การคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อเป็นกระบวนการพื้นฐานในการออกแบบการดำเนินงานและการเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนประกอบอุตสาหกรรมที่สำคัญเหล่านี้ ในฐานะผู้จัดหาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเชลล์และท่อชั้นนำเราเข้าใจถึงความสำคัญของการคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนที่แม่นยำเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ในการใช้งานต่างๆ ในโพสต์บล็อกนี้เราจะเจาะลึกแนวคิดหลักสมการและการพิจารณาที่เกี่ยวข้องในการคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อ
ทำความเข้าใจพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อนในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อ
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกหอยและท่อประกอบด้วยชุดของหลอดที่อยู่ในเปลือกทรงกระบอก ของเหลวหนึ่งไหลผ่านหลอด (ท่อ - ของเหลวด้านข้าง) ในขณะที่อีกเส้นไหลออกนอกหลอด แต่อยู่ในเปลือก (เปลือก - ของเหลวด้านข้าง) ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากของเหลวร้อนไปยังของเหลวเย็นผ่านผนังหลอด หลักการพื้นฐานที่ควบคุมการถ่ายเทความร้อนในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้คือกฎการระบายความร้อนของนิวตันซึ่งระบุว่าอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q) เป็นสัดส่วนกับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวทั้งสองและพื้นที่ถ่ายเทความร้อน (A)
สมการการถ่ายเทความร้อนโดยรวมสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อมอบให้โดย:
$ q = u \ times a \ times \ delta t_ {lm} $
ที่ไหน:
- $ q $ คืออัตราการถ่ายเทความร้อน (ใน Watts หรือ Btu/H)
- $ u $ เป็นค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (ใน $ w/m^{2} \ cdot k $ หรือ $ btu/h \ cdot ft^{2} \ cdot^{\ circ} f $)
- $ a $ คือพื้นที่ถ่ายโอนความร้อน (ใน $ m^{2} $ หรือ $ ft^{2} $)
- $ \ delta t_ {lm} $ คือบันทึก - ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย (LMTD)
การกำหนดพื้นที่ถ่ายเทความร้อน (A)
พื้นที่ถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อขึ้นอยู่กับจำนวนหลอดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อและความยาวของท่อ สำหรับหลอดเดียวพื้นที่ผิวต่อความยาวหน่วย ($ a_ {l} $) สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรสำหรับพื้นที่ผิวด้านข้างของกระบอกสูบ:
$ a_ {l} = \ pi \ times d_ {o} \ times l $
โดยที่ $ d_ {o} $ เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางด้านนอกของหลอดและ $ l $ คือความยาวของหลอด
หากมีท่อ $ n $ ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนพื้นที่ถ่ายเทความร้อนทั้งหมด ($ a $) จะได้รับโดย:
$ a = n \ times a_ {l} = n \ times \ pi \ times d_ {o} \ times l $
การคำนวณบันทึก - ค่าเฉลี่ยความแตกต่างของอุณหภูมิ ($ \ delta t_ {lm} $)
ความแตกต่างของอุณหภูมิ - ค่าเฉลี่ยใช้เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลงของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวร้อนและเย็นตามความยาวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สูตรสำหรับการคำนวณ LMTD ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงการไหล (ขนาน - การไหล, ตัวนับ - การไหล, หรือข้าม - ไหล)
สำหรับคู่ขนาน - การไหลและตัวนับ - ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหล LMTD คำนวณเป็น:
$ \ delta t_ {lm} = \ frac {\ delta t_ {1}-\ delta t_ {2}} {\ ln (\ frac {\ delta t_ {1}} {\ delta t_ {2}})} $
โดยที่ $ \ delta t_ {1} $ และ $ \ delta t_ {2} $ คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างของเหลวร้อนและเย็นที่ปลายทั้งสองของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขนาน - ของเหลวร้อนและเย็นเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ปลายเดียวกันและไหลไปในทิศทางเดียวกัน ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเคาน์เตอร์ - ของเหลวร้อนและเย็นเข้าสู่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ปลายตรงข้ามและไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม โดยทั่วไปแล้วตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบไหลจะให้ LMTD ที่สูงขึ้นและทำให้การถ่ายเทความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเทียบกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบขนาน
สำหรับตัวแลกเปลี่ยนความร้อนข้าม - การคำนวณ LMTD มีความซับซ้อนมากขึ้นและมักจะต้องใช้ปัจจัยการแก้ไข คุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับShell Cross Flow และ Tube Heat Exchangerบนเว็บไซต์ของเรา
การประเมินค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U)
ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม ($ u $) คำนึงถึงความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนบนทั้งท่อด้านข้างและเปลือก - ด้านข้างรวมถึงความต้านทานของผนังหลอด คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
$ \ frac {1} {u} = \ frac {1} {h_ {i}} \ times \ frac {d_ {o}} {d_ {i}}+r_ {f, i} \ times \ frac {d_ {o { } {d_ {i}}+\ frac {d_ {o} \ ln (\ frac {d_ {o}} {d_ {i}})} {2k_ {w}}+r_ {f, o}+\ frac
ที่ไหน:
- $ h_ {i} $ และ $ h_ {o} $ เป็นค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้าง - ด้านข้างตามลำดับตามลำดับ
- $ d_ {i} $ และ $ d_ {o} $ เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางท่อภายในและด้านนอก
- $ k_ {w} $ เป็นค่าการนำความร้อนของวัสดุผนังท่อ
- $ r_ {f, i} $ และ $ r_ {f, o} $ เป็นความต้านทานการเปรอะเปื้อนบนหลอด - ด้านข้างและเชลล์ - ด้านตามลำดับตามลำดับ
ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้างและเปลือกหอย - ด้านข้างสามารถประเมินได้โดยใช้สหสัมพันธ์เชิงประจักษ์ขึ้นอยู่กับระบอบการไหล (ลามินาร์หรือปั่นป่วน) คุณสมบัติของเหลวและพารามิเตอร์เรขาคณิตของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ความต้านทานการเปรอะเปื้อนคือความต้านทานเพิ่มเติมที่เกิดขึ้นเนื่องจากการสะสมของสิ่งสกปรกบนพื้นผิวหลอดเมื่อเวลาผ่านไป
ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการถ่ายเทความร้อน
ปัจจัยหลายอย่างอาจส่งผลกระทบต่ออัตราการถ่ายเทความร้อนในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อ เหล่านี้รวมถึง:
- คุณสมบัติของเหลว: ค่าการนำความร้อนความร้อนจำเพาะความหนาแน่นและความหนืดของของเหลวมีบทบาทสำคัญในการกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ตัวอย่างเช่นของเหลวที่มีค่าการนำความร้อนสูงและความหนืดต่ำโดยทั่วไปส่งผลให้อัตราการถ่ายเทความร้อนสูงขึ้น
- อัตราการไหล: อัตราการไหลที่สูงขึ้นเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนทั้งด้านข้างของหลอด - ด้านข้างและเปลือก - ด้านนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของอัตราการถ่ายเทความร้อน อย่างไรก็ตามการเพิ่มอัตราการไหลยังเพิ่มการลดลงของแรงดันซึ่งอาจต้องใช้กำลังการสูบน้ำมากขึ้น
- รูปทรงเรขาคณิต: เส้นผ่านศูนย์กลางของหลอด, สนามหลอดและการจัดเรียงท่อ (รูปสามเหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยม) สามารถส่งผลกระทบต่อรูปแบบการไหลและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน โดยทั่วไปแล้วเส้นผ่านศูนย์กลางท่อขนาดเล็กจะให้พื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่ใหญ่ขึ้นต่อปริมาตรหน่วย แต่อาจเพิ่มแรงดันลดลง
- การเปรอะเปื้อน: การเปรอะเปื้อนลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมโดยเพิ่มความต้านทานเพิ่มเติมในการถ่ายเทความร้อน การทำความสะอาดและบำรุงรักษาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นประจำเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อลดการเปรอะเปื้อนและรักษาการทำงานที่มีประสิทธิภาพ
การประยุกต์ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเชลล์และท่อ
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกหอยและท่อมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่าง ๆ รวมถึงสารเคมีปิโตรเคมีการผลิตพลังงานอาหารและเครื่องดื่มและ HVAC เหมาะสำหรับการใช้งานที่อัตราการถ่ายเทความร้อนสูงความแตกต่างของอุณหภูมิขนาดใหญ่และแรงกดดันสูงเกี่ยวข้อง ตัวอย่างเช่นในอุตสาหกรรมเคมีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อจะใช้สำหรับกระบวนการต่าง ๆ เช่นการกลั่นการระเหยและการควบแน่น ในโรงไฟฟ้าพวกเขาจะใช้สำหรับการระบายความร้อนและน้ำป้อนความร้อน
เรานำเสนอที่หลากหลายท่อสแตนเลสและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกหอยและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกหอยและท่ออุตสาหกรรมที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชันที่แตกต่างกัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนของเราทำจากวัสดุที่มีคุณภาพสูงและได้รับการออกแบบมาเพื่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่ดีที่สุด
บทสรุป
การคำนวณอัตราการถ่ายเทความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน แต่จำเป็นสำหรับการรับรองการทำงานที่มีประสิทธิภาพ โดยการทำความเข้าใจแนวคิดหลักสมการและปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณการถ่ายเทความร้อนวิศวกรและผู้ประกอบการสามารถออกแบบทำงานและเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเชลล์และท่อเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งาน
หากคุณต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือกและท่อหรือมีคำถามใด ๆ เกี่ยวกับการคำนวณการถ่ายเทความร้อนโปรดติดต่อเรา ทีมผู้เชี่ยวชาญของเราพร้อมที่จะช่วยเหลือคุณในการเลือกตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะสมสำหรับความต้องการของคุณและให้การสนับสนุนทางเทคนิคโดยละเอียด
การอ้างอิง
- Incropera, FP, & Dewitt, DP (2002) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายโอนมวล John Wiley & Sons
- Kern, DQ (1950) กระบวนการถ่ายเทความร้อน McGraw - Hill
- Kakac, S. , & Liu, H. (2002) เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน: การเลือกการจัดอันดับและการออกแบบความร้อน CRC Press