จะคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบาดแผลได้อย่างไร?

จะคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบาดแผลได้อย่างไร?

ในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์ ฉันเข้าใจถึงความสำคัญของการคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนอย่างแม่นยำ การคำนวณนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ และตรงตามข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งานทางอุตสาหกรรมต่างๆ ในบล็อกโพสต์นี้ ผมจะแนะนำคุณตลอดขั้นตอนการคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์

ทำความเข้าใจพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อน

ก่อนที่จะเจาะลึกการคำนวณ จำเป็นต้องมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อน การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิระหว่างสารสองชนิดแตกต่างกัน ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบาดแผลที่คอยล์ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากของไหลร้อนไปยังของไหลเย็นผ่านท่อขดหลายชุด อัตราการถ่ายเทความร้อนขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวทั้งสอง พื้นที่ผิวของท่อ การนำความร้อนของวัสดุ และอัตราการไหลของของเหลว

สมการการถ่ายเทความร้อน

สมการพื้นฐานสำหรับการคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q) ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนกำหนดโดยกฎการทำความเย็นของนิวตัน:

[Q = U \คูณ A \คูณ \Delta T_{lm}]

ที่ไหน:

• (Q) คืออัตราการถ่ายเทความร้อน (หน่วยเป็นวัตต์หรือบีทียูต่อชั่วโมง)
• (U) คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (เป็น (W/m^2K) หรือ (BTU/h ft^2°F))
• (A) คือพื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อน (ใน (m^2) หรือ (ft^2))
• (\Delta T_{lm}) คือความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม (LMTD) (ใน (K) หรือ (°F))

เรามาแจกแจงส่วนประกอบแต่ละส่วนของสมการนี้และอภิปรายถึงวิธีคำนวณส่วนประกอบต่างๆ สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์

การคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U)

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) แสดงถึงผลรวมของความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน โดยคำนึงถึงค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนทั้งด้านท่อและด้านเปลือก ตลอดจนความต้านทานความร้อนของผนังท่อ ค่าของ U สามารถกำหนดได้จากการทดลองหรือประมาณโดยใช้ความสัมพันธ์โดยพิจารณาจากคุณสมบัติของของไหลและรูปทรงของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

[\frac{1}{U} = \frac{1}{h_i} + \frac{\ln(\frac{d_o}{d_i})}{2k} + \frac{1}{h_o}]

ที่ไหน:

• (h_i) คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนที่ด้านท่อ (เป็น (W/m^2K) หรือ (BTU/h ft^2°F))
• (h_o) คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนที่ด้านเปลือก (ใน (W/m^2K) หรือ (BTU/h ft^2°F))
• (d_i) คือเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ (เป็น (m) หรือ (ft))
• (d_o) คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ (เป็น (m) หรือ (ft))
• (k) คือค่าการนำความร้อนของวัสดุท่อ (เป็น (W/mK) หรือ (BTU/h ft°F))

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน (h_i) และ (h_o) สามารถคำนวณได้โดยใช้ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ตามรูปแบบการไหล (แบบราบเรียบหรือแบบปั่นป่วน) และคุณสมบัติของของไหล ตัวอย่างเช่น สามารถใช้สมการ Dittus - Boelter เพื่อคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนสำหรับการไหลแบบปั่นป่วนในท่อ:

[h = 0.023 \times \frac{k}{d} \times Re^{0.8} \times Pr^{n}]

ที่ไหน:

• (Re) คือหมายเลขเรย์โนลด์ส ซึ่งแสดงลักษณะเฉพาะของกฎเกณฑ์การไหล
• (Pr) คือหมายเลข Prandtl ซึ่งแสดงถึงอัตราส่วนของการแพร่กระจายของโมเมนตัมต่อการแพร่กระจายความร้อน
• (n) เป็นค่าคงที่ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าของไหลได้รับความร้อน ((n = 0.4)) หรือเย็นลง ((n = 0.3))

การหาพื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อน (A)

พื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อน (A) ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์คือพื้นที่ผิวทั้งหมดของท่อที่สามารถถ่ายเทความร้อนได้ สามารถคำนวณได้โดยการคูณพื้นที่ผิวด้านนอกของท่อเดียวด้วยจำนวนท่อในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

พื้นที่ผิวด้านนอกของท่อเดี่ยว ((A_t)) กำหนดโดย:

[A_t = \pi \คูณ d_o \คูณ L]

ที่ไหน:

• (d_o) คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ (เป็น (m) หรือ (ft))
• (L) คือความยาวของท่อ (เป็น (m) หรือ (ft))

พื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด (A) ของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนคือ:

[A = N \คูณ A_t]

โดยที่ (N) คือจำนวนท่อในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

การคำนวณความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม ((\Delta T_{lm}))

ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม (LMTD) เป็นการวัดอุณหภูมิที่แตกต่างกันโดยเฉลี่ยระหว่างของไหลร้อนและเย็นตลอดความยาวของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน โดยคำนึงถึงความจริงที่ว่าอุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างของเหลวทั้งสองเปลี่ยนแปลงไปตามความยาวของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

สูตรในการคำนวณ LMTD ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงการไหล (การไหลแบบขนาน การไหลสวนทาง หรือการไหลข้าม) ของของเหลวในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลย้อน ซึ่งเป็นการจัดเรียงที่พบบ่อยที่สุดในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบบาดแผลที่คอยล์ LMTD จะได้รับจาก:

[\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

ตัวอย่างการคำนวณ

ลองพิจารณาตัวอย่างเพื่อแสดงการคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์ สมมติว่าเรามีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์ที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• จำนวนท่อ ((N)) = 100
• เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ ((d_o)) = 0.02 ม
• เส้นผ่านศูนย์กลางภายในท่อ ((d_i)) = 0.018 ม
• ความยาวของท่อ ((L)) = 5 ม
• ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม ((U)) = 500 (W/m^2K)
• อุณหภูมิขาเข้าของของไหลร้อน ((T_{h1})) = 100°C
• อุณหภูมิทางออกของของไหลร้อน ((T_{h2})) = 60°C
• อุณหภูมิทางเข้าของของไหลเย็น ((T_{c1})) = 20°C
• อุณหภูมิทางออกของของเหลวเย็น ((T_{c2})) = 50°C

ขั้นแรก เราคำนวณพื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อน (A):

พื้นที่ผิวด้านนอกของท่อเดี่ยว:

[A_t=\pi\times d_o\times L=\pi\times0.02\times5 = 0.314m^2]

พื้นที่ผิวการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด:

[A = N\คูณ A_t=100\คูณ0.314 = 31.4m^2]

ต่อไป เราจะคำนวณ LMTD:

(\เดลต้า T_1=T_{h1}-T_{c2}=100 - 50 = 50K)
(\เดลต้า T_2=T_{h2}-T_{c1}=60 - 20 = 40K)

[\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}=\frac{50 - 40}{\ln(\frac{50}{40})}=44.8K]

สุดท้าย เราคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q):

[Q = U\คูณ A\คูณ\เดลต้า T_{lm}=500\times31.4\times44.8 = 703360W]

บทสรุป

การคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งต้องใช้ความเข้าใจหลักการการถ่ายเทความร้อนและคุณสมบัติของของเหลวและวัสดุที่เกี่ยวข้องเป็นอย่างดี ด้วยการคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนอย่างแม่นยำ คุณสามารถมั่นใจได้ว่าตัวแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดเหมาะสมและได้รับการออกแบบให้ตรงตามข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งานของคุณ

ที่บริษัทของเรา เรามุ่งมั่นที่จะจัดหาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพันคอยล์คุณภาพสูงที่ได้รับการออกแบบและผลิตด้วยมาตรฐานสูงสุด ของเราเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์บาดแผลประสิทธิภาพสูงให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนที่ดีเยี่ยมและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เรายังนำเสนอเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อแผลเกลียวและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อบาดแผลเกลียวทนต่อการกัดกร่อนสำหรับการใช้งานที่ต้องคำนึงถึงความต้านทานการกัดกร่อน

หากคุณสนใจที่จะซื้อเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคอยล์บาดแผลหรือต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ของเรา โปรดติดต่อเราเพื่อขอการจัดซื้อและการเจรจา เราหวังว่าจะได้ร่วมงานกับคุณเพื่อตอบสนองความต้องการการถ่ายเทความร้อนของคุณ

อ้างอิง

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