בדיקת יעילות העברת החום של מחליף חום פין-צינור

מחליפי חום מעבירים חום בין שני נוזלים או יותר. המחליפים משתמשים במינים זורמים בחלל נפרד מזרם מנוגד המספק חום. ניתן להוסיף סנפירים לאזור הזרימה כדי להקל על העברת חום נוספת, שכן הם מגדילים את שטח הפנים הזמין להעברה. הסנפירים הנוספים מקטינים את האזור שדרכו זורם המין ומספקים יותר משטחים שעליהם יכולות להיווצר שכבות גבול, וכתוצאה מכך זרימה פחות סוערת. ככל שזרימה פחות סוערת, שכבת הגבול הגדולה יותר תהיה לה. שכבת גבול מעכבת העברת חום, כך שעם זרימה פחות סוערת פחות חום מועבר. כאשר שכבת הגבול היא למינאר, יש מעט מאוד ערבוב.

הקשר בין האזור שדרכו חום יכול לזרום לבין מקדם העברת החום משמש לחישוב החום הכולל המועבר. קשר גומלין זה מחושב באמצעות משוואה 1:

(1)

כאשר Q מועבר חום (Btu/hr), U הוא מקדם העברת חום כולל, A הוא אזור שדרכו מועבר חום (רגל²), ΔT_LM הוא הפרש הטמפרטורה הממוצע הלוגריתמי.

משוואת מקדם העברת החום הכוללת היא:

(2)

כאשר A_b הוא שטח הפנים של הצינור הפנימי החשוף, A_f הוא שטח הפנים של הסנפירים,_LM הוא הפרש השטח הממוצע הלוגריתמי, A הוא שטח הפנים של הצינור (o = בחוץ, i = בפנים), עובי Δx של הצינור, k הוא מוליכות תרמית של הצינור, h = מקדם העברת חום בודד. (o = בחוץ, i = בפנים)

שיטת העלילה של וילסון משתמשת בנתונים ניסיוניים כדי למצוא את U_oA_o מאיזון אנרגיה טיפוסי בזרימת MEG ולתוות את ההדדיות שלה ל- 1/Re^0.8 של הצינור הפנימי. על ידי התאמת קו ישר ומציאת יירוט y, הקשור למקדם העברת החום ומתואר בשתי המונחים הראשונים מימין למשוואה לעיל. משוואת יעילות סנפיר מלבנית טיפוסית של פרופיל אורך משמשת כמשוואה השנייה לפתרון מקדם העברת החום ויעילות הסנפיר על-ידי מזעור סכום הריבועים של פונקציה אובייקטיבית. שיטה זו חלה על תנאי זרימת MEG עם קצבי זרימת מים משתנים.

כדי לחשב את מקדם העברת החום, נעשה שימוש במספר ריינולדס, שניתן על-ידי המשוואה הבאה:

(3)

כאשר G הוא מהירות המסה של זרימת הנוזלים, D הוא קוטר הצינור שבו הנוזל זורם (D_eq, הקוטר המקביל יחליף D לחישובים עם סנפירים), μ הוא הצמיגות של הנוזל. משוואת יעילות סנפיר עבור סנפיר פרופיל מלבני אורך היא:

(4)

כאשר m הוא √(2h/kt), h הוא מקדם העברת חום, k הוא מוליכות תרמית של הצינור, t הוא עובי של סנפיר, ו b הוא גובה הסנפיר.

1. קביעת קצב התחלה וזרימה

1. פתח את שסתום המטען הממוקם מתחת לגנרטור הקיטור.
2. התחל את היחידה, ואפשר 15 דקות עבור קיטור להתחיל להרכיב.
3. חישוב קצב זרימת המים
   1. הפעל שעון עצר ונטר את מד המציג את נפח המים.
   2. עצור את השעון לאחר 30 s ורשום את הנפח הכולל של מים המוצגים על המד.
   3. חלק את נפח המים עד כדי לקבוע את קצב הזרימה נפחית.
4. הקלט את קצב זרימת MEG מד הזרימה.
5. שים לב לטמפרטורה מהתרמיקופלים, ורשום את הערכים.

2. שינוי קצב הזרימה וכיבוי

1. כדי לאסוף נתונים עבור 6 ריצות שונות, הגדר את קצב זרימת המים לקצב זרימה גבוה או נמוך והפעל אותו עם קצב זרימה גבוה, בינוני או נמוך של MEG.
   1. לעיון, נעשה שימוש בשיעורי הזרימה הקודמים: 0.0439, 0.0881 ו- 0.1323 גל/שניה עבור קצבי הזרימה הנמוכים, הבינוניים והגבוהים של MEG, בהתאמה.
2. כבעבר, תיעד את קצבי הזרימה הנפחיים ואת הפרשי הטמפרטורה בתרמי-סקופ לכל ריצה.
3. כשתסיים, כבה את הכלי.
   1. סגור את השסתומים כדי לעצור את זרימת הקיטור, מונואתילן גליקול ומים.
   2. כבה את המתג הראשי.

3. חישובים

1. השתמש במשוואה 1 כדי לחשב את החום הכולל שהועבר, Q, כאשר הפרש הטמפרטורה נקרא מהתרמיקופלים (התקנים המשמשים למדידת טמפרטורה) והממדים הפיזיים הידועים של מחליף החום (נמצא במדריך למשתמש עבור היחידה המופעלת). הבדלי הטמפרטורה ניתן לקחת מתוך קריאות הטמפרטורה של כל ריצה.
2. חשב את החום שהועבר עבור כל גירסת ניסיון ייחודית והשתמש בשיטת התוויית וילסון כדי למצוא את מקדמי העברת החום עבור שלושת קצבי זרימת MEG.
3. השווה את החום המחושב שהועבר ואת מספר ריינולדס לערכים תיאורטיים של מחליף החום ללא סנפירים.

מחליף החום של הצינור לא הגיע לזרימה סוערת(איור 2). הסנפירים מספקים משטחים נוספים שעליהם נוצרות שכבות גבול, כידוע באמצעות תורת למינאר וזרימה סוערת. אם הנוזל אינו במהירות מספקת, הנוזל לא יגיע למערבולת. שכבות הגבול בין הסנפירים חופפות באזור למינאר, כך שהנוזל יישאר למינארי.

איור 2: מספרי ריינולדס עבור כל הגדרה.

כמות החום שהועברה, Q, בצינורות עם ובלי סנפירים בקצבי זרימה שונים של MEG הושוותה(איור 3). התוצאות מראות כי צינור פין מעביר יותר חום מאשר צינור ללא סנפירים באותו תנאי הפעלה. בניסוי זה, הסנפירים בבירור שיפרו את העברת החום. הסיבה לכך היא העברת חום יעילה יותר כאשר יש שטח פנים גדול יותר זמין. מחליף החום של הצינור הת'ים העביר יותר חום(איור 3),למרות מספר ריינולדס הנמוך יותר(איור 2).

איור 3: החום מועבר בין מחליפים עם ובלי סנפירים בכל קצב זרימה.

מחליפי חום משמשים במגוון תעשיות, כולל חקלאות, ייצור כימי, ו- HVAC. המטרה לניסוי זה הייתה לבחון את יעילות העברת החום של מחליף חום פין-צינור ולהשוות אותו ליעילות התיאורטית של מחליף חום ללא סנפירים. נתונים ניסיוניים נמדדו עבור שלושה קצבי זרימה שונים של מונואתילן גליקול (MEG) ושני קצבי זרימת מים ייחודיים עבור כל קצב זרימת MEG בשימוש. מספרו של ריינולד נקבע לזרימה עם ובלי הסנפירים ושימש לחישוב מקדם העברת החום, שטח הפנים ויעילות הסנפיר עבור כל הרצת ניסיון ייחודית. נתונים אלה שימשו להערכה אם זרימה סוערת אפשרית ללא הסנפירים ותחתיו מתרחשת מערכת של תנאי ניסיון העברת החום ביותר. הצינורות המפונים לא הגיעו לזרימה סוערת. התוצאות הראו כי צינור סנפיר יעביר יותר חום מאשר צינור ללא סנפירים באותו תנאי הפעלה כי זרימת MEG דרך מחליף החום לא תגיע למערבולת.

בענף החקלאות, מחליפי חום משמשים בעיבוד של סוכר ואתנול². שני מוצרים אלה מעובדים לתוך מיץ, אשר חייב להיות מחומם כדי להיות מעובד עוד יותר². מחליפי חום משמשים לחימום המיצים להבהרה². לאחר המיצים מעובדים לתוך סירופים זוגיים, חימום נוסף עם מחליפים יש צורך להמשיך עיבוד וליצור מולסה². מולסה מקורר באמצעות מחליפי חום, ולאחר מכן ניתן לאחסן אותו לעיבוד מאוחר יותר².

מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר, המכונות יחד HVAC, כולן עושות שימוש במחליפי חום³. מיזוג אוויר ביתי ויחידות חימום לעשות שימוש מחליפי חום³. במסגרות גדולות יותר, מפעלים כימיים, בתי חולים ומרכזי תחבורה כולם עושים שימוש במחליף חום דומה HVAC, בקנה מידה גדול^{בהרבה 3}. בתעשייה הכימית, מחליפי חום משמשים לחימום וקירור מגוון גדול של תהליכים⁴. תסיסה, זיקוק ופיצול כולם עושים שימוש מחליפי חום⁴. תהליכים נוספים כמו תיקון וטיהור דורשים מחליפי חום⁴.