چگونه ضریب انتقال حرارت کلی مبدل حرارتی لوله ای را محاسبه کنیم؟

به عنوان تامین کننده مبدل های حرارتی لوله ای، درک نحوه محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی بسیار مهم است. این ضریب یک پارامتر کلیدی در طراحی، تحلیل و ارزیابی عملکرد مبدل های حرارتی لوله ای است. در این وبلاگ، من به جزئیات محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی می پردازم و راهنمای جامعی را در اختیار شما قرار می دهم که دانش نظری را با ملاحظات عملی ترکیب می کند.

1. درک مبانی انتقال حرارت در مبدل های حرارتی لوله ای

قبل از شروع محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی، درک اصول اولیه انتقال حرارت در مبدل های حرارتی لوله ای ضروری است. یک مبدل حرارتی لوله ای شامل یک بسته لوله است که در یک پوسته محصور شده اند. یک سیال از طریق لوله ها (لوله - سیال جانبی) جریان می یابد، در حالی که دیگری در خارج از لوله ها در پوسته جریان دارد (پوسته - سیال جانبی). گرما از طریق دیواره های لوله از سیال داغ به سیال سرد منتقل می شود.

فرآیند انتقال حرارت شامل سه مقاومت اصلی است: مقاومت روی لوله - سیال جانبی، مقاومت دیواره لوله و مقاومت روی پوسته - سیال جانبی. ضریب انتقال حرارت کلی (U) مربوط به این مقاومت ها است و با معادله زیر بر اساس قانون هدایت گرما فوریه و قانون خنک کننده نیوتن تعریف می شود:

$$Q = UA \Delta T_{lm}$$

که در آن $Q$ نرخ انتقال حرارت است، $A$ ناحیه انتقال حرارت، و $\Delta T_{lm}$ اختلاف دمای میانگین log - است.

2. محاسبه ضرایب انتقال حرارت فردی

لوله - ضریب انتقال حرارت جانبی ($h_i$)

ضریب انتقال حرارت لوله - سمت را می توان با استفاده از همبستگی های تجربی محاسبه کرد. یکی از رایج‌ترین همبستگی‌ها، معادله Dittus - Boelter برای جریان آشفته ($Re>10000$) در یک لوله صاف است:

$$Nu = 0.023 Re^{0.8} Pr^n$$

جایی که $Nu=\frac{h_i D_i}{k}$, $Re=\frac{\rho v D_i}{\mu}$, $Pr=\frac{C_p \mu}{k}$, $D_i$ قطر داخلی لوله است، $\rho$ چگالی سیال است، $v$ میانگین سیال $co، سرعت پویایی $ است. $C_p$ ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت و $k$ هدایت حرارتی سیال است. توان $n$ برای گرمایش 0.4 و برای سرمایش 0.3 است.

برای جریان آرام ($Re < 2300$)، می توان از معادله Sieder - Tate استفاده کرد:

$$Nu = 1.86\left(\frac{Re Pr D_i}{L}\right)^{\frac{1}{3}}\left(\frac{\mu}{\mu_w}\right)^{0.14}$$

که در آن $L$ طول لوله و $\mu_w$ ویسکوزیته سیال در دمای دیواره است.

ضریب انتقال حرارت جانبی پوسته ($h_o$)

محاسبه ضریب انتقال حرارت پوسته - سمت به دلیل الگوی جریان پیچیده سیال پوسته - سمت پیچیده‌تر است. یک رویکرد استفاده از روش کرن است. روش کرن تخمینی از ضریب انتقال حرارت پوسته - سمت را بر اساس قطر معادل ($D_e$) گذرگاه جریان - پوسته ارائه می‌کند:

$$Nu = 0.36 Re^{0.55} Pr^{\frac{1}{3}}\left(\frac{\mu}{\mu_w}\right)^{0.14}$$

که $Re=\frac{\rho v_s D_e}{\mu}$، و $v_s$ سرعت سیال جانبی پوسته است. قطر معادل $D_e$ بستگی به آرایش لوله دارد (به عنوان مثال، گام مثلثی یا مربعی).

3. در نظر گرفتن مقاومت دیوار لوله

مقاومت دیواره لوله در برابر انتقال حرارت به صورت زیر محاسبه می شود:

$$R_{wall}=\frac{\ln\left(\frac{D_o}{D_i}\right)}{2\pi k_{wall}L}$$

که در آن $D_o$ قطر بیرونی لوله، $D_i$ قطر داخلی لوله، $k_{wall}$ هدایت حرارتی مواد لوله و $L$ طول لوله است.

4. محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی

ضریب انتقال حرارت کلی بر اساس سطح خارجی لوله ها ($U_o$) را می توان با استفاده از معادله زیر محاسبه کرد که مقاومت های فردی را در نظر می گیرد:

$$\frac{1}{U_o}=\frac{D_o}{h_i D_i}+\frac{D_o \ln\left(\frac{D_o}{D_i}\right)}{2k_{wall}}+\frac{1}{h_o}+R_{f,i}\frac{D_o}{$_{D_o}

که در آن $R_{f,i}$ و $R_{f,o}$ به ترتیب مقاومت های رسوبی در سمت لوله و سمت پوسته هستند. رسوب گیری، رسوب مواد ناخواسته بر روی سطوح انتقال حرارت است که باعث افزایش مقاومت در برابر انتقال حرارت می شود.

5. ملاحظات و مثال های عملی

در کاربردهای عملی، محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی به داده های دقیقی در مورد خواص سیال، سرعت جریان، ابعاد لوله و عوامل رسوب گیری نیاز دارد. بیایید یک مثال را در نظر بگیریم:

فرض کنید یک داریممبدل حرارتی پوسته و لوله افقیبا پارامترهای زیر:

• قطر داخلی لوله $D_i = 0.02$ متر
• قطر بیرونی لوله $D_o = 0.025$ متر
• طول لوله $L = 3 $ متر
• جنس لوله: فولاد ضد زنگ با $k_{wall}=16$ W/(m·K)
• لوله - سیال جانبی: آب با $h_i = 2000$ W/(m²·K)
• سیال جانبی پوسته: روغن با $h_o = 500$ W/(m²·K)
• مقاومت در برابر رسوب روی لوله - سمت $R_{f,i}=0.0002$ m²·K/W
• مقاومت در برابر رسوب روی پوسته - سمت $R_{f,o}=0.0005$ m²·K/W

ما می توانیم ضریب انتقال حرارت کلی را بر اساس سطح بیرونی محاسبه کنیم:

$$\frac{1}{U_o}=\frac{0.025}{2000\times0.02}+\frac{0.025\ln\left(\frac{0.025}{ 0.02}\right)}{2\times16}+\frac{1}{500}+0.0002\times\frac{0.025}{0.02}+0.0005$$

$$\frac{1}{U_o}=0.000625 + 0.000044+0.002 + 0.00025+0.0005$$

$$\frac{1}{U_o}=0.003419$$

$$U_o\approx292.5\ W/(m²·K)$$

6. اهمیت ضریب انتقال حرارت کلی

ضریب انتقال حرارت کلی یک پارامتر حیاتی در طراحی و عملکرد مبدل های حرارتی لوله ای است. ضریب انتقال حرارت کلی بالاتر به معنای انتقال حرارت کارآمدتر است که می تواند منجر به مبدل های حرارتی کوچکتر، مصرف انرژی کمتر و کاهش هزینه های عملیاتی شود.

برای انواع مختلف مبدل های حرارتی لوله ای مانندمبدل حرارتی پوسته و لوله تک پاسومبدل حرارتی تیتانیوم لوله ای، محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی به همان اندازه مهم است. خواص مواد، پیکربندی جریان و شرایط عملکرد این مبدل های حرارتی بر ضرایب انتقال حرارت فردی و در نهایت ضریب انتقال حرارت کلی تأثیر می گذارد.

7. برای بحث و خرید بیشتر تماس بگیرید

اگر به مبدل های حرارتی لوله ای علاقه مند هستید یا به اطلاعات بیشتری در مورد محاسبه ضریب انتقال حرارت کلی برای کاربرد خاص خود نیاز دارید، ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم. تیم متخصص ما تجربه زیادی در طراحی و ساخت مبدل های حرارتی لوله ای دارد. ما می توانیم راه حل های سفارشی را بر اساس نیازهای شما به شما ارائه دهیم.

چه به یک مبدل حرارتی لوله‌ای استاندارد یا تخصصی مانند مبدل حرارتی تیتانیومی نیاز داشته باشید، ما می‌توانیم محصولاتی با کیفیت بالا با عملکرد عالی ارائه دهیم. برای شروع بحث در مورد نیازهای انتقال حرارت خود و بررسی احتمالات خرید با ما تماس بگیرید.

مراجع

• Incropera، FP، DeWitt، DP، Bergman، TL، & Lavine، AS (2007). مبانی انتقال حرارت و جرم جان وایلی و پسران
• کرن، دی کیو (1950). فرآیند انتقال حرارت مک گراو - هیل.