Bok tamo! Dio sam tima dobavljača izmjenjivača topline i danas želim razgovarati o tome kako odrediti potrebnu površinu prijenosa topline izmjenjivača topline. To je ključni korak u dobivanju pravog izmjenjivača topline za vaše potrebe, pa krenimo u to!
Razumijevanje osnova prijenosa topline
Prije nego počnemo izračunavati područje prijenosa topline, moramo razumjeti osnovne principe prijenosa topline. Postoje tri glavna načina kretanja topline: kondukcija, konvekcija i zračenje. U većini izmjenjivača topline, kondukcija i konvekcija su ključni igrači.
Kondukcija je kada se toplina kreće kroz čvrsti materijal. Zamislite metalnu šipku koja se zagrijava na jednom kraju i postupno zagrijava cijelu šipku. U izmjenjivaču topline toplina se prenosi kroz stijenke cijevi ili ploča.
Konvekcija je prijenos topline kretanjem tekućine (bilo tekućine ili plina). U izmjenjivaču topline topli i hladni fluidi teku na različitim stranama površine za prijenos topline, a toplina se prenosi s vrućeg fluida na hladni kroz površinu.
Jednadžba prijenosa topline
Srž izračuna površine prijenosa topline leži u jednadžbi prijenosa topline, koja je Q = U × A × ΔTm. Razdvojimo ovo:
- Q: Ovo je brzina prijenosa topline, mjerena u vatima (W) ili britanskim toplinskim jedinicama po satu (BTU/hr). On predstavlja koliko topline treba prenijeti s vrućeg fluida na hladni fluid. Q možete izračunati pomoću masenog protoka, specifičnog toplinskog kapaciteta i promjene temperature tekućina. Formula za Q je Q = m × Cp × ΔT, gdje je m maseni protok, Cp specifični toplinski kapacitet, a ΔT promjena temperature.
- U: Ovo je ukupni koeficijent prijenosa topline, mjeren u W/(m²·K) ili BTU/(hr·ft²·°F). Uzima u obzir otpore prijenosu topline s obje strane površine za prijenos topline, kao i otpor same površine. Vrijednost U ovisi o mnogim čimbenicima, kao što su vrsta fluida, brzina protoka, geometrija izmjenjivača topline i materijal površine za prijenos topline.
- A: Ovo je područje prijenosa topline koje pokušavamo pronaći, mjereno u kvadratnim metrima (m²) ili kvadratnim stopama (ft²).
- ΔTm: Ovo je logaritam srednje temperaturne razlike (LMTD), koja je mjera prosječne temperaturne razlike između vrućih i hladnih tekućina po duljini izmjenjivača topline. Formula za ΔTm malo je složena, ali se temelji na ulaznoj i izlaznoj temperaturi vrućih i hladnih tekućina.
Izračun korak po korak
Sada kada znamo jednadžbu, prođimo kroz korake za izračunavanje potrebne površine za prijenos topline:
Korak 1: Odredite brzinu prijenosa topline (Q)
Prvo, morate shvatiti koliko topline treba prenijeti. To ovisi o vašoj specifičnoj primjeni. Na primjer, ako koristite izmjenjivač topline za zagrijavanje vode za proces, morat ćete znati maseni protok vode, njezinu početnu i konačnu temperaturu i njen specifični toplinski kapacitet.
Recimo da imate protok vode od 10 kg/s, a želite je zagrijati s 20°C na 80°C. Specifični toplinski kapacitet vode je oko 4,18 kJ/(kg·K). Koristeći formulu Q = m × Cp × ΔT, možemo izračunati Q na sljedeći način:
Q = 10 kg/s × 4,18 kJ/(kg·K) × (80 °C - 20 °C) = 10 × 4,18 × 60 = 2508 kJ/s = 2508000 W
Korak 2: Procijenite ukupni koeficijent prijenosa topline (U)
Vrijednost U može uvelike varirati ovisno o vrsti izmjenjivača topline i uključenim tekućinama. Tipične vrijednosti U možete pronaći u inženjerskim priručnicima ili online resursima. Na primjer, za cijevni izmjenjivač topline s vodom na obje strane, U može biti oko 1000 - 3000 W/(m²·K).
Pretpostavimo da koristimo industrijski školjkasti i cijevni izmjenjivač topline i na temelju našeg iskustva i svojstava tekućine procjenjujemo da je U 2000 W/(m²·K).
Korak 3: Izračunajte logaritamsku srednju temperaturnu razliku (ΔTm)
Da biste izračunali ΔTm, morate znati ulazne i izlazne temperature vrućih i hladnih tekućina. Recimo da vruća tekućina ulazi na 120°C, a izlazi na 90°C, a hladna tekućina ulazi na 20°C, a izlazi na 80°C.
Formula za ΔTm je:
ΔTm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
gdje je ΔT1 temperaturna razlika na jednom kraju izmjenjivača topline, a ΔT2 je temperaturna razlika na drugom kraju.
ΔT1 = 120°C - 80°C = 40°C
ΔT2 = 90°C - 20°C = 70°C
ΔTm = (40°C - 70°C) / ln(40°C / 70°C) ≈ 53,6°C
Korak 4: Izračunajte područje prijenosa topline (A)
Sada kada imamo Q, U i ΔTm, možemo koristiti jednadžbu prijenosa topline Q = U × A × ΔTm za rješavanje A:
A = Q / (U × ΔTm)
A = 2508000 W / (2000 W/(m²·K) × 53,6 K) ≈ 23,4 m²
Čimbenici koji utječu na izračun
Važno je napomenuti da postoji nekoliko čimbenika koji mogu utjecati na točnost našeg izračuna:
- Svojstva tekućine: Specifični toplinski kapacitet, gustoća, viskoznost i toplinska vodljivost tekućina mogu se mijenjati s temperaturom i tlakom. Ove promjene mogu utjecati na brzinu prijenosa topline i ukupni koeficijent prijenosa topline.
- Režim protoka: Režim protoka (laminaran ili turbulentan) fluida također može imati veliki utjecaj na prijenos topline. Turbulentno strujanje općenito rezultira višim koeficijentima prijenosa topline od laminarnog strujanja.
- obraštanje: S vremenom se na površini za prijenos topline mogu nakupiti naslage, što može povećati otpor prijenosu topline i smanjiti ukupni koeficijent prijenosa topline. To je poznato kao onečišćenje i potrebno ga je uzeti u obzir pri projektiranju izmjenjivača topline.
Različite vrste izmjenjivača topline
Postoji mnogo različitih vrsta izmjenjivača topline, od kojih svaki ima svoje prednosti i nedostatke. Neki uobičajeni tipovi uključuju:
- Cijevni izmjenjivači topline: Ovo su najrašireniji tipovi izmjenjivača topline. Sastoje se od školjke (velike cilindrične posude) i snopa cjevčica. Topla i hladna tekućina teku kroz cijevi, odnosno školjku. Industrijski školjkasti i cijevni izmjenjivač topline odlična je opcija za mnoge industrijske primjene.
- U-cijevni školjkasti i cijevni izmjenjivač topline: Ovo je varijanta cijevnog izmjenjivača topline, gdje su cijevi savijene u obliku slova U. Ovaj dizajn omogućuje toplinsko širenje i skupljanje bez pretjeranog opterećenja cijevi. Pogledajte U-Tube školjkasto-cijevni izmjenjivač topline za više detalja.
- Niskotlačni grijači napojne vode: Koriste se u elektranama za zagrijavanje napojne vode prije nego ona uđe u kotao. Oni obično rade pri niskim tlakovima i koriste paru kao medij za grijanje. Niskotlačni grijač napojne vode specijalizirana je vrsta izmjenjivača topline za ovu primjenu.
Zaključak
Izračun potrebne površine za prijenos topline izmjenjivača topline je složen, ali bitan proces. Razumijevanjem osnovnih principa prijenosa topline, korištenjem jednadžbe prijenosa topline i uzimanjem u obzir različitih čimbenika koji mogu utjecati na izračun, možete osigurati da odaberete pravi izmjenjivač topline za svoje potrebe.
Ako ste na tržištu za izmjenjivač topline i potrebna vam je pomoć s dimenzioniranjem ili postupkom odabira, ne ustručavajte se obratiti nam se. Mi smo tim stručnjaka s dugogodišnjim iskustvom u industriji izmjenjivača topline i ovdje smo da vam pružimo najbolja rješenja. Bez obzira trebate li industrijski školjkasti i cijevni izmjenjivač topline, U-cijevni školjkasti i cijevni izmjenjivač topline ili niskotlačni grijač napojne vode, mi ćemo vas pokriti. Kontaktirajte nas danas da započnemo razgovor!
Reference
- Incropera, FP, DeWitt, DP, Bergman, TL, i Lavine, AS (2017.). Osnove prijenosa topline i mase. Wiley.
- Green, DW i Perry, RH (2007). Perryjev priručnik za kemijske inženjere. McGraw-Hill.