จะคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเปลือกได้อย่างไร?

เฮ้! ในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเปลือก ฉันมักถูกถามเกี่ยวกับวิธีการคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนของอุปกรณ์ที่ทันสมัยเหล่านี้ เลยคิดว่าจะรวบรวมโพสต์ในบล็อกนี้เพื่อแจกแจงรายละเอียดให้คุณเข้าใจง่าย

ก่อนอื่น เรามาพูดคุยกันก่อนว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเปลือกคืออะไร กเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเชลล์เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยชุดท่อที่อยู่ภายในเปลือกทรงกระบอก ของเหลวชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อ ในขณะที่อีกชนิดไหลนอกท่อแต่อยู่ภายในเปลือก ช่วยให้สามารถถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวทั้งสองได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเปลือกมีหลายประเภท เช่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อสแตนเลสซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อความต้านทานการกัดกร่อน และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเชลล์และท่อแบบไหลย้อนโดยที่ของไหลทั้งสองไหลในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูงสุด

ทีนี้ มาดูสาระสำคัญของการคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนกัน

พื้นฐานของการถ่ายเทความร้อน

สมการพื้นฐานสำหรับการถ่ายเทความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนได้มาจาก:

$Q = U\คูณ A\คูณ\เดลต้า T_{lm}$

ที่ไหน:

• $Q$ คืออัตราการถ่ายเทความร้อน (หน่วยเป็นวัตต์หรือ BTU/ชม.) นี่คือปริมาณความร้อนที่ต้องถ่ายเทจากของเหลวหนึ่งไปยังอีกของเหลวหนึ่ง คุณสามารถคำนวณได้โดยใช้อัตราการไหลของมวล ความจุความร้อนจำเพาะ และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของของเหลว ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณมีของไหลที่มีอัตราการไหลของมวล $\dot{m}$ ความจุความร้อนจำเพาะ $c_p$ และมันผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ $\Delta T$ ดังนั้น $Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T$
• $U$ คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (ในหน่วย $W/m^{2}\cdot K$ หรือ $BTU/hr\cdot ft^{2}\cdot^{\circ}F$) ค่าสัมประสิทธิ์นี้คำนึงถึงความต้านทานความร้อนของผนังท่อ การเปรอะเปื้อนบนท่อและด้านข้างของท่อ และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนทั้งสองด้าน ค่าของ $U$ สามารถประมาณได้โดยขึ้นอยู่กับประเภทของของเหลว อัตราการไหล และรูปทรงของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบน้ำสู่น้ำ ค่า $U$ สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 800 - 1500 $W/m^{2}\cdot K$
• $A$ คือพื้นที่การถ่ายเทความร้อน (ในหน่วย $m^{2}$ หรือ $ft^{2}$) ซึ่งเป็นสิ่งที่เราพยายามค้นหา
• $\Delta T_{lm}$ คือบันทึก - ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย

การคำนวณบันทึก - ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย ($\Delta T_{lm}$)

ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึกใช้เพื่ออธิบายความจริงที่ว่าความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวทั้งสองเปลี่ยนแปลงไปตามความยาวของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลย้อน สูตรสำหรับ $\Delta T_{lm}$ คือ:

$\เดลต้า T_{lm}=\frac{\เดลต้า T_1-\เดลต้า T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\เดลต้า T_2})}$

โดยที่ $\Delta T_1$ และ $\Delta T_2$ คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวร้อนและเย็นที่ปลายทั้งสองด้านของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

สมมติว่าของเหลวร้อนเข้าที่อุณหภูมิ $T_{h1}$ และออกที่ $T_{h2}$ และของเหลวเย็นเข้าที่ $T_{c1}$ และออกที่ $T_{c2}$ จากนั้น $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c2}$ และ $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c1}$

สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลขนาน แนวคิดจะคล้ายกัน แต่ความแตกต่างของอุณหภูมิจะถูกกำหนดแตกต่างกัน ในการไหลแบบขนาน ของเหลวทั้งสองจะเข้าสู่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่ปลายด้านเดียวกัน ดังนั้น $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c1}$ และ $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c2}$

การหาพื้นที่ถ่ายเทความร้อน ($A$)

เมื่อคุณมีค่า $Q$, $U$ และ $\Delta T_{lm}$ แล้ว คุณสามารถจัดเรียงสมการการถ่ายเทความร้อน $Q = U\times A\times\Delta T_{lm}$ ใหม่เพื่อแก้หา $A$:

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

ทีละขั้นตอนตัวอย่าง

มาดูตัวอย่างเพื่อทำให้สิ่งต่าง ๆ ชัดเจนยิ่งขึ้น

สมมติว่าเรามีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเปลือกไหลย้อนซึ่งมีการให้ความร้อนกับน้ำ น้ำร้อนเข้าที่ $80^{\circ}C$ และออกที่ $60^{\circ}C$ และน้ำเย็นเข้าที่ $20^{\circ}C$ และออกที่ $50^{\circ}C$ อัตราการไหลของมวลของน้ำเย็นคือ $1 กิโลกรัม/วินาที$ และความจุความร้อนจำเพาะของน้ำคือ $4.18 kJ/kg\cdot K$

ขั้นแรก ให้คำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อน $Q$:
$\dot{m}=1 กิโลกรัม/วินาที$, $c_p = 4180 J/kg\cdot K$, $\Delta T=T_{c2}-T_{c1}=50 - 20=30 K$
$Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T=1\times4180\times30 = 125400 W$

ต่อไป สมมติค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม $U = 1,000 W/m^{2}\cdot K$

ตอนนี้ คำนวณบันทึก - ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย:
$\เดลต้า T_1=T_{h1}-T_{c2}=80 - 50 = 30 K$
$\เดลต้า T_2=T_{h2}-T_{c1}=60 - 20 = 40 K$
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}=\frac{30 - 40}{\ln(\frac{30}{40})}\approx34.7 เค$

สุดท้าย คำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อน:
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}=\frac{125400}{1000\times34.7}\approx3.61 m^{2}$

ปัจจัยที่มีผลต่อการคำนวณ

มีปัจจัยบางประการที่อาจส่งผลต่อความแม่นยำของการคำนวณเหล่านี้

การเปรอะเปื้อน: เมื่อเวลาผ่านไป อาจเกิดการสะสมตัวบนท่อและด้านข้างเปลือกของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ส่งผลให้ความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้น และลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม $U$ คุณต้องคำนึงถึงการเปรอะเปื้อนโดยใช้ปัจจัยการเปรอะเปื้อน ซึ่งจะถูกเพิ่มในการคำนวณความต้านทานความร้อน

รูปแบบการไหล: รูปแบบการไหลจริงในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเปลือกอาจซับซ้อนกว่าสมมติฐานการไหลย้อนหรือการไหลแบบขนานในอุดมคติ อาจมีการไหลข้ามและการบายพาสของของไหล ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน

คุณสมบัติของของไหล: คุณสมบัติของของเหลว เช่น ความหนืด ความหนาแน่น และการนำความร้อน สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามอุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม $U$

หากคุณอยู่ในตลาดสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเชลล์ และต้องการความช่วยเหลือเกี่ยวกับขนาดหรือทำความเข้าใจการคำนวณการถ่ายเทความร้อน อย่าลังเลที่จะติดต่อเรา เราพร้อมช่วยเหลือคุณในการค้นหาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะของคุณ ไม่ว่าจะเป็นสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมขนาดเล็กหรือโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ เรามีความเชี่ยวชาญและผลิตภัณฑ์ที่จะตอบสนองความต้องการของคุณ ติดต่อเราเพื่อเริ่มการสนทนาเกี่ยวกับข้อกำหนดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของคุณ แล้วมาทำงานร่วมกันเพื่อค้นหาโซลูชันที่ดีที่สุด

อ้างอิง

• Incropera, FP, และ DeWitt, DP (2002) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวล จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์
• โฮลแมน เจพี (2002) การถ่ายเทความร้อน แมคกรอว์ - ฮิลล์