چگونه می توان سرعت انتقال حرارت یک مبدل حرارتی لوله ای را محاسبه کرد؟

چگونه می توان سرعت انتقال حرارت یک مبدل حرارتی لوله ای را محاسبه کرد؟

من به عنوان تأمین کننده مبدل های حرارتی لوله ای ، نقش مهمی را که محاسبات سرعت انتقال حرارت دقیق در طراحی ، بهره برداری و بهینه سازی این قطعات اساسی تجهیزات بازی می کند ، می فهمم. در این پست وبلاگ ، من شما را از طریق فرآیند محاسبه میزان انتقال حرارت یک مبدل حرارتی لوله ای راهنمایی می کنم و دانش و ابزارهای لازم برای تصمیم گیری آگاهانه در مورد نیازهای تبادل گرما را در اختیار شما قرار می دهم.

درک اصول انتقال حرارت

قبل از اینکه به محاسبات شیرجه بزنیم ، درک اساسی از اصول انتقال حرارت مهم است. انتقال حرارت هنگامی رخ می دهد که اختلاف دما بین دو ماده وجود داشته باشد و می تواند از طریق سه مکانیسم اصلی انجام شود: هدایت ، همرفت و تابش. در یک مبدل حرارتی توبولار ، حالت اصلی انتقال حرارت همرفت است که شامل انتقال گرما بین یک سیال و یک سطح جامد از طریق حرکت مایعات است.

میزان انتقال حرارت ، همچنین به عنوان شار گرما نیز شناخته می شود ، مقدار حرارت منتقل شده در هر واحد زمان است. به طور معمول در وات (W) یا واحدهای حرارتی انگلیس در ساعت (BTU/H) اندازه گیری می شود. میزان انتقال حرارت تحت تأثیر چندین عامل ، از جمله اختلاف دما بین دو مایع ، سطح سطح موجود برای انتقال حرارت ، هدایت حرارتی مواد درگیر و میزان جریان مایعات است.

ضریب انتقال حرارت کلی (U)

ضریب انتقال حرارت کلی (U) اندازه گیری توانایی مبدل حرارتی برای انتقال گرما از یک مایع به دیگری است. اثرات ترکیبی از هدایت ، همرفت و رسوب در فرآیند انتقال حرارت را در نظر می گیرد. ضریب انتقال حرارت کلی در واحدهای وات در هر متر مربع در هر درجه سانتیگراد (وزنی/متر مربع · درجه سانتیگراد) یا واحدهای حرارتی انگلیس در ساعت در هر فوت مربع در هر درجه فارنهایت (BTU/H · ft² · ° F) بیان شده است.

ضریب انتقال حرارت کلی را می توان با استفاده از معادله زیر محاسبه کرد:

1/u = 1/سلام + rf ، i + δ/k + rf ، o + 1/ho

کجا:

• HI ضریب انتقال حرارت داخلی (w/m² · ° C یا BTU/H · ft² · ° F)
• RF ، I مقاومت در برابر رسم داخلی است (m² · ° C/W یا ft² · ° F · H/BTU)
• δ ضخامت دیواره لوله (m یا ft) است
• k هدایت حرارتی ماده لوله است (w/m · ° c یا btu/h · ft · ° f)
• rf ، o مقاومت در برابر رسوب خارج است (m² · ° c/w یا ft² · ° f · h/btu)
• HO ضریب انتقال حرارت خارج (w/m² · ° C یا BTU/H · ft² · ° F)

ضرایب انتقال حرارت داخلی و خارج با استفاده از همبستگی های تجربی بر اساس رژیم جریان ، خواص سیال و هندسه مبدل حرارتی قابل تعیین است. مقاومت در برابر رسوب باعث ایجاد رسوبات روی سطوح لوله می شود که می تواند با گذشت زمان راندمان انتقال حرارت را کاهش دهد. هدایت حرارتی مواد لوله به نوع مواد مورد استفاده مانند فولاد ضد زنگ ، فولاد کربن یا تیتانیوم بستگی دارد.

میانگین اختلاف دما لگاریتمی (LMTD)

میانگین اختلاف دما لگاریتمی (LMTD) اندازه گیری میانگین اختلاف دما بین دو مایع در یک مبدل حرارتی است. این واقعیت را در نظر می گیرد که اختلاف دما بین مایعات در طول مبدل حرارتی تغییر می کند. LMTD با استفاده از معادله زیر محاسبه می شود:

lmtd = (ΔT1 - ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2)

کجا:

• ΔT1 اختلاف دما بین مایعات گرم و سرد در یک انتهای مبدل حرارتی (درجه سانتیگراد یا درجه فارنهایت) است
• ΔT2 اختلاف دما بین مایعات گرم و سرد در انتهای دیگر مبدل حرارتی (درجه سانتیگراد یا درجه فارنهایت) است

LMTD در محاسبه میزان انتقال حرارت استفاده می شود زیرا نمایشی دقیق تر از میانگین اختلاف دما بین دو سیال را نسبت به میانگین حسابی ساده ارائه می دهد.

محاسبه میزان انتقال حرارت (Q)

هنگامی که ضریب انتقال حرارت کلی (U) و میانگین اختلاف دما لگاریتمی (LMTD) مشخص شد ، می توان سرعت انتقال حرارت (Q) را با استفاده از معادله زیر محاسبه کرد:

q = u × a × lmtd

کجا:

• Q میزان انتقال حرارت (W یا BTU/H) است
• U ضریب انتقال حرارت کلی (w/m² · ° C یا BTU/H · ft² · ° F) است
• A مساحت سطح موجود برای انتقال حرارت (m² یا ft²) است
• LMTD میانگین اختلاف دما لگاریتمی (درجه سانتیگراد یا درجه فارنهایت) است

سطح سطح موجود برای انتقال حرارت می تواند بر اساس هندسه مبدل حرارتی مانند تعداد لوله ها ، قطر لوله و طول لوله محاسبه شود.

محاسبه مثال

بیایید نمونه ای از محاسبه سرعت انتقال حرارت یک مبدل حرارتی لوله ای را در نظر بگیریم. فرض کنید ما یک مبدل حرارتی با مشخصات زیر داریم:

• مواد لوله: مبدل حرارتی فولاد کربنمبدل حرارتی کربن
• قطر لوله: 25 میلی متر
• طول لوله: 3 متر
• تعداد لوله ها: 100
• ضریب انتقال حرارت در داخل (HI): 1000 W/m² · ° C
• ضریب انتقال حرارت خارج (HO): 800 W/m² · ° C
• مقاومت در برابر رسوب (RF ، I): 0.0002 متر مربع · ° C/W
• مقاومت در برابر رسوب (RF ، O): 0.0003 m² · ° C/W
• ضخامت دیواره لوله (δ): 2 میلی متر
• هدایت حرارتی مواد لوله (K): 50 W/m · ° C
• دمای ورودی مایع گرم: 100 درجه سانتیگراد
• دمای خروجی مایع داغ: 60 درجه سانتیگراد
• دمای ورودی مایع سرد: 20 درجه سانتیگراد
• دمای خروجی مایع سرد: 50 درجه سانتیگراد

ابتدا باید ضریب انتقال حرارت کلی (U) را محاسبه کنیم:

1/u = 1/سلام + rf ، i + δ/k + rf ، o + 1/ho
1/u = 1/1000 + 0.0002 + 0.002/50 + 0.0003 + 1/800
1/u = 0.001 + 0.0002 + 0.00004 + 0.0003 + 0.00125
1/u = 0.00279
u = 358.42 w/m² · ° c

در مرحله بعد ، ما باید میانگین اختلاف دما لگاریتمی (LMTD) را محاسبه کنیم:

ΔT1 = 100 - 50 = 50 ° C
ΔT2 = 60 - 20 = 40 درجه سانتیگراد
lmtd = (ΔT1 - ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2)
LMTD = (50 - 40) / LN (50 /40)
LMTD = 10 / 0.223
LMTD = 44.84 درجه سانتیگراد

سرانجام ، ما می توانیم میزان انتقال حرارت (Q) را محاسبه کنیم:

سطح سطح موجود برای انتقال حرارت (A) را می توان به شرح زیر محاسبه کرد:

a = π × d × l × n
A = π × 0.025 × 3 × 100
A = 23.56 متر مربع

q = u × a × lmtd
Q = 358.42 × 23.56 × 44.84
q = 376،732.6 W

بنابراین ، میزان انتقال حرارت مبدل حرارتی لوله ای تقریباً 376،733 W یا 1،285،368 BTU/H است.

اهمیت محاسبات دقیق

محاسبات دقیق میزان انتقال حرارت برای طراحی مناسب و عملکرد یک مبدل حرارتی لوله ای ضروری است. با اطمینان از اینکه مبدل حرارتی به درستی اندازه و کارآمد است ، می توانید مصرف انرژی را به حداقل برسانید ، هزینه های عملیاتی را کاهش داده و عمر خدمات تجهیزات را افزایش دهید.

علاوه بر این ، محاسبات دقیق می تواند به شما در انتخاب نوع مناسب مبدل حرارتی برای برنامه خاص خود کمک کند. به عنوان مثال ، اگر به سرعت انتقال حرارت زیاد نیاز دارید و فضای محدودی دارید ، ممکن است استفاده از a را در نظر بگیریدمبدل حرارتی لوله مارپیچی، که دارای طراحی جمع و جور و نسبت سطح بالا به حجم است. از طرف دیگر ، اگر نیاز به چگال بخار دارید ، ممکن است یکخازن، که به طور خاص برای این منظور طراحی شده است.

برای نیازهای تبادل گرما با ما تماس بگیرید

ما به عنوان تأمین کننده پیشرو در مبدلهای حرارتی توبولار ، ما از تخصص و تجربه برخوردار هستیم تا به شما در انتخاب مبدل حرارتی مناسب برای برنامه خود کمک کنیم و اطمینان حاصل کنیم که از کارآیی اوج کار می کند. تیم مهندسان ما می توانند محاسبات مفصلی را برای تعیین میزان انتقال حرارت و سایر پارامترهای مهم انجام دهند و ما می توانیم راه حل های سفارشی را که مطابق با نیازهای خاص شما است ، در اختیار شما قرار دهیم.

اگر شما علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد مبدل های حرارتی لوله‌ای ما هستید یا دوست دارید در مورد نیازهای تبادل گرما خود بحث کنید ، لطفاً امروز با ما تماس بگیرید. ما مشتاقانه منتظر همکاری با شما برای دستیابی به اهداف خود هستیم.

منابع

• Incropera ، FP ، & DeWitt ، DP (2002). اصول گرما و انتقال انبوه. جان ویلی و پسران.
• شاه ، RK ، و Sekulic ، DP (2003). اصول طراحی مبدل حرارتی. جان ویلی و پسران.
• Green ، DW ، & Perry ، RH (2007). کتابچه راهنمای مهندسان شیمی پری. مک گرا-هیل.