Overview
Quelle: Michael G. Benton und Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
Wärmetauscher übertragen Wärme von einer Flüssigkeit auf eine andere Flüssigkeit. Es gibt mehrere Klassen von Wärmetauschern, um unterschiedliche Bedürfnisse zu erfüllen. Einige der häufigsten Typen sind Schalen- und Rohraustauscher und Plattenaustauscher1. Schalen- und Rohrwärmetauscher verwenden ein Rohrsystem, durch das Flüssigkeit fließt1. Ein Satz von Rohren enthält die zu kühlende oder zu erwärmende Flüssigkeit, während der zweite Satz die Flüssigkeit enthält, die entweder Wärme absorbiert oder1 überträgt. Plattenwärmetauscher verwenden ein ähnliches Konzept, bei dem Platten eng mit einem kleinen Spalt zwischen jedem flüssigkeitsdurchfluss1verbunden sind. Die Flüssigkeit, die zwischen den Platten fließt, wechselt zwischen heiß und kalt, so dass wärme in oder aus den notwendigen Strömen bewegt1. Diese Austauscher haben große Flächen, so dass sie in der Regel effizienter sind1.
Ziel dieses Experiments ist es, die Wärmeübertragungseffizienz eines Rippenrohr-Wärmetauschers zu testen (Abbildung 1) und ihn mit der theoretischen Effizienz eines Wärmetauschers ohne Flossen zu vergleichen. Die experimentellen Daten werden für drei verschiedene Durchflussraten von Monoethylenglykol (MEG) gemessen. Für jede MEG-Durchflussrate werden zwei unterschiedliche Wasserdurchflussraten verwendet. Mit der Wilson-Plot-Methode werden die Wärmeübertragungskoeffizienten aus den experimentellen Daten ermittelt. Darüber hinaus werden die Anzahl des Reynolds und die übertragene Wärmemenge für den Durchfluss mit und ohne die Flossen verglichen, um die Wärmeübertragungseffizienz zu bewerten.
Abbildung 1: Finnrohr-Wärmetauscher. 1) MEG-Ausgangstemperatur 2) Wassereinlasstemperatur 3) MEG-Einlasstemperatur 4) Wasseraustrittstemperatur 5) Wasserzähler 6) MEG Akkumulation Sichtglas/Zylinder.
Principles
Wärmetauscher übertragen Wärme zwischen zwei oder mehr Flüssigkeiten. Die Austauscher verwenden flüssige Arten, die in einem separaten Raum von einem gegenüberliegenden Strom fließen, der Wärme liefert. Flossen können dem Durchflussbereich hinzugefügt werden, um mehr Wärmeübertragung zu ermöglichen, da sie die für die Übertragung verfügbare Fläche erhöhen. Die hinzugefügten Flossen verringern die Fläche, durch die die Art fließt, und bieten mehr Flächen, auf denen sich Begrenzungsschichten bilden können, was zu einem weniger turbulenten Fluss führt. Je weniger turbulent ein Fluss, desto größer wird die Begrenzungsschicht sein. Eine Grenzschicht hemmt die Wärmeübertragung, so dass bei weniger turbulentem Durchfluss weniger Wärme übertragen wird. Wenn die Grenzschicht laminar ist, gibt es sehr wenig Mischen.
Die Beziehung zwischen dem Bereich, durch den Wärme fließen kann, und dem Wärmeübergangskoeffizienten wird bei der Berechnung der übertragenen Gesamtwärme verwendet. Diese Beziehung wird durch Gleichung 1 berechnet:
(1)
wobei Q wärmeübertragen (Btu/h) ist, U der Gesamtwärmeübergangskoeffizient, A ist ein Bereich, durch den Wärme übertragen wird (ft2), ist tLM die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz.
Die Gesamtgleichung des Wärmeübergangskoeffizienten lautet:
(2)
wobei Ab die Oberfläche des nackten Innenrohres ist, Af die Oberfläche der Flossen, ALM der logarithmische mittlere Flächenunterschied, A ist die Oberfläche des Rohres (o = außen, i = innen), x Dicke des Rohres, k ist Wärmeleitfähigkeit des Rohres, h = Individueller Wärmeübergangskoeffizient. (o=außen, i=innen)
Die Wilson-Plot-Methode verwendet experimentelle Daten, um UoAo aus der typischen Energiebilanz auf dem MEG-Fluss zu finden und ihre Wechselweise zu 1/Re0.8 des Innenrohrs darzustellen. Durch Anlegen einer geraden Linie und Finden des y-Abfangs, der mit dem Wärmeübergangskoeffizienten zusammenhängt und in den ersten beiden Begriffen rechts in der Gleichung oben beschrieben wird. Eine typische längsrechteckige Profilfin-Effizienzgleichung wird als zweite Gleichung für den Wärmeübergangskoeffizienten und die Flosseneffizienz verwendet, indem die Summe der Quadrate einer objektiven Funktion minimiert wird. Diese Methode wird auf MEG-Durchflussbedingungen mit unterschiedlichen Wasserdurchflussraten angewendet.
Zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten wird die Reynolds-Zahl verwendet, die durch die folgende Gleichung angegeben wird:
(3)
wobei G die Massengeschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses ist, D der Durchmesser des Rohres, in dem die Flüssigkeit fließt (Deq, der äquivalente Durchmesser ersetzt D für Berechnungen mit Flossen), und die Viskosität der Flüssigkeit ist. Fin-Effizienz-Gleichung für eine längs-rechteckige Profilflosse ist:
(4)
wobei m (2h/kt), h der Wärmeübergangskoeffizient, k die Wärmeleitfähigkeit des Rohres, t die Dicke der Flosse und b die Höhe der Flosse ist.
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Procedure
1. Start- und Durchflussrate-Bestimmung
- Öffnen Sie das Ladeventil unterhalb des Dampferzeugers.
- Starten Sie das Gerät, und lassen Sie 15 min für Dampf beginnen, sich zu bilden.
- Berechnen sie den Durchfluss von Wasser
- Starten Sie eine Stoppuhr und überwachen Sie das Messgerät, das die Wassermenge anzeigt.
- Stoppen Sie die Uhr nach 30 s und notieren Sie die Gesamtmenge des Wassers, das auf dem Messgerät angezeigt wird.
- Dividieren Sie das Wasservolumen durch die Zeit, um den Volumenstrom zu bestimmen.
- Zeichnen Sie den MEG-Durchfluss aus dem Durchflussmesser auf.
- Beobachten Sie die Temperatur der Thermoelemente, und zeichnen Sie die Werte auf.
2. Änderung der Durchflussmenge und Herunterfahren
- Um Daten für 6 verschiedene Durchläufe zu sammeln, legen Sie die Durchflussrate des Wassers entweder auf eine hohe oder niedrige Durchflussrate fest und führen Sie sie mit einer hohen, mittleren oder niedrigen Durchflussrate von MEG aus.
- Als Referenz wurden die vorherigen Durchflussraten verwendet: 0,0439, 0,0881 und 0,1323 gal/sec für die niedrigen, mittleren und hohen Durchflussraten von MEG.
- Zeichnen Sie wie bisher die Volumendurchflussraten und die Temperaturdifferenz auf dem Thermoelement für jeden Lauf auf.
- Wenn Sie fertig sind, fahren Sie das Gerät herunter.
- Schließen Sie die Ventile, um den Fluss von Dampf, Monoethylenglykol und Wasser zu stoppen.
- Schalten Sie den Hauptschalter aus.
3. Berechnungen
- Verwenden Sie Gleichung 1, um die übertragene Gesamtwärme zu berechnen, Q, mit der Temperaturdifferenz, die von den Thermoelementen (Geräte zur Messung der Temperatur verwendet wird) und den bekannten physikalischen Abmessungen des Wärmetauschers (in der Bedienungsanleitung für das zu bedienende Gerät zu finden ist) gelesen wird. ). Die Temperaturunterschiede können aus den Temperaturwerten jedes Durchlaufs entnommen werden.
- Berechnen Sie die übertragene Wärme für jeden einzelnen Testlauf, und verwenden Sie die Wilson-Plotmethode, um die Wärmeübergangskoeffizienten für die drei MEG-Durchflussraten zu ermitteln.
- Vergleichen Sie die berechnete wärmeübertragene und Reynolds-Zahl mit theoretischen Werten des Wärmetauschers ohne Flossen.
Wärmetauscher übertragen Wärme zwischen zwei Arten und werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Autoheizkörpern bis hin zu großen chemienden Anlagen. Es gibt viele Wärmetauscher-Designs, einschließlich Schalen- und Rohraustauscher und Rippenrohrtauscher. Für diese wird eine Reihe von Rohren und Flossen verwendet, um Wärme aus der heißen Flüssigkeit in die kalte Flüssigkeit zu übertragen. Ein Verständnis der Wärmeübertragungseffizienz ist wichtig für die Optimierung des Wärmetauscher-Designs und deren Integration in größere Systeme. Dieses Video zeigt die Prinzipien von Wärmetauschern, zeigt, wie der Wärmeübergangskoeffizient und die Effizienz eines Rippenrohrwärmetauschers berechnet werden, und diskutiert verwandte Anwendungen.
Sehen wir uns nun an, wie Wärmetauscher funktionieren, und untersuchen sie die Grundsätze für ihre Effizienz. Die Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher wird von Fluidarten in engem Kontakt erzeugt, die durch eine physikalische Barriere getrennt sind. Sie können entweder parallel oder zählertisch zueinander fließen. Der Wärmeaustausch wird durch lokale Temperaturunterschiede zwischen den Flüssigkeiten angetrieben. Die heißere der beiden Flüssigkeiten, die in den Wärmetauscher gelangen, wird mit einer reduzierten Temperatur verlassen, während die kältere mit einer erhöhten Temperatur austritt. Die Wärmeübertragungseffizienz kann durch Zugabe von Flossen in den Durchflussbereich erhöht werden, was die für die Wärmeübertragung verfügbare Fläche erhöht. Die hinzugefügten Flossen verringern jedoch auch den Bereich, durch den die Flüssigkeit fließt, und stellen mehr Flächen für die Bildung von Begrenzungsschichten bereit. Eine Grenzschicht ist die dünne Flüssigkeitsschicht, die mit der Oberfläche in Berührung kommt, die von Scherkräften beeinflusst wird. Wenn die Grenzschicht laminar ist, gibt es sehr wenig Mischen und Wärmeübertragung wird gehemmt. Bei höheren Durchflussraten oder längeren Entfernungen bricht der laminare Fluss zusammen und übergeht zu einem turbulenten Fluss, bei dem sich die Schüttflüssigkeit effektiver mischt. Während des stationären Betriebs kann die gesamte übertragene Wärme, Q, mit dem Gesamtenheattinkoeffizienten U, dem Bereich, durch den die Wärme fließt, A und Delta TLM, dem logarithmischen mittleren Temperaturunterschied zwischen dem Schüttflüssigkeitsstrom und der Wärme berechnet werden. Oberfläche. UA ist die Gesamtleitfähigkeit und ist ein Maß für die Wärmeübertragungskapazität eines Wärmetauschers. Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wird durch diese Gleichung bestimmt, die die Oberflächen des Rohres und der Flossen, die Wärmeübergangskoeffizienten sowie die Wärmeleitfähigkeit und Dicke des Rohres berücksichtigt. Der Wärmeübertragungskoeffizient wird anhand experimenteller Daten mit grafischen Methoden wie dem Wilson-Plot geschätzt, der die Gegenseitigkeit der Gesamtleitfähigkeit im Vergleich zu einem über die Reynolds auf die Leistung von acht Zehnteln darstellt. Die lineare Regression wird verwendet, um die Wärmeübertragungskoeffizienten zu lösen. Die dimensionlose Reynolds-Zahl ist die Ration der Trägheitzustkräfte zu viskosen Kräften und es verwendet, um Strömungsmuster zu beschreiben. Wenn D der äquivalente Durchmesser des Rohres ist, ist G die Massengeschwindigkeit der Flüssigkeit und Mu die Viskosität der Flüssigkeit. Eine höhere Anzahl von Reynolds deutet auf einen turbulenteren Fluss, eine größere Flüssigkeitsmischung und eine erhöhte Wärmeübertragung hin. Nun, da Sie verstehen, wie die Wärmeübertragungskoeffizienten und Reynolds Zahlen zu berechnen, lassen Sie uns die Wärmeübertragungseffizienz eines Rippenrohr-Wärmetauschers bewerten, indem wir die Durchflussraten von Wasser und Monoetilenglicol variieren.
Machen Sie sich vor dem Start mit dem Rippenrohr-Wärmetauscher-Gerät vertraut. Öffnen Sie das Ladeventil, starten Sie das Gerät und warten Sie, bis sich der Dampf bildet. Bestimmen Sie mit hilfe einer Stoppuhr und dem Messgerät den Wasserdurchfluss. Starten Sie Ihre Stoppuhr und überwachen Sie das Messgerät, das die Wassermenge anzeigt. Stoppen Sie die Stoppuhr nach 30 Sekunden. Zeichnen Sie das Gesamtvolumen des Wassers auf dem Messgerät auf und dividieren Sie das Volumen durch die gemessene Zeit. Lesen Sie als Nächstes die MEG-Durchflussrate auf dem Display. Wenn die 30 Sekunden für die Durchflussberechnung verstrichen sind, notieren Sie die Temperatur der Thermoelemente.
Ändern Sie nun die Durchflussraten, um Daten für sechs eindeutige Durchläufe zu erhalten. Jeder Lauf besteht aus einem eingestellten Wasser- und MEG-Durchfluss. Stellen Sie den Wasserdurchfluss entweder hoch oder niedrig ein und führen Sie ihn mit einer hohen, mittleren oder niedrigen Durchflussrate von MEG für insgesamt sechs Durchläufe aus. Wiederholen Sie das oben beschriebene Verfahren für jede Durchflussrate, um die Volumendurchflussraten von Wasser und MEG sowie die Temperaturdifferenz vom Thermoelement aufzuzeichnen. Wenn Sie fertig sind, fahren Sie das Gerät herunter. Schließen Sie die Ventile für den Dampf-, Glykol- und Wasserfluss. Schalten Sie dann den Hauptschalter aus.
Um die übertragene Gesamtwärme zu berechnen, q, für jeden Lauf, verwenden Sie die erhaltenen Temperaturunterschiede aus jedem Experiment und die physikalischen Parameter von monoetilenglicol. Bestimmen Sie dann die Anzahl des Reynolds für jeden einzelnen Lauf unter Verwendung der Abmessungen des Rohres und der Massengeschwindigkeit und Viskosität des Wassers.
Vergleichen wir nun die Ergebnisse mit den theoretischen Werten des Wärmetauschers ohne Flossen. Ein Wilson-Plot wurde verwendet, um die Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen, indem ein über UA dargestellt wurde, im Vergleich zu einem über die Anzahl des Reynolds, der auf die Leistung von acht Zehnteln erhöht wurde und die lineare Anpassung an die Gleichung für den gesamten Wärmeübergangskoeffizienten in Beziehung setzte. Die blauen, roten und grünen Linien zeigen die hohen, mittleren und niedrigen Monoetilenglicol-Durchflussraten im Experiment an. Im Vergleich zu einem nicht-finned Rohr, die Flossenrohr nicht zu einem turbulenten Fluss erreicht. Die Flossen stellen zusätzliche Oberflächen für Grenzschichten zur Verfügung, um das Monoethylenglykol in einem laminareren Strömungsregime zu bilden und zu erhalten. Beim Vergleich der zwischen dem Austauscher übertragenen Wärme mit und ohne Flossen bei unterschiedlichen MEG-Durchflussraten ist jedoch klar, dass ein Rippenrohr bei den gleichen Betriebseinstellungen mehr Wärme übertrug als ein Rohr ohne Flossen. Die Wärmeübertragung ist mit einer größeren Oberfläche effektiver, trotz der Tatsache, dass die Rippenrohre laminaren Fluss induzieren, war ihre Wärmeeffizienz viel höher als für das nicht-finned Rohr.
Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Einstellungen verwendet, um Wärme von einer Art zur anderen zu übertragen. In allen Gebäuden sind Wärmetauscher Teil der Heizungs- und Klimaanlagen, um die Temperatur zu regulieren. Sie werden auch verwendet, um die Kerntemperatur der Patienten in kritischen Behandlungsumgebungen zu steuern, z. B. nach Herzstillstand, neurogenem Fieber oder Operationen. Wärmetauscher werden auch im kleinen Maßstab bei der Denatur- und Wärmefällung von Proteinen aus Pflanzenextrakten eingesetzt. Diese Technik wurde bei der Extraktion eines Malariaimpfstoffs kandidaten aus transgenen Tabakpflanzen verwendet, um die Konzentration von Wirtszellproteinen zu reduzieren.
Sie haben gerade JoVeEs Einführung in Rippenrohrwärmetauscher beobachtet. Sie sollten nun die Prinzipien der Wärmeübertragung verstehen, in der Lage sein, die Wärmeeffizienz zu bewerten und verschiedene Anwendungen von Wärmetauschern in verschiedenen Prozessen kennen. Danke fürs Zuschauen.
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Results
Der Rippenrohrwärmetauscher erreichte keinen turbulenten Durchfluss (Abbildung 2). Die Flossen bieten zusätzliche Flächen, auf denen sich Begrenzungsschichten bilden, wie durch laminare und turbulente Strömungstheorie bekannt. Wenn die Flüssigkeit nicht mit einer ausreichenden Geschwindigkeit ist, erreicht die Flüssigkeit keine Turbulenzen. Die Grenzschichten zwischen den Flossen überlappen sich im laminaren Bereich, so dass die Flüssigkeit laminar bleibt.
Abbildung 2:Reynoldszahlen für jede Einstellung.
Die Menge der übertragenen Wärme, Q, in den Rohren mit und ohne Flossen mit unterschiedlichen Durchflussraten von MEG wurde verglichen (Abbildung 3). Die Ergebnisse zeigen, dass ein Rippenrohr bei gleichen Betriebsbedingungen mehr Wärme überträgt als ein Rohr ohne Flossen. In diesem Experiment verbesserten die Flossen die Wärmeübertragung deutlich. Dies liegt daran, dass die Wärmeübertragung effektiver ist, wenn eine größere Fläche zur Verfügung steht. Der Rippenrohr-Wärmetauscher übertrug trotz der niedrigeren Reynolds-Zahl (Abbildung 2) mehr Wärme (Abbildung 3).
Abbildung 3:Wärmeübertragung zwischen Austauschern mit und ohne Flossen bei jeder Durchflussrate.
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Applications and Summary
Wärmetauscher werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, einschließlich Landwirtschaft, chemische Produktion und HLK. Ziel dieses Experiments war es, die Wärmeübertragungseffizienz eines Rippenrohr-Wärmetauschers zu testen und mit der theoretischen Effizienz eines Wärmetauschers ohne Flossen zu vergleichen. Experimentelle Daten wurden für drei verschiedene Durchflussraten von Monoethylenglykol (MEG) und zwei eindeutigen Wasserdurchflussraten für jede verwendete MEG-Durchflussrate gemessen. Die Anzahl des Reynolds wurde für den Durchfluss mit und ohne die Flossen bestimmt und wurde verwendet, um den Wärmeübergangskoeffizienten, die Oberfläche und die Flosseneffizienz für jeden einzelnen Testlauf zu berechnen. Anhand dieser Daten wurde ausgewertet, ob ein turbulenter Fluss ohne die Flossen möglich ist und unter welchen Versuchsbedingungen die meiste Wärmeübertragung stattfindet. Die Rippenrohre erreichten keinen turbulenten Fluss. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Flossenrohr bei gleichen Betriebsbedingungen mehr Wärme überträgt als ein Rohr ohne Flossen, da der Meg-Fluss durch den Wärmetauscher keine Turbulenzen erreicht.
In der Landwirtschaft werden Wärmetauscher bei der Verarbeitung von Zucker und Ethanol2eingesetzt. Beide Produkte werden zu einem Saft verarbeitet, der erhitzt werden muss, um weiterverarbeitet zu werden2. Wärmetauscher werden zum Erhitzen der Säfte zurKlärung2 verwendet. Sobald die Säfte zu gleichmäßigen Sirupen verarbeitet wurden, ist eine weitere Erwärmung mit Austauschern notwendig, um die Verarbeitung fortzusetzen und Melasse zu bilden2. Molasse wird mit Wärmetauschern gekühlt, danach kann es für die spätere Verarbeitung2gelagert werden.
Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, zusammen bekannt als HLK, nutzen alle Wärmetauscher3. Haushaltsklimatisierung und Heizungen nutzen Wärmetauscher3. In größeren Umgebungen, chemische Anlagen, Krankenhäuser und Transportzentren alle nutzen ähnliche Wärmetauscher HVAC, in einem viel größeren Maßstab3. In der chemischen Industrie werden Wärmetauscher zum Heizen und Kühlen einer Vielzahl von Prozessen eingesetzt4. Gärung, Destillation und Fragmentierung nutzen Wärmetauscher4. Noch mehr Prozesse wie Rektifikation und Reinigung erfordern Wärmetauscher4.
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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.
