Overview
출처: 마이클 G. 벤턴과 케리 M. 둘리, 화학 공학부, 루이지애나 주립 대학, 배턴 루지, LA
열교환기는 한 유체에서 다른 유체로 열을 전달합니다. 다양한 요구를 채우기 위해 여러 종류의 열교환기가 존재합니다. 가장 일반적인 유형 중 일부는 쉘 및 튜브 교환기 및 플레이트 교환기1입니다. 쉘 및 튜브 열교환기는 유체가1을흐르는 튜브 시스템을 사용합니다. 튜브 의 한 세트는 냉각 또는 가열 할 액체를 포함하고, 두 번째 세트는 열을 흡수하거나 1을 전송하는액체를포함한다. 플레이트 열교환기는 비슷한 개념을 사용하며, 플레이트는 액체가1을흐르기 위해 각각의 작은 간격과 밀접하게 결합됩니다. 플레이트 사이에 흐르는 유체는 열이 필요한 스트림1로또는 벗어나게 되도록 뜨겁고 차가운 사이를 번갈아 가며 움직입니다. 이러한 교환기는 표면 영역이 넓기 때문에 일반적으로 더효율적입니다.
이 실험의 목표는 지느러미 튜브 열교환기(그림 1)의 열 전달 효율을 테스트하고 지느러미가 없는 열교환기의 이론적 효율과 비교하는 것입니다. 실험 데이터는 모노에틸렌 글리콜(MEG)의 세 가지 상이한 유량에 대해 측정될 것이다. 각 MEG 유량에 대해 두 개의 서로 다른 물 유량이 사용됩니다. 윌슨 플롯 방법을 사용하여 열 전달 계수는 실험 데이터로부터 결정됩니다. 또한, 레이놀드의 수와 전달된 열의 양은 지느러미의 유량과 관계없이 열 전달 효율을 평가합니다.
그림 1: 핀란드 튜브 열 교환기. 1) MEG 출구 온도 2) 수중 입구 온도 3) MEG 입구 온도 4) 물 출구 온도 5) 물 미터 6) MEG 축적 광경 유리/ 실린더.
Principles
열교환기는 두 개 이상의 유체 사이에 열을 전달합니다. 교환기는 열을 제공하는 반대 스트림과 별도의 공간에서 흐르는 유체 종을 사용합니다. 지느러미는 유동 지역에 첨가하여 더 많은 열 전달을 용이하게 할 수 있으며, 이 경우 전달에 사용할 수 있는 표면적을 증가시다. 추가된 지느러미는 종들이 흐르는 영역을 감소시키고 경계 층이 형성할 수 있는 더 많은 표면을 제공하므로 흐름이 덜 흐림합니다. 흐름이 덜 흐림, 더 큰 경계 레이어가있을 것이다. 경계 층은 열 전달을 억제하므로 난류 흐름이 적어 열이 덜 전달됩니다. 경계 층이 라미나르인 경우 혼합이 거의 없습니다.
열이 흐를 수 있는 영역과 열 전달 계수 사이의 관계는 전달된 총 열을 계산하는 데 사용됩니다. 이 관계는 방정식 1을 통해 계산됩니다.
(1)
여기서 Q는 열 전달(Btu/hr), U는 전체 열 전달 계수, A는 열이 전달되는 영역(ft2),ΔTLM은 로그와트 평균 온도 차이이다.
전체 열 전달 계수 방정식은 다음과 같은 것입니다.
(2)
여기서b는 베어 내부 파이프의 표면적,A F는 지느러미의 표면적이며,LM은 로그와트측면적 차이이며, A는 파이프의 표면적(o = 외부, i = 내부), Δx 두께파이프의 열전도도, h= 개별 열전달 계수이다. (o=외부, i=내부)
Wilson 플롯 방법은 실험 데이터를 사용하여 MEG 흐름의 일반적인 에너지 균형에서 UoAO를 찾고 내부 파이프의 1/Re0.8로 상호 계수를 플롯합니다. 직선을 피팅하고 열 전달 계수와 관련된 y-intercept를 찾아 위의 방정식의 오른쪽에 있는 처음 두 용어에 기재된다. 전형적인 세로 직사각형 프로파일 핀 효율 방정식은 객관적인 함수의 제곱합계를 최소화하여 열 전달 계수 및 지느러미 효율을 해결하기 위한 제2 방정식으로 사용된다. 이 방법은 다양한 물 유량의 MEG 유량 조건에 적용됩니다.
열 전달 계수를 계산하기 위해 레이놀즈 번호가 사용되며, 이는 다음 방정식에 의해 제공됩니다.
(3)
G가 유체 흐름의 질량 속도인 경우, D는 유체가 흐르는 파이프의 직경(Deq,동일한 직경은 지느러미로 계산을 위해 D를 대체함)이며 μ 유체의 점도입니다. 세로 직사각형 프로파일 지느러미에 대한 핀 효율 방정식은 다음과 입니다.
(4)
여기서 m은 √(2h/kt)이고, h는 열전달 계수이고, k는 파이프의 열전도도, t는 지느러미의 두께이며, b는 지느러미의 높이이다.
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Procedure
1. 시작 및 유량 측정
- 증기 발생기 아래에 있는 충전 밸브를 엽니다.
- 장치를 시작하고 증기형성을 시작하기 위해 15분 간 허용합니다.
- 물의 유량 계산
- 스톱워치를 시작하고 물 볼륨을 표시하는 게이지를 모니터링합니다.
- 30s 이후에 시계를 멈추고 게이지에 표시된 총 물량을 기록합니다.
- 물 량을 시간별로 나누어 체피 유량을 결정합니다.
- 유량계에서 MEG 유량을 기록합니다.
- 열전대에서 온도를 관찰하고 값을 기록합니다.
2. 유량 변화 및 종료
- 6개의 다른 실행에 대한 데이터를 수집하려면 물의 유량을 높거나 낮은 유량으로 설정하고 MEG의 높은, 중간 또는 낮은 유량으로 실행합니다.
- 참고로, 이전 유량은 MEG의 낮은, 중간 및 고유량에 대해 각각 0.0439, 0.0881 및 0.1323 gal/sec를 사용했습니다.
- 이전과 마찬가지로 각 실행에 대해 열전대에서 체적 유량 및 온도 차이를 기록합니다.
- 완료되면 계측기를 종료합니다.
- 증기, 모노에틸렌 글리콜 및 물의 흐름을 막기 위해 밸브를 닫습니다.
- 주 스위치를 끕니다.
3. 계산
- 수학식 1을 사용하여 열전된 총 열을 계산하기 위해, Q, 열전대(온도를 측정하는 데 사용되는 장치)와 열교환기의 알려진 물리적 치수(작동 중인 장치에 대한 사용자 설명서에서 발견)에서 읽는 온도 차이를 계산합니다. 온도 차이는 각 실행의 온도 판독값에서 취할 수 있습니다.
- 각 고유 평가판 실행에 대해 전송된 열을 계산하고 Wilson 플롯 방법을 사용하여 3개의 MEG 유량에 대한 열 전달 계수를 찾습니다.
- 계산된 열과 레이놀즈 수를 지느러미 없이 열교환기의 이론적 값과 비교합니다.
열교환기는 두 종 사이에 열을 전달하며 자동차 라디에이터에서 대규모 화학 공장에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 쉘 및 튜브 교환기 및 지느러미 튜브 교환기를 포함한 많은 열 교환기 디자인이 있습니다. 이러한 튜브와 지느러미의 배열은 차가운 유체에 뜨거운 유체에서 열을 전송하는 데 사용됩니다. 열 교환기 설계 최적화 및 더 큰 시스템으로의 통합에 대해 열 전달 효율에 대한 이해가 중요합니다. 이 비디오는 열 교환기의 원리를 설명하고, 핀란드 튜브 열 교환기의 열 전달 계수 및 효율성을 계산하고 관련 응용 프로그램에 대해 논의하는 방법을 보여줍니다.
이제 열교환기의 작동 방식을 살펴보고 효율성을 관리하는 원리를 살펴보겠습니다. 열교환기의 열 전달은 물리적 장벽에 의해 분리되는 가까운 접촉에서 유체 종에 의해 생성됩니다. 병렬 또는 카운터를 현재 서로 흐를 수 있습니다. 열 교환은 유체 간의 국지 온도 차이에 의해 구동됩니다. 열교환기로 들어가는 두 유체의 더 뜨거운 온도는 온도가 낮아지는 반면 추운 유체는 온도가 높아서 종료됩니다. 열 전달 효율은 유동 지역에 핀을 첨가하여 열 전달에 사용할 수 있는 표면적을 증가시킴으로써 증가할 수 있다. 그러나 추가된 핀은 유체가 흐르는 영역도 감소하여 경계 층이 형성할 수 있는 더 많은 표면을 제공합니다. 경계 층은 전단력의 영향을 받는 표면과 접촉하는 유체의 얇은 층입니다. 경계층이 라미나르일 때, 혼합이 거의 없고 열 전달이 억제된다. 더 높은 유량 또는 더 긴 거리에서 라미나르 흐름이 분해되어 벌크 유체가 더 효과적으로 혼합되는 난류 흐름으로 전환됩니다. 정상 상태 작동 동안, 총 열 전달, Q, 전체 열 전달 계수 U, 열이 흐르는 영역, A 및 델타 TLM, 로와스믹 평균 온도 차이를 사용하여 계산될 수 있다. UA는 전체 전도성이며 열교환기의 열 전달 용량의 척도입니다. 전체 열 전달 계수는 파이프 및 지느러미의 표면 적, 열 전달 계수 및 파이프의 열 전도도 및 두께를 고려하는이 방정식에 의해 결정됩니다. 열 전달 계수는 80대 전력으로 제기된 레이놀즈보다 전체 전도의 호혜를 플롯하는 Wilson 플롯과 같은 그래픽 방법을 사용하여 실험 데이터에서 추정됩니다. 선형 회귀는 열 전달 계수를 해결하기 위해 사용됩니다. 무치성 레이놀드의 숫자는 점성 력에 관성 힘의 배급이며 흐름 패턴을 설명하는 데 사용됩니다. 여기서 D는 파이프의 동등한 직경인경우, G는 유체의 질량 속도이고 Mu는 유체의 점도이다. 레이놀드의 수가 높을수록 난류 흐름, 더 큰 유체 혼합 및 향상된 열 전달을 나타냅니다. 이제 열 전달 계수와 Reynold의 숫자를 계산하는 방법을 이해되었으므로 물과 모노에틸렌글리콜의 유량을 변화시킴으로써 지느러미 튜브 열교환기의 열 전달 효율을 평가해 보겠습니다.
시작하기 전에 핀 튜브 열교환기 장치에 익숙해지십시오. 충전 밸브를 열고 장치를 시작하고 증기가 형성되기 를 기다립니다. 스톱워치와 게이지를 사용하여 물 유량을 결정합니다. 스톱워치를 시작하고 물 볼륨을 표시하는 게이지를 모니터링합니다. 30초 후에 스톱워치를 중지합니다. 게이지의 총 물 량을 기록하고 볼륨을 측정된 시간으로 나눕니다. 다음으로 디스플레이의 MEG 유량을 읽어보십시오. 유량 계산의 30초가 지나면 열전대에서 온도를 기록합니다.
이제 6개의 고유한 실행에 대한 데이터를 얻기 위해 유량이 달라집니다. 각 실행은 설정된 물과 MEG 유량으로 구성됩니다. 물 유량을 높거나 낮게 설정하고 총 6개의 런동안 MEG의 높은, 중간 또는 낮은 유량으로 실행합니다. 물과 MEG의 체적 유량과 열전대로부터의 온도 차이를 기록하기 위해 각 유량에 대해 위의 동일한 절차를 반복합니다. 완료되면 계측기를 종료합니다. 증기, 글리콜 및 물 흐름에 대한 밸브를 닫습니다. 그런 다음 주 스위치를 끕니다.
전송된 총 열을 계산하려면 Q는 각 실행에 대해 각 실험과 모노에틸렌글리콜의 물리적 파라미터로부터 얻은 온도 차이를 사용합니다. 그런 다음 파이프의 치수와 물의 질량 속도와 점도를 사용하여 각 고유 실행에 대한 Reynold의 수를 결정합니다.
이제 결과를 지느러미없이 열 교환기의 이론적 값과 비교해 보겠습니다. 윌슨 플롯은 UA를 통해 하나를 플로팅하여 열 전달 계수를 결정하는 데 사용되었으며, 레이놀드의 수를 8분의 1로 높이고 전체 열 전달 계수의 방정식에 선형 적합성을 연관시킴으로써 열 전달 계수를 결정했습니다. 파란색, 빨간색 및 녹색 선은 실험에서 높은, 중간 및 낮은 모노에틸렌글리콜 유량을 나타냅니다. 미지러운 튜브와 비교했을 때, 지느러미 튜브는 난류 흐름에 도달하지 못했습니다. 지느러미는 경계 층이 더 많은 라미나르 유동 체제에서 모노에틸렌 글리콜을 형성하고 유지 관리할 수 있는 추가 표면을 제공합니다. 그러나, 다른 MEG 유량에서 지느러미가 없는 교환기 사이에 전달되는 열을 비교할 때, 핀 튜브가 동일한 작동 설정에서 지느러미없이 튜브보다 더 많은 열을 전송하는 것이 분명합니다. 열 전달은 핀 튜브가 라미나르 의 흐름을 유도한다는 사실에도 불구하고, 더 큰 표면적으로 더 효과적이며, 열 효율은 비 핀 튜브보다 훨씬 높았다.
열 교환기는 한 종에서 다른 종으로 열을 전송하는 다양한 설정에서 사용됩니다. 모든 건물에서 열 교환기는 온도를 조절하기 위한 난방 및 에어컨 시스템의 일부입니다. 그(것)들은 또한 심장 정지, 신경원열 또는 수술 후에 와 같은 중요한 배려 조정에 있는 핵심 참을성 있는 온도를 통제하기 위하여 이용됩니다. 열 교환기는 또한 식물 추출물에서 단백질의 변성 및 열 침전의 작은 규모에 사용됩니다. 이 기술은 숙주 세포 단백질의 농도를 감소시키기 위하여 형질 전환기 담배 식물에서 말라리아 백신 후보의 추출에 이용되었습니다.
당신은 방금 조브가 지느러미 튜브 열 교환기를 소개하는 것을 보았습니다. 이제 열 전달의 원리를 이해하고, 열 효율을 평가하고, 다양한 공정에서 열교환기의 여러 응용 프로그램을 알 수 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Results
지느러미 튜브 열교환기는 난류흐름(도 2)에도달하지 않았다. 지느러미는 라미나르 및 난류 흐름 이론을 통해 알려진 경계 층이 형성하는 추가 표면을 제공합니다. 유체가 충분한 속도에 있지 않으면 유체가 난기류에 도달하지 않습니다. 지느러미 사이의 경계 층은 라미나르 영역에서 겹치므로 유체는 라미나르로 유지됩니다.
그림 2: 각 설정에 대한 레이놀즈 번호입니다.
전송된 열량, Q, MEG의 다른 유량에 지느러미가 없는 튜브에서(도3)를비교하였다. 결과는 지느러미 튜브가 동일한 작동 조건에서 지느러미없이 튜브보다 더 많은 열을 전송하는 것으로 나타났습니다. 이 실험에서, 지느러미는 명확하게 열 전달을 향상. 이는 표면적이 클수록 열 전달이 더 효과적이기 때문입니다. 핀 튜브 열교환기는 더 많은 열을 옮겼다(그림3),낮은 레이놀즈 수에도 불구하고(도 2).
그림 3: 각 유량의 지느러미가 있고 없는 교환기 간에 열이 전달됩니다.
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Applications and Summary
열교환기는 농업, 화학 생산 및 HVAC를 포함한 다양한 산업에서 사용됩니다. 이 실험의 목표는 지느러미 튜브 열교환기의 열 전달 효율을 테스트하고 지느러미가없는 열 교환기의 이론적 효율성과 비교하는 것이었습니다. 실험 데이터는 사용되는 각 MEG 유량에 대해 모노에틸렌 글리콜(MEG)의 3가지 유량과 2개의 고유한 유량에 대해 측정하였다. Reynold의 숫자는 지느러미와 유동을 위해 결정되었으며 각 고유 평가판 실행에 대한 열 전달 계수, 표면적 및 지느러미 효율을 계산하는 데 사용되었습니다. 이 데이터는 지느러미 없이 난류 흐름이 가능한지, 어떤 평가판 조건 집합이 가장 많은 열 전달이 발생하는지 평가하는 데 사용되었습니다. 지느러미 튜브는 난류 흐름에 도달하지 못했습니다. 그 결과 열교환기를 통한 MEG의 흐름이 난기류에 도달하지 않기 때문에 핀 튜브가 동일한 작동 조건에서 지느러미가 없는 튜브보다 더 많은 열을 전달하는 것으로 나타났습니다.
농업 산업에서 열 교환기는 설탕과 에탄올2의가공에 사용됩니다. 이 두 제품 모두 주스로 가공되며, 2를 더 가열하려면 가열해야합니다. 열 교환기는 해명2를위해 주스를 가열하는 데 사용됩니다. 주스가 시럽으로 가공되면 교환기와의 추가 가열이 필요하여 처리를 계속하고 당밀2를형성해야합니다. 당밀은 열 교환기를 사용하여 냉각되며, 그 후에는 나중에 처리2를위해 보관할 수 있습니다.
HVAC로 알려진 난방, 환기 및 에어컨 시스템은 모두 열 교환기3을사용합니다. 가정용 에어컨 및 난방 장치는 열 교환기3을사용합니다. 더 큰 환경에서, 화학 공장, 병원 및 운송 센터는 모두 훨씬 더 큰 규모3에유사한 열 교환기 HVAC를 사용합니다. 화학 산업에서 열 교환기는 다양한 공정을 가열 및 냉각하는 데 사용됩니다4. 발효, 증류 및 조각화는 모두 열 교환기4를사용합니다. 정류 및 정화와 같은 더 많은 프로세스에는 열 교환기4가필요합니다.
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References
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- 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.
