จะกำหนดพื้นที่ถ่ายเทความร้อนที่ต้องการของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้อย่างไร?

เฮ้! ฉันเป็นส่วนหนึ่งของทีมซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และวันนี้ฉันอยากจะพูดคุยเกี่ยวกับวิธีหาพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่ต้องการของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เป็นขั้นตอนสำคัญในการหาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะกับความต้องการของคุณ ดังนั้นมาเริ่มกันเลย!

ทำความเข้าใจพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อน

ก่อนที่เราจะเริ่มคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อน เราต้องเข้าใจหลักการพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อนเสียก่อน ความร้อนสามารถเคลื่อนที่ได้สามวิธีหลัก: การนำ การพาความร้อน และการแผ่รังสี ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนส่วนใหญ่ การนำและการพาความร้อนเป็นส่วนสำคัญ

การนำความร้อนคือเมื่อความร้อนเคลื่อนที่ผ่านวัสดุที่เป็นของแข็ง ลองนึกถึงแท่งโลหะที่ปลายด้านหนึ่งร้อนแล้วค่อยๆ ร้อนขึ้นทั้งแท่ง ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ความร้อนจะถูกถ่ายเทผ่านผนังของท่อหรือแผ่น

การพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนโดยการเคลื่อนที่ของของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ของไหลร้อนและเย็นจะไหลไปทางด้านต่างๆ ของพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน และความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากของไหลร้อนไปยังของเหลวเย็นผ่านพื้นผิว

สมการการถ่ายเทความร้อน

หัวใจของการคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนอยู่ที่สมการการถ่ายเทความร้อน ซึ่งก็คือ Q = U × A × ΔTm มาทำลายสิ่งนี้กัน:

• ถาม: นี่คืออัตราการถ่ายเทความร้อน วัดเป็นวัตต์ (W) หรือหน่วยความร้อนบริติชต่อชั่วโมง (BTU/ชม.) แสดงถึงปริมาณความร้อนที่ต้องถ่ายเทจากของเหลวร้อนไปยังของเหลวเย็น คุณสามารถคำนวณ Q โดยใช้อัตราการไหลของมวล ความจุความร้อนจำเพาะ และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของของเหลว สูตรสำหรับ Q คือ Q = m × Cp × ΔT โดยที่ m คืออัตราการไหลของมวล Cp คือความจุความร้อนจำเพาะ และ ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
• ใน: นี่คือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม วัดเป็น W/(m²·K) หรือ BTU/(hr·ft²·°F) โดยคำนึงถึงความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนทั้งสองด้านของพื้นผิวการถ่ายเทความร้อนตลอดจนความต้านทานของพื้นผิวด้วย ค่าของ U ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ชนิดของของไหล อัตราการไหล รูปทรงของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และวัสดุของพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน
• ก: นี่คือพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่เราพยายามค้นหา โดยวัดเป็นตารางเมตร (m²) หรือตารางฟุต (ft²)
• ∆Tm: นี่คือบันทึกความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย (LMTD) ซึ่งเป็นการวัดความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยระหว่างของไหลร้อนและเย็นตลอดความยาวของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน สูตรของ ΔTm นั้นซับซ้อนเล็กน้อย แต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิทางเข้าและทางออกของของไหลร้อนและเย็น

การคำนวณทีละขั้นตอน

ตอนนี้เรารู้สมการแล้ว มาดูขั้นตอนต่างๆ เพื่อคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่ต้องการกันดีกว่า:

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดอัตราการถ่ายเทความร้อน (Q)

ขั้นแรก คุณต้องหาก่อนว่าต้องถ่ายเทความร้อนมากน้อยเพียงใด ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะของคุณ ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อทำให้น้ำร้อนสำหรับกระบวนการหนึ่ง คุณจะต้องทราบอัตราการไหลของน้ำ อุณหภูมิเริ่มต้นและอุณหภูมิสุดท้าย และความจุความร้อนจำเพาะของน้ำ

สมมติว่าคุณมีอัตราการไหลของน้ำ 10 กิโลกรัม/วินาที และคุณต้องการให้ความร้อนจาก 20°C ถึง 80°C ความจุความร้อนจำเพาะของน้ำคือประมาณ 4.18 kJ/(kg·K) เมื่อใช้สูตร Q = m × Cp × ΔT เราสามารถคำนวณ Q ได้ดังนี้:

Q = 10 กิโลกรัม/วินาที × 4.18 กิโลจูล/(กก.·K) × (80°C - 20°C) = 10 × 4.18 × 60 = 2508 กิโลจูล/วินาที = 2508000 วัตต์

ขั้นตอนที่ 2: ประมาณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U)

ค่าของ U อาจแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับประเภทของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและของเหลวที่เกี่ยวข้อง คุณสามารถค้นหาค่าทั่วไปของ U ได้ในหนังสือคู่มือทางวิศวกรรมหรือแหล่งข้อมูลออนไลน์ ตัวอย่างเช่น สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อที่มีน้ำทั้งสองด้าน U อาจอยู่ที่ประมาณ 1,000 - 3000 W/(m²·K)

สมมติว่าเราใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่ออุตสาหกรรม และจากประสบการณ์ของเราและคุณสมบัติของของไหล เราประมาณว่า U จะอยู่ที่ 2000 W/(m²·K)

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยบันทึก (ΔTm)

ในการคำนวณ ΔTm คุณจำเป็นต้องทราบอุณหภูมิทางเข้าและทางออกของของไหลร้อนและเย็น สมมติว่าของไหลร้อนเข้าที่อุณหภูมิ 120°C และออกไปที่อุณหภูมิ 90°C และของเหลวเย็นเข้าที่อุณหภูมิ 20°C และออกไปที่ 80°C

สูตรของ ΔTm คือ:

ΔTm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

โดยที่ ΔT1 คือความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายด้านหนึ่งของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน และ ΔT2 คือความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

∆T1 = 120°C - 80°C = 40°C
∆T2 = 90°C - 20°C = 70°C

∆Tm = (40°C - 70°C) / ln(40°C / 70°C) กลับไปยัง 53.6°C

ขั้นตอนที่ 4: คำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อน (A)

ตอนนี้เรามี Q, U และ ΔTm แล้ว เราสามารถใช้สมการการถ่ายเทความร้อน Q = U × A × ΔTm เพื่อแก้หา A:

A = Q / (U × ΔTm)

A = 2508000 วัตต์ / (2000 วัตต์/(ตรม.·K) × 53.6 K) กลับไปยัง 23.4 ตรม.

ปัจจัยที่มีผลต่อการคำนวณ

โปรดทราบว่ามีปัจจัยหลายประการที่อาจส่งผลต่อความแม่นยำในการคำนวณของเรา:

• คุณสมบัติของของไหล: ความจุความร้อนจำเพาะ ความหนาแน่น ความหนืด และค่าการนำความร้อนของของเหลวสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามอุณหภูมิและความดัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจส่งผลต่ออัตราการถ่ายเทความร้อนและค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม
• ระบอบการปกครองการไหล: รูปแบบการไหลของของเหลว (แบบราบเรียบหรือแบบปั่นป่วน) อาจมีผลกระทบอย่างมากต่อการถ่ายเทความร้อน โดยทั่วไปการไหลแบบปั่นป่วนส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงกว่าการไหลแบบราบเรียบ
• การเปรอะเปื้อน: เมื่อเวลาผ่านไป คราบสะสมอาจสะสมบนพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน ซึ่งสามารถเพิ่มความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนและลดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม สิ่งนี้เรียกว่าการเปรอะเปื้อน และจำเป็นต้องนำมาพิจารณาเมื่อออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทต่างๆ

มีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลายประเภทให้เลือกใช้ ซึ่งแต่ละประเภทก็มีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ประเภททั่วไปบางประเภท ได้แก่:

• เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ: เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดที่นิยมใช้กันมากที่สุด ประกอบด้วยเปลือก (ภาชนะทรงกระบอกขนาดใหญ่) และมัดท่อ ของเหลวร้อนและเย็นไหลผ่านท่อและเปลือกตามลำดับ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่ออุตสาหกรรมเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมหลายประเภท
• เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ U-Tube: นี่คือรูปแบบหนึ่งของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ โดยที่ท่อจะโค้งงอเป็นรูปตัวยู การออกแบบนี้ช่วยให้สามารถขยายและหดตัวเนื่องจากความร้อนได้โดยไม่ทำให้เกิดความเครียดกับท่อมากเกินไป ตรวจสอบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ U-Tube Shell และ Tube สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม
• เครื่องทำน้ำร้อนป้อนน้ำแรงดันต่ำ: สิ่งเหล่านี้ใช้ในโรงไฟฟ้าเพื่อให้ความร้อนแก่น้ำป้อนก่อนที่จะเข้าสู่หม้อไอน้ำ โดยทั่วไปจะทำงานที่แรงดันต่ำและใช้ไอน้ำเป็นตัวกลางในการทำความร้อน เครื่องทำน้ำร้อนป้อนแรงดันต่ำเป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนชนิดพิเศษสำหรับการใช้งานนี้

บทสรุป

การคำนวณพื้นที่การถ่ายเทความร้อนที่ต้องการของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนแต่จำเป็น ด้วยการทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อน การใช้สมการการถ่ายเทความร้อน และคำนึงถึงปัจจัยต่างๆ ที่อาจส่งผลต่อการคำนวณ คุณสามารถมั่นใจได้ว่าคุณจะเลือกเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เหมาะกับความต้องการของคุณ

หากคุณอยู่ในตลาดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและต้องการความช่วยเหลือเกี่ยวกับกระบวนการกำหนดขนาดหรือคัดเลือก อย่าลังเลที่จะติดต่อเรา เราเป็นทีมผู้เชี่ยวชาญที่มีประสบการณ์หลายปีในอุตสาหกรรมเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และเราพร้อมมอบโซลูชันที่ดีที่สุดให้กับคุณ ไม่ว่าคุณจะต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่ออุตสาหกรรม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อแบบ U-Tube หรือเครื่องทำน้ำป้อนแรงดันต่ำ เราก็มีทุกอย่างไว้ให้คุณ ติดต่อเราวันนี้เพื่อเริ่มการสนทนา!

อ้างอิง

• Incropera, FP, DeWitt, DP, เบิร์กแมน, TL, & Lavine, AS (2017) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวล ไวลีย์.
• กรีน DW และเพอร์รี่ RH (2550) คู่มือวิศวกรเคมีของเพอร์รี่ แมคกรอ-ฮิลล์.