Le calcul du taux de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur en coquille et en tube est un processus fondamental dans la conception, l'exploitation et l'optimisation de ces composants industriels cruciaux. En tant que principal fournisseur d'échangeur de chaleur de coquilles et de tubes, nous comprenons l'importance de calculs précis de taux de transfert de chaleur pour garantir des performances efficaces et fiables dans diverses applications. Dans cet article de blog, nous nous plongerons dans les concepts, équations et considérations clés impliqués dans le calcul du taux de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur de coquilles et de tubes.
Comprendre les bases du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleur en coquille et en tube
Un échangeur de chaleur en coquille et en tube se compose d'une série de tubes enfermés dans une coque cylindrique. Un fluide circule à travers les tubes (tube - liquide latéral), tandis que l'autre s'écoule à l'extérieur des tubes mais à l'intérieur de la coque (coquille - liquide latéral). La chaleur est transférée du liquide chaud au liquide froid à travers les parois du tube. Le principe de base régissant le transfert de chaleur dans ces échangeurs de chaleur est la loi de refroidissement de Newton, qui indique que le taux de transfert de chaleur (Q) est proportionnel à la différence de température entre les deux fluides et la zone de transfert de chaleur (a).
L'équation globale de transfert de chaleur pour un échangeur de chaleur en coquille et en tube est donnée par:
$ Q = u \ Times a \ Times \ delta t_ {lm} $
Où:
- $ Q $ est le taux de transfert de chaleur (en watts ou btu / h)
- $ U $ est le coefficient de transfert de chaleur global (dans $ w / m ^ {2} \ cdot k $ ou $ btu / h \ cdot ft ^ {2} \ cdot ^ {\ circ} f $)
- $ A $ est la zone de transfert de chaleur (dans $ m ^ {2} $ ou $ ft ^ {2} $)
- $ \ Delta t_ {lm} $ est le log - différence de température moyenne (lmtd)
Déterminer la zone de transfert de chaleur (a)
La zone de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur en coquille et en tube dépend du nombre de tubes, du diamètre du tube et de la longueur du tube. Pour un seul tube, la surface par unité de longueur ($ a_ {l} $) peut être calculée en utilisant la formule pour la surface latérale d'un cylindre:
$ A_ {l} = \ pi \ Times d_ {o} \ Times L $
Où $ d_ {o} $ est le diamètre extérieur du tube et $ l $ est la longueur du tube.
S'il y a des tubes N $ N $ dans l'échangeur de chaleur, la zone totale de transfert de chaleur ($ a $) est donnée par:
$ A = n \ Times a_ {l} = n \ Times \ pi \ Times d_ {o} \ Times L $
Calcul du log - Différence moyenne de la température ($ \ delta t_ {lm} $)
La différence de température logarithmique est utilisée pour tenir compte de la variation de la différence de température entre les fluides chauds et froids le long de l'échangeur de chaleur. La formule pour calculer le LMTD dépend de la disposition de l'écoulement (parallèle - débit, compteur-flux ou flux croisé).
Pour les échangeurs parallèles de débit et de comptoir - de chaleur à débit, le LMTD est calculé comme suit:
Dollars
Où $ \ delta t_ {1} $ et $ \ delta t_ {2} $ sont les différences de température entre les fluides chauds et froids aux deux extrémités de l'échangeur de chaleur.
Dans un échangeur de chaleur parallèle - les fluides chauds et froids pénètrent dans l'échangeur de chaleur au même extrémité et s'écoulent dans la même direction. Dans un échangeur de chaleur à comptoir, les fluides chauds et froids pénètrent dans l'échangeur de chaleur aux extrémités opposées et s'écoulent dans des directions opposées. Les échangeurs de chaleur à comptoir offrent généralement un LMTD plus élevé et donc un transfert de chaleur plus efficace par rapport aux échangeurs de chaleur parallèle.
Pour les échangeurs de chaleur à débit, le calcul du LMTD est plus complexe et nécessite souvent l'utilisation de facteurs de correction. Vous pouvez en savoir plus surCoque à débit et échangeur de chaleur à tubesur notre site Web.
Estimation du coefficient de transfert de chaleur global (U)
Le coefficient global de transfert de chaleur ($ u $) prend en compte les résistances au transfert de chaleur sur le tube - côté et la coque - côté, ainsi que la résistance de la paroi du tube. Il est calculé en utilisant la formule suivante:
$ \ frac {1} {u} = \ frac {1} {h_ {i}} \ time \ frac {d_ {o}} {d_ {i}} + r_ {f, i} \ time \ frac {d_ {o} } {d_ {i}} + \ frac {d_ {o} \ ln (\ frac {d_ {o}} {d_ {i}})} {2k_ {w}} + r_ {f, o} + \ frac {1} {h_ {o}} $ $
Où:
- $ h_ {i} $ et $ h_ {o} $ sont respectivement le tube - latérale et la coque - les coefficients de transfert de chaleur latérale
- $ d_ {i} $ et $ d_ {o} $ sont les diamètres de tube intérieur et extérieur
- $ k_ {w} $ est la conductivité thermique du matériau du mur du tube
- $ R_ {f, i} $ et $ r_ {f, o} $ sont les résistances d'encrassement du tube - côté et coque - côté respectivement
Les coefficients de transfert de chaleur du tube - côté et coque - latérale peuvent être estimés en utilisant des corrélations empiriques basées sur le régime d'écoulement (laminaire ou turbulent), les propriétés du fluide et les paramètres géométriques de l'échangeur de chaleur. Les résistances d'encrassement sont des résistances supplémentaires qui se produisent en raison du dépôt d'impuretés sur les surfaces du tube au fil du temps.
Facteurs affectant le taux de transfert de chaleur
Plusieurs facteurs peuvent affecter le taux de transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur en coquille et en tube. Ceux-ci incluent:
- Propriétés fluides: La conductivité thermique, la chaleur spécifique, la densité et la viscosité des fluides jouent un rôle significatif dans la détermination des coefficients de transfert de chaleur. Par exemple, les liquides à conductivité thermique élevée et à faible viscosité entraînent généralement des taux de transfert de chaleur plus élevés.
- Débit: Des débits plus élevés augmentent les coefficients de transfert de chaleur convective du tube - côté et de la coque - côté, conduisant à une augmentation du taux de transfert de chaleur. Cependant, l'augmentation du débit augmente également la chute de pression, ce qui peut nécessiter plus de puissance de pompage.
- Géométrie du tube: Le diamètre du tube, la tangage du tube et la disposition du tube (triangulaire ou carré) peuvent affecter les modèles d'écoulement et les coefficients de transfert de chaleur. Les diamètres de tube plus petits fournissent généralement une zone de transfert de chaleur plus grande par volume unitaire, mais peuvent également augmenter la chute de pression.
- Encourager: L'encrassement réduit le coefficient global de transfert de chaleur en ajoutant une résistance supplémentaire au transfert de chaleur. Le nettoyage et l'entretien réguliers de l'échangeur de chaleur sont essentiels pour minimiser l'encrassement et maintenir un fonctionnement efficace.
Applications des échangeurs de chaleur de coquilles et de tubes
Les échangeurs de chaleur des coquilles et des tubes sont largement utilisés dans diverses industries, notamment des produits chimiques, de la pétrochimie, de la production d'électricité, de la nourriture et des boissons et du CVC. Ils conviennent aux applications où des taux de transfert de chaleur élevés, des différences de température importantes et des pressions élevées sont impliquées. Par exemple, dans l'industrie chimique, des échangeurs de chaleur à coquille et à tube sont utilisés pour des processus tels que la distillation, l'évaporation et la condensation. Dans les centrales électriques, ils sont utilisés pour refroidir la vapeur et chauffer l'eau d'alimentation.
Nous offrons une large gamme deTube en acier inoxydable et échangeur de chaleur de coquilleetÉchangeur de chaleur coque et tube industriellequi sont conçus pour répondre aux exigences spécifiques des différentes applications. Nos échangeurs de chaleur sont fabriqués à partir de matériaux de haute qualité et sont conçus pour des performances et une fiabilité optimales.
Conclusion
Le calcul du taux de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur en coquille et en tube est un processus complexe mais essentiel pour assurer son fonctionnement efficace. En comprenant les concepts clés, les équations et les facteurs impliqués dans les calculs de transfert de chaleur, les ingénieurs et les opérateurs peuvent concevoir, exploiter et optimiser les échangeurs de chaleur de coquilles et de tubes pour répondre aux exigences spécifiques de leurs applications.
Si vous avez besoin d'un échangeur de chaleur en coquille et en tube ou si vous avez des questions sur les calculs de transfert de chaleur, n'hésitez pas à nous contacter. Notre équipe d'experts est prête à vous aider à sélectionner le bon échangeur de chaleur pour vos besoins et à vous fournir un support technique détaillé.
Références
- Incropera, FP et Dewitt, DP (2002). Fondamentaux de la chaleur et du transfert de masse. John Wiley & Sons.
- Kern, DQ (1950). Traiter le transfert de chaleur. McGraw - Hill.
- Kakac, S. et Liu, H. (2002). Échangeurs de chaleur: sélection, note et conception thermique. CRC Press.