Ako vypočítať plochu prenosu tepla špirálového doskového výmenníka tepla?

Ako vypočítať plochu prenosu tepla špirálového doskového výmenníka tepla?

Ako dodávateľ špirálových doskových výmenníkov sa často stretávam so zákazníkmi, ktorí majú záujem pochopiť, ako vypočítať teplovýmennú plochu týchto účinných teplovýmenných zariadení. V tomto blogovom príspevku vás prevediem procesom výpočtu plochy prenosu tepla špirálového doskového výmenníka tepla a poskytnem vám potrebné znalosti a vzorce na presné výpočty.

Pochopenie základov špirálových doskových výmenníkov tepla

Predtým, ako sa ponoríte do procesu výpočtu, je nevyhnutné mať základné znalosti o tom, ako fungujú špirálové doskové výmenníky tepla. Špirálový doskový výmenník tepla pozostáva z dvoch dlhých plochých dosiek, ktoré sú špirálovito navinuté okolo centrálneho jadra. Dosky vytvárajú dva oddelené kanály pre prúdenie horúcej a studenej tekutiny, čo umožňuje efektívny prenos tepla medzi týmito dvoma tekutinami.

Konštrukcia špirálového doskového výmenníka tepla poskytuje niekoľko výhod, vrátane veľkej plochy prenosu tepla v kompaktnom priestore, vysokých koeficientov prestupu tepla a schopnosti zvládnuť vysoké prietoky. Vďaka týmto vlastnostiam sú špirálové doskové výmenníky tepla vhodné pre širokú škálu aplikácií, vrátane chemického spracovania, výroby potravín a nápojov a systémov HVAC.

Faktory ovplyvňujúce oblasť prenosu tepla

Potrebnú plochu prenosu tepla pre špirálový doskový výmenník tepla ovplyvňuje niekoľko faktorov. Tieto faktory zahŕňajú:

• Rýchlosť prenosu tepla: Množstvo tepla, ktoré je potrebné preniesť medzi horúcou a studenou kvapalinou, je kritickým faktorom pri určovaní oblasti prenosu tepla. Čím vyššia je rýchlosť prenosu tepla, tým väčšia je potrebná plocha prenosu tepla.
• Teplotný rozdiel: Teplotný rozdiel medzi horúcou a studenou kvapalinou je ďalším dôležitým faktorom. Väčší teplotný rozdiel má vo všeobecnosti za následok vyššiu rýchlosť prenosu tepla a môže vyžadovať menšiu plochu prenosu tepla.
• Vlastnosti kvapaliny: Fyzikálne vlastnosti horúcich a studených kvapalín, ako je hustota, viskozita a špecifické teplo, môžu ovplyvniť koeficient prestupu tepla a tým aj požadovanú plochu prenosu tepla.
• prietokové rýchlosti: Pri určovaní oblasti prenosu tepla zohrávajú úlohu aj prietoky horúcich a studených tekutín. Vyššie prietokové rýchlosti majú vo všeobecnosti za následok vyššie koeficienty prenosu tepla a môžu vyžadovať menšiu plochu prenosu tepla.

Výpočet oblasti prenosu tepla

Plochu prenosu tepla špirálového doskového výmenníka tepla možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

[ A = \frac{Q}{U \times \Delta T_{lm}} ]

kde:

• (A) je plocha na prenos tepla (( m^2))
• (Q) je rýchlosť prenosu tepla ((W))
• ( U ) je celkový súčiniteľ prestupu tepla (( W/m^2 \cdot K ))
• ( \Delta T_{lm} ) je logaritmický stredný teplotný rozdiel (( K ))

Poďme si rozobrať každú zložku vzorca a prediskutovať, ako ich vypočítať.

Rýchlosť prenosu tepla (Q)

Rýchlosť prenosu tepla možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

[ Q = m \krát C_p \krát \Delta T ]

kde:

• (m) je hmotnostný prietok kvapaliny ((kg/s))
• ( C_p ) je špecifická tepelná kapacita tekutiny (( J/kg \cdot K ))
• ( \ Delta T ) je teplotný rozdiel kvapaliny ( ( K ))

Budete musieť vypočítať rýchlosť prenosu tepla pre horúce aj studené tekutiny a zabezpečiť, aby boli rovnaké, pretože teplo prenášané z horúcej tekutiny sa musí rovnať teplu absorbovanému studenou tekutinou.

Celkový koeficient prenosu tepla (U)

Celkový súčiniteľ prestupu tepla zohľadňuje odpor proti prestupu tepla na horúcej aj studenej strane výmenníka tepla, ako aj odpor materiálu dosky. Celkový koeficient prestupu tepla možno odhadnúť pomocou empirických korelácií alebo získať z experimentálnych údajov.

Celkový koeficient prestupu tepla možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

[ \frac{1}{U} = \frac{1}{h_i} + \frac{\delta}{k} + \frac{1}{h_o} ]

kde:

• ( h_i ) je koeficient prestupu tepla na vnútornej strane dosky (( W/m^2 \cdot K ))
• ( \delta ) je hrúbka dosky ( ( m ))
• (k) je tepelná vodivosť materiálu dosky (( W/m \cdot K ))
• ( h_o ) je koeficient prestupu tepla na vonkajšej strane dosky (( W/m^2 \cdot K ))

Koeficienty prestupu tepla (h_i) a (h_o) možno odhadnúť pomocou korelácií založených na vlastnostiach tekutiny, prietokových rýchlostiach a geometrii výmenníka tepla.

Zaznamenať priemerný teplotný rozdiel (( \Delta T_{lm} ))

Log stredný teplotný rozdiel je mierou priemerného teplotného rozdielu medzi horúcou a studenou kvapalinou po dĺžke výmenníka tepla. Dá sa vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

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

kde:

• ( \Delta T_1 ) je teplotný rozdiel medzi horúcou a studenou kvapalinou na jednom konci výmenníka tepla (( K ))
• ( \Delta T_2 ) je teplotný rozdiel medzi horúcou a studenou kvapalinou na druhom konci výmenníka tepla (( K ))

Príklad výpočtu

Zoberme si príklad na ilustráciu procesu výpočtu. Predpokladajme, že máme špirálový doskový výmenník tepla s nasledujúcimi parametrami:

• Horúca kvapalina:
  • Hmotnostný prietok (( m_h)): 2 kg/s
  • Špecifická tepelná kapacita (( C_{p,h} )): 4200 J/kg·K
  • Vstupná teplota ((T_{h,in})): 80 °C
  • Výstupná teplota ((T_{h,out})): 40 °C
• Studená tekutina:
  • Hmotnostný prietok ((m_c)): 3 kg/s
  • Špecifická tepelná kapacita (( C_{p,c} )): 4180 J/kg·K
  • Vstupná teplota ((T_{c,in})): 20 °C
  • Výstupná teplota ((T_{c,out})): 50 °C
• Celkový koeficient prenosu tepla (U): 1000 W/m²·K

Najprv vypočítame rýchlosť prenosu tepla (( Q )) pre horúcu tekutinu:

[ Q = m_h \times C_{p,h} \times (T_{h,in} - T_{h,out}) ]
[ Q = 2 \ kg/s \krát 4200 \ J/kg \cdot K \krát (80 - 40) \ K ]
[ Q = 336 000 \ W ]

Ďalej vypočítame logaritmický priemerný teplotný rozdiel (( \Delta T_{lm} )):

[ \Delta T_1 = T_{h,in} - T_{c,out} = 80 - 50 = 30 \ K ]
[ \Delta T_2 = T_{h,out} - T_{c,in} = 40 - 20 = 20 \ K ]

[ \Delta T_{lm} = \frac{30 - 20}{\ln(\frac{30}{20})} \približne 24,7 \K ]

Nakoniec vypočítame plochu prenosu tepla (( A )):

[ A = \frac{Q}{U \times \Delta T_{lm}} ]
[ A = \frac{336000 \ W}{1000 \ W/m^2 \cdot K \krát 24,7 \ K} \približne 13,6 \ m^2 ]

Záver

Výpočet plochy prenosu tepla špirálového doskového výmenníka tepla je kľúčovým krokom v procese návrhu a výberu. Pochopením faktorov, ktoré ovplyvňujú oblasť prenosu tepla a použitím vhodných vzorcov, môžete zabezpečiť, aby bol váš výmenník tepla správne dimenzovaný pre vašu aplikáciu.

V našej spoločnosti ponúkame široký sortiment špirálových doskových výmenníkov tepla vr304 Špirálový doskový výmenník tepla z nehrdzavejúcej ocele,Titánový špirálový doskový výmenník teplaaHorizontálny špirálový doskový výmenník tepla. Náš tím odborníkov vám môže pomôcť pri výbere správneho výmenníka tepla pre vaše potreby a poskytnúť vám presné výpočty plochy prenosu tepla.

Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich špirálových doskových výmenníkoch tepla alebo potrebujete pomôcť s návrhom výmenníka tepla, kontaktujte nás na konzultáciu. Tešíme sa na spoluprácu pri plnení vašich požiadaviek na prenos tepla.

Referencie

• Incropera, FP a DeWitt, DP (2002). Základy prenosu tepla a hmoty. John Wiley & Sons.
• Shah, RK a Sekulic, DP (2003). Základy konštrukcie výmenníka tepla. John Wiley & Sons.