سلام! بهعنوان تامینکننده مبدلهای حرارتی پوسته و لوله، اغلب از من در مورد نحوه محاسبه اثربخشی این تجهیزات بسیار خوب سؤال میشود. بنابراین، در این پست وبلاگ، من قصد دارم آن را برای شما به روشی که به راحتی قابل درک باشد، تجزیه و تحلیل کنم.
اول از همه، بیایید در مورد معنای واقعی کارایی مبدل حرارتی صحبت کنیم. به عبارت ساده، این معیاری است که نشان می دهد مبدل حرارتی چگونه گرما را از یک سیال به سیال دیگر منتقل می کند. هر چه اثربخشی بیشتر باشد، گرمای بیشتری منتقل می شود و مبدل حرارتی کارآمدتر است.
برای محاسبه کارایی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله، باید چند مفهوم کلیدی را درک کنیم. ما با نرخ ظرفیت گرمایی شروع می کنیم. نرخ ظرفیت حرارتی (C) یک سیال حاصل ضرب دبی جرمی آن (m) و ظرفیت گرمایی ویژه آن (c) است. بنابراین، C = m * c. این مقدار به ما می گوید که یک سیال چقدر گرما را می تواند در واحد تغییر دما جذب یا آزاد کند.
ما دو سیال در یک مبدل حرارتی داریم - سیال گرم و سیال سرد. اجازه دهید نرخ ظرفیت حرارتی سیال داغ را با $C_h$ و سیال سرد را با $C_c$ نشان دهیم. کوچکتر از این دو نرخ ظرفیت گرمایی به عنوان حداقل نرخ ظرفیت حرارتی شناخته می شود که با $C_{min}$ نشان داده می شود.
حداکثر انتقال حرارت ممکن ($Q_{max}$) در مبدل حرارتی زمانی اتفاق میافتد که سیال سرد تا دمای ورودی سیال داغ گرم شود (در مبدل حرارتی با جریان مخالف که کارآمدترین نوع از نظر انتقال حرارت است). فرمول $Q_{max}$ $Q_{max}=C_{min}*(T_{h,in}-T_{c,in})$ است که $T_{h,in}$ دمای ورودی سیال داغ و $T_{c,in}$ دمای ورودی سیال سرد است.
اکنون، انتقال حرارت واقعی ($Q_{actual}$) در مبدل حرارتی را می توان به روش های مختلف محاسبه کرد. یکی از راه های رایج استفاده از نرخ ظرفیت گرمایی و تغییر دمای سیال گرم یا سرد است. برای مثال، اگر از سیال داغ استفاده کنیم، $Q_{actual}=C_h*(T_{h,in}-T_{h,out})$، که در آن $T_{h,out}$ دمای خروجی سیال داغ است. به طور مشابه، با استفاده از سیال سرد، $Q_{actual}=C_c*(T_{c,out}-T_{c,in})$، که در آن $T_{c,out}$ دمای خروجی سیال سرد است.
سپس کارایی ($\epsilon$) مبدل حرارتی به عنوان نسبت انتقال حرارت واقعی به حداکثر انتقال حرارت ممکن تعریف می شود. بنابراین، $\epsilon=\frac{Q_{واقعی}}{Q_{max}}$.
بیایید یک مثال را برای روشن تر شدن این موضوع مرور کنیم. فرض کنید یک مبدل حرارتی پوسته و لوله با داده های زیر داریم:
سرعت جریان جرمی سیال داغ ($m_h$) 2 کیلوگرم بر ثانیه و ظرفیت گرمایی ویژه آن ($c_h$) 2000 J/(kg·K) است. سرعت جریان جرمی سیال سرد ($m_c$) 3 کیلوگرم بر ثانیه و ظرفیت گرمایی ویژه آن ($c_c$) 1000 J/(kg·K) است. دمای ورودی سیال داغ ($T_{h,in}$) 100 درجه سانتیگراد و دمای ورودی سیال سرد ($T_{c,in}$) 20 درجه سانتیگراد است. دمای خروجی سیال داغ ($T_{h,out}$) 60 درجه سانتی گراد است.
ابتدا نرخ ظرفیت گرمایی را محاسبه می کنیم:
$C_h=m_h * c_h=2\ kg/s * 2000\ J/(kg·K)=4000\ W/K$
$C_c=m_c * c_c=3\ kg/s * 1000\ J/(kg·K)=3000\ W/K$
از آنجایی که $C_c < C_h$، $C_{min}=C_c = 3000\ W/K$
حداکثر انتقال حرارت ممکن $Q_{max}=C_{min} است(T_{h,in}-T_{c,in})=3000\ W/K(100 - 20)K = 240000\ W$
انتقال حرارت واقعی با استفاده از سیال داغ $Q_{actual}=C_h*(T_{h,in}-T_{h,out})=4000\ W/K*(100 - 60)K=160000\ W$ است.
کارایی مبدل حرارتی $\epsilon=\frac{Q_{واقعی}}{Q_{max}}=\frac{160000}{240000}\approx0.67$ یا 67% است.
در حال حاضر، چند عامل وجود دارد که می تواند بر کارایی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله تأثیر بگذارد. یکی از مهمترین عوامل آرایش جریان است. همانطور که قبلاً اشاره کردم، مبدلهای حرارتی ضد جریان عموماً مؤثرتر از مبدلهای حرارتی جریان موازی هستند زیرا میتوانند اختلاف دمای بالاتری را بین دو سیال در طول مبدل حرارتی به دست آورند.
عامل دیگر تعداد لوله ها و چیدمان لوله است. لوله های بیشتر به طور کلی به معنای سطح بیشتر برای انتقال حرارت است که می تواند کارایی را افزایش دهد. گام لوله (فاصله بین مراکز لوله های مجاور) نیز نقش دارد. گام لوله کوچکتر می تواند سطح را افزایش دهد اما ممکن است افت فشار را نیز افزایش دهد.
رسوب گیری لوله ها همچنین می تواند کارایی مبدل حرارتی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. با گذشت زمان، رسوبات می توانند در داخل و خارج لوله ها ایجاد شوند که به عنوان یک لایه عایق عمل می کنند و سرعت انتقال حرارت را کاهش می دهند. نگهداری و نظافت منظم برای حفظ بازدهی مبدل حرارتی ضروری است.
در شرکت ما، ما طیف گسترده ای از مبدل های حرارتی پوسته و لوله را ارائه می دهیم، از جملهمبدل حرارتی پوسته و صفحه،مبدل حرارتی اتاق زیر شیروانی، ومبدل حرارتی کواکسیال برای پمپ حرارتی منبع زمینی. این مبدل های حرارتی با جدیدترین تکنولوژی طراحی شده اند تا کارایی و قابلیت اطمینان بالا را تضمین کنند.
اگر به دنبال مبدل حرارتی پوسته و لوله هستید، محاسبه کارآیی گام مهمی در انتخاب مبدل مناسب برای کاربردتان است. با درک عوامل مؤثر بر اثربخشی و نحوه محاسبه آن، می توانید تصمیمی آگاهانه بگیرید و از مبدل حرارتی خود بیشترین بهره را ببرید.
بنابراین، اگر به محصولات ما علاقه مند هستید، برای مذاکره خرید دریغ نکنید. ما همیشه خوشحالیم که به شما کمک کنیم تا راه حل مناسب مبدل حرارتی را برای نیازهای خود پیدا کنید.
مراجع
- Incropera، FP، DeWitt، DP، Bergman، TL، & Lavine، AS (2007). مبانی انتقال حرارت و جرم جان وایلی و پسران
- هولمن، جی پی (2002). انتقال حرارت مک گراو - هیل.