Hej tam! Jako dostawca rurowych wymienników ciepła często otrzymuję pytania, jak obliczyć powierzchnię wymiany ciepła tych fajnych urządzeń. Pomyślałem więc, że przygotuję ten wpis na blogu, aby przedstawić go w sposób łatwy do zrozumienia.
Na początek porozmawiajmy trochę o tym, czym jest wymiennik ciepła z rurą płaszczową. AWymiennik ciepła z rurą płaszczowąto rodzaj wymiennika ciepła, który składa się z szeregu rur zamkniętych w cylindrycznej obudowie. Jeden płyn przepływa przez rurki, drugi zaś na zewnątrz rurek, ale wewnątrz płaszcza. Pozwala to na efektywne przekazywanie ciepła pomiędzy dwoma płynami.
Istnieją różne typy wymienników płaszczowo-rurowych, npWymiennik ciepła ze stali nierdzewnej i rurą, co doskonale nadaje się do zastosowań, w których ważna jest odporność na korozję, orazPrzeciwprądowy wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy, gdzie dwa płyny przepływają w przeciwnych kierunkach, co zapewnia maksymalną efektywność wymiany ciepła.
Przejdźmy teraz do sedna obliczania powierzchni wymiany ciepła.
Podstawy wymiany ciepła
Podstawowe równanie wymiany ciepła w wymienniku ciepła wyraża się wzorem:
$Q = U\times A\times\Delta T_{lm}$
Gdzie:
- $Q$ to współczynnik przenikania ciepła (w watach lub BTU/godz.). Jest to ilość ciepła, którą należy przenieść z jednego płynu do drugiego. Można go obliczyć na podstawie masowego natężenia przepływu, ciepła właściwego i zmiany temperatury płynów. Na przykład, jeśli mamy płyn o masowym natężeniu przepływu $\dot{m}$, cieple właściwym $c_p$ i ulega on zmianie temperatury $\Delta T$, wówczas $Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T$.
- $U$ to ogólny współczynnik przenikania ciepła (w $W/m^{2}\cdot K$ lub $BTU/hr\cdot ft^{2}\cdot^{\circ}F$). Współczynnik ten uwzględnia opór cieplny ścianki rury, zanieczyszczenia po bokach rury i płaszcza oraz współczynniki konwekcyjnego przenikania ciepła po obu stronach. Wartość $U $ można oszacować na podstawie rodzaju płynów, natężenia przepływu i geometrii wymiennika ciepła. W przypadku wymienników ciepła woda-woda wartości $U$ mogą wahać się od 800 - 1500 $W/m^{2}\cdot K$.
- $A$ to powierzchnia wymiany ciepła (w $m^{2}$ lub $ft^{2}$), którą staramy się znaleźć.
- $\Delta T_{lm}$ to log - średnia różnica temperatur.
Obliczanie dziennika — średnia różnica temperatur ($\Delta T_{lm}$)
Logarytmiczna średnia różnica temperatur służy do uwzględnienia faktu, że różnica temperatur pomiędzy dwoma płynami zmienia się wzdłuż długości wymiennika ciepła.
Dla przeciwprądowego wymiennika ciepła wzór na $\Delta T_{lm}$ jest następujący:
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}$
gdzie $\Delta T_1$ i $\Delta T_2$ są różnicami temperatur pomiędzy gorącym i zimnym płynem na dwóch końcach wymiennika ciepła.
Załóżmy, że gorący płyn wpływa w temperaturze $T_{h1}$ i wypływa w temperaturze $T_{h2}$, a zimny płyn wpływa w temperaturze $T_{c1}$ i wypływa w temperaturze $T_{c2}$. Następnie $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c2}$ i $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c1}$.
W przypadku wymiennika ciepła o przepływie równoległym koncepcja jest podobna, ale różnice temperatur są definiowane inaczej. Przepływ równoległy, oba płyny wpływają do wymiennika ciepła tym samym końcem. Zatem $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c1}$ i $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c2}$.
Obliczanie powierzchni wymiany ciepła ($A$)
Kiedy już masz wartości $Q$, $U$ i $\Delta T_{lm}$, możesz zmienić układ równania przenikania ciepła $Q = U\times A\times\Delta T_{lm}$, aby rozwiązać $A$:
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}$
Przykład krok po kroku
Przeanalizujmy przykład, aby wszystko było jaśniejsze.
Załóżmy, że mamy przeciwprądowy wymiennik ciepła z rurą płaszczową, w którym podgrzewana jest woda. Gorąca woda wpływa przy 80^{\circ}C$ i wypływa przy 60$^{\circ}C$, a zimna woda wpływa przy 20^{\circ}C$ i wypływa przy 50^{\circ}C$. Masowe natężenie przepływu zimnej wody wynosi 1 kg/s, a ciepło właściwe wody wynosi 4,18 kJ/kg\cdot K$.
Najpierw oblicz współczynnik przenikania ciepła $Q$:
$\dot{m}=1 kg/s$, $c_p = 4180 J/kg\cdot K$, $\Delta T=T_{c2}-T_{c1}=50 - 20=30 K$
$Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T=1\times4180\times30 = 125400 W$
Następnie załóżmy, że całkowity współczynnik przenikania ciepła $U = 1000 W/m^{2}\cdot K$.
Teraz oblicz log - średnią różnicę temperatur:
$\Delta T_1=T_{h1}-T_{c2}=80 - 50 = 30 K$
$\Delta T_2=T_{h2}-T_{c1}=60 - 20 = 40 K$
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}=\frac{30 - 40}{\ln(\frac{30}{40})}\około34,7 tys. $
Na koniec oblicz powierzchnię wymiany ciepła:
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}=\frac{125400}{1000\times34,7}\około3,61 m^{2}$
Czynniki wpływające na obliczenia
Istnieje kilka czynników, które mogą mieć wpływ na dokładność tych obliczeń.
Zanieczyszczenie: Z biegiem czasu na rurach i płaszczu wymiennika ciepła mogą gromadzić się osady, zwiększając opór cieplny i zmniejszając ogólny współczynnik przenikania ciepła $U$. Zanieczyszczenie należy uwzględnić za pomocą współczynnika zanieczyszczania, który jest dodawany do obliczeń oporu cieplnego.
Wzory przepływu: Rzeczywiste wzorce przepływu w płaszczowo-rurowym wymienniku ciepła mogą być bardziej złożone niż założenia dotyczące idealnego przepływu przeciwprądowego lub równoległego. Może występować przepływ krzyżowy i omijanie płynów, co może mieć wpływ na wydajność wymiany ciepła.
Właściwości płynu: Właściwości płynów, takie jak lepkość, gęstość i przewodność cieplna, mogą zmieniać się wraz z temperaturą. Może to mieć wpływ na współczynniki konwekcyjnego przenikania ciepła i ogólny współczynnik przenikania ciepła $U$.
Jeśli szukasz wymiennika ciepła z rurą płaszczową i potrzebujesz pomocy przy doborze rozmiaru lub zrozumieniu obliczeń wymiany ciepła, nie wahaj się z nami skontaktować. Jesteśmy tutaj, aby pomóc Ci w znalezieniu odpowiedniego wymiennika ciepła do konkretnego zastosowania. Niezależnie od tego, czy chodzi o proces przemysłowy na małą skalę, czy o dużą elektrownię, posiadamy wiedzę i produkty, które spełnią Twoje potrzeby. Skontaktuj się z nami, aby rozpocząć rozmowę na temat wymagań dotyczących wymienników ciepła i wspólnie znaleźć najlepsze rozwiązanie.
Referencje
- Incropera, FP i DeWitt, DP (2002). Podstawy wymiany ciepła i masy. Johna Wileya i synów.
- Holman, JP (2002). Przenikanie ciepła. McGraw-Wzgórze.