测试芬管热交换器的传热效率

Chemical Engineering

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Overview

资料来源:迈克尔·本顿和克里·杜利,路易斯安那州立大学化学工程系,巴吞鲁日,洛杉矶

换热器将热量从一种流体传输到另一种流体。存在多类热交换器,以满足不同的需求。一些最常见的类型是壳和管交换器和板交换器1。外壳和管式换热器使用流体流1的管系统。一组管包含要冷却或加热的液体,而第二组包含的液体要么吸收热量,要么传输热量1。板式换热器使用类似的概念,其中板紧密地连接在一起,每个之间的小间隙,液体流动1。在板块之间流动的流体在热和冷之间交替,这样热量就会进入或流出必要的溪流1。这些交换器具有较大的表面面积,因此通常效率更高

本实验的目的是测试翅管热交换器的传热效率(图1),并将其与无翅片的热交换器的理论效率进行比较。实验数据将测量单二醇(MEG)的三种不同流速。每个 MEG 流速将采用两种不同的水流量。使用威尔逊绘图方法,将从实验数据中确定传热系数。此外,Reynold 的数量和传输的热量将比较带和不使用散热片的流量,以评估传热效率。

Figure 1
图1:芬管换热器。1) MEG 出水温度 2) 进水温度 3) MEG 入口温度 4) 出水口温度 5) 水表 6) MEG 积累目视玻璃/气缸。

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JoVE Science Education Database. 化学工程. 测试芬管热交换器的传热效率. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

热交换器在两种或两种以上流体之间传递热量。交换器使用流体物种,这些流体在提供热量的相反流中单独流动。翅片可以添加到流动区域,以方便更多的传热,因为它们增加了可用于转移的表面面积。添加的鳍减小物种流经的面积,并提供更多的边界层可以形成的表面,从而产生湍流的较少。流湍流越小,其边界层就越大。边界层抑制传热,因此湍流较少,热量传递较少。当边界层是层压时,混合很少。

在计算总传热时,使用热量可流区与传热系数之间的关系。这种关系通过公式 1 计算:

Equation 1(1)

其中Q是热传递 (Btu/hr),U 是总体传热系数,A是传热的区域 (英尺2),\TLM是对数平均温差。

总传热系数方程为:

Equation 2(2)

其中 Ab是裸露内管的表面面积,af是翅片的表面面积,ALM是对数均值面积差,A 是管道的表面面积(o = 外部,i = 内部),管道的厚度为 ±x,k 是管道的导热性,h = 单个传热系数。(o=外部,i=内部)

Wilson 绘图方法使用实验数据从 MEG 流上的典型能量平衡中查找 UoAo,并绘制其对等到内管的 1/Re0.8。通过拟合一条直线并查找与传热系数相关的 y 截距,并在上述方程右侧的前两个术语中进行了描述。典型的纵向矩形轮廓散热片效率方程作为第二个方程,通过最小化目标函数的平方和来求解传热系数和翅片效率。该方法适用于水流量不同的MEG流况。

为了计算传热系数,使用雷诺数,由以下方程给出:

Equation 3(3)

其中 G 是流体流动的质量速度,D 是流体流动的管道直径(Deq,等效直径将替换为 D 以计算鳍),α 是流体的粘度。纵向矩形轮廓翅片的翅片效率方程为:

Equation 4(4)

其中 m 为 +(2h/kt),h 是传热系数,k 是管道的导热性,t 是翅片的厚度,b 是翅片的高度。

Procedure

1. 启动和流速确定

  1. 打开蒸汽发生器下方的充电阀。
  2. 启动装置,让蒸汽开始成型 15 分钟。
  3. 计算水的流速
    1. 启动秒表并监控显示水量的仪表。
    2. 30 秒后停止手表,并记录仪表上显示的总水量。
    3. 将水量除以时间以确定体积流速。
  4. 从流量计记录 MEG 流速。
  5. 观察热电偶的温度,并记录值。

2. 改变流速并关闭

  1. 要收集 6 次不同流量的数据,请将水的流速设置为高或低流量,然后以 MEG 的高、中或低流速运行。
    1. 作为参考,对于 MEG 的低、中、高流速,已使用以前的流速:0.0439、0.0881 和 0.1323 gal/sec。
  2. 与之前一样,记录每次运行的热电偶上的体积流量和温差。
  3. 完成后,关闭仪器。
    1. 关闭阀门以停止蒸汽、单醇和水的流动。
    2. 关闭主开关。

3. 计算

  1. 使用公式 1 计算总传热传输 Q,从热电偶(用于测量温度的设备)读取温差和热交换器的已知物理尺寸(见所操作装置的用户手册)).温差可以从每次运行的温度读数中获取。
  2. 计算每个唯一试运行所传输的热量,并使用 Wilson 绘图方法查找三个 MEG 流速的传热系数。
  3. 将计算的热传输和雷诺数与无散热片的热交换器的理论值进行比较。

热交换器在两种产品之间传递热量,并用于从汽车散热器到大型化工厂的各种应用。有许多热交换器设计,包括外壳和管交换器以及翅管交换器。对于这些,使用一系列管和鳍将热量从热流体传输到冷流体。了解传热效率对于热交换器设计优化及其集成到更大的系统中非常重要。本视频将说明热交换器的原理,演示如何计算翅片管热交换器的传热系数和效率,并讨论相关应用。

现在,让我们来看看热交换器是如何工作的,并检查了控制其效率的原则。热交换器中的传热是由密切接触的流体物种产生的,这些流体被物理屏障隔开。它们可以并行或计数器当前相互流动。热交换是由流体之间的局部温差驱动的。进入热交换器的两种流体中较热的液体将随着温度降低而排出,而较冷的液体将随着温度升高而排出。通过在流动区域添加散热片,可以增加可用于传热的表面面积,从而提高传热效率。但是,添加的鳍也会减少流体流过的区域,为边界层形成提供更多表面。边界层是受剪切力影响的与表面接触的细流体层。当边界层是层压时,混合很少,热传递被抑制。在较高的流速或更长的距离时,层流分解并过渡到湍流,使散装流体更有效地混合。在稳定状态运行期间,可以使用总传热系数 U、热流区域、A 和增量 TLM、散装流体流量与热的对数平均温差来计算总传热量 Q表面。UA 是整体电导,是热交换器传热能力的度量。总体传热系数由此方程确定,该方程考虑管道和散热片的表面面积、传热系数以及管道的导热性和厚度。传热系数是使用图形方法(如 Wilson 绘图)从实验数据中估计的,该图绘制了总体电导的倒数,而雷诺兹的功率为十分之八。线性回归用于求解传热系数。无尺寸雷诺数是惯性力与粘性力的配给,它用于描述流动模式。其中 D 是管道的等效直径,G 是流体的质量速度,Mu 是流体的粘度。雷诺的数字越高,表示流力更高,流体混合度越高,传热量越大。现在,您已经了解如何计算传热系数和雷诺数,让我们通过更改水和单体胶的流速来评估翅片管热交换器的传热效率。

出发前,请熟悉翅管换热器装置。打开充电阀,启动装置并等待蒸汽开始形成。使用秒表和仪表确定水流速率。启动秒表并监控显示水量的仪表。30 秒后停止秒表。在仪表上记录总水量,并将水量除以测量的时间。接下来,读取显示屏上的 MEG 流速。当流速计算超过 30 秒时,记录来自热电偶的温度。

现在,更改流速以获取六个唯一运行的数据。每个运行由设定的水和 MEG 流速组成。将水流速率设置为高或低,并运行它与高,中或低流量的MEG共六次运行。对每个流速重复上述相同的步骤,以记录水和 MEG 的体积流量以及热电偶的温差。完成后,关闭仪器。关闭蒸汽、乙二醇和水流的阀门。然后关闭主开关。

要计算总传热,Q,对于每次运行,使用从每个实验中获得的温差和单体胶的物理参数。然后,使用管道的尺寸以及水的质量速度和粘度确定每个唯一运行的雷诺数。

现在,让我们将结果与无散热片的热交换器的理论值进行比较。威尔逊图用于通过在 UA 上绘制一个图来确定传热系数,而在 Reynold 的功率提升到八十分之一功率时绘制一个,并将线性拟合与总体传热系数的方程相关联。蓝色、红色和绿色线表示实验中高、中、低单体醇的流速。与非翅管相比,翅管未达到湍流。翅片为边界层提供附加表面,以形成和维护在更层流机制中的单乙二醇。然而,当比较在不同 MEG 流速下带和没有散热片的交换器之间传递的热量时,很明显,在相同的操作环境中,翅片管比没有散热管的管传输更多的热量。传热在更大的表面积下更有效,尽管翅片管能引起层流,但其热效率远远高于非翅管。

热交换器用于各种设置,将热量从一个物种传输到另一个物种。在所有建筑物中,热交换器都是加热和空调系统的一部分,用于调节温度。它们还用于控制关键护理环境中的核心患者温度,例如心脏骤停、神经原热或手术后。热交换器也用于小规模的植物提取物中蛋白质的变性和热沉淀。该技术用于从转基因烟草植物中提取疟疾疫苗候选物,以降低宿主细胞蛋白的浓度。

您刚刚观看了 JoVE 对翅管热交换器的介绍。现在,您应该了解传热原理,能够评估热效率,并了解热交换器在各种工艺中的多种应用。谢谢你的收看。

Results

翅管换热器未达到湍流(图2)。鳍提供边界层形成的附加表面,通过层压和湍流理论。如果流体速度不够快,流体就不会达到湍流。鳍之间的边界层在层压区域重叠,因此流体将保持层状。

Figure 2
2:每个设置的雷诺数。

比较了在MEG不同流速下带和没有翅片的管内传热量(图3)。结果表明,在相同的操作条件下,翅片管比没有鳍的管输送更多的热量。在这个实验中,散热片明显改善了传热。这是因为当可用表面积更大时,传热更有效。芬管热交换器传输更多的热量(图3),尽管雷诺数较低(图2)。

Figure 3
3:每个流速在带和没有散热片的交换器之间传递的热量。

Applications and Summary

热交换器用于各种行业,包括农业、化工生产和暖通空调。本实验的目的是测试翅管热交换器的传热效率,并将其与无翅片的热交换器的理论效率进行比较。对单乙二醇(MEG)的三种不同流速和两个用于每次MEG流速的独特水流率进行了实验数据测量。Reynold 的编号被确定为带散热片和无翅片的流量,用于计算每次唯一试运行的传热系数、表面积和翅片效率。这些数据用于评估如果没有翅片,以及在哪些试验条件下发生传热,是否可能存在湍流。翅管没有到达湍流。结果表明,在相同的操作条件下,鳍管比没有鳍的管传递更多的热量,因为MEG通过热交换器的流量不会到达湍流。

在农业中,热交换器用于糖和乙醇的加工。这两种产品都加工成果汁,必须加热才能进一步加工2。换热器用于加热果汁以澄清2。一旦果汁被加工成均匀的糖浆,进一步加热与交换器是必要的继续处理和形成糖蜜2。糖蜜使用热交换器冷却,之后可以储存,以便以后处理2。

加热、通风和空调系统,共同称为HVAC,都使用热交换器3。家用空调和暖气装置使用换热器3。在较大的环境中,化工厂、医院和运输中心都使用类似的热交换器 HVAC,其规模要大得多在化工行业,热交换器用于加热和冷却各种工艺4。发酵、蒸馏和破碎都使用热交换器4。甚至更多的过程,如整流和净化需要热交换器4。

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. 启动和流速确定

  1. 打开蒸汽发生器下方的充电阀。
  2. 启动装置,让蒸汽开始成型 15 分钟。
  3. 计算水的流速
    1. 启动秒表并监控显示水量的仪表。
    2. 30 秒后停止手表,并记录仪表上显示的总水量。
    3. 将水量除以时间以确定体积流速。
  4. 从流量计记录 MEG 流速。
  5. 观察热电偶的温度,并记录值。

2. 改变流速并关闭

  1. 要收集 6 次不同流量的数据,请将水的流速设置为高或低流量,然后以 MEG 的高、中或低流速运行。
    1. 作为参考,对于 MEG 的低、中、高流速,已使用以前的流速:0.0439、0.0881 和 0.1323 gal/sec。
  2. 与之前一样,记录每次运行的热电偶上的体积流量和温差。
  3. 完成后,关闭仪器。
    1. 关闭阀门以停止蒸汽、单醇和水的流动。
    2. 关闭主开关。

3. 计算

  1. 使用公式 1 计算总传热传输 Q,从热电偶(用于测量温度的设备)读取温差和热交换器的已知物理尺寸(见所操作装置的用户手册)).温差可以从每次运行的温度读数中获取。
  2. 计算每个唯一试运行所传输的热量,并使用 Wilson 绘图方法查找三个 MEG 流速的传热系数。
  3. 将计算的热传输和雷诺数与无散热片的热交换器的理论值进行比较。

热交换器在两种产品之间传递热量,并用于从汽车散热器到大型化工厂的各种应用。有许多热交换器设计,包括外壳和管交换器以及翅管交换器。对于这些,使用一系列管和鳍将热量从热流体传输到冷流体。了解传热效率对于热交换器设计优化及其集成到更大的系统中非常重要。本视频将说明热交换器的原理,演示如何计算翅片管热交换器的传热系数和效率,并讨论相关应用。

现在,让我们来看看热交换器是如何工作的,并检查了控制其效率的原则。热交换器中的传热是由密切接触的流体物种产生的,这些流体被物理屏障隔开。它们可以并行或计数器当前相互流动。热交换是由流体之间的局部温差驱动的。进入热交换器的两种流体中较热的液体将随着温度降低而排出,而较冷的液体将随着温度升高而排出。通过在流动区域添加散热片,可以增加可用于传热的表面面积,从而提高传热效率。但是,添加的鳍也会减少流体流过的区域,为边界层形成提供更多表面。边界层是受剪切力影响的与表面接触的细流体层。当边界层是层压时,混合很少,热传递被抑制。在较高的流速或更长的距离时,层流分解并过渡到湍流,使散装流体更有效地混合。在稳定状态运行期间,可以使用总传热系数 U、热流区域、A 和增量 TLM、散装流体流量与热的对数平均温差来计算总传热量 Q表面。UA 是整体电导,是热交换器传热能力的度量。总体传热系数由此方程确定,该方程考虑管道和散热片的表面面积、传热系数以及管道的导热性和厚度。传热系数是使用图形方法(如 Wilson 绘图)从实验数据中估计的,该图绘制了总体电导的倒数,而雷诺兹的功率为十分之八。线性回归用于求解传热系数。无尺寸雷诺数是惯性力与粘性力的配给,它用于描述流动模式。其中 D 是管道的等效直径,G 是流体的质量速度,Mu 是流体的粘度。雷诺的数字越高,表示流力更高,流体混合度越高,传热量越大。现在,您已经了解如何计算传热系数和雷诺数,让我们通过更改水和单体胶的流速来评估翅片管热交换器的传热效率。

出发前,请熟悉翅管换热器装置。打开充电阀,启动装置并等待蒸汽开始形成。使用秒表和仪表确定水流速率。启动秒表并监控显示水量的仪表。30 秒后停止秒表。在仪表上记录总水量,并将水量除以测量的时间。接下来,读取显示屏上的 MEG 流速。当流速计算超过 30 秒时,记录来自热电偶的温度。

现在,更改流速以获取六个唯一运行的数据。每个运行由设定的水和 MEG 流速组成。将水流速率设置为高或低,并运行它与高,中或低流量的MEG共六次运行。对每个流速重复上述相同的步骤,以记录水和 MEG 的体积流量以及热电偶的温差。完成后,关闭仪器。关闭蒸汽、乙二醇和水流的阀门。然后关闭主开关。

要计算总传热,Q,对于每次运行,使用从每个实验中获得的温差和单体胶的物理参数。然后,使用管道的尺寸以及水的质量速度和粘度确定每个唯一运行的雷诺数。

现在,让我们将结果与无散热片的热交换器的理论值进行比较。威尔逊图用于通过在 UA 上绘制一个图来确定传热系数,而在 Reynold 的功率提升到八十分之一功率时绘制一个,并将线性拟合与总体传热系数的方程相关联。蓝色、红色和绿色线表示实验中高、中、低单体醇的流速。与非翅管相比,翅管未达到湍流。翅片为边界层提供附加表面,以形成和维护在更层流机制中的单乙二醇。然而,当比较在不同 MEG 流速下带和没有散热片的交换器之间传递的热量时,很明显,在相同的操作环境中,翅片管比没有散热管的管传输更多的热量。传热在更大的表面积下更有效,尽管翅片管能引起层流,但其热效率远远高于非翅管。

热交换器用于各种设置,将热量从一个物种传输到另一个物种。在所有建筑物中,热交换器都是加热和空调系统的一部分,用于调节温度。它们还用于控制关键护理环境中的核心患者温度,例如心脏骤停、神经原热或手术后。热交换器也用于小规模的植物提取物中蛋白质的变性和热沉淀。该技术用于从转基因烟草植物中提取疟疾疫苗候选物,以降低宿主细胞蛋白的浓度。

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