Ako vypočítať rýchlosť prenosu tepla tubulárneho výmenníka tepla?

Ako vypočítať rýchlosť prenosu tepla tubulárneho výmenníka tepla?

Ako dodávateľ rúrkových výmenníkov tepla chápem kritickú úlohu, ktorá presná výpočty rýchlosti prenosu tepla zohrávajú pri navrhovaní, prevádzke a optimalizácii týchto základných zariadení. V tomto blogovom príspevku vás prevediem procesom výpočtu rýchlosti prenosu tepla rúrkového výmenníka tepla, ktorý vám poskytne vedomosti a nástroje potrebné na prijímanie informovaných rozhodnutí o vašich potrebách výmeny tepla.

Pochopenie základov prenosu tepla

Predtým, ako sa ponoríme do výpočtov, je dôležité mať základné pochopenie zásad prenosu tepla. Prenos tepla nastane, keď existuje teplotný rozdiel medzi dvoma látkami a môže sa vyskytnúť prostredníctvom troch hlavných mechanizmov: vedenie, konvekcia a žiarenie. V rúrkovom výmenníku tepla je primárnym režimom prenosu tepla konvekcia, ktorá zahŕňa prenos tepla medzi tekutinou a pevným povrchom pohybom tekutiny.

Rýchlosť prenosu tepla, známa tiež ako tepelný tok, je množstvo tepla prenášaného za jednotku času. Zvyčajne sa meria vo wattoch (W) alebo britských tepelných jednotkách za hodinu (BTU/h). Rýchlosť prenosu tepla je ovplyvnená niekoľkými faktormi, vrátane teplotného rozdielu medzi dvoma tekutkami, povrchovej plochy dostupnej na prenos tepla, tepelná vodivosť príslušných materiálov a prietoky tekutín.

Celkový koeficient prenosu tepla (u)

Celkový koeficient prenosu tepla (U) je miera schopnosti výmenníka tepla prenášať teplo z jednej tekutiny na druhú. Zohľadňuje kombinované účinky vedenia, konvekcie a znečistenia na proces prenosu tepla. Celkový koeficient prenosu tepla je vyjadrený v jednotkách wattov na štvorcový meter na stupeň Celzia (w/m² · ° C) alebo britské tepelné jednotky za hodinu na štvorcový stopa na stupeň Fahrenheit (BTU/H · ft² · ° F).

Celkový koeficient prenosu tepla sa dá vypočítať pomocou nasledujúcej rovnice:

1/u = 1/hi + rf, i + δ/k + rf, o + 1/ho

Kde:

• HI je vnútorný koeficient prenosu tepla (w/m² · ° C alebo btu/h · ft² · ° F)
• RF, I je vnútorný odpor so znečistením (m² · ° C/W alebo ft² · ° F · H/Btu)
• δ je hrúbka steny trubice (m alebo ft)
• K je tepelná vodivosť materiálu trubice (w/m · ° C alebo Btu/H · ft · ° F)
• RF, O je odolnosť proti vonkajšiemu znečisteniu (m² · ° C/W alebo ft² · ° F · h/btu)
• Ho je koeficient prenosu vonkajšieho tepla (w/m² · ° C alebo Btu/H · ft² · ° F)

Vnútorné a vonkajšie koeficienty prenosu tepla sa môžu určiť pomocou empirických korelácií založených na režime prietoku, tekutinových vlastností a geometrie výmenníka tepla. Odpory znečistenia zodpovedajú za nahromadenie usadenín na povrchoch trubice, ktoré môžu v priebehu času znížiť účinnosť prenosu tepla. Tepelná vodivosť materiálu trubice závisí od typu použitého materiálu, ako je nehrdzavejúca oceľ, uhlíková oceľ alebo titán.

Logaritmický priemerný teplotný rozdiel (LMTD)

Logaritmický priemerný teplotný rozdiel (LMTD) je miera priemerného teplotného rozdielu medzi týmito dvoma tekutkami v tepelnom výmenníku. Zohľadňuje skutočnosť, že teplotný rozdiel medzi tekutkami sa mení po celej dĺžke výmenníka tepla. LMTD sa vypočíta pomocou nasledujúcej rovnice:

LMTD = (AT1 - AT2) / ln (ΔT1 / AT2)

Kde:

• AT1 je teplotný rozdiel medzi teplými a studenými tekutinami na jednom konci výmenníka tepla (° C alebo ° F)
• AT2 je teplotný rozdiel medzi teplými a studenými tekutinami na druhom konci výmenníka tepla (° C alebo ° F)

LMTD sa používa pri výpočte rýchlosti prenosu tepla, pretože poskytuje presnejšie znázornenie priemerného teplotného rozdielu medzi týmito dvoma tekutinami ako jednoduchý aritmetický priemer.

Výpočet rýchlosti prenosu tepla (Q)

Po stanovení celkového koeficientu prenosu tepla (U) a logaritmického priemerného teplotného rozdielu (LMTD) sa môže vypočítať rýchlosť prenosu tepla (Q) pomocou nasledujúcej rovnice:

Q = u × a × lmtd

Kde:

• Q je rýchlosť prenosu tepla (W alebo BTU/H)
• U je celkový koeficient prenosu tepla (w/m² · ° C alebo Btu/H · ft² · ° F)
• A je plocha povrchu, ktorá je k dispozícii na prenos tepla (m² alebo ft²)
• LMTD je logaritmický priemerný teplotný rozdiel (° C alebo ° F)

Povrchová plocha dostupná na prenos tepla sa môže vypočítať na základe geometrie výmenníka tepla, ako je počet skúmaviek, priemer trubice a dĺžka trubice.

Príklad výpočtu

Zoberme si príklad výpočtu rýchlosti prenosu tepla tubulárneho výmenníka tepla. Predpokladajme, že máme tepelný výmenník s nasledujúcimi špecifikáciami:

• Materiál trubice: výmenník tepla uhlíkovej oceleVýmenník tepla uhlíkovej ocele
• Priemer trubice: 25 mm
• Dĺžka trubice: 3 m
• Počet skúmaviek: 100
• Vo vnútri koeficientu prenosu tepla (HI): 1000 W/m² · ° C
• Vonkajší koeficient prenosu tepla (HO): 800 W/m² · ° C
• Vo vnútri odporu (RF, I): 0,0002 m² · ° C/W
• Vonkajší odporový odpor (RF, O): 0,0003 m² · ° C/W
• Hrúbka steny trubice (δ): 2 mm
• Tepelná vodivosť materiálu trubice (k): 50 W/m · ° C
• Teplota vstupu horúcej tekutiny: 100 ° C
• Teplota výstupu horúcej tekutiny: 60 ° C
• Teplota vstupu studenej tekutiny: 20 ° C
• Teplota výstupu studenej tekutiny: 50 ° C

Najprv musíme vypočítať celkový koeficient prenosu tepla (u):

1/u = 1/hi + rf, i + δ/k + rf, o + 1/ho
1/u = 1/1000 + 0,0002 + 0,002/50 + 0,0003 + 1/800
1/u = 0,001 + 0,0002 + 0,00004 + 0,0003 + 0,00125
1/u = 0,00279
U = 358,42 w/m² · ° C

Ďalej musíme vypočítať logaritmický priemerný teplotný rozdiel (LMTD):

Δt1 = 100 - 50 = 50 ° C
Δt2 = 60 - 20 = 40 ° C
LMTD = (AT1 - AT2) / ln (ΔT1 / AT2)
Lmtd = (50 - 40) / ln (50/40)
LMTD = 10 / 0,223
LMTD = 44,84 ° C

Nakoniec môžeme vypočítať rýchlosť prenosu tepla (Q):

Povrchová plocha dostupná na prenos tepla (A) sa dá vypočítať takto:

A = π × d × l × n
A = π × 0,025 × 3 × 100
A = 23,56 m²

Q = u × a × lmtd
Q = 358,42 × 23,56 × 44,84
Q = 376 732,6 w

Preto rýchlosť prenosu tepla tubulárneho výmenníka tepla je približne 376 733 W alebo 1 285 368 Btu/h.

Dôležitosť presných výpočtov

Presné výpočty rýchlosti prenosu tepla sú nevyhnutné pre správny návrh a prevádzka tubulárneho výmenníka tepla. Zabezpečením správneho veľkosti výmenníka tepla a efektívne funguje, môžete minimalizovať spotrebu energie, znížiť prevádzkové náklady a predĺžiť životnosť zariadenia.

Presné výpočty vám navyše môžu pomôcť pri výbere správneho typu výmenníka tepla pre vašu konkrétnu aplikáciu. Napríklad, ak potrebujete vysokú rýchlosť prenosu tepla a máte obmedzený priestor, môžete zvážiť použitieŠpirálová trubica, ktorý má kompaktný dizajn a vysoký pomer plochy k objemu. Na druhej strane, ak potrebujete kondenzovať pary, môžete si vybrať aKondenzátor, ktorý je špeciálne navrhnutý na tento účel.

Kontaktujte nás pre vaše potreby výmeny tepla

Ako popredný dodávateľ rúrkových výmenníkov tepla máme odborné znalosti a skúsenosti, ktoré vám pomôžu vybrať si správny výmenník tepla pre vašu aplikáciu a zabezpečiť, aby fungoval s špičkovou účinnosťou. Náš tím inžinierov môže vykonávať podrobné výpočty na určenie rýchlosti prenosu tepla a ďalších dôležitých parametrov a my vám môžeme poskytnúť prispôsobené riešenia, ktoré spĺňajú vaše konkrétne požiadavky.

Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich tubulárnych výmenníkoch tepla alebo by ste chceli prediskutovať vaše potreby výmeny tepla, kontaktujte nás ešte dnes. Tešíme sa na spoluprácu s vami na dosiahnutí vašich cieľov.

Odkazy

• Incropera, FP a DeWitt, DP (2002). Základy prenosu tepla a hmoty. John Wiley & Sons.
• Shah, RK, & Sekulic, DP (2003). Základy dizajnu výmenníka tepla. John Wiley & Sons.
• Green, DW, & Perry, RH (2007). Príručka spoločnosti Perry's Chemical Engineers. McGraw-Hill.