロット法を用いた熱伝達係数は、実験データから決定されます。さらに、レイノルズの数と熱転送量が比較されます流と伝熱効率を評価するフィンなし。

Figure 1
図 1: フィン チューブ熱交換器.1) メグ出口温度 2) 水入口温度 3) メグ入口温度 4) 水出口温度 5) 水道メーター 6) メグ蓄積光景ガラス/シリンダー。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 化学工学. フィン チューブ熱交換器の伝熱効率をテスト. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

熱交換器は、2 つ以上の流体の熱を転送します。交換は、熱を提供する反対のストリームから別の宇宙で流れる流体の種を使用します。フィンは、彼らは転移のために利用できる表面積を増やすようにより多くの熱伝達を促進するフロー領域に追加できます。追加フィンは減少、種が流れより多くの表面の境界層を形成できます、結果はより少なく乱流流れを提供する領域です。以下の流れが乱流、大きい境界層があります。境界層は、のでより少ない熱を転送以下の乱流と熱伝達を阻害します。境界層が層流と、非常に小さな混合があります。

熱は、熱伝達率は総熱量を計算する際に使用される領域との関係を転送しました。この関係は、式 1 から計算されます。

Equation 1(1)

Qは、熱転送 (Btu/時) は、 Uは総括伝熱係数、住まいの地域は、熱転送 (ft2) ΔTLM 対数平均温度差です。

全体の熱伝達係数の式は次のとおりです。

Equation 2(2)

bが裸のインナー パイプの表面積は、fはフィンの表面積、LMは対数平均面積差、A はパイプの表面積 (o 外、= = 内側)、パイプの厚さを Δx、k は熱伝導率パイプ

ウィルソン プロット法は、実験データを使用してメグ流 Uoo典型的なエネルギー バランスからを検索し、その逆数 1/内側の0.8再プロット パイプ。直線をフィッティングして y 切片を見つけることにより、熱伝達係数に関連し、上記の式の右側に最初の 2 つの用語で説明。典型的な長方形縦断フィン効率の式は、目的関数の正方形の合計を最小化による熱伝達係数とフィン効率の解決するために 2 番目の方程式として使用されます。このメソッドは、さまざまな水の流量とメグの流れの条件に適用されます。

使用するレイノルズ数熱伝達率を計算するため、次の同等化によって与えられます。

Equation 3(3)

G は液体の質量速度、D は流体が流れる管の直径 (Deq、等価直径フィン付き計算のため D に置き換えられます)、μ は流体の粘度と。長方形縦断フィンのフィン効率式です。

Equation 4(4)

m は √(2h/kt)、h は熱伝達率、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。

Procedure

1. レート決定の流れ、

  1. 蒸気発生器の下にあるチャージ バルブを開きます。
  2. ユニットを起動し、スチームを形成し始めるため 15 分します。
  3. 水の流量を計算します。
    1. ストップウォッチを開始し、水の量を表示するゲージを監視します。
    2. 30 s と記録、ゲージに表示される水の総容積の後時計を停止します。
    3. 体積流量を決定するための時間によって水の量を分割します。
  4. 流量計からメグの流量を記録します。
  5. 熱電対、温度を観察して値を記録します。

2. 変動流量とシャット ダウン

  1. 6 異なる実行のデータを収集、高または低流量に水の流量を設定してそれを高、中、またはメグの低流速率を実行します。
    1. 参考のため、以前の流量が使用されている: 0.0439、0.0881、0.1323 gal/秒低、中、高流量のメグ、それぞれ。
  2. 以前、として体積流量と各実行用熱電対で温度差を記録します。
  3. 完了したら、計測器をシャット ダウンします。
    1. 蒸気、モノエチレング リコール、水の流量を停止するバルブを閉じます。
    2. メイン スイッチをオフにします。

3. 計算

  1. 式 1 を使用して総熱転送、Q 熱電対 (温度の測定に使用するデバイス) と (ユーザー マニュアル、運営されているユニットの熱交換器の既知の物理的な寸法を読み取る温度差を計算).温度差は、各実行の温度の測定値から取ることができます。
  2. それぞれのユニークな試運転のため転送熱を計算し、ウィルソン プロット メソッドを使用して 3 つの MEG 流量熱伝達係数を見つけます。
  3. 転送計算される熱と熱交換器フィンなしの理論値にレイノルズ数を比較します。

熱交換器の転送は 2 種間の熱、車のラジエーターから大規模な化学プラントへのアプリケーションのさまざまな使用されます。シェルとチューブ交換器フィン チューブ交換など多くの熱交換器デザインです。これらの管とフィンの配列を使用して、高温流体から低温流体に熱を転送します。伝熱効率の理解、熱交換器の最適設計と大規模なシステムへの統合のために重要です。このビデオは、熱交換器の原理を説明、熱伝達係数とフィン チューブ熱交換器の効率を計算して、関連アプリケーションを議論する方法を示します。

今、熱交換器をどのように効率性の原則を調べてましょう。熱交換器の熱伝達は物理的な障壁で分離された密接な接触で流体の種によって生成されます。彼らは並列または互いに現在のカウンターのいずれかを流れることができます。熱交換器は流体のローカル温度の違いによって駆動されます。暑い熱交換器に入る 2 つの流体を終了します低温と温度上昇で終了、寒いに対し。熱伝達性の利用できる表面積を高める流れ領域にフィンの添加により伝熱効率が上がります。ただし、追加のフィンも地域が低下が流れる流体、フォームに境界層のより多くの表面を提供します。境界層が力を共有することによって影響を受ける表面と接触する流体の薄い層です。境界層が層流と、非常に小さな混入があるし、熱伝達が阻害されます。高い流動度、または長い距離、層流を分解し、バルク液がより効果的にミックス乱流に遷移。定常状態時に、総熱転送、Q は、総括伝熱係数 U、熱が流れる、領域を使用して計算することができます A とデルタ TLM、対数平均温度差一括流動と熱表面。全体的なコンダクタンスの UA で、熱交換器の熱伝達容量の測定。総括伝熱係数は、パイプとフィン、熱伝達係数と熱伝導率の表面積とパイプの厚さを考慮したこの方程式によって決定されます。熱伝達率は、8 割をあっちにレイノルズ対全体的なコンダクタンスの逆数をプロットするウィルソン プロットで累乗したようグラフィカルな方法を用いた実験データから推定されます。線形回帰を使用して、熱伝達率のために解決します。無次元レイノルズ数は粘性力とフロー パターンを記述するために使用する慣性力の比です。D は、同等の直径とパイプの G は、流体および Mu の質量速度は流体の粘度です。高レイノルズ数乱流より、大きい流体混合と増加熱伝達を示します。熱伝達係数とレイノルズ数を計算する方法を理解すると、今、水と monoetilenglicol の流量を変化させることによりフィン チューブ熱交換器の伝熱効率を評価しましょう。

開始する前にフィン チューブ熱交換器装置を理解します。チャージ バルブを開き、ユニットを起動し、形成し始める蒸気を待ちます。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。あなたのストップウォッチを開始し、水の量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。ゲージ上の水の総量を記録し、測定された時間、ボリュームを分割します。次に、メグの流量表示を読みます。流率計算 30 秒が経過した場合は、熱電対の温度を記録します。

今、六つのユニークな実行のためのデータを取得する流量を異なります。それぞれの実行はメグ流量とセットの水から成っています。高または低のいずれかに水の流量を設定し、6 失点の合計はメグの高、中、または低の流れ速度でそれを実行します。各流量体積流量水とメグと熱電対の温度差を記録するための同じ手順を繰り返します。完了したら、計測器をシャット ダウンします。蒸気、グリコール、水の流れのバルブを閉じます。メイン スイッチをオフにします。

総熱転送を Q、実行ごとを計算するには、各実験、monoetilenglicol の物理的なパラメーターから得られた温度の相違を使用します。その後、レイノルズのパイプと質量と速度の大きさと水の粘度を使用してユニークな実行ごとに番号を決定します。

今結果を熱交換器フィンなしの理論値を比較してみましょう。ウィルソン プロットが対 8 割乗レイノルドの数を 1 つ 1 つの UA、余分をプロットすることによって熱伝達係数を決定するため使用され、合わせて線形に関する総括伝熱係数の方程式。青、赤と緑の線は、実験では、高、中、低 monoetilenglicol の流量を示します。非フィン チューブと比較して、フィン チューブには、乱流が届きませんでした。フィンはフォームに境界層の追加表面を提供しより層流領域における monoetilenglicol を維持します。しかし、熱を比較する異なるメグ流量でフィンと交換の間を転送する場合は、同じ動作設定でフィンなし管よりより多くの熱をフィン チューブに転送明らかです。熱伝達は大きい表面領域より効果的です、にもかかわらず、フィン チューブは薄層流れ、その熱効率を誘発するという事実だった非フィン チューブよりも高いくらい。

熱交換器は、1 つの種から別の熱を転送するさまざまな設定で使用されます。すべての建物、熱交換器は、温度を調節する暖房および冷暖房システムの一部です。また心不全、神経因性の発熱や手術後など、救急医療における患者体温を制御する使用されます。熱交換器は、denature では小規模でも使用され、熱の沈殿物の植物から抽出します。この技術は、ホスト細胞タンパク質の濃度を低減する形質転換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ました。

フィン チューブ熱交換器のゼウスの概要を見てきただけ。原理を理解する必要があります今伝熱、熱効率を評価し、様々 な工程で熱交換器のいくつかのアプリケーションを知っていることができます。見ていただきありがとうございます。

Results

フィン チューブ熱交換器は、乱流 (図 2) には到達しなかった。フィンは、層流と乱流理論によって知られているどの境界層フォームに追加サーフェスを提供します。流体は、十分な速度では、流体は乱流に届かない。流体は層流に残りますので、フィンの間境界層は層流領域に重なります。

Figure 2
図 2: レイノルズ数各設定します

熱の量と管で Q、転送され、メグの異なる流量でフィンなしでした (図 3) を比較します。結果は、同じ動作条件でフィンなし管よりより多くの熱をフィン チューブに転送を示します。この実験では、フィンは明らかに熱伝達を改善しました。これ大きい表面領域がある場合、熱伝達はより効果的なためにです。フィン チューブ熱交換器は、低レイノルズ数 (図 2) にもかかわらずより多くの熱 (図 3) が転送されます。

Figure 3
図 3: 熱交換器各流量でフィンと間で転送します

Applications and Summary

熱交換器は、様々 な産業、農業、化学製品製造、空調設備などで使用されます。この実験の目標は、フィン チューブ熱交換器の伝熱効率をテストし、熱交換器フィンなしの理論的な効率を比較することでした。実験データは、モノエチレング リコール (MEG) の 3 つの異なる流量とメグの流量が使用される各 2 つ独特な水の流量を測定しました。レイノルドの数は流れとフィンなしの熱伝達率、表面積を計算し、各ユニークな試運転のため効率に使用されました。このデータは、乱流は、フィンなしで可能、試験条件のセットの下でほとんどの熱伝達が発生した場合の評価に使用されました。フィン チューブは、乱流には到達しなかった。結果、メグの熱交換器内の流れが乱流に到達しないので、フィン付き管は同じ動作条件でフィンなし管よりより多くの熱が転送されます。

農業業界の熱交換器は、砂糖とエタノール2の処理で使用されます。両方のこれらの製品は、さらに処理2を加熱する必要がありますジュースに処理されます。熱交換器は、明確化2のジュースを加熱に使用されます。でもシロップにジュースを処理した後は、処理と糖蜜2を継続する必要が交換でさらに加熱します。その後2を後で処理するため格納できる熱交換器を使用して糖蜜を冷却します。

暖房、換気、および空調システム、空調、として一緒に知られているすべてを作る熱交換器3の使用します。家庭用エアコンとヒーター、熱交換器3の使用します。大きな値を設定、化学プラント ・病院・交通センターすべて同様熱交換器 HVAC、多くより大きいスケールの3の使用です。化学工業、加熱・冷却プロセス4の大規模な様々 な熱交換器が使用されます。熱交換器4の発酵、蒸留、そしてすべての断片化を使用します。熱交換器4整流と浄化のようなさらに多くのプロセスが必要です。

References

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

1. レート決定の流れ、

  1. 蒸気発生器の下にあるチャージ バルブを開きます。
  2. ユニットを起動し、スチームを形成し始めるため 15 分します。
  3. 水の流量を計算します。
    1. ストップウォッチを開始し、水の量を表示するゲージを監視します。
    2. 30 s と記録、ゲージに表示される水の総容積の後時計を停止します。
    3. 体積流量を決定するための時間によって水の量を分割します。
  4. 流量計からメグの流量を記録します。
  5. 熱電対、温度を観察して値を記録します。

2. 変動流量とシャット ダウン

  1. 6 異なる実行のデータを収集、高または低流量に水の流量を設定してそれを高、中、またはメグの低流速率を実行します。
    1. 参考のため、以前の流量が使用されている: 0.0439、0.0881、0.1323 gal/秒低、中、高流量のメグ、それぞれ。
  2. 以前、として体積流量と各実行用熱電対で温度差を記録します。
  3. 完了したら、計測器をシャット ダウンします。
    1. 蒸気、モノエチレング リコール、水の流量を停止するバルブを閉じます。
    2. メイン スイッチをオフにします。

3. 計算

  1. 式 1 を使用して総熱転送、Q 熱電対 (温度の測定に使用するデバイス) と (ユーザー マニュアル、運営されているユニットの熱交換器の既知の物理的な寸法を読み取る温度差を計算).温度差は、各実行の温度の測定値から取ることができます。
  2. それぞれのユニークな試運転のため転送熱を計算し、ウィルソン プロット メソッドを使用して 3 つの MEG 流量熱伝達係数を見つけます。
  3. 転送計算される熱と熱交換器フィンなしの理論値にレイノルズ数を比較します。

熱交換器の転送は 2 種間の熱、車のラジエーターから大規模な化学プラントへのアプリケーションのさまざまな使用されます。シェルとチューブ交換器フィン チューブ交換など多くの熱交換器デザインです。これらの管とフィンの配列を使用して、高温流体から低温流体に熱を転送します。伝熱効率の理解、熱交換器の最適設計と大規模なシステムへの統合のために重要です。このビデオは、熱交換器の原理を説明、熱伝達係数とフィン チューブ熱交換器の効率を計算して、関連アプリケーションを議論する方法を示します。

今、熱交換器をどのように効率性の原則を調べてましょう。熱交換器の熱伝達は物理的な障壁で分離された密接な接触で流体の種によって生成されます。彼らは並列または互いに現在のカウンターのいずれかを流れることができます。熱交換器は流体のローカル温度の違いによって駆動されます。暑い熱交換器に入る 2 つの流体を終了します低温と温度上昇で終了、寒いに対し。熱伝達性の利用できる表面積を高める流れ領域にフィンの添加により伝熱効率が上がります。ただし、追加のフィンも地域が低下が流れる流体、フォームに境界層のより多くの表面を提供します。境界層が力を共有することによって影響を受ける表面と接触する流体の薄い層です。境界層が層流と、非常に小さな混入があるし、熱伝達が阻害されます。高い流動度、または長い距離、層流を分解し、バルク液がより効果的にミックス乱流に遷移。定常状態時に、総熱転送、Q は、総括伝熱係数 U、熱が流れる、領域を使用して計算することができます A とデルタ TLM、対数平均温度差一括流動と熱表面。全体的なコンダクタンスの UA で、熱交換器の熱伝達容量の測定。総括伝熱係数は、パイプとフィン、熱伝達係数と熱伝導率の表面積とパイプの厚さを考慮したこの方程式によって決定されます。熱伝達率は、8 割をあっちにレイノルズ対全体的なコンダクタンスの逆数をプロットするウィルソン プロットで累乗したようグラフィカルな方法を用いた実験データから推定されます。線形回帰を使用して、熱伝達率のために解決します。無次元レイノルズ数は粘性力とフロー パターンを記述するために使用する慣性力の比です。D は、同等の直径とパイプの G は、流体および Mu の質量速度は流体の粘度です。高レイノルズ数乱流より、大きい流体混合と増加熱伝達を示します。熱伝達係数とレイノルズ数を計算する方法を理解すると、今、水と monoetilenglicol の流量を変化させることによりフィン チューブ熱交換器の伝熱効率を評価しましょう。

開始する前にフィン チューブ熱交換器装置を理解します。チャージ バルブを開き、ユニットを起動し、形成し始める蒸気を待ちます。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。あなたのストップウォッチを開始し、水の量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。ゲージ上の水の総量を記録し、測定された時間、ボリュームを分割します。次に、メグの流量表示を読みます。流率計算 30 秒が経過した場合は、熱電対の温度を記録します。

今、六つのユニークな実行のためのデータを取得する流量を異なります。それぞれの実行はメグ流量とセットの水から成っています。高または低のいずれかに水の流量を設定し、6 失点の合計はメグの高、中、または低の流れ速度でそれを実行します。各流量体積流量水とメグと熱電対の温度差を記録するための同じ手順を繰り返します。完了したら、計測器をシャット ダウンします。蒸気、グリコール、水の流れのバルブを閉じます。メイン スイッチをオフにします。

総熱転送を Q、実行ごとを計算するには、各実験、monoetilenglicol の物理的なパラメーターから得られた温度の相違を使用します。その後、レイノルズのパイプと質量と速度の大きさと水の粘度を使用してユニークな実行ごとに番号を決定します。

今結果を熱交換器フィンなしの理論値を比較してみましょう。ウィルソン プロットが対 8 割乗レイノルドの数を 1 つ 1 つの UA、余分をプロットすることによって熱伝達係数を決定するため使用され、合わせて線形に関する総括伝熱係数の方程式。青、赤と緑の線は、実験では、高、中、低 monoetilenglicol の流量を示します。非フィン チューブと比較して、フィン チューブには、乱流が届きませんでした。フィンはフォームに境界層の追加表面を提供しより層流領域における monoetilenglicol を維持します。しかし、熱を比較する異なるメグ流量でフィンと交換の間を転送する場合は、同じ動作設定でフィンなし管よりより多くの熱をフィン チューブに転送明らかです。熱伝達は大きい表面領域より効果的です、にもかかわらず、フィン チューブは薄層流れ、その熱効率を誘発するという事実だった非フィン チューブよりも高いくらい。

熱交換器は、1 つの種から別の熱を転送するさまざまな設定で使用されます。すべての建物、熱交換器は、温度を調節する暖房および冷暖房システムの一部です。また心不全、神経因性の発熱や手術後など、救急医療における患者体温を制御する使用されます。熱交換器は、denature では小規模でも使用され、熱の沈殿物の植物から抽出します。この技術は、ホスト細胞タンパク質の濃度を低減する形質転換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ました。

フィン チューブ熱交換器のゼウスの概要を見てきただけ。原理を理解する必要があります今伝熱、熱効率を評価し、様々 な工程で熱交換器のいくつかのアプリケーションを知っていることができます。見ていただきありがとうございます。

This article is Free Access.

RECOMMEND JoVE