Test de l'efficacité du transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur à ailettes et à tubes

Source : Michael G. Benton et Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur d'un fluide à un autre. Plusieurs classes d'échangeurs de chaleur existent pour répondre à différents besoins. Certains des types les plus communs sont les échangeurs de coques et de tubes et les échangeurs de plaques¹. Les échangeurs de chaleur shell et tube utilisent un système de tubes à travers lequel le fluide coule¹. Un ensemble de tubes contient le liquide à refroidir ou à chauffer, tandis que le deuxième ensemble contient le liquide qui absorbe la chaleur ou le transmet¹. Les échangeurs de chaleur de plaque emploient un concept semblable, dans lequel les plaques sont étroitement jointes avec un petit écart entre chacun pour que le liquide coule^1. Le liquide qui circule entre les plaques alterne entre le chaud et le froid de sorte que la chaleur se déplace dans ou hors des cours d'eau nécessaires¹. Ces échangeurs ont de grandes surfaces, de sorte qu'ils sont généralement plus^{efficaces 1}.

L'objectif de cette expérience est de tester l'efficacité de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur à tube d'aileron (figure 1) et de le comparer à l'efficacité théorique d'un échangeur de chaleur sans nageoires. Les données expérimentales seront mesurées pour trois débits différents de monoéthylène glycol (MEG). Deux débits d'eau différents pour chaque débit MEG seront utilisés. À l'aide de la méthode de la parcelle Wilson, les coefficients de transfert de chaleur seront déterminés à partir des données expérimentales. En outre, le nombre du Reynold et la quantité de chaleur transférée seront comparés pour le débit avec et sans les nageoires pour évaluer l'efficacité du transfert de chaleur.

Figure 1 : Échangeur de chaleur à tube fin. 1) Température de sortie MEG 2) température d'alet d'eau 3) température d'inlet de MEG 4) température de sortie d'eau 5) mètre d'eau 6) verre de vue d'accumulation de MEG/cylindre.

Les échangeurs de chaleur transfèrent la chaleur entre deux fluides ou plus. Les échangeurs utilisent des espèces fluides qui s'écoulent dans un espace séparé d'un cours d'eau opposé qui fournit de la chaleur. Des nageoires peuvent être ajoutées à la zone d'écoulement pour faciliter plus de transfert de chaleur, car elles augmentent la surface disponible pour le transfert. Les nageoires ajoutées diminuent la zone à travers laquelle l'espèce s'écoule et fournissent plus de surfaces sur lesquelles les couches limites peuvent se former, ce qui entraîne un débit moins turbulent. Moins un débit est turbulent, plus il aura de couche limite. Une couche limite inhibe le transfert de chaleur, de sorte qu'avec un débit moins turbulent, moins de chaleur est transférée. Lorsque la couche limite est laminaire, il y a très peu de mélange.

La relation entre la zone par laquelle la chaleur peut s'écouler et le coefficient de transfert de chaleur est utilisée dans le calcul de la chaleur totale transférée. Cette relation est calculée par l'équation 1 :

(1)

où Q est transféré de chaleur (Btu/hr), U est le coefficient global de transfert de chaleur, A est zone par laquelle la chaleur est transférée (pi^2),T_LM est la différence de température moyenne logarithmique.

L'équation globale du coefficient de transfert de chaleur est la suivante :

(2)

où A_b est la surface du tuyau intérieur nu, A_f est la surface des nageoires, Un_LM est la différence de surface moyenne logarithmique, A est la surface du tuyau (o - extérieur, i - à l'intérieur), l'épaisseur x du tuyau, k est conductivité thermique du tuyau, h - Coefficient de transfert de chaleur individuel. (o 'extérieur, i 'à l'intérieur)

La méthode de la parcelle Wilson utilise des données expérimentales pour trouver U_oA_o de l'équilibre énergétique typique sur le flux MEG et tracer sa réciprocité à 1/Re^0,8 du tuyau intérieur. En installant une ligne droite et en trouvant l'interception y, qui est liée au coefficient de transfert de chaleur et est décrite dans les deux premiers termes sur le droit de l'équation ci-dessus. Une équation d'efficacité rectangulaire de profil longitudinal typique est utilisée comme deuxième équation à résoudre pour le coefficient de transfert de chaleur et l'efficacité de l'aileron en minimisant la somme des carrés d'une fonction objective. Cette méthode est appliquée aux conditions d'écoulement MEG avec des débits d'eau variables.

Pour calculer le coefficient de transfert de chaleur, le numéro Reynolds est utilisé, qui est donné par l'équation suivante :

(3)

où G est la vitesse de masse du flux de fluide, D est le diamètre du tuyau où le fluide s'écoule (D_eq, le diamètre équivalent remplacera D pour les calculs avec des nageoires), et est la viscosité du fluide. L'équation d'efficacité de fin pour une nageoire rectangulaire longitudinale est :

(4)

où est m (2h/kt), h est le coefficient de transfert de chaleur, k est conductivité thermique du tuyau, t est l'épaisseur de la nageoire, et b est la hauteur de la nageoire.

1. Détermination du taux de démarrage et de débit

1. Ouvrez la soupape de charge située sous le générateur de vapeur.
2. Démarrer l'unité, et laisser 15 min pour la vapeur de commencer à former.
3. Calculer le débit de l'eau
   1. Démarrez un chronomètre et surveillez la jauge affichant le volume d'eau.
   2. Arrêtez la montre après 30 s et enregistrez le volume total d'eau affiché sur la jauge.
   3. Divisez le volume d'eau au moment de déterminer le débit volumétrique.
4. Enregistrez le débit MEG à partir du débitmètre.
5. Observez la température des thermocouples et enregistrez les valeurs.

2. Varier le débit et arrêter

1. Pour recueillir des données pour 6 séries différentes, régler le débit d'eau à un débit élevé ou faible et l'exécuter avec un débit élevé, moyen ou faible de MEG.
   1. À titre de référence, les débits précédents ont été utilisés : 0,0439, 0,0881 et 0,1323 gal/sec pour les débits faibles, moyens et élevés de MEG, respectivement.
2. Comme précédemment, enregistrez les débits volumétriques et la différence de température sur le thermocouple pour chaque course.
3. Une fois terminé, arrêtez l'instrument.
   1. Fermez les vannes pour arrêter l'écoulement de la vapeur, du monoéthylène glycol et de l'eau.
   2. Éteignez l'interrupteur principal.

3. Calculs

1. Utilisez l'équation 1 pour calculer la chaleur totale transférée, Q, avec la différence de température lue à partir des thermocouples (dispositifs utilisés pour mesurer la température) et les dimensions physiques connues de l'échangeur de chaleur (trouvé dans le manuel d'utilisation pour l'unité en cours d'exploitation ). Les différences de température peuvent être prises à partir des lectures de température de chaque course.
2. Calculez la chaleur transférée pour chaque essai unique et utilisez la méthode de la parcelle Wilson pour trouver les coefficients de transfert de chaleur pour les trois débits MEG.
3. Comparez la chaleur calculée transférée et le nombre de Reynolds aux valeurs théoriques de l'échangeur de chaleur sans nageoires.

L'échangeur de chaleur du tube à nageoires n'a pas atteint un débit turbulent (figure 2). Les nageoires fournissent des surfaces supplémentaires sur lesquelles les couches limites se forment, comme on le sait par la théorie de l'écoulement laminaire et turbulent. Si le fluide n'est pas à une vitesse suffisante, le fluide n'atteindra pas la turbulence. Les couches de limite entre les nageoires se chevauchent dans la région laminaire, de sorte que le fluide restera laminaire.

Figure 2: Numéros Reynolds pour chaque paramètre.

La quantité de chaleur transférée, Q, dans les tubes avec et sans nageoires à différents débits de MEG a été comparée (Figure 3). Les résultats montrent qu'un tube à nageoires transfère plus de chaleur qu'un tube sans nageoires aux mêmes conditions de fonctionnement. Dans cette expérience, les nageoires ont clairement amélioré le transfert de chaleur. C'est parce que le transfert de chaleur est plus efficace quand il ya une plus grande surface disponible. L'échangeur de chaleur à tube d'aileron a transféré plus de chaleur (Figure 3), malgré le nombre plus faible de Reynolds (Figure 2).

Figure 3: Chaleur transférée entre les échangeurs avec et sans ailerons à chaque débit.

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans une variété d'industries, y compris l'agriculture, la production chimique et le CVC. L'objectif de cette expérience était de tester l'efficacité de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur à tube d'aileron et de le comparer à l'efficacité théorique d'un échangeur de chaleur sans nageoires. Des données expérimentales ont été mesurées pour trois débits différents de monoéthylène glycol (MEG) et deux débits d'eau uniques pour chaque débit MEG utilisé. Le nombre du Reynold a été déterminé pour le débit avec et sans les nageoires et a été utilisé pour calculer le coefficient de transfert de chaleur, la surface et l'efficacité des nageoires pour chaque essai unique. Ces données ont été utilisées pour évaluer si le débit turbulent est possible sans les nageoires et dans quels ensembles de conditions d'essai le plus de transfert de chaleur se produit. Les tubes à nageoires n'ont pas atteint un débit turbulent. Les résultats ont montré qu'un tube d'aileron transférera plus de chaleur qu'un tube sans nageoires aux mêmes conditions de fonctionnement parce que le flux de MEG par l'échangeur de chaleur n'atteindra pas la turbulence.

Dans l'industrie agricole, les échangeurs de chaleur sont utilisés dans la transformation du sucre et de l'éthanol². Ces deux produits sont transformés en jus, qui doit être chauffé pour être transformé². Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans le chauffage des jus pour des éclaircissements². Une fois que les jus ont été transformés en sirops uniformes, un chauffage plus poussé avec des échangeurs est nécessaire pour continuer le traitement et former de la mélasse². La mélasse est refroidie à l'aide d'échangeurs de chaleur, après quoi elle peut être stockée pour un traitement ultérieur².

Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, connus sous le nom de CVC, font tous appel à des échangeurs de chaleur³. Les unités de climatisation et de chauffage des ménages font appel à des échangeurs de chaleur³. Dans les grands environnements, les usines chimiques, les hôpitaux et les centres de transport font tous appel à des échangeurs de chaleur similaires HVAC, à une échelle beaucoup plus grande³. Dans l'industrie chimique, les échangeurs de chaleur sont utilisés pour le chauffage et le refroidissement d'une grande variété de processus⁴. La fermentation, la distillation et la fragmentation font tous appel à des échangeurs de chaleur⁴. Encore plus de processus comme la rectification et la purification nécessitent des échangeurs de chaleur⁴.