Prüfung der Wärmeübertragungseffizienz eines Rippenrohrwärmetauschers

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 oder^{1 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.

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 t_LM die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz.

Die Gesamtgleichung des Wärmeübergangskoeffizienten lautet:

(2)

wobei A_b die Oberfläche des nackten Innenrohres ist, A_f die Oberfläche der Flossen, A_LM 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 U_oA_o aus der typischen Energiebilanz auf dem MEG-Fluss zu finden und ihre Wechselweise zu 1/Re^0.8 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 (D_eq, 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.

1. Start- und Durchflussrate-Bestimmung

1. Öffnen Sie das Ladeventil unterhalb des Dampferzeugers.
2. Starten Sie das Gerät, und lassen Sie 15 min für Dampf beginnen, sich zu bilden.
3. Berechnen sie den Durchfluss von Wasser
   1. Starten Sie eine Stoppuhr und überwachen Sie das Messgerät, das die Wassermenge anzeigt.
   2. Stoppen Sie die Uhr nach 30 s und notieren Sie die Gesamtmenge des Wassers, das auf dem Messgerät angezeigt wird.
   3. Dividieren Sie das Wasservolumen durch die Zeit, um den Volumenstrom zu bestimmen.
4. Zeichnen Sie den MEG-Durchfluss aus dem Durchflussmesser auf.
5. Beobachten Sie die Temperatur der Thermoelemente, und zeichnen Sie die Werte auf.

2. Änderung der Durchflussmenge und Herunterfahren

1. 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.
   1. 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.
2. Zeichnen Sie wie bisher die Volumendurchflussraten und die Temperaturdifferenz auf dem Thermoelement für jeden Lauf auf.
3. Wenn Sie fertig sind, fahren Sie das Gerät herunter.
   1. Schließen Sie die Ventile, um den Fluss von Dampf, Monoethylenglykol und Wasser zu stoppen.
   2. Schalten Sie den Hauptschalter aus.

3. Berechnungen

1. 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.
2. 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.
3. Vergleichen Sie die berechnete wärmeübertragene und Reynolds-Zahl mit theoretischen Werten des Wärmetauschers ohne Flossen.

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.

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 zur^Klärung2 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.

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.