چگونه سرعت انتقال حرارت مبدل حرارتی را محاسبه کنیم؟

سلام! به عنوان یک تامین کننده مبدل حرارتی، اغلب از من در مورد نحوه محاسبه نرخ انتقال حرارت مبدل حرارتی سؤال می شود. برای هر کسی که به دنبال بهینه سازی سیستم های تبادل حرارتی خود است، چه برای فرآیندهای صنعتی، چه سیستم های HVAC یا سایر کاربردها، این یک جنبه حیاتی است. بنابراین، بیایید درست شیرجه بزنیم و آن را تجزیه کنیم.

آشنایی با مبانی انتقال حرارت

قبل از شروع محاسبه، درک اصول اولیه انتقال حرارت بسیار مهم است. سه حالت اصلی انتقال حرارت وجود دارد: هدایت، همرفت و تابش. در مبدل های حرارتی، رسانش و همرفت حالت های اصلی در بازی هستند.

رسانایی انتقال گرما از طریق یک ماده جامد است. به آن فکر کنید مانند زمانی که یک قاشق فلزی داغ را در یک فنجان قهوه داغ لمس می کنید. گرمای قهوه از طریق قاشق به دست شما منتقل می شود. در یک مبدل حرارتی، هدایت از طریق دیواره‌های لوله‌ها یا صفحاتی که دو سیال را از هم جدا می‌کنند، انجام می‌شود.

از طرف دیگر، همرفت، انتقال گرما با حرکت یک سیال است. در یک مبدل حرارتی، یک سیال هنگامی که روی سطح لوله ها یا صفحات جریان می یابد، گرم یا سرد می شود و گرما را به سیال دیگر یا از آن منتقل می کند.

معادله انتقال حرارت

نرخ انتقال حرارت (Q) در مبدل حرارتی را می توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد:

Q = U * A * ΔTlm

بیایید هر یک از اجزای این معادله را تجزیه کنیم:

• در: این ضریب انتقال حرارت کلی است. این نشان دهنده توانایی مبدل حرارتی برای انتقال گرما است و عواملی مانند هدایت حرارتی مواد، ضخامت دیواره ها و ویژگی های جریان سیالات را در نظر می گیرد. واحدهای U معمولاً W/(m²·K) هستند.
• الف: این منطقه انتقال حرارت است. این سطح در دسترس برای انتقال حرارت بین دو سیال است. هر چه مساحت بزرگتر باشد، گرمای بیشتری می تواند منتقل شود. واحدهای A متر مربع (m²) هستند.
• ΔTlm: این اختلاف میانگین لگاریتمی دما است. این اندازه گیری میانگین اختلاف دمای بین دو سیال در طول مبدل حرارتی است. واحدهای ΔTlm کلوین (K) یا درجه سانتیگراد (درجه سانتیگراد) هستند.

محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی (U)

محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی می تواند کمی مشکل باشد زیرا به عوامل زیادی بستگی دارد. به طور کلی می توان با استفاده از فرمول زیر تخمین زد:

1/U = 1/hi + δ/k + 1/ho

کجا:

• سلام: این ضریب انتقال حرارت داخلی است. این معیاری است که نشان می دهد مایع داخل لوله ها یا صفحات چقدر گرما را به دیوارها منتقل می کند. این به عواملی مانند خواص سیال (چگالی، ویسکوزیته، گرمای ویژه)، سرعت جریان و هندسه لوله ها یا صفحات بستگی دارد.
• د: این ضخامت دیواره بین دو سیال است.
• ک: این رسانایی حرارتی مواد دیوار است.
• به: این ضریب انتقال حرارت بیرونی است. این شبیه به سلام است اما برای مایع خارج از لوله ها یا صفحات.

همبستگی ها و معادلات تجربی زیادی برای محاسبه hi و ho بر اساس نوع سیال، رژیم جریان (آهسته یا آشفته)، و هندسه مبدل حرارتی موجود است. به عنوان مثال، برای یک جریان آشفته کاملا توسعه یافته در یک لوله دایره ای، می توان از معادله Dittus - Boelter برای محاسبه سلام استفاده کرد:

Nu = 0.023 * Re^0.8 * Pr^n

کجا:

• نه: این عدد ناسلت است که عددی بدون بعد است که نشان دهنده نسبت انتقال حرارت همرفتی به رسانا است.
• Re: این عدد رینولدز است که عددی بدون بعد است که نشان دهنده نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای ویسکوز در سیال است. برای تعیین رژیم جریان (لامینار یا آشفته) استفاده می شود.
• Pr: این عدد پراندتل است که عددی بدون بعد است که نشان دهنده نسبت انتشار مومنتوم به انتشار حرارتی در سیال است.
• n: این یک توان است که بستگی به گرم شدن یا سرد شدن سیال دارد. برای گرمایش، n = 0.4، و برای سرمایش، n = 0.3.

تعیین ناحیه انتقال حرارت (A)

مساحت انتقال حرارت را می توان بر اساس هندسه مبدل حرارتی محاسبه کرد. به عنوان مثال، در یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، مساحت انتقال حرارت لوله ها را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

A = π * d * L * N

کجا:

• د: این قطر بیرونی لوله ها است.
• L: این طول لوله ها است.
• ن: این تعداد لوله است.

در مبدل های حرارتی صفحه ای، مساحت انتقال حرارت مجموع مساحت تمام صفحات است.

محاسبه اختلاف دمای میانگین لگاریتمی (ΔTlm)

میانگین لگاریتمی اختلاف دما را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

ΔTlm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

کجا:

• ΔT1: این تفاوت دمایی بین دو سیال در یک انتهای مبدل حرارتی است.
• ΔT2: این اختلاف دمایی بین دو سیال در انتهای دیگر مبدل حرارتی است.

انواع مبدل های حرارتی و ملاحظات آنها

به عنوان تامین کننده مبدل حرارتی، ما انواع مبدل های حرارتی را ارائه می دهیم که هر کدام ویژگی ها و ملاحظات خاص خود را برای محاسبه نرخ انتقال حرارت دارند.

مبدل حرارتی صفحه ای با شکاف عریض

الفمبدل حرارتی صفحه ای با شکاف عریضبرای کاربردهایی طراحی شده است که سیال حاوی مواد جامد یا الیاف است. شکاف های وسیع بین صفحات باعث جریان بهتر این سیالات بدون گرفتگی می شود. هنگام محاسبه نرخ انتقال حرارت برای یک مبدل حرارتی صفحه ای با شکاف وسیع، ویژگی های جریان سیال مهم تر از یک مبدل حرارتی صفحه ای استاندارد است. ضریب انتقال حرارت کلی ممکن است به دلیل شکاف های بزرگتر کمتر باشد، اما منطقه انتقال حرارت را می توان برای جبران تنظیم کرد.

مبدل حرارتی صفحه لحیم کاری شده

الفمبدل حرارتی صفحه لحیم کاری شدهیک مبدل حرارتی فشرده و کارآمد است. فرآیند لحیم کاری تماس حرارتی خوبی بین صفحات را تضمین می کند و در نتیجه ضریب انتقال حرارت کلی بالا را به همراه دارد. هنگام محاسبه نرخ انتقال حرارت، باید دیواره های نازک صفحات و کانال های جریان با راندمان بالا در نظر گرفته شود.

مبدل حرارتی لوله مارپیچ

الفمبدل حرارتی لوله مارپیچبرای کاربردهای فشار بالا و دمای بالا مناسب است. طراحی مارپیچی یک منطقه انتقال حرارت بزرگ را در یک فضای فشرده فراهم می کند. هنگام محاسبه نرخ انتقال حرارت، الگوی جریان پیچیده در لوله های مارپیچی باید در نظر گرفته شود.

نکاتی برای محاسبه دقیق

• خواص سیالات: اطمینان حاصل کنید که از خواص دقیق سیال مانند چگالی، ویسکوزیته، گرمای ویژه و هدایت حرارتی استفاده کنید. این خواص می تواند با دما و فشار متفاوت باشد.
• نرخ جریان: دبی سیال ها را به دقت اندازه گیری یا تخمین بزنید. نرخ جریان بر عدد رینولدز و ضریب انتقال حرارت کلی تأثیر می گذارد.
• اندازه گیری دما: اندازه گیری دقیق دما را در ورودی و خروجی مبدل حرارتی انجام دهید. از این دماها برای محاسبه میانگین لگاریتمی اختلاف دما استفاده می شود.

نتیجه گیری

محاسبه نرخ انتقال حرارت مبدل حرارتی یک کار پیچیده اما مهم است. با درک اصول اولیه انتقال حرارت، استفاده از معادلات صحیح و در نظر گرفتن ویژگی های خاص مبدل حرارتی و سیالات، می توان سرعت انتقال حرارت را به طور دقیق تخمین زد.

اگر به دنبال مبدل حرارتی هستید یا برای محاسبات انتقال گرما به کمک نیاز دارید، در تماس با آن تردید نکنید. ما اینجا هستیم تا به شما در یافتن بهترین راه حل مبدل حرارتی برای نیازهایتان کمک کنیم. این که آیا یکمبدل حرارتی صفحه ای با شکاف عریض، یکمبدل حرارتی صفحه لحیم کاری شده، یا الفمبدل حرارتی لوله مارپیچ، ما شما را تحت پوشش قرار داده ایم. بیایید یک گفتگو را شروع کنیم و ببینیم چگونه می توانیم سیستم تبادل حرارت شما را بهینه کنیم.

مراجع

• Incropera، FP، و DeWitt، DP (2002). مبانی انتقال حرارت و جرم جان وایلی و پسران
• هولمن، جی پی (2002). انتقال حرارت مک گراو - هیل.