Kanatlı Borulu Isı Eşanjörünün Isı Transfer Verimliliğinin Test Edilmesi

Isı eşanjörleri, ısıyı iki tür arasında aktarır ve araba radyatörlerinden büyük ölçekli kimyasal tesislere kadar çok çeşitli uygulamalar için kullanılır. Kabuk ve borulu eşanjörler ve kanatlı borulu eşanjörler dahil olmak üzere birçok ısı eşanjörü tasarımı vardır. Bunlar için, ısıyı sıcak sıvıdan soğuk sıvıya aktarmak için bir dizi tüp ve kanatçık kullanılır. Isı transfer verimliliğinin anlaşılması, ısı eşanjörü tasarım optimizasyonu ve bunların daha büyük sistemlere entegrasyonu için önemlidir. Bu video, ısı eşanjörlerinin prensiplerini gösterecek, kanatlı borulu bir ısı eşanjörü için ısı transfer katsayısının ve verimliliğinin nasıl hesaplanacağını gösterecek ve ilgili uygulamaları tartışacaktır.

Şimdi, ısı eşanjörlerinin nasıl çalıştığına bakalım ve verimliliklerini yöneten ilkeleri inceleyelim. Bir ısı eşanjöründeki ısı transferi, fiziksel bir bariyerle ayrılan yakın temas halindeki sıvı türleri tarafından üretilir. Şu anda birbirlerine paralel veya karşı olarak akabilirler. Isı değişimi, sıvılar arasındaki yerel sıcaklık farkları tarafından yönlendirilir. Isı eşanjörüne giren iki sıvıdan daha sıcak olanı daha düşük bir sıcaklıkla çıkarken, daha soğuk olanı daha yüksek bir sıcaklıkla çıkacaktır. Isı transfer verimliliği, ısı transferi için mevcut yüzey alanını artıran akış alanına kanatçıkların eklenmesiyle artırılabilir. Bununla birlikte, eklenen kanatçıklar aynı zamanda sıvının aktığı bölgeyi de azaltarak sınır katmanlarının oluşması için daha fazla yüzey sağlar. Sınır tabakası, kesme kuvvetlerinden etkilenen yüzeyle temas halinde olan ince sıvı tabakasıdır. Sınır tabakası laminer olduğunda, çok az karışım olur ve ısı transferi engellenir. Daha yüksek akış hızlarında veya daha uzun mesafelerde, laminer akış parçalanır ve dökme sıvının daha etkili bir şekilde karıştığı türbülanslı bir akışa geçer. Kararlı durum çalışması sırasında, aktarılan toplam ısı, Q, toplam ısı transfer katsayısı U, ısının içinden geçtiği alan, A ve delta TLM, dökme sıvı akışı ile ısı yüzeyi arasındaki logaritmik ortalama sıcaklık farkı kullanılarak hesaplanabilir. UA, genel iletkenliktir ve bir ısı eşanjörünün ısı transfer kapasitesinin bir ölçüsüdür. Genel ısı transfer katsayısı, borunun ve kanatçıkların yüzey alanlarını, ısı transfer katsayılarını ve borunun ısıl iletkenliğini ve kalınlığını dikkate alan bu denklem ile belirlenir. Isı transfer katsayısı, genel iletkenliğin tersini çizen Wilson grafiği gibi grafiksel yöntemler kullanılarak deneysel verilerden tahmin edilir, bu da Reynolds'un üzerinde sekizde sekiz kuvvete yükseltilmiş bir tanesine karşıdır. Doğrusal regresyon, ısı transfer katsayılarını çözmek için kullanılır. Boyutsuz Reynold sayısı, eylemsizlik kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranıdır ve akış modelini tanımlamak için kullanılır. D borunun eşdeğer çapı olduğunda, G sıvının kütle hızıdır ve Mu sıvının viskozitesidir. Daha yüksek bir Reynold sayısı, daha türbülanslı bir akışı, daha fazla sıvı karışımını ve artan ısı transferini gösterir. Artık ısı transfer katsayılarını ve Reynold sayılarını nasıl hesaplayacağınızı anladığınıza göre, su ve monoetilenglikol akış hızlarını değiştirerek kanatlı borulu bir ısı eşanjörünün ısı transfer verimliliğini değerlendirelim.

Başlamadan önce, kanatlı borulu ısı eşanjörü aparatı hakkında bilgi edinin. Şarj valfini açın, üniteyi çalıştırın ve buharın oluşmaya başlamasını bekleyin. Bir kronometre ve gösterge kullanarak su akış hızını belirleyin. Kronometrenizi başlatın ve su hacmini gösteren göstergeyi izleyin. 30 saniye sonra kronometreyi durdurun. Göstergedeki toplam su hacmini kaydedin ve hacmi ölçülen zamana bölün. Ardından, ekrandaki MEG akış hızını okuyun. Akış hızı hesaplaması için 30 saniye geçtiğinde, termokupllardan gelen sıcaklığı kaydedin.

Şimdi, altı benzersiz çalıştırma için veri elde etmek üzere akış hızlarını değiştirin. Her çalıştırma, ayarlanmış bir su ve MEG akış hızından oluşur. Su akış hızını yüksek veya düşük olarak ayarlayın ve toplam altı çalışma için yüksek, orta veya düşük MEG akış hızıyla çalıştırın. Su ve MEG'in hacimsel akış hızlarını ve termokupldan gelen sıcaklık farkını kaydetmek için her akış hızı için yukarıdaki prosedürün aynısını tekrarlayın. İşiniz bittiğinde cihazı kapatın. Buhar, glikol ve su akışı için vanaları kapatın. Ardından ana şalteri kapatın.

Her çalışma için aktarılan toplam ısıyı, Q'yu hesaplamak için, her deneyden elde edilen sıcaklık farklarını ve monoetilenglikolün fiziksel parametrelerini kullanın. Ardından, borunun boyutlarını ve suyun kütle hızını ve viskozitesini kullanarak her benzersiz çalışma için Reynold sayısını belirleyin.

Şimdi sonuçları kanatçıksız ısı eşanjörünün teorik değerleriyle karşılaştıralım. Isı transfer katsayılarını belirlemek için bir Wilson grafiği kullanıldı, biri UA üzerinde, diğeri ise Reynold sayısının üzerinde sekiz onda bir kuvvete yükseltilerek ve doğrusal uyumu genel ısı transfer katsayısı denklemiyle ilişkilendirerek. Mavi, kırmızı ve yeşil çizgiler deneydeki yüksek, orta ve düşük monoetilenglikol akış hızlarını göstermektedir. Kanatlı olmayan bir boru ile karşılaştırıldığında, kanatlı boru türbülanslı akışa ulaşmadı. Kanatlar, monoetilen glikolü daha laminer bir akış rejiminde oluşturmak ve korumak için sınır katmanları için ek yüzeyler sağlar. Bununla birlikte, farklı MEG akış hızlarında lamelli ve lamelli eşanjör arasında aktarılan ısı karşılaştırıldığında, kanatlı bir borunun aynı çalışma ayarlarında kanatçıksız bir borudan daha fazla ısı aktardığı açıktır. Isı transferi, daha büyük bir yüzey alanı ile daha etkilidir, kanatlı boruların laminer akışa neden olmasına rağmen, ısı verimi, kanatlı olmayan boruya göre çok daha yüksekti.

Isı eşanjörleri, ısıyı bir türden diğerine aktarmak için çeşitli ortamlarda kullanılır. Tüm binalarda, ısı eşanjörleri, sıcaklığı düzenlemek için ısıtma ve iklimlendirme sistemlerinin bir parçasıdır. Ayrıca kalp durması, nörojenik ateş veya ameliyat sonrası gibi kritik bakım ortamlarında temel hasta sıcaklığını kontrol etmek için de kullanılırlar. Isı eşanjörleri ayrıca bitki özlerinden elde edilen proteinlerin denatüre edilmesinde ve ısıyla çökeltilmesinde küçük ölçekte kullanılır. Bu teknik, konak hücre proteinlerinin konsantrasyonunu azaltmak için transgenik tütün bitkilerinden bir sıtma aşısı adayının ekstraksiyonunda kullanıldı.

JoVE'nin kanatlı borulu ısı eşanjörlerine girişini yeni izlediniz. Artık ısı transferinin ilkelerini anlamalı, ısı verimliliğini değerlendirebilmeli ve çeşitli proseslerde ısı eşanjörlerinin çeşitli uygulamalarını bilmelisiniz. İzlediğiniz için teşekkürler.