Как да се изчисли скоростта на топлопредаване на топлообменник, навит със спирала?
Като доставчик на спирално навити топлообменници разбирам важността на точното изчисляване на скоростта на пренос на топлина. Това изчисление е от решаващо значение за осигуряване на ефективна работа на топлообменника и за удовлетворяване на специфичните изисквания на различни индустриални приложения. В тази публикация в блога ще ви насоча през процеса на изчисляване на скоростта на топлопредаване на топлообменник със спирална намотка.
Разбиране на основите на преноса на топлина
Преди да се потопите в изчислението, важно е да имате основни познания за преноса на топлина. Преносът на топлина възниква, когато има температурна разлика между две вещества. В топлообменник, навит със спирала, топлината се прехвърля от горещ флуид към студен флуид през поредица от спираловидни тръби. Скоростта на пренос на топлина зависи от няколко фактора, включително температурната разлика между двата флуида, повърхностната площ на тръбите, топлопроводимостта на материалите и скоростите на потока на флуидите.
Уравнението за пренос на топлина
Основното уравнение за изчисляване на скоростта на пренос на топлина (Q) в топлообменник е дадено от закона на Нютон за охлаждане:
[Q = U \times A \times \Delta T_{lm}]
където:
- (Q) е скоростта на пренос на топлина (във ватове или BTU на час).
- (U) е общият коефициент на топлопреминаване (в (W/m^2K) или (BTU/h ft^2°F)).
- (A) е площта на топлопреносната повърхност (в (m^2) или (ft^2)).
- (\Delta T_{lm}) е логаритмичната средна температурна разлика (LMTD) (в (K) или (°F)).
Нека да разбием всеки компонент на това уравнение и да обсъдим как да ги изчислим за топлообменник със спирална намотка.
Изчисляване на общия коефициент на топлопреминаване (U)
Общият коефициент на топлопреминаване (U) представлява комбинирания ефект на всички съпротивления на топлопреминаване в топлообменника. Той взема предвид коефициентите на конвективен топлопренос както от страната на тръбата, така и от страната на корпуса, както и топлинното съпротивление на стената на тръбата. Стойността на U може да се определи експериментално или да се оцени с помощта на корелации, базирани на свойствата на течностите и геометрията на топлообменника.
За топлообменник, навит със спирала, общият коефициент на топлопреминаване може да се изчисли по следната формула:
[\frac{1}{U} = \frac{1}{h_i} + \frac{\ln(\frac{d_o}{d_i})}{2k} + \frac{1}{h_o}]
където:
- (h_i) е коефициентът на конвективен топлопренос от страната на тръбата (в (W/m^2K) или (BTU/h ft^2°F)).
- (h_o) е коефициентът на конвективен топлопренос от страната на корпуса (в (W/m^2K) или (BTU/h ft^2°F)).
- (d_i) е вътрешният диаметър на тръбата (в (m) или (ft)).
- (d_o) е външният диаметър на тръбата (в (m) или (ft)).
- (k) е топлопроводимостта на материала на тръбата (в (W/mK) или (BTU/h ft°F)).
Коефициентите на конвективен топлопренос (h_i) и (h_o) могат да бъдат изчислени с помощта на емпирични корелации въз основа на режима на потока (ламинарен или турбулентен) и свойствата на флуидите. Например уравнението на Dittus - Boelter може да се използва за изчисляване на коефициента на конвективен топлопренос за турбулентен поток в тръба:
[h = 0,023 \times \frac{k}{d} \times Re^{0,8} \times Pr^{n}]
където:
- (Re) е числото на Рейнолдс, което характеризира режима на течение.
- (Pr) е числото на Прандтл, което представлява отношението на коефициента на дифузия на импулса към коефициента на топлинна дифузия.
- (n) е константа, която зависи от това дали течността се нагрява ((n = 0,4)) или се охлажда ((n = 0,3)).
Определяне на площта на топлопреминаващата повърхност (A)
Площта на топлопреносната повърхност (A) на спираловиден топлообменник е общата повърхностна площ на тръбите, налични за пренос на топлина. Може да се изчисли чрез умножаване на външната повърхност на една тръба по броя на тръбите в топлообменника.
Площта на външната повърхност на единична тръба ((A_t)) се дава от:
[A_t = \pi \times d_o \times L]
където:
- (d_o) е външният диаметър на тръбата (в (m) или (ft)).
- (L) е дължината на тръбата (в (m) или (ft)).
Тогава общата топлопреносна повърхност (A) на топлообменника е:
[A = N \пъти A_t]
Където (N) е броят на тръбите в топлообменника.
Изчисляване на логаритмичната средна температурна разлика ((\Delta T_{lm}))
Логаритмичната средна температурна разлика (LMTD) е мярка за средната температурна разлика между горещите и студените флуиди по дължината на топлообменника. Той отчита факта, че температурната разлика между двата флуида се променя по дължината на топлообменника.
Формулата за изчисляване на LMTD зависи от разположението на потока (паралелен поток, противопоток или напречен поток) на флуидите в топлообменника. За топлообменник с противопоток, който е най-често срещаното устройство в топлообменниците с намотка, LMTD се дава от:
[\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}]
където:
- (\Delta T_1) е температурната разлика между горещите и студените течности в единия край на топлообменника.
- (\Delta T_2) е температурната разлика между горещите и студените течности в другия край на топлообменника.
Примерно изчисление
Нека разгледаме пример, за да илюстрираме изчисляването на скоростта на топлообмен за топлообменник със спирална намотка. Да предположим, че имаме топлообменник със спирална намотка със следните спецификации:
- Брой тръби ((N)) = 100
- Външен диаметър на тръбата ((d_o)) = 0,02 m
- Вътрешен диаметър на тръбата ((d_i)) = 0,018 m
- Дължина на тръбата ((L)) = 5 m
- Общ коефициент на топлопреминаване ((U)) = 500 (W/m^2K)
- Входяща температура на горещия флуид ((T_{h1})) = 100°C
- Изходна температура на горещия флуид ((T_{h2})) = 60°C
- Входяща температура на студения флуид ((T_{c1})) = 20°C
- Изходна температура на студения флуид ((T_{c2})) = 50°C
Първо, изчисляваме топлообменната повърхност (A):
Площта на външната повърхност на единична тръба:
[A_t=\pi\times d_o\times L=\pi\times0.02\times5 = 0.314m^2]
Общата площ на топлообменната повърхност:
[A = N\пъти A_t=100\пъти0,314 = 31,4m^2]
След това изчисляваме LMTD:
(\Делта T_1=T_{h1}-T_{c2}=100 - 50 = 50K)
(\Делта 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]
Накрая изчисляваме скоростта на пренос на топлина (Q):
[Q = U\times A\times\Delta T_{lm}=500\times31.4\times44.8 = 703360W]
Заключение
Изчисляването на скоростта на пренос на топлина на топлообменник със спирална намотка е сложен процес, който изисква добро разбиране на принципите на пренос на топлина и свойствата на включените течности и материали. Чрез точно изчисляване на скоростта на топлопреминаване можете да гарантирате, че топлообменникът е правилно оразмерен и проектиран да отговаря на специфичните изисквания на вашето приложение.
В нашата компания ние се ангажираме да предоставяме висококачествени топлообменници със спирална намотка, които са проектирани и произведени по най-високите стандарти. НашитеВисокоефективен намотан топлообменникпредлага отлични характеристики на топлопренос и енергийна ефективност. Ние също предлагамеСпирално навит тръбен топлообменникиУстойчив на корозия спирален тръбен топлообменникза приложения, където устойчивостта на корозия е проблем.
Ако се интересувате от закупуване на топлообменник със спирална намотка или се нуждаете от повече информация за нашите продукти, не се колебайте да се свържете с нас за доставка и преговори. Очакваме с нетърпение да работим с вас, за да отговорим на вашите нужди за пренос на топлина.
Референции
- Incropera, FP, & DeWitt, DP (2002). Основи на преноса на топлина и маса. Джон Уайли и синове.
- Kern, DQ (1950). Пренос на топлина на процеса. Макгроу - Хил.