يعد حساب معدل نقل الحرارة للمبادل الحراري القذيف والأنبوب عملية أساسية في تصميم هذه المكونات الصناعية الحاسمة وتشغيلها وتحسينها. بصفتنا مورد رائد في المبادل الحراري والأنبوب ، فإننا نتفهم أهمية حسابات معدل نقل الحرارة الدقيقة لضمان أداء فعال وموثوق في مختلف التطبيقات. في منشور المدونة هذا ، سوف نتعمق في المفاهيم الرئيسية والمعادلات والاعتبارات التي تنطوي عليها حساب معدل نقل الحرارة لمبادل حراري قذيفة وأنبوب.
فهم أساسيات نقل الحرارة في المبادلات الحرارية القذيفة والأنبوب
يتكون المبادل الحراري والأنبوب من سلسلة من الأنابيب المرفقة داخل قشرة أسطوانية. يتدفق أحد السوائل عبر الأنابيب (أنبوب - سائل جانبي) ، بينما يتدفق الآخر خارج الأنابيب ولكن داخل القشرة (السائل الجانبي). يتم نقل الحرارة من السائل الساخن إلى السائل البارد من خلال جدران الأنبوب. المبدأ الأساسي الذي يحكم نقل الحرارة في هذه المبادلات الحرارية هو قانون التبريد في نيوتن ، والذي ينص على أن معدل نقل الحرارة (ف) يتناسب مع اختلاف درجة الحرارة بين السوائل ومنطقة نقل الحرارة (أ).
يتم إعطاء معادلة نقل الحرارة الكلية لمبادل حراري القشرة والأنبوب بواسطة:
$ q = u \ times a \ times \ delta t_ {lm} $
أين:
- $ Q $ هو معدل تحويل الحرارة (في Watts أو BTU/H)
- $ u $ هو معامل تحويل الحرارة الإجمالي (في $ w/m^{2} \ cdot k $ أو $ btu/h \ cdot ft^{2} \ cdot^{\ circ} f $)
- $ a $ هي منطقة تحويل الحرارة (في $ m^{2} $ أو $ ft^{2} $)
- $ \ delta t_ {lm} $ هو السجل - متوسط اختلاف درجة الحرارة (LMTD)
تحديد منطقة نقل الحرارة (أ)
تعتمد مساحة نقل الحرارة في المبادل الحراري القشرة والأنبوب على عدد الأنابيب وقطر الأنبوب وطول الأنبوب. بالنسبة لأنبوب واحد ، يمكن حساب مساحة السطح لكل وحدة طول ($ a_ {l} $) باستخدام الصيغة للمساحة السطحية الجانبية للأسطوانة:
$ a_ {l} = \ pi \ times d_ {o} \ times l $
حيث $ d_ {o} $ هو القطر الخارجي للأنبوب و $ l $ هو طول الأنبوب.
إذا كان هناك أنابيب $ $ في المبادل الحراري ، يتم تقديم إجمالي مساحة نقل الحرارة ($ a $) بواسطة:
$ a = n \ times a_ {l} = n \ times \ pi \ times d_ {o} \ times l $
حساب السجل - متوسط اختلاف درجة الحرارة ($ \ delta t_ {lm} $)
يستخدم السجل - متوسط اختلاف درجة الحرارة لحساب التباين في اختلاف درجة الحرارة بين السوائل الساخنة والباردة على طول مبادل الحرارة. تعتمد صيغة حساب LMTD على ترتيب التدفق (بالتوازي - التدفق ، التدفق المضاد ، أو التدفق المتقاطع).
بالنسبة للتوازي - التدفق والمبادلات الحرارية للتدفق ، يتم حساب LMTD على النحو التالي:
$ \ delta t_ {lm} = \ frac {\ delta t_ {1}-\ delta t_ {2}} {\ ln (\ frac {\ delta t_ {1}} {\ delta t_ {2}})
حيث $ \ delta t_ {1} $ و $ \ delta t_ {2} $ هي اختلافات درجة الحرارة بين السوائل الساخنة والباردة في طرفي المبادل الحراري.
في المبادل الحراري المتوازي ، تدخل السوائل الساخنة والبرودة في المبادل الحراري في نفس النهاية وتتدفق في نفس الاتجاه. في مبادل حراري للتدفق ، تدخل السوائل الساخنة والبرودة إلى المبادل الحراري في طرفي نقيض وتدفق في اتجاهين متعاكسين. العداد - توفر المبادلات الحرارية التدفق عمومًا LMTD أعلى وبالتالي نقل حرارة أكثر كفاءة مقارنةً بالمبادلات الحرارية المتوازية.
بالنسبة للمبادلات الحرارية عبر التدفق ، يكون حساب LMTD أكثر تعقيدًا وغالبًا ما يتطلب استخدام عوامل التصحيح. يمكنك معرفة المزيد عنتبادل التدفق قذيفة ومبادل حراري أنبوبعلى موقعنا.
تقدير معامل نقل الحرارة الكلي (U)
يأخذ معامل نقل الحرارة الإجمالي ($ u $) في الاعتبار مقاومة نقل الحرارة على كل من الأنبوب - الجانب والقذيفة ، وكذلك مقاومة جدار الأنبوب. يتم حسابه باستخدام الصيغة التالية:
$ \ frac {1} {u} = \ frac {1} {h_ {i}} \ times \ frac {d_ {o}} {d_ {i}}+r_ {f ، i} \ times \ d_ {o} } {d_ {i}}+\ frac {d_ {o} \ ln (\ frac {d_ {o}} {d_ {i}})}} {2k_ {w}}+r_ {f ، o}+\ {1}
أين:
- $ H_ {i} $ و $ H_ {o} $ هي معاملات نقل الحرارة الجانبية والقذيفة على التوالي
- $ d_ {i} $ و $ d_ {o} $ هي أقطار الأنبوب الداخلي والخارجي
- $ k_ {w} $ هي الموصلية الحرارية لمادة جدار الأنبوب
- $ r_ {f ، i} $ و $ r_ {f ، o} $ هي المقاومة القذرة على الأنبوب - الجانب والقذيفة على التوالي
يمكن تقدير معاملات نقل الحرارة الجانبية والقشرة الجانبية باستخدام الارتباطات التجريبية بناءً على نظام التدفق (الصفحي أو المضطرب) ، وخصائص السوائل ، والمعلمات الهندسية للمبادل الحراري. المقاومة القذرة هي مقاومة إضافية تحدث بسبب ترسب الشوائب على أسطح الأنبوب مع مرور الوقت.
العوامل التي تؤثر على معدل نقل الحرارة
يمكن أن تؤثر عدة عوامل على معدل نقل الحرارة في مبادل حراري قذيفة وأنبوب. وتشمل هذه:
- خصائص السوائل: تلعب الموصلية الحرارية ، والحرارة المحددة ، والكثافة ، واللزوجة للسوائل دورًا مهمًا في تحديد معاملات نقل الحرارة. على سبيل المثال ، تؤدي السوائل ذات الموصلية الحرارية العالية وانخفاض اللزوجة عمومًا إلى ارتفاع معدلات نقل الحرارة.
- معدلات التدفق: تزيد معدلات التدفق الأعلى من معاملات نقل الحرارة الحرارية على كل من الجانب - الجانب والقذيفة ، مما يؤدي إلى زيادة معدل نقل الحرارة. ومع ذلك ، فإن زيادة معدل التدفق يزيد أيضًا من انخفاض الضغط ، مما قد يتطلب المزيد من قوة الضخ.
- هندسة الأنبوب: يمكن أن يؤثر قطر الأنبوب ، وترتيب الأنبوب ، وترتيب الأنبوب (الثلاثي أو مربع) على أنماط التدفق ومعاملات نقل الحرارة. توفر أقطار الأنبوب الأصغر عمومًا مساحة نقل حرارة أكبر لكل وحدة حجم ، ولكنها قد تزيد أيضًا من انخفاض الضغط.
- تلوث: التقلب يقلل من معامل نقل الحرارة الكلي عن طريق إضافة مقاومة إضافية لنقل الحرارة. يعد التنظيف والصيانة المنتظم للمبادل الحراري ضروريًا لتقليل التقلب والحفاظ على التشغيل الفعال.
تطبيقات المبادلات الحرارية من الصدفة والأنبوب
تستخدم المبادلات الحرارية القشرة والأنبوب على نطاق واسع في مختلف الصناعات ، بما في ذلك الكيمياء والبتروكيماويات وتوليد الطاقة والغذاء والمشروبات و HVAC. فهي مناسبة للتطبيقات التي يتم فيها إشراك معدلات نقل الحرارة المرتفعة ، والاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة ، والضغوط المرتفعة. على سبيل المثال ، في الصناعة الكيميائية ، يتم استخدام المبادلات الحرارية للأنبوب والأنبوب لعمليات مثل التقطير والتبخر والتكثيف. في محطات الطاقة ، يتم استخدامها لتبريد البخار ومياه التغذية التدفئة.
نحن نقدم مجموعة واسعة منأنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ ومبادل حراري القشرةوالمبادل الحراري الصناعي والأنبوب الحراريالتي تم تصميمها لتلبية المتطلبات المحددة للتطبيقات المختلفة. مصنوعة مبادلات حرارية لدينا من مواد عالية الجودة ويتم تصميمها من أجل الأداء الأمثل والموثوقية.
خاتمة
يعد حساب معدل نقل الحرارة لمبادل حرارة القشرة والأنبوب عملية معقدة ولكنها أساسية لضمان تشغيلها الفعال. من خلال فهم المفاهيم الرئيسية والمعادلات والعوامل التي تنطوي عليها حسابات نقل الحرارة ، يمكن للمهندسين والمشغلين تصميم المبادلات الحرارية والأنبوب والتشغيل وتحسينها لتلبية المتطلبات المحددة لتطبيقاتهم.
إذا كنت بحاجة إلى مبادل حراري قذيفة وأنبوب أو لديك أي أسئلة حول حسابات نقل الحرارة ، فلا تتردد في الاتصال بنا. فريق الخبراء لدينا مستعد لمساعدتك في اختيار المبادل الحراري المناسب لتلبية احتياجاتك وتزويدك بدعم فني مفصل.
مراجع
- Guntropera ، FP ، & Dewitt ، DP (2002). أساسيات الحرارة ونقل الكتلة. جون وايلي وأولاده.
- كيرن ، DQ (1950). عملية نقل الحرارة. ماكجرو - هيل.
- Kakac ، S. ، & Liu ، H. (2002). المبادلات الحرارية: الاختيار ، التصنيف ، والتصميم الحراري. CRC Press.