كيفية حساب معدل انتقال الحرارة لمبادل حراري ملفوف؟

كيفية حساب معدل انتقال الحرارة لمبادل حراري ملفوف؟

باعتباري موردًا للمبادلات الحرارية الملفوفة، فإنني أدرك أهمية الحساب الدقيق لمعدل نقل الحرارة. يعد هذا الحساب أمرًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل الفعال للمبادل الحراري وتلبية المتطلبات المحددة لمختلف التطبيقات الصناعية. في منشور المدونة هذا، سأرشدك خلال عملية حساب معدل نقل الحرارة لمبادل حراري ملفوف.

فهم أساسيات انتقال الحرارة

قبل الغوص في الحساب، من الضروري أن يكون لديك فهم أساسي لانتقال الحرارة. يحدث انتقال الحرارة عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة بين مادتين. في المبادل الحراري الملفوف، يتم نقل الحرارة من السائل الساخن إلى السائل البارد من خلال سلسلة من الأنابيب الملتفة. ويعتمد معدل انتقال الحرارة على عدة عوامل، بما في ذلك الفرق في درجة الحرارة بين السائلين، ومساحة سطح الأنابيب، والتوصيل الحراري للمواد، ومعدلات تدفق السوائل.

معادلة انتقال الحرارة

المعادلة الأساسية لحساب معدل انتقال الحرارة (Q) في المبادل الحراري مقدمة من قانون نيوتن للتبريد:

[س = يو \مرات أ \مرات \دلتا T_{lm}]

أين:

• (Q) هو معدل انتقال الحرارة (بالواط أو BTU في الساعة).
• (U) هو معامل انتقال الحرارة الإجمالي (W/m^2K) أو (BTU/h ft^2°F)).
• (أ) هي مساحة سطح نقل الحرارة (في (م^2) أو (قدم^2)).
• (\Delta T_{lm}) هو متوسط ​​فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي (LMTD) (في (K) أو (درجة فهرنهايت)).

دعونا نحلل كل مكون من هذه المعادلة ونناقش كيفية حسابها لمبادل حراري ملفوف.

حساب معامل انتقال الحرارة الإجمالي (U)

يمثل معامل نقل الحرارة الإجمالي (U) التأثير المشترك لجميع مقاومات نقل الحرارة في المبادل الحراري. ويأخذ في الاعتبار معاملات نقل الحرارة بالحمل الحراري على كل من جانب الأنبوب وجانب الغلاف، بالإضافة إلى المقاومة الحرارية لجدار الأنبوب. يمكن تحديد قيمة U بشكل تجريبي أو تقديرها باستخدام الارتباطات المستندة إلى خصائص السوائل وهندسة المبادل الحراري.

بالنسبة لمبادل حراري ملفوف، يمكن حساب معامل نقل الحرارة الإجمالي باستخدام الصيغة التالية:

[\frac{1}{U} = \frac{1}{h_i} + \frac{\ln(\frac{d_o}{d_i})}{2k} + \frac{1}{h_o}]

أين:

• (h_i) هو معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري على جانب الأنبوب (بوصة (W/m^2K) أو (BTU/h ft^2°F)).
• (h_o) هو معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري على جانب القشرة (بوصة (W/m^2K) أو (BTU/h ft^2°F)).
• (d_i) هو القطر الداخلي للأنبوب (بالبوصة (م) أو (بالقدم)).
• (d_o) هو القطر الخارجي للأنبوب (بالبوصة (م) أو (بالقدم)).
• (ك) هي التوصيل الحراري لمادة الأنبوب (W/mK) أو (BTU/h ft°F)).

يمكن حساب معاملات انتقال الحرارة بالحمل الحراري (h_i) و(h_o) باستخدام الارتباطات التجريبية القائمة على نظام التدفق (الصحي أو المضطرب) وخصائص السوائل. على سبيل المثال، يمكن استخدام معادلة ديتوس - بويلتر لحساب معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري للتدفق المضطرب في الأنبوب:

[h = 0.023 \times \frac{k}{d} \times Re^{0.8} \times Pr^{n}]

أين:

• (Re) هو رقم رينولدز الذي يميز نظام التدفق.
• (Pr) هو رقم Prandtl، الذي يمثل نسبة انتشار الزخم إلى الانتشار الحراري.
• (n) هو ثابت يعتمد على ما إذا كان السائل يتم تسخينه ((n = 0.4)) أو تبريده ((n = 0.3)).

تحديد مساحة سطح نقل الحرارة (أ)

مساحة سطح نقل الحرارة (A) لمبادل حراري ملفوف هي إجمالي مساحة سطح الأنابيب المتاحة لنقل الحرارة. ويمكن حسابه بضرب مساحة السطح الخارجي للأنبوب الواحد في عدد الأنابيب الموجودة في المبادل الحراري.

يتم إعطاء مساحة السطح الخارجي لأنبوب واحد ((A_t)) بواسطة:

[A_t = \pi \times d_o \times L]

أين:

• (d_o) هو القطر الخارجي للأنبوب (بالبوصة (م) أو (بالقدم)).
• (L) هو طول الأنبوب (بالمتر) أو (بالقدم)).

إجمالي مساحة سطح نقل الحرارة (A) للمبادل الحراري هي:

[أ = ن \مرات A_t]

حيث (N) هو عدد الأنابيب في المبادل الحراري.

حساب المتوسط ​​اللوغاريتمي لفرق درجة الحرارة ((\Delta T_{lm}))

الفرق اللوغاريتمي في درجة الحرارة (LMTD) هو مقياس لمتوسط ​​الفرق في درجة الحرارة بين السوائل الساخنة والباردة على طول المبادل الحراري. ويأخذ في الاعتبار حقيقة أن فرق درجة الحرارة بين السائلين يتغير على طول المبادل الحراري.

تعتمد صيغة حساب LMTD على ترتيب التدفق (التدفق الموازي، أو التدفق المعاكس، أو التدفق المتقاطع) للسوائل في المبادل الحراري. بالنسبة للمبادل الحراري ذو التدفق المعاكس، وهو الترتيب الأكثر شيوعًا في المبادلات الحرارية الملفوفة، يتم إعطاء LMTD بواسطة:

[\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}]

أين:

• (\Delta T_1) هو الفرق في درجة الحرارة بين السوائل الساخنة والباردة عند أحد طرفي المبادل الحراري.
• (\Delta T_2) هو الفرق في درجة الحرارة بين السوائل الساخنة والباردة في الطرف الآخر من المبادل الحراري.

حساب المثال

دعونا نفكر في مثال لتوضيح حساب معدل نقل الحرارة لمبادل حراري ملفوف. لنفترض أن لدينا مبادل حراري ملفوف بالمواصفات التالية:

• عدد الأنابيب ((ن)) = 100
• القطر الخارجي للأنبوب ((d_o)) = 0.02 م
• القطر الداخلي للأنبوب ((d_i)) = 0.018 م
• طول الأنبوب ((L)) = 5 م
• معامل نقل الحرارة الإجمالي ((U)) = 500 (W/m^2K)
• درجة حرارة دخول السائل الساخن ((T_{h1})) = 100 درجة مئوية
• درجة حرارة مخرج السائل الساخن ((T_{h2})) = 60 درجة مئوية
• درجة حرارة دخول السائل البارد ((T_{c1})) = 20 درجة مئوية
• درجة حرارة مخرج السائل البارد ((T_{c2})) = 50 درجة مئوية

أولاً، نحسب مساحة سطح نقل الحرارة (A):

مساحة السطح الخارجي للأنبوب الواحد:

[A_t=\pi\times d_o\times L=\pi\times0.02\times5 = 0.314m^2]

إجمالي مساحة سطح نقل الحرارة:

[A = N\times A_t=100\times0.314 = 31.4m^2]

بعد ذلك، نحسب LMTD:

(\Delta T_1=T_{h1}-T_{c2}=100 - 50 = 50K)
(\Delta 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]

وأخيرًا، نحسب معدل انتقال الحرارة (Q):

[Q = U\times A\times\Delta T_{lm}=500\times31.4\times44.8 = 703360W]

خاتمة

يعد حساب معدل انتقال الحرارة لمبادل حراري ملفوف عملية معقدة تتطلب فهمًا جيدًا لمبادئ نقل الحرارة وخصائص السوائل والمواد المعنية. من خلال حساب معدل نقل الحرارة بدقة، يمكنك التأكد من أن حجم المبادل الحراري مناسب ومصمم لتلبية المتطلبات المحددة لتطبيقك.

في شركتنا، نحن ملتزمون بتوفير مبادلات حرارية ملفوفة عالية الجودة تم تصميمها وتصنيعها وفقًا لأعلى المعايير. ملكنامبادل حراري ملفوف عالي الكفاءةيوفر أداءً ممتازًا في نقل الحرارة وكفاءة في استخدام الطاقة. نحن نقدم أيضامبادل حراري لأنبوب الجرح الحلزونيومبادل حراري لأنبوب الجرح الحلزوني المقاوم للتآكلللتطبيقات التي تكون فيها مقاومة التآكل مصدر قلق.

إذا كنت مهتمًا بشراء مبادل حراري ملفوف أو كنت بحاجة إلى مزيد من المعلومات حول منتجاتنا، فلا تتردد في الاتصال بنا من أجل الشراء والتفاوض. نحن نتطلع إلى العمل معك لتلبية احتياجات نقل الحرارة الخاصة بك.

مراجع

• إنكروبيرا، إف بي، وديويت، دي بي (2002). أساسيات نقل الحرارة والكتلة. جون وايلي وأولاده.
• كيرن، DQ (1950). عملية نقل الحرارة. ماكجرو - هيل.