翅片管式换热器传热效率的测试

Chemical Engineering
 

Overview

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

热交换器将热量从一个流体传递到另一种流体。多类换热器的存在, 以满足不同的需要。一些最常见的类型是壳体和管式换热器和板式换热器1。管壳式换热器使用的管道系统, 流体流经1。一组管子包含液体被冷却或被加热, 而第二个集合包含液体, 将吸收热或传送它1。板式换热器使用一个类似的概念, 其中板块是紧密结合在一起的一个小的间隙之间的液体流动1。在板之间流动的流体交替在热和冷之间, 因此热量将进入或流出必要的小河1。这些交换机具有较大的表面积, 因此它们通常效率更高1

本实验的目的是测试翅片管式换热器的传热效率 (图 1), 并将其与无翅片换热器的理论效率进行比较。实验数据将测量三不同流量的单乙二醇 (MEG)。两个不同的水流速率为每个 MEG 流量将被使用。利用威尔逊图的方法, 从实验数据中确定了传热系数。此外, 雷诺的数量和热量转移将比较的流动与无鳍, 以评估传热效率。

Figure 1
图 1: 翅片管式换热器1) meg 出口温度 2) 进水温度 3) meg 入口温度 4) 出水温度 5) 水表 6) meg 堆积视镜/圆筒。

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JoVE Science Education Database. 化学工程. 翅片管式换热器传热效率的测试. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

热交换器在两个或两个以上的流体之间传递热量。该交换器使用的流体物种, 在一个单独的空间流动, 以提供热量的对立流。鳍可以添加到流动区域, 以促进更多的传热, 因为它们增加了表面积可供转移。所添加的鳍片减少了物种流动的区域, 并提供了边界层可以形成的更多的表面, 从而导致流动不那么剧烈。湍流越小, 边界层就越大。边界层抑制传热, 因此湍流流动较少的热量转移。当边界层为层流时, 混合极少。

热传导面积与传热系数之间的关系, 用于计算总传热量。此关系是通过公式1计算的:

Equation 1(1)

其中, Q是传热 (热/小时), U 是总传热系数, A是热传输区域 (ft2), tLM是对数平均温差。

整体传热系数方程为:

Equation 2(2)

其中,b是裸内部管道的表面区域, 一个f是鳍的表面积, 一个LM是对数平均面积差, a 是管的表面积 (o = 外, i = 内), x 厚度的管道, k 是导热性的管道

威尔逊绘图方法使用实验数据, 从典型的 MEG 流的能量平衡中找到 Uo一个o , 并绘制其倒数到内管的 1/Re0.8 。通过拟合一条直线并找到 y 型截距, 这与传热系数有关, 并在上面等式右侧的前两个术语中描述。利用一个典型的纵向矩形剖面鳍效率方程作为求解传热系数和翅片效率的第二方程, 将目标函数的平方和最小化。该方法适用于不同水流速率的 MEG 流动条件。

为了计算传热系数, 采用了雷诺数, 由以下方程给出:

Equation 3(3)

其中 G 是流体流量的质量流速, d 是流体流动的管道直径 (deq, 等效直径将取代 d 用于计算鳍), 而µ是流体的粘度。纵向矩形剖面翅片效率方程为:

Equation 4(4)

其中 m 为√ (2 h/kt), h 为传热系数, k 为管的导热性, t 为翅片厚度, b 为翅片的高度。

Procedure

1. 启动和流速测定

  1. 打开位于蒸汽发生器下面的电荷阀。
  2. 启动单位, 并允许15分钟的蒸汽开始形成。
  3. 计算水流流速
    1. 启动秒表, 并监控显示水量的仪表。
    2. 在三十年代后停止手表, 记录表上显示的总水量。
    3. 将水量除以时间以确定容积流速。
  4. 记录流量表的 MEG 流量。
  5. 观察热电偶的温度, 并记录其值。

2. 改变流速并关闭

  1. 为了收集6不同的运行数据, 将水的流速设置为高或低流速, 并以高、中、低流量的速度运行。
    1. 为参考, 以前的流速已被使用: 0.0439, 0.0881, 和0.1323 加仑/秒的低, 中, 高流速率分别为 MEG。
  2. 与以往一样, 记录每个运行的热电偶的体积流量和温差。
  3. 完成后, 关闭仪器。
    1. 关闭阀门以停止蒸汽、单乙二醇和水的流速。
    2. 关闭主开关。

3. 计算

  1. 使用等式1计算总热量转移, Q, 从热电偶 (用于测量温度的设备) 和已知的物理尺寸的热交换器 (在用户手册中发现在操作的单位的温度差).温度的差异可以从每个运行的温度读数。
  2. 计算每一个独特的试验运行的热量转移, 并使用威尔逊地块方法找到三 MEG 流速的传热系数。
  3. 将计算的传热和雷诺数与无翅片换热器的理论值进行比较。

热交换器在两个种类之间传递热量, 用于从汽车散热器到大型化工厂的广泛应用。有很多换热器设计, 包括壳管换热器和翅片管换热器。因为这些管子和鳍的阵列被用来把热从热流体转移到冷液中。而对换热器的传热效率的认识对于换热器的设计优化及其与大系统的集成具有重要的意义。本视频将阐述换热器的原理, 说明如何计算翅片管换热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, 并检查控制它们效率的原理。换热器中的传热是由与物理屏障分离的紧密接触的流体物种产生的。它们可以平行流动或逆流而上。热交换器由局部温差驱动的流体之间的差异。进入热交换器的两个流体的热会随着温度的降低而退出, 而冷则会随着温度的升高而退出。通过增加翅片的流动面积增加了传热效率, 提高了热传递的表面积。然而, 增加的鳍也会减少流体流经的区域, 从而为边界层形成更多的表面。边界层是与表面接触的薄层流体, 受共享力的影响。当边界层为层流时, 混合极少, 热传导受到抑制。在较高的流速, 或更长的距离, 层流分解和过渡到一个湍流流动的散装流体更有效地混合。在稳态运行过程中, 可以利用总传热系数 U、热流动面积、A 和三角洲 TLM、容积流体流量与热的对数平均温差来计算全热传递量。表面.UA 是总电导率, 是热交换器传热能力的量度。整个传热系数是由该方程决定的, 它考虑了管道和翅片的表面积、传热系数以及管道的热导率和厚度。从实验数据中计算出传热系数, 使用图形方法, 如威尔逊地块, 绘制出总电导率与雷诺数之间的倒数, 对8/10 的幂。采用线性回归方法求解传热系数。无量纲雷诺的数是惯性力对粘性力的定量, 它用来描述流型。其中 D 是管道的等效直径, G 是流体的质量速度, 而 Mu 是流体的粘度。一个更高的雷诺的数字表明更湍流, 更大的流体混合和增加传热。现在, 您了解如何计算传热系数和雷诺的数字, 让我们评估翅片管换热器的传热效率, 改变流速的水和 monoetilenglicol。

在开始之前, 熟悉翅片管换热器设备。打开充电阀, 启动装置, 等待蒸汽开始成型。使用秒表和量规, 确定水流流速。开始你的秒表和监测显示的水量量表。30秒后停止秒表记录测量仪上的总水量, 并按所测时间除以体积。接下来, 阅读显示的 MEG 流量。当30秒的流量计算已经通过, 记录的温度从热电偶。

现在, 更改流率以获取六唯一运行的数据。每个运行由一个集水和 MEG 流速。将水流率设置为高或低, 并以高、中、低流速运行, 共六运行。对每个流速重复上述步骤, 以记录水和 MEG 的容积流量和热电偶的温差。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。

为了计算每一个运行的总热量, 请使用每个实验所得到的温度差和 monoetilenglicol 的物理参数。然后, 使用管道的尺寸和水的质量速度和粘度确定每个唯一运行的雷诺的编号。

现在让我们把结果与无翅式换热器的理论值进行比较。威尔逊阴谋被用来确定的传热系数, 通过绘制一个超过 UA, 与一个超过雷诺的数字, 提高到8/10 的功率, 并与线性拟合方程的整体传热系数。蓝色、红色和绿色线表示实验中的高、中、低 monoetilenglicol 流率。与非翅片管相比, 翅片管没有达到紊流。鳍为边界层提供额外的表面, 以形成和维持 monoetilenglicol 在一个更层流的流动制度。然而, 当比较在不同的 MEG 流速下的换热器之间的热量转移, 很明显, 翅片管转移更多的热量比管没有鳍在相同的操作设置。在较大的表面积下, 传热效率更高, 尽管翅片管诱导层流, 其热效率远高于非翅片管。

热交换器用于各种设置, 以将热量从一个物种转移到另一个种类。在所有建筑物中, 热交换器是加热和空调系统的一部分, 用来调节温度。他们也被用来控制核心病人的体温在关键的护理设置, 如心脏骤停, 神经源性发热或手术。热交换器也用于小规模的变性和热沉淀的蛋白质从植物提取物。该技术用于从转基因烟草植物中提取疟疾候选疫苗, 以降低宿主细胞蛋白的浓度。

你刚刚看了朱庇特的介绍翅片管换热器。您现在应该了解传热的原理, 能够评估热效率, 并了解各种工艺中换热器的几种应用。谢谢收看

Results

翅片管换热器没有达到湍流流 (图 2)。鳍提供额外的表面上的边界层形成, 如已知的层流和湍流流理论。如果流体没有足够的速度, 流体不会到达湍流。边界层之间的鳍重叠在层流区, 所以流体将保持层流。

Figure 2
图 2: 每个设置的雷诺数.

比较了 MEG 在不同流速下的管内有无翅片的传热量 (图 3)。结果表明, 在相同的操作条件下, 翅片管比无翅片管的传热更热。在本实验中, 翅片明显改善了传热。这是因为当有更大的表面积时, 传热更有效。翅片管热交换器转移更多的热量 (图 3), 尽管雷诺数较低 (图 2)。

Figure 3
图 3: 在每个流量速率下, 在与无翅片的换热器之间进行传热.

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片管换热器的传热效率, 并将其与无翅片换热器的理论效率进行比较。实验数据测量了三不同流量的单乙二醇 (meg) 和两个独特的水流速率的每一个 meg 流量使用。雷诺的数量是确定的流动与无鳍, 并用于计算传热系数, 表面积, 和鳍效率为每一个独特的试验运行。这一数据被用来评估, 如果没有鳍的湍流流动是可能的, 在哪一组试验条件下最热转移发生。翅片管没有达到紊流。结果表明, 在相同的工作条件下, 翅片管的传热比无翅片管的热量要多, 因为 MEG 通过换热器的流动不会达到湍流。

在农业行业, 热交换器用于处理糖和乙醇的2。这两种产品都被加工成果汁, 必须加热才能进一步处理2。热交换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。使用热交换器对糖蜜进行冷却, 然后将其存储在后面处理2

供暖、通风和空调系统, 一起被称为暖通空调, 所有使用热交换器3。家用空调和暖气设备使用热交换器3。在较大的环境中, 化工厂、医院和交通中心都使用类似的热交换空调, 规模更大的是3。在化学工业中, 热交换器用于加热和冷却各种过程4。发酵、蒸馏和破碎都使用热交换器4。甚至更多的过程, 如整流和净化要求热交换器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. 启动和流速测定

  1. 打开位于蒸汽发生器下面的电荷阀。
  2. 启动单位, 并允许15分钟的蒸汽开始形成。
  3. 计算水流流速
    1. 启动秒表, 并监控显示水量的仪表。
    2. 在三十年代后停止手表, 记录表上显示的总水量。
    3. 将水量除以时间以确定容积流速。
  4. 记录流量表的 MEG 流量。
  5. 观察热电偶的温度, 并记录其值。

2. 改变流速并关闭

  1. 为了收集6不同的运行数据, 将水的流速设置为高或低流速, 并以高、中、低流量的速度运行。
    1. 为参考, 以前的流速已被使用: 0.0439, 0.0881, 和0.1323 加仑/秒的低, 中, 高流速率分别为 MEG。
  2. 与以往一样, 记录每个运行的热电偶的体积流量和温差。
  3. 完成后, 关闭仪器。
    1. 关闭阀门以停止蒸汽、单乙二醇和水的流速。
    2. 关闭主开关。

3. 计算

  1. 使用等式1计算总热量转移, Q, 从热电偶 (用于测量温度的设备) 和已知的物理尺寸的热交换器 (在用户手册中发现在操作的单位的温度差).温度的差异可以从每个运行的温度读数。
  2. 计算每一个独特的试验运行的热量转移, 并使用威尔逊地块方法找到三 MEG 流速的传热系数。
  3. 将计算的传热和雷诺数与无翅片换热器的理论值进行比较。

热交换器在两个种类之间传递热量, 用于从汽车散热器到大型化工厂的广泛应用。有很多换热器设计, 包括壳管换热器和翅片管换热器。因为这些管子和鳍的阵列被用来把热从热流体转移到冷液中。而对换热器的传热效率的认识对于换热器的设计优化及其与大系统的集成具有重要的意义。本视频将阐述换热器的原理, 说明如何计算翅片管换热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, 并检查控制它们效率的原理。换热器中的传热是由与物理屏障分离的紧密接触的流体物种产生的。它们可以平行流动或逆流而上。热交换器由局部温差驱动的流体之间的差异。进入热交换器的两个流体的热会随着温度的降低而退出, 而冷则会随着温度的升高而退出。通过增加翅片的流动面积增加了传热效率, 提高了热传递的表面积。然而, 增加的鳍也会减少流体流经的区域, 从而为边界层形成更多的表面。边界层是与表面接触的薄层流体, 受共享力的影响。当边界层为层流时, 混合极少, 热传导受到抑制。在较高的流速, 或更长的距离, 层流分解和过渡到一个湍流流动的散装流体更有效地混合。在稳态运行过程中, 可以利用总传热系数 U、热流动面积、A 和三角洲 TLM、容积流体流量与热的对数平均温差来计算全热传递量。表面.UA 是总电导率, 是热交换器传热能力的量度。整个传热系数是由该方程决定的, 它考虑了管道和翅片的表面积、传热系数以及管道的热导率和厚度。从实验数据中计算出传热系数, 使用图形方法, 如威尔逊地块, 绘制出总电导率与雷诺数之间的倒数, 对8/10 的幂。采用线性回归方法求解传热系数。无量纲雷诺的数是惯性力对粘性力的定量, 它用来描述流型。其中 D 是管道的等效直径, G 是流体的质量速度, 而 Mu 是流体的粘度。一个更高的雷诺的数字表明更湍流, 更大的流体混合和增加传热。现在, 您了解如何计算传热系数和雷诺的数字, 让我们评估翅片管换热器的传热效率, 改变流速的水和 monoetilenglicol。

在开始之前, 熟悉翅片管换热器设备。打开充电阀, 启动装置, 等待蒸汽开始成型。使用秒表和量规, 确定水流流速。开始你的秒表和监测显示的水量量表。30秒后停止秒表记录测量仪上的总水量, 并按所测时间除以体积。接下来, 阅读显示的 MEG 流量。当30秒的流量计算已经通过, 记录的温度从热电偶。

现在, 更改流率以获取六唯一运行的数据。每个运行由一个集水和 MEG 流速。将水流率设置为高或低, 并以高、中、低流速运行, 共六运行。对每个流速重复上述步骤, 以记录水和 MEG 的容积流量和热电偶的温差。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。

为了计算每一个运行的总热量, 请使用每个实验所得到的温度差和 monoetilenglicol 的物理参数。然后, 使用管道的尺寸和水的质量速度和粘度确定每个唯一运行的雷诺的编号。

现在让我们把结果与无翅式换热器的理论值进行比较。威尔逊阴谋被用来确定的传热系数, 通过绘制一个超过 UA, 与一个超过雷诺的数字, 提高到8/10 的功率, 并与线性拟合方程的整体传热系数。蓝色、红色和绿色线表示实验中的高、中、低 monoetilenglicol 流率。与非翅片管相比, 翅片管没有达到紊流。鳍为边界层提供额外的表面, 以形成和维持 monoetilenglicol 在一个更层流的流动制度。然而, 当比较在不同的 MEG 流速下的换热器之间的热量转移, 很明显, 翅片管转移更多的热量比管没有鳍在相同的操作设置。在较大的表面积下, 传热效率更高, 尽管翅片管诱导层流, 其热效率远高于非翅片管。

热交换器用于各种设置, 以将热量从一个物种转移到另一个种类。在所有建筑物中, 热交换器是加热和空调系统的一部分, 用来调节温度。他们也被用来控制核心病人的体温在关键的护理设置, 如心脏骤停, 神经源性发热或手术。热交换器也用于小规模的变性和热沉淀的蛋白质从植物提取物。该技术用于从转基因烟草植物中提取疟疾候选疫苗, 以降低宿主细胞蛋白的浓度。

你刚刚看了朱庇特的介绍翅片管换热器。您现在应该了解传热的原理, 能够评估热效率, 并了解各种工艺中换热器的几种应用。谢谢收看

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