Привет! Меня, как поставщика кожухотрубных теплообменников, часто спрашивают, как рассчитать площадь теплопередачи этих изящных устройств. Итак, я решил составить этот пост в блоге, чтобы изложить его для вас так, чтобы его было легко понять.
Для начала давайте немного поговорим о том, что такое кожухотрубный теплообменник. АКожухотрубный теплообменникпредставляет собой тип теплообменника, который состоит из ряда трубок, заключенных в цилиндрический корпус. Одна жидкость течет по трубкам, а другая течет вне трубок, но внутри оболочки. Это обеспечивает эффективный теплообмен между двумя жидкостями.
Существуют различные типы кожухотрубных теплообменников, например,Кожухотрубный теплообменник из нержавеющей стали, что отлично подходит для применений, где важна коррозионная стойкость, аПротивоточный кожухотрубный теплообменник, где две жидкости текут в противоположных направлениях для максимальной эффективности теплопередачи.
Теперь давайте углубимся в тонкости расчета площади теплопередачи.
Основы теплопередачи
Основное уравнение теплопередачи в теплообменнике имеет вид:
$Q = U\times A\times\Delta T_{lm}$
где:
- $Q$ — скорость теплопередачи (в ваттах или БТЕ/ч). Это количество тепла, которое необходимо передать от одной жидкости к другой. Вы можете рассчитать его, используя массовый расход, удельную теплоемкость и изменение температуры жидкостей. Например, если у вас есть жидкость с массовым расходом $\dot{m}$, удельной теплоемкостью $c_p$ и она претерпевает изменение температуры $\Delta T$, то $Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T$.
- $U$ — общий коэффициент теплопередачи (в $Вт/м^{2}\cdot K$ или $BTU/час\cdot ft^{2}\cdot^{\circ}F$). Этот коэффициент учитывает термическое сопротивление стенки трубы, засорение на стенках трубы и оболочки, а также коэффициенты конвективной теплопередачи с обеих сторон. Значение $U$ можно оценить на основе типа жидкости, скорости потока и геометрии теплообменника. Для водоводяных теплообменников значения $U$ могут находиться в диапазоне 800–1500 $Вт/м^{2}\cdot K$.
- $A$ — это площадь теплопередачи (в $m^{2}$ или $ft^{2}$), которую мы и пытаемся найти.
- $\Delta T_{lm}$ — логарифмическая средняя разница температур.
Вычисление логарифма средней разницы температур ($\Delta T_{lm}$)
Логарифмическая средняя разница температур используется для учета того факта, что разница температур между двумя жидкостями изменяется по длине теплообменника.
Для противоточного теплообменника формула для $\Delta T_{lm}$ выглядит следующим образом:
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}$
где $\Delta T_1$ и $\Delta T_2$ — разность температур между горячей и холодной жидкостью на двух концах теплообменника.
Допустим, горячая жидкость входит при температуре $T_{h1}$ и выходит при $T_{h2}$, а холодная жидкость входит при температуре $T_{c1}$ и уходит при температуре $T_{c2}$. Тогда $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c2}$ и $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c1}$.
Для теплообменника с параллельным потоком концепция аналогична, но разница температур определяется по-другому. Параллельно-поток, две жидкости поступают в теплообменник с одного конца. Итак, $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c1}$ и $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c2}$.
Определение площади теплопередачи ($A$)
Получив значения $Q$, $U$ и $\Delta T_{lm}$, вы можете переставить уравнение теплопередачи $Q = U\times A\times\Delta T_{lm}$, чтобы найти $A$:
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}$
Пошаговый пример
Давайте поработаем на примере, чтобы было понятнее.
Предположим, у нас есть противоточный кожухотрубный теплообменник, в котором нагревается вода. Горячая вода поступает по цене 80^{\circ}C$ и уходит по цене 60^{\circ}C$, а холодная вода поступает по цене 20^{\circ}C$ и уходит по цене 50^{\circ}C$. Массовый расход холодной воды $1 кг/с$, а удельная теплоёмкость воды $4,18 кДж/кг\cdot K$.
Сначала рассчитаем коэффициент теплоотдачи $Q$:
$\dot{m}=1 кг/с$, $c_p = 4180 Дж/кг\cdot K$, $\Delta T=T_{c2}-T_{c1}=50 - 20=30 K$
$Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T=1\times4180\times30 = 125400 Вт$
Далее предположим, что общий коэффициент теплопередачи $U = 1000 Вт/м^{2}\cdot K$.
Теперь посчитаем логарифм - среднюю разницу температур:
$\Delta T_1=T_{h1}-T_{c2}=80 - 50 = 30 K$
$\Delta T_2=T_{h2}-T_{c1}=60 - 20 = 40 K$
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}=\frac{30 - 40}{\ln(\frac{30}{40})}\approx34,7 K$
Наконец, рассчитаем площадь теплопередачи:
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}=\frac{125400}{1000\times34.7}\approx3.61 м^{2}$
Факторы, влияющие на расчет
Есть несколько факторов, которые могут повлиять на точность этих расчетов.
Засорение: Со временем на трубчатых и кожуховых сторонах теплообменника могут образовываться отложения, увеличивающие термическое сопротивление и снижающие общий коэффициент теплопередачи $U$. Вам необходимо учитывать загрязнение, используя коэффициент загрязнения, который добавляется к расчетам теплового сопротивления.
Схемы потоков: Фактические схемы потока в кожухотрубном теплообменнике могут быть более сложными, чем идеальные предположения о противотоке или параллельном потоке. Возможны переток и переток жидкостей, что может повлиять на эффективность теплопередачи.
Свойства жидкости: Свойства жидкостей, такие как вязкость, плотность и теплопроводность, могут меняться в зависимости от температуры. Это может повлиять на коэффициенты конвективной теплоотдачи и общий коэффициент теплоотдачи $U$.
Если вы ищете кожухотрубный теплообменник и вам нужна помощь с определением размеров или пониманием расчетов теплопередачи, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы здесь, чтобы помочь вам найти подходящий теплообменник для вашего конкретного применения. Будь то небольшой промышленный процесс или крупная электростанция, у нас есть опыт и продукты, отвечающие вашим потребностям. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования к теплообменнику, и давайте вместе найдем лучшее решение.
Ссылки
- Incropera, FP, и ДеВитт, DP (2002). Основы тепломассообмена. Джон Уайли и сыновья.
- Холман, JP (2002). Теплопередача. МакГроу - Хилл.