چگونه می توان منطقه انتقال حرارت مورد نیاز یک مبدل حرارتی را تعیین کرد؟

سلام! من بخشی از تیم تأمین کننده مبدل حرارتی هستم و امروز می خواهم در مورد چگونگی کشف منطقه انتقال حرارت مورد نیاز مبدل حرارتی گپ بزنم. این یک گام مهم در دریافت مبدل حرارتی مناسب برای نیازهای شما است ، بنابراین بیایید شیرجه بزنیم!

درک اصول انتقال حرارت

قبل از شروع محاسبه منطقه انتقال حرارت ، باید اصول اساسی انتقال حرارت را درک کنیم. سه روش اصلی وجود دارد که گرما می تواند حرکت کند: هدایت ، همرفت و تابش. در بیشتر مبدلهای حرارتی ، هدایت و همرفت بازیکنان اصلی هستند.

هدایت زمانی است که گرما از طریق یک ماده جامد حرکت می کند. به یک میله فلزی در یک انتها فکر کنید و به تدریج کل میله را گرم کنید. در یک مبدل حرارتی ، گرما از طریق دیواره های لوله ها یا صفحات منتقل می شود.

همرفت انتقال گرما با حرکت یک مایع (یا مایع یا گاز) است. در مبدل حرارتی ، مایعات گرم و سرد در طرف های مختلف سطح انتقال حرارت جریان می یابند و گرما از مایع گرم به سرما از طریق سطح منتقل می شود.

معادله انتقال حرارت

قلب محاسبه ناحیه انتقال حرارت در معادله انتقال حرارت قرار دارد که q = u × a × ΔTM است. بیایید این را تجزیه کنیم:

• سعدی: این میزان انتقال حرارت است که در وات (W) یا واحدهای حرارتی انگلیس در ساعت (BTU/HR) اندازه گیری می شود. این نشان دهنده میزان انتقال گرما از مایع گرم به مایع سرد است. شما می توانید Q را با استفاده از سرعت جریان جرم ، ظرفیت حرارت خاص و تغییر دما مایعات محاسبه کنید. فرمول q q = m × cp × ΔT است ، جایی که m سرعت جریان جرم است ، CP ظرفیت گرمای خاص است و ΔT تغییر دما است.
• در: این ضریب انتقال حرارت کلی است که در w/(m² · k) یا btu/(hr · ft² · ° f) اندازه گیری می شود. مقاومت در برابر انتقال حرارت در دو طرف سطح انتقال حرارت و همچنین مقاومت خود سطح را در نظر می گیرد. مقدار U به عوامل زیادی بستگی دارد ، مانند نوع سیال ، سرعت جریان ، هندسه مبدل حرارتی و ماده سطح انتقال حرارت.
• بوها: این منطقه انتقال حرارت است که ما می خواهیم آن را پیدا کنیم ، در متر مربع (متر مربع) یا فوت مربع (ft²) اندازه گیری می شود.
• Δtm: این میانگین اختلاف دما (LMTD) است که اندازه گیری میانگین اختلاف دما بین مایعات گرم و سرد در طول مبدل حرارتی است. فرمول ΔTM کمی پیچیده است ، اما بر اساس دمای ورودی و خروجی مایعات گرم و سرد است.

محاسبه گام به گام

اکنون که معادله را می شناسیم ، بیایید مراحل را برای محاسبه منطقه انتقال حرارت مورد نیاز طی کنیم:

مرحله 1: میزان انتقال حرارت (Q) را تعیین کنید

ابتدا باید بفهمید که چه مقدار گرما باید منتقل شود. این به کاربرد خاص شما بستگی دارد. به عنوان مثال ، اگر از مبدل حرارتی برای گرم کردن آب برای یک فرآیند استفاده می کنید ، باید سرعت جریان جرم آب ، دمای اولیه و نهایی آن و ظرفیت گرمای خاص آن را بدانید.

بیایید بگوییم که شما سرعت جریان آب 10 کیلوگرم بر ثانیه دارید و می خواهید آن را از 20 درجه سانتیگراد تا 80 درجه سانتیگراد گرم کنید. ظرفیت گرمای خاص آب در حدود 4.18 کیلو گرم در (کیلوگرم · K) است. با استفاده از فرمول Q = M × CP × ΔT ، می توانیم Q را به شرح زیر محاسبه کنیم:

Q = 10 کیلوگرم در ثانیه × 4.18 کیلوگرم/(کیلوگرم · K) × (80 درجه سانتیگراد - 20 ° C) = 60 × 4.18 × 60 = 2508 kJ/s = 2508000 W

مرحله 2: ضریب انتقال حرارت کلی (U) را تخمین بزنید

مقدار U بسته به نوع مبدل حرارتی و مایعات درگیر می تواند بسیار متفاوت باشد. می توانید مقادیر معمولی U را در کتابهای مهندسی یا منابع آنلاین پیدا کنید. به عنوان مثال ، برای یک مبدل حرارتی پوسته و لوله با آب در هر دو طرف ، شما ممکن است در حدود 1000-3000 W/(m² · k) باشد.

بیایید فرض کنیم ما از یک استفاده می کنیممبدل حرارتی پوسته صنعتی و لوله، و بر اساس تجربه و خواص سیال ، ما تخمین می زنیم که 2000 W/(m² · k) باشد.

مرحله 3: میانگین اختلاف دما را محاسبه کنید (ΔTM)

برای محاسبه ΔTM ، باید دمای ورودی و خروجی مایعات گرم و سرد را بدانید. بیایید بگوییم مایع گرم در دمای 120 درجه سانتیگراد وارد می شود و در دمای 90 درجه سانتیگراد می رود و مایع سرد در دمای 20 درجه سانتیگراد وارد می شود و در دمای 80 درجه سانتیگراد می رود.

فرمول ΔTM:

Δtm = (ΔT1 - ΔT2) / ln (ΔT1 / ΔT2)

جایی که ΔT1 اختلاف دما در یک انتهای مبدل حرارتی است و ΔT2 اختلاف دما در انتهای دیگر است.

ΔT1 = 120 ° C - 80 ° C = 40 ° C
ΔT2 = 90 ° C - 20 ° C = 70 ° C

ΔTM = (40 درجه سانتیگراد - 70 درجه سانتیگراد) / LN (40 درجه سانتیگراد / 70 درجه سانتیگراد) ≈ 53.6 درجه سانتیگراد

مرحله 4: منطقه انتقال حرارت (A) را محاسبه کنید

اکنون که Q ، U و ΔTM داریم ، می توانیم از معادله انتقال حرارت q = u × A × ΔTM استفاده کنیم تا برای a حل کنیم:

a = q / (u × Δtm)

a = 2508000 w / (2000 w / (m² · k) 53.6 k) 23.4 m²

عوامل مؤثر در محاسبه

توجه به این نکته حائز اهمیت است که عوامل مختلفی وجود دارد که می توانند بر صحت محاسبه ما تأثیر بگذارند:

• خواص سیال: ظرفیت حرارتی خاص ، چگالی ، ویسکوزیته و هدایت حرارتی مایعات می تواند با دما و فشار تغییر کند. این تغییرات می تواند بر میزان انتقال حرارت و ضریب انتقال حرارت کلی تأثیر بگذارد.
• رژیم جریان: رژیم جریان (لمینار یا آشفته) مایعات نیز می تواند تأثیر زیادی در انتقال حرارت داشته باشد. جریان آشفته به طور کلی منجر به ضرایب انتقال حرارت بالاتر از جریان لامینار می شود.
• رسوب: با گذشت زمان ، رسوبات می توانند بر روی سطح انتقال حرارت ایجاد شوند ، که می تواند مقاومت در برابر انتقال حرارت را افزایش داده و ضریب انتقال حرارت کلی را کاهش دهد. این به عنوان رسوب شناخته می شود و هنگام طراحی مبدل حرارتی باید در نظر گرفته شود.

انواع مختلف مبدل های حرارتی

انواع مختلفی از مبدل های حرارتی در دسترس است که هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. برخی از انواع متداول عبارتند از:

• مبدلهای حرارتی پوسته و لوله: اینها پرکاربردترین نوع مبدل حرارتی هستند. آنها از یک پوسته (یک کشتی استوانه ای بزرگ) و یک دسته از لوله ها تشکیل شده اند. مایعات گرم و سرد به ترتیب از طریق لوله ها و پوسته جریان می یابد.مبدل حرارتی پوسته صنعتی و لولهبرای بسیاری از برنامه های صنعتی گزینه بسیار خوبی است.
• مبدلهای حرارتی پوسته و لوله U لوله: اینها تنوع مبدل حرارتی پوسته و لوله است ، جایی که لوله ها به شکل U خم می شوند. این طرح امکان گسترش حرارتی و انقباض بدون ایجاد استرس بیش از حد در لوله ها را فراهم می کند. بررسی کردنمبدل حرارتی لوله U-Tube و لولهبرای اطلاعات بیشتر
• بخاری های آب با فشار کم: این در نیروگاه ها برای گرم کردن آب تغذیه قبل از ورود به دیگ استفاده می شود. آنها به طور معمول با فشارهای کم کار می کنند و از بخار به عنوان محیط گرمایش استفاده می کنند.بخاری آب با فشار کمیک نوع تخصصی مبدل حرارتی برای این برنامه است.

پایان

محاسبه ناحیه انتقال حرارت مورد نیاز یک مبدل حرارتی یک فرآیند پیچیده اما اساسی است. با درک اصول اساسی انتقال حرارت ، با استفاده از معادله انتقال حرارت و با در نظر گرفتن عوامل مختلفی که می تواند در محاسبه تأثیر بگذارد ، می توانید اطمینان حاصل کنید که مبدل حرارتی مناسب را برای نیازهای خود انتخاب می کنید.

اگر در بازار مبدل حرارتی هستید و در مورد اندازه گیری یا روند انتخاب به کمک نیاز دارید ، از دستیابی به ما دریغ نکنید. ما تیمی از متخصصان با سالها تجربه در صنعت مبدل حرارتی هستیم و ما در اینجا هستیم تا بهترین راه حل ها را برای شما ارائه دهیم. آیا شما نیاز داریدمبدل حرارتی پوسته صنعتی و لوله، الفمبدل حرارتی لوله U-Tube و لوله، یا الفبخاری آب با فشار کم، ما شما را پوشانده ایم. برای شروع مکالمه امروز با ما تماس بگیرید!

منابع

• Incropera ، FP ، DeWitt ، DP ، Bergman ، TL و Lavine ، AS (2017). اصول گرما و انتقال انبوه. ویلی
• Green ، DW ، & Perry ، RH (2007). کتابچه راهنمای مهندسان شیمی پری. مک گرا-هیل.