Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Chemical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

בדיקת יעילות העברת החום של מחליף חום פין-צינור
 
Click here for the English version

בדיקת יעילות העברת החום של מחליף חום פין-צינור

Overview

מקור: מייקל בנטון וקרי מ. דולי, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס

מחליפי חום מעבירים חום מנוזל אחד לנוזל אחר. סוגים מרובים של מחליפי חום קיימים כדי למלא צרכים שונים. כמה מן הסוגים הנפוצים ביותר הם מחליפי פגז וצינורות מחליפי לוחות1. מחליפי חום מעטפת וצינור להשתמש במערכת של צינורות שדרכו נוזל זורם1. קבוצה אחת של צינורות מכילה את הנוזל לקירור או מחומם, בעוד הסט השני מכיל את הנוזל שיספוג חום או ישדר אותו1. מחליפי חום צלחת להשתמש מושג דומה, שבו לוחות מחוברים מקרוב יחד עם פער קטן בין כל אחד עבור נוזל לזרום1. הנוזל הזורם בין הצלחות מתחלף בין חם לקור, כך שהחום יעבור אל או מחוץ לנחלים הדרושים1. מחליפינים אלה יש שטחים גדולים, ולכן הם בדרך כלל יעילים יותר1.

המטרה לניסוי זה היא לבחון את יעילות העברת החום של מחליף חום של צינור פין (איור 1) ולהשוות אותו ליעילות התיאורטית של מחליף חום ללא סנפירים. הנתונים הניסיוניים יימדדו עבור שלושה קצבי זרימה שונים של מונואתילן גליקול (MEG). ייעשה שימוש בשני תעריפי זרימת מים שונים עבור כל קצב זרימת MEG. בשיטת עלילת וילסון, מקדמי העברת החום ייקבעו מהנתונים הניסיוניים. בנוסף, מספר ריינולד וכמות החום המועברת יושוו לזרימה עם ובלי הסנפירים כדי להעריך את יעילות העברת החום.

Figure 1
איור 1: מחליף חום פין-צינור. 1) טמפרטורת שקע MEG 2) טמפרטורת הכניסה של מים 3) טמפרטורת הכניסה MEG 4) טמפרטורת שקע מים 5) מטר מים 6) זכוכית / צילינדר הצטברות MEG.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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:

Equation 1(1)

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

משוואת מקדם העברת החום הכוללת היא:

Equation 2(2)

כאשר Ab הוא שטח הפנים של הצינור הפנימי החשוף, Af 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 UoAo מאיזון אנרגיה טיפוסי בזרימת MEG ולתוות את ההדדיות שלה ל- 1/Re0.8 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:

Equation 3(3)

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

Equation 4(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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.

מחליפי חום מעבירים חום בין שני מינים ומשמשים למגוון רחב של יישומים מרדיאטורים לרכב למפעלים כימיים בקנה מידה גדול. ישנם עיצובים מחליפים חום רבים כולל מחליפי פגז וצינורות וחילופי צינור פין. עבור אלה מערך של צינורות וסנפירים משמש להעברת חום מהנוזל החם לנוזל הקר. הבנה של יעילות העברת החום חשובה לאופטימיזציה של תכנון מחליף חום והשתלבותם במערכות גדולות יותר. וידאו זה ימחיש את העקרונות של מחליפי חום, להדגים כיצד לחשב את מקדם העברת חום ויעילות עבור מחליף חום צינור פין ולדון ביישומים קשורים.

עכשיו, בואו נסתכל על איך מחליפי חום עובדים ולבחון את העקרונות החלים על היעילות שלהם. העברת החום במחליף חום נוצרת על ידי מינים נוזליים במגע קרוב המופרדים על ידי מחסום פיזי. הם יכולים לזרום במקביל או נגד כרגע זה לזה. חילופי חום מונעים על ידי הבדלי טמפרטורה מקומיים בין הנוזלים. החם יותר של שני הנוזלים הנכנסים מחלף החום ייצא עם טמפרטורה מופחתת ואילו הקר ייצא עם טמפרטורה מוגברת. ניתן להגדיל את יעילות העברת החום על ידי הוספת סנפירים לאזור הזרימה אשר מגדיל את שטח הפנים הזמין להעברת חום. עם זאת, הסנפירים הנוספים גם להקטין את האזור שדרכו הנוזל זורם, מתן משטחים נוספים עבור שכבות גבול להיווצר. שכבת גבול היא השכבה הדקה של נוזל במגע עם פני השטח המושפעים מכוחות גוז. כאשר שכבת הגבול היא למינאר, יש מעט מאוד ערבוב והעברת חום מעוכבת. בקצבי זרימה גבוהים יותר, או מרחקים ארוכים יותר, זרימת למינאר מתפרקת ועוברת לזרימה סוערת שבה הנוזל בתפזורת מתערבב בצורה יעילה יותר. במהלך פעולת מצב יציבה, החום הכולל שהועבר, Q, ניתן לחשב באמצעות מקדם העברת החום הכולל U, האזור שדרכו זורם החום, A ודלתא TLM, הפרש הטמפרטורה הממוצע הלוגריתמי בין זרימת הנוזל בתפזורת לבין משטח החום. איחוד האמירויות הערביות היא ההולכת הכוללת והיא מדד לקיבולת העברת החום של מחליף חום. מקדם העברת החום הכולל נקבע על ידי משוואה זו שלוקחת בחשבון את שטחי הפנים של הצינור והסנפירים, מקדמי העברת החום ואת המוליכות התרמית ועובי הצינור. מקדם העברת החום מוערך מנתונים ניסיוניים בשיטות גרפיות כגון עלילת וילסון המתווה את ההדדיות של ההולכה הכוללת לעומת אחת מעל ריינולדס שהועלה לעוצמה של שמונה עשיריות. רגרסיה ליניארית משמשת לפתרון עבור מקדמי העברת החום. המספר של ריינולד חסר הממד הוא הקצבה של כוחות אינרציאליים לכוחות צמיגים והוא משמש לתיאור דפוס הזרימה. כאשר D הוא הקוטר המקביל של הצינור, G הוא מהירות המסה של הנוזל ומו הוא הצמיגות של הנוזל. מספר גבוה יותר של ריינולד מצביע על זרימה סוערת יותר, ערבוב נוזלים גדול יותר והעברת חום מוגברת. עכשיו שאתה מבין איך לחשב את מקדמי העברת החום ואת המספרים של ריינולד, בואו להעריך את יעילות העברת החום של מחליף חום צינור פין על ידי שינוי שיעורי הזרימה של מים ו monoetilenglicol.

לפני שתתחיל, להכיר את מנגנון מחליף חום צינור פין. פתח את שסתום המטען, הפעל את היחידה ולחכות קיטור להתחיל להרכיב. באמצעות סטופר ומדד, קבעו את קצב זרימת המים. הפעל את שעון העצר ונטר את מד המציג את נפח המים. הפסק את שעון העצר לאחר 30 שניות. להקליט את הנפח הכולל של מים על המד ולחלק את הנפח לפי הזמן הנמדד. לאחר מכן, קרא את קצב זרימת MEG בתצוגה. כאשר 30 השניות לחישוב קצב הזרימה חלפו, תעד את הטמפרטורה מהתרמי-קופלים.

כעת, שנה את קצבי הזרימה כדי לקבל נתונים עבור שש ריצות ייחודיות. כל ריצה מורכבת מקצב מים מוגדר וקצב זרימת MEG. הגדר את קצב זרימת המים לגבוה או נמוך והפעל אותו עם קצב זרימה גבוה, בינוני או נמוך של MEG למשך שש ריצות בסך הכל. חזור על אותו הליך לעיל עבור כל קצב זרימה כדי לתעד את קצבי הזרימה הנפחיים של מים ו- MEG ואת הפרש הטמפרטורה מהתרמי. כשתסיים, כבה את הכלי. סגור את השסתומים עבור קיטור, גליקול וזרימת מים. לאחר מכן כבה את המתג הראשי.

כדי לחשב את החום הכולל שהועבר, Q, עבור כל ריצה, השתמש בהפרשי הטמפרטורה המתקבלים מכל ניסוי ובפרמטרים הפיזיים של monoetilenglicol. לאחר מכן קבעו את מספר הריינולד עבור כל ריצה ייחודית באמצעות מידות הצינור ומהירות המסה והצמיגות של המים.

עכשיו בואו נשווה את התוצאות לערכים התיאורטיים של מחליף החום ללא סנפירים. חלקת וילסון שימשה לקביעת מקדמי העברת החום על ידי התוויית אחד מעל UA, לעומת אחד מעל המספר של ריינולד שהועלה לעוצמה של שמונה עשיריות ומקשר את ההתאמה הליניארית למשוואה עבור מקדם העברת החום הכולל. הקווים הכחולים, האדומים והירוקים מצביעים על שיעורי הזרימה הגבוהים, האמצעיים והנמופילנגליים הנמוכים בניסוי. בהשוואה לצינור שאינו פין, הצינור הפיני לא הגיע לזרימה סוערת. הסנפירים מספקים משטחים נוספים עבור שכבות גבול כדי ליצור ולתחזק את המונואתילן גליקול במשטר זרימה למינארי יותר. עם זאת, כאשר משווים את החום שהועבר בין המחליף עם ובלי סנפירים בקצבי זרימה MEG שונים, ברור כי צינור פין העביר יותר חום מאשר צינור ללא סנפירים באותן הגדרות הפעלה. העברת חום יעילה יותר עם שטח פנים גדול יותר, למרות העובדה כי צינורות פין לגרום זרימת למינאר, יעילות החום שלהם היה הרבה יותר גבוה מאשר עבור הצינור שאינו פין.

מחליפי חום משמשים במגוון הגדרות להעברת חום ממין אחד למשנהו. בכל הבניינים, מחליפי חום הם חלק ממערכות החימום והמיזוג כדי לווסת את הטמפרטורה. הם משמשים גם כדי לשלוט בטמפרטורת החולה הליבה בהגדרות טיפול קריטי, כגון לאחר דום לב, קדחת נוירוגנית או ניתוח. מחליפי חום משמשים גם בקנה מידה קטן בדנטורה ובמשקעי חום של חלבונים מתמציות צמחים. טכניקה זו שימשה להפקת מועמד לחיסון מלריה מצמחי טבק מהונדסים כדי להפחית את הריכוז של חלבוני תא מארח.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב עם מחליפי חום של צינורות. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות של העברת חום, להיות מסוגל להעריך את יעילות החום ולדעת כמה יישומים של מחליפי חום בתהליכים שונים. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.

Figure 2
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).

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 גדולבהרבה 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter