จะคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อได้อย่างไร

เฮ้! ในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ ฉันมักถูกถามเกี่ยวกับวิธีการคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์ที่ทันสมัยเหล่านี้ เป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบและปรับขนาดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตามความต้องการเฉพาะของคุณ เรามาเจาะลึกและทำลายกระบวนการกันดีกว่า

ทำความเข้าใจพื้นฐานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ

ก่อนที่เราจะเริ่มคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อน สิ่งสำคัญคือต้องมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้ประกอบด้วยมัดท่อที่อยู่ภายในเปลือก ของไหลชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อ ในขณะที่อีกของเหลวหนึ่งไหลออกนอกท่อผ่านเปลือก ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากของไหลร้อนไปยังของไหลเย็นผ่านผนังท่อ

มีตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อหลายประเภทให้เลือกใช้งาน โดยแต่ละประเภทมีข้อดีและการใช้งานของตัวเอง ตัวอย่างเช่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเชลล์แนวตั้งเหมาะสำหรับการใช้งานในพื้นที่จำกัดหรือที่แรงโน้มถ่วงสามารถช่วยในการไหลของของไหลเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อสแตนเลสมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูงจึงเหมาะกับการใช้งานกับของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อโลหะให้การนำความร้อนและความทนทานที่ดีเยี่ยม

สมการการถ่ายเทความร้อน

ขั้นตอนแรกในการคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนคือการใช้สมการการถ่ายเทความร้อน ซึ่งกำหนดโดย:

[Q = U \คูณ A \คูณ \Delta T_{lm}]

ที่ไหน:

• (Q) คืออัตราการถ่ายเทความร้อน (หน่วยเป็นวัตต์หรือ BTU/ชม.)
• (U) คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (เป็น (W/m^2K) หรือ (BTU/hr-ft^2-°F))
• (A) คือพื้นที่การถ่ายเทความร้อน (ใน (m^2) หรือ (ft^2))
• (\Delta T_{lm}) คือบันทึกความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย (LMTD)

เราสามารถจัดเรียงสมการนี้ใหม่เพื่อแก้หาพื้นที่ถ่ายเทความร้อน (A):

[A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}]

เรามาแจกแจงแต่ละองค์ประกอบของสมการนี้เพิ่มเติม

การคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q)

อัตราการถ่ายเทความร้อน (Q) หมายถึงปริมาณความร้อนที่ต้องถ่ายโอนจากของไหลร้อนไปยังของไหลเย็น สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้:

[Q = m\times C_p\times\Delta T]

ที่ไหน:

• (m) คืออัตราการไหลของมวลของของไหล (เป็นกิโลกรัม/วินาทีหรือปอนด์/ชม)
• (C_p) คือความจุความร้อนจำเพาะของของไหล (เป็น (J/kgK) หรือ (BTU/lb-°F))
• (\Delta T) คือความแตกต่างของอุณหภูมิของของไหล (ใน (K) หรือ (°F))

คุณต้องคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของของเหลวทั้งร้อนและเย็น ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนในอุดมคติ อัตราการถ่ายเทความร้อนของของไหลร้อนควรเท่ากับอัตราการถ่ายเทความร้อนของของไหลเย็น อย่างไรก็ตามในการใช้งานจริงอาจมีการสูญเสียบ้าง

การหาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U)

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) คำนึงถึงความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนทั้งด้านท่อและด้านเปลือก รวมไปถึงความต้านทานของผนังท่อด้วย โดยได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่างๆ เช่น คุณสมบัติของของไหล อัตราการไหล รูปทรงของท่อ และการเปรอะเปื้อน

การประมาณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมอาจเป็นเรื่องยุ่งยากเล็กน้อย คุณสามารถค้นหาค่าทั่วไปสำหรับ (U) ได้ในหนังสือเรียนการถ่ายเทความร้อนหรือคู่มือทางวิศวกรรม โดยพิจารณาจากประเภทของของไหล สภาพการไหล และการออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน หรือคุณสามารถใช้ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์หรือเครื่องมือซอฟต์แวร์เพื่อคำนวณ (U) ได้แม่นยำยิ่งขึ้น

การคำนวณความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึก (LMTD)

บันทึกความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย (\Delta T_{lm}) ใช้เพื่อพิจารณาความแตกต่างของอุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างของไหลร้อนและเย็นตลอดความยาวของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

[\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1 - \Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}]

ที่ไหน:

• (\Delta T_1) คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของไหลร้อนและเย็นที่ปลายด้านหนึ่งของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน
• (\Delta T_2) คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของไหลร้อนและเย็นที่ปลายอีกด้านหนึ่งของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

สูตร LMTD ถือว่าเงื่อนไขการไหลทวน สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลแบบขนาน สูตรจะยังคงเหมือนเดิม แต่ความแตกต่างของอุณหภูมิจะถูกกำหนดแตกต่างกัน

รวบรวมมันทั้งหมดเข้าด้วยกัน

เมื่อคุณคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q) กำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) และคำนวณความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึก (\Delta T_{lm}) แล้ว คุณสามารถใช้สูตร (A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}) เพื่อคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อน (A)

ลองดูตัวอย่างเพื่ออธิบายกระบวนการ สมมติว่าเรามีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนโดยที่ของไหลร้อนมีอัตราการไหลของมวล (m_h = 10\ kg/s) ความจุความร้อนจำเพาะ (C_{p,h}= 2000\ J/kgK) และเข้าไปที่อุณหภูมิ (T_{h,in}= 100°C) และออกไปที่ (T_{h,out}= 60°C) ของไหลเย็นมีอัตราการไหลของมวล (m_c = 15\ kg/s) ความจุความร้อนจำเพาะ (C_{p,c}= 4000\ J/kgK) และเข้าสู่ที่อุณหภูมิ (T_{c,in}= 20°C)

ขั้นแรก เราคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q) สำหรับของไหลร้อน:

[Q = m_h\times C_{p,h}\times(T_{h,in}-T_{h,out})]
[Q = 10\ กิโลกรัม/วินาที\คูณ 2000\ J/kgK\คูณ(100 - 60)K]
[คิว = 800000\ วัตต์]

สมมติว่าไม่มีการสูญเสียความร้อน อัตราการถ่ายเทความร้อนของของไหลเย็นก็จะเป็นเช่นกัน (Q = 800000\ W) จากนั้นเราสามารถคำนวณอุณหภูมิทางออกของของเหลวเย็นได้:

[Q = m_c\คูณ C_{p,c}\times(T_{c,ออก}-T_{c,ใน})]
[800000\ W= 15\ กิโลกรัม/วินาที\ครั้ง4000\ J/kgK\ครั้ง(T_{c,ออก}- 20°C)]
[T_{c,ออก}=\frac{800000\ W}{15\ กิโลกรัม/วินาที\ครั้ง4000\ J/kgK}+ 20°C\ประมาณ 33.3°C]

ต่อไป เราจะคำนวณความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองด้านของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน:

(\เดลต้า T_1=T_{เอช,ใน}-T_{ซี,ออก}=100°C - 33.3°C = 66.7°C)
(\เดลต้า T_2=T_{h,ออก}-T_{c,ใน}=60°C - 20°C = 40°C)

ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึกคือ:

[\เดลต้า T_{lm}=\frac{66.7 - 40}{\ln(\frac{66.7}{40})}\ประมาณ52.6°C]

สมมติว่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U = 500\ W/m^2K) จากนั้นเราสามารถคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนได้:

[A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}=\frac{800000\ W}{500\ W/m^2K\times52.6K}\ประมาณ30.4\ m^2]

ข้อควรพิจารณาและข้อจำกัด

สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าการคำนวณที่ฉันอธิบายไว้ที่นี่เป็นไปตามสมมติฐานในอุดมคติ ในการใช้งานจริง มีหลายปัจจัยที่อาจส่งผลต่อความแม่นยำของการคำนวณเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น การเปรอะเปื้อนที่พื้นผิวท่อเมื่อเวลาผ่านไปสามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม และเพิ่มความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อน สิ่งนี้อาจทำให้คุณต้องออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนโดยมีส่วนเพิ่มเติมบางส่วนเพื่อป้องกันการเปรอะเปื้อน

นอกจากนี้ การกระจายการไหลของของไหลภายในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนอาจไม่สม่ำเสมอ ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้ คุณอาจจำเป็นต้องใช้การจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) ขั้นสูงเพิ่มเติมเพื่อวิเคราะห์รูปแบบการไหลและเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ

บทสรุป

การคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจสมการการถ่ายเทความร้อน การคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อน การกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม และการคำนวณความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึก ด้วยการทำตามขั้นตอนเหล่านี้และพิจารณาปัจจัยต่างๆ ที่อาจส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อน คุณสามารถออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ตรงกับความต้องการเฉพาะของคุณได้

หากคุณอยู่ในตลาดสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและแบบท่อ หรือต้องการความช่วยเหลือเกี่ยวกับกระบวนการออกแบบและกำหนดขนาด อย่าลังเลที่จะติดต่อเรา เราพร้อมช่วยเหลือคุณในการค้นหาโซลูชันที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานของคุณ ไม่ว่าคุณจะต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเชลล์แนวตั้ง-เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อสแตนเลส, หรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อโลหะเราช่วยคุณได้

อ้างอิง

• Incropera, FP, และ DeWitt, DP (2002) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวล จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์
• เคิร์น, ดีคิว (1950) กระบวนการถ่ายเทความร้อน แมคกรอ-ฮิลล์.