Izračun površine prijenosa topline izmjenjivača topline ključni je zadatak, bilo da ste inženjer koji dizajnira novi sustav, tehničar koji optimizira postojeći ili vlasnik tvrtke koji želi obaviti informiranu kupnju. Kao dugogodišnji dobavljač izmjenjivača topline, iz prve sam ruke vidio kako dobro poznavanje ovog proračuna može pomoći ili uništiti projekt. Dakle, zaronimo u to kako možete izračunati područje prijenosa topline izmjenjivača topline.
Osnove prijenosa topline u izmjenjivaču topline
Prije nego što uđemo u potankosti izračuna, prođimo brzo kroz osnovne principe prijenosa topline u izmjenjivaču topline. Izmjenjivač topline je uređaj koji prenosi toplinu s jedne tekućine na drugu. Postoje različite vrste izmjenjivača topline, nprTitanski pločasti izmjenjivač topline,Nehrđajući pločasti izmjenjivač topline, iIzmjenjivač topline školjke i zavojnice.
Primarni način prijenosa topline u većini izmjenjivača topline je kondukcija i konvekcija. Kondukcija je prijenos topline kroz čvrsti materijal, dok je konvekcija prijenos topline između čvrste površine i fluida u gibanju. Ukupna brzina prijenosa topline (Q) u izmjenjivaču topline određena je sljedećom jednadžbom:
$Q = U \times A \times \Delta T_{lm}$
Gdje:
- Q je brzina prijenosa topline (u vatima ili BTU/h). To predstavlja koliko se topline prenosi s vrućeg fluida na hladni fluid po jedinici vremena.
- U je ukupni koeficijent prijenosa topline (u W/m²·K ili BTU/hr·ft²·°F). Uzima u obzir kombinirane učinke otpora vodljivosti i konvekcije u izmjenjivaču topline.
- A je površina prijenosa topline (u m² ili ft²), što je ono što pokušavamo izračunati.
- $\Delta T_{lm}$ je logaritam srednje temperaturne razlike (LMTD), koja je mjera prosječne temperaturne razlike između vrućih i hladnih tekućina duž duljine izmjenjivača topline.
Koraci za izračunavanje područja prijenosa topline
Korak 1: Odredite brzinu prijenosa topline (Q)
Prvi korak u izračunavanju površine prijenosa topline je određivanje brzine prijenosa topline. To se može učiniti na nekoliko načina.
Ako znate maseni protok ($\dot{m}$) i specifične toplinske kapacitete ($c_p$) vrućih i hladnih tekućina, te njihove ulazne i izlazne temperature, možete koristiti jednadžbe energetske bilance.
Za vrući fluid: $Q = \dot{m}h \puta c{p,h} \times (T_{h,in}-T_{h,out})$
Za hladnu tekućinu: $Q = \dot{m}c \puta c{p,c} \times (T_{c,out}-T_{c,in})$
U idealnom izmjenjivaču topline brzina prijenosa topline izračunata sa strane vrućeg fluida trebala bi biti jednaka brzini prijenosa topline izračunata sa strane hladnog fluida. U stvarnim scenarijima mogu se pojaviti male razlike zbog gubitaka topline u okolini.
Na primjer, recimo da imamo tok tople vode s masenim protokom od $\dot{m}h = 2$ kg/s, specifični toplinski kapacitet $c{p,h}=4,18$ kJ/kg·K, ulazna temperatura $T_{h,in}=80^{\circ}C$, a izlazna temperatura $T_{h,out}=60^{\circ}C$.
$Q=\dot{m}h\puta c{p,h}\times(T_{h,in} - T_{h,out})$
$Q = 2\times4.18\times(80 - 60)$
$Q=2\times4.18\times20=167.2$ kW
Korak 2: Procijenite ukupni koeficijent prijenosa topline (U)
Ukupni koeficijent prijenosa topline ovisi o mnogim čimbenicima, kao što je vrsta izmjenjivača topline, uključene tekućine, brzine protoka i uvjeti onečišćenja.
Za pločasti izmjenjivač topline, tipične vrijednosti U za primjenu voda-voda kreću se od 1500 - 3000 W/m²·K. Za školjkaste i cijevne izmjenjivače topline, vrijednosti mogu biti u rasponu od 500 - 2000 W/m²·K.
Ako imate posla s različitim tekućinama ili nestandardnim radnim uvjetima, možda ćete morati pogledati priručnike o prijenosu topline ili upotrijebiti empirijske korelacije kako biste točnije procijenili U. Na primjer, ako koristite aTitanski pločasti izmjenjivač toplineza korozivnu tekućinu, vrijednost U može se prilagoditi na temelju svojstava titana i tekućine.
Korak 3: Izračunajte logaritam - srednju temperaturnu razliku ($\Delta T_{lm}$)
Logička srednja temperaturna razlika izračunava se pomoću sljedeće formule:
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}$
Gdje su $\Delta T_1$ i $\Delta T_2$ temperaturne razlike između vrućih i hladnih tekućina na dva kraja izmjenjivača topline.
Pretpostavimo da u našem prethodnom primjeru hladna voda ima ulaznu temperaturu $T_{c,in}=20^{\circ}C$ i izlaznu temperaturu $T_{c,out}=40^{\circ}C$.
$\Delta T_1=T_{h,in}-T_{c,out}=80 - 40 = 40^{\circ}C$
$\Delta T_2=T_{h,out}-T_{c,in}=60 - 20 = 40^{\circ}C$
Budući da je $\Delta T_1=\Delta T_2$, $\Delta T_{lm}=\Delta T_1=\Delta T_2 = 40^{\circ}C$
Korak 4: Izračunajte područje prijenosa topline (A)
Sada kada imamo Q, U i $\Delta T_{lm}$, možemo preurediti jednadžbu prijenosa topline $Q = U \times A \times \Delta T_{lm}$ da bismo riješili A:
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}$
Pretpostavimo da smo procijenili U = 2000 W/m²·K.
$A=\frac{167200}{2000\times40}=2,09$ m²
Razmatranja i ograničenja
Prilikom izračuna područja prijenosa topline postoji nekoliko važnih razmatranja.
Obraštaj je glavni faktor koji može utjecati na rad izmjenjivača topline tijekom vremena. Kako se naslage nakupljaju na površinama prijenosa topline, ukupni koeficijent prijenosa topline se smanjuje, pa može biti potrebno više područja prijenosa topline da bi se postigla ista brzina prijenosa topline. Zbog toga se često preporučuje dodavanje faktora onečišćenja izračunatom području prijenosa topline.
Također, raspored protoka u izmjenjivaču topline, kao što je paralelni protok, protutok ili križni protok, može utjecati na LMTD i ukupni prijenos topline. Protutočni izmjenjivači topline općenito imaju veći LMTD i učinkovitiji su od paralelnih izmjenjivača topline za iste ulazne i izlazne temperature.
Zašto odabrati nas kao svog dobavljača izmjenjivača topline
Kao dobavljač izmjenjivača topline, imamo godine iskustva i širok raspon proizvoda, uključujućiTitanski pločasti izmjenjivač topline,Nehrđajući pločasti izmjenjivač topline, iIzmjenjivač topline školjke i zavojnice. Možemo vam pomoći s odgovarajućim dimenzioniranjem izmjenjivača topline na temelju vaših specifičnih zahtjeva.
Naš tim stručnjaka može vam pomoći u točnom izračunavanju površine prijenosa topline i odabiru pravog tipa izmjenjivača topline za vašu primjenu. Razumijemo izazove stvarnog svijeta poput onečišćenja i rasporeda protoka i možemo pružiti rješenja za optimiziranje performansi i dugovječnosti vašeg izmjenjivača topline.
Ako ste na tržištu za izmjenjivač topline, bilo da ste mala tvrtka ili velika industrijska operacija, nemojte se ustručavati kontaktirati. Ovdje smo da vam pomognemo donijeti najbolju odluku za vaše potrebe prijenosa topline. Kontaktirajte nas kako bismo započeli uspješno partnerstvo i razgovarali o kupnji već danas.
Reference
- Incropera, FP, DeWitt, DP, Bergman, TL i Lavine, AS (2007.). Osnove prijenosa topline i mase. John Wiley & sinovi.
- Mueller, AC (1998). Izmjenjivači topline: izbor, ocjena i toplinski dizajn. CRC Press.