چگونه می توان از روش NTU برای طراحی مبدل حرارتی استفاده کرد؟

سلام! من یک تأمین کننده در تجارت مبدل حرارتی هستم و امروز می خواهم در مورد نحوه استفاده از روش NTU (تعداد واحدهای انتقال) برای طراحی مبدل حرارتی گپ بزنم. این روش بسیار مفید و به طور گسترده در صنعت کاربرد دارد ، بنابراین بیایید به درستی شیرجه بزنیم!

روش NTU چیست؟

اول از همه ، بیایید درک اساسی از روش NTU بدست آوریم. روش NTU راهی برای تجزیه و تحلیل و طراحی مبدل های حرارتی است که دمای ورودی مایعات گرم و سرد شناخته شده است ، اما دمای خروجی نیست. این بر اساس مفهوم تعداد واحدهای انتقال (NTU) و نسبت نرخ ظرفیت گرما (C_R) است.

NTU به عنوان نسبت ضریب انتقال حرارت کلی (U) برابر سطح انتقال حرارت (A) به حداقل ظرفیت حرارتی (C_MIN) دو مایع تعریف شده است. از نظر ریاضی ، به صورت NTU = UA / C_MIN نوشته شده است. نسبت ظرفیت گرما C_R نسبت حداقل به حداکثر میزان ظرفیت گرما دو سیال ، یعنی C_R = C_MIN / C_MAX است.

چرا از روش NTU استفاده می کنیم؟

روش NTU عالی است زیرا روند طراحی مبدل حرارتی را ساده می کند. به جای نیاز به حل یک دسته از معادلات پیچیده برای دمای خروجی ، می توانیم از نمودارها یا معادلات از قبل محاسبه شده بر اساس NTU و C_R برای یافتن اثربخشی (ε) مبدل حرارتی استفاده کنیم. اثربخشی نسبت سرعت انتقال حرارت واقعی (Q) به حداکثر سرعت انتقال حرارت ممکن (Q_MAX) است ، بنابراین ε = q / q_max.

مراحل استفاده از روش NTU برای طراحی مبدل حرارتی

مرحله 1: داده های لازم را جمع آوری کنید

قبل از شروع ، باید اطلاعات مهمی را جمع آوری کنیم. ما باید نرخ جریان (M_DOT) و ظرفیت های حرارتی خاص (C_P) مایعات گرم و سرد را بدانیم. از این موارد ، می توانیم نرخ ظرفیت گرما C = M_DOT * C_P را برای هر سیال محاسبه کنیم. سپس می توانیم c_min و c_max را تعیین کنیم.

به عنوان مثال ، اگر ما یک مایع داغ با سرعت جریان جرم M_DOT_H = 2 کیلوگرم در ثانیه و ظرفیت حرارتی خاص C_P_H = 2000 J/(کیلوگرم · K) داشته باشیم و یک مایع سرد با M_DOT_C = 3 کیلوگرم در ثانیه و C_P_C = 1500 J/(کیلوگرم · K). میزان ظرفیت حرارتی مایع داغ C_H = M_DOT_H * C_P_H = 2 * 2000 = 4000 W/K و میزان ظرفیت حرارتی مایع سرد C_C = M_DOT_C * C_P_C = 3 * 1500 = 4500 W/K. بنابراین ، c_min = c_h = 4000 w/k و c_max = c_c = 4500 w/k.

مرحله 2: نسبت نرخ ظرفیت گرما (C_R) را تعیین کنید

با استفاده از مقادیر C_MIN و C_MAX که تازه پیدا کردیم ، C_R را محاسبه می کنیم. در مثال ما ، c_r = c_min / c_max = 4000 /4500 ≈ 0.89.

مرحله 3: در مورد انتقال حرارت مورد نیاز تصمیم بگیرید

ما باید بفهمیم که چه مقدار انتقال حرارت می خواهیم به آن دست یابیم. این می تواند بر اساس نیازهای فرآیند باشد. به عنوان مثال ، اگر ما نیاز به خنک کردن مایع گرم از دمای معینی به حالت دیگر داریم ، می توانیم با استفاده از فرمول Q = M_DOT_H * C_P_H * (T_H_IN - T_H_OUT) میزان انتقال حرارت را محاسبه کنیم.

مرحله 4: اثربخشی را محاسبه کنید (ε)

اثربخشی ε را می توان با استفاده از فرمول ε = q / (c_min * (t_h_in - t_c_in)) محاسبه کرد ، جایی که t_h_in دمای ورودی مایع گرم است و t_c_in دمای ورودی مایع سرد است.

مرحله 5: مقدار NTU را پیدا کنید

هنگامی که ما اثربخشی ε و نسبت ظرفیت گرما C_R داشته باشیم ، می توانیم از رابطه مناسب NTU - ε برای نوع مبدل حرارتی که در حال طراحی هستیم استفاده کنیم. به عنوان مثال ، برای یک مبدل حرارتی پیشخوان جریان ، رابطه NTU - ε توسط:

ε = (1 - exp (-ntu * (1 - c_r))) / (1 - c_r * exp (-ntu * (1 - c_r))

اگر c_r = 1 ، سپس ε = ntu / (1+ntu)

ما می توانیم این معادله را برای NTU یا به صورت تحلیلی (برای برخی موارد ساده) یا عددی (با استفاده از نرم افزاری مانند MATLAB یا Excel) حل کنیم.

مرحله ششم: محاسبه منطقه انتقال حرارت (A)

بعد از اینکه مقدار NTU را پیدا کردیم ، می توانیم منطقه انتقال حرارت A را با استفاده از فرمول A = NTU * C_MIN / U محاسبه کنیم ، جایی که U ضریب انتقال حرارت کلی است. ضریب انتقال حرارت کلی بستگی به نوع مبدل حرارتی ، مایعات درگیر و شرایط جریان دارد.

انواع مختلف مبدل های حرارتی و NTU

انواع مختلفی از مبدل های حرارتی وجود دارد ، مانند جریان موازی ، پیشخوان ، جریان و مبدلهای حرارتی جریان. هر نوع رابطه NTU - ε خاص خود را دارد.

• موازی - مبدلهای حرارتی جریان: اثربخشی توسط ε = (1 - exp (-ntu * (1 + c_r))) / (1 + c_r) داده می شود
• پیشخوان - مبدلهای حرارتی جریان: همانطور که قبلاً ذکر شد ، رابطه وقتی C_R ≠ 1 پیچیده تر است و وقتی C_R = 1 ساده تر است.
• صلیب - مبدلهای حرارتی جریان: روابط NTU - ε پیچیده تر است و اغلب نیاز به استفاده از نمودارها یا همبستگی های تجربی دارند.

محصولات مبدل حرارتی ما

ما به عنوان یک تأمین کننده مبدل حرارتی ، طیف گسترده ای از مبدل های حرارتی با کیفیت بالا را ارائه می دهیم. به عنوان مثال ، مامبدل حرارتی صفحه واشر تیتانومبشر این نوع مبدل حرارتی به دلیل راندمان و دوام انتقال حرارت عالی شناخته شده است. واشر تیتانیوم مهر و موم خوبی را فراهم می کند و می تواند در برابر فشارها و دما بالا مقاومت کند.

ما همچنین داریممبدل حرارتی کواکسیال برای پمپ حرارتیبشر مبدلهای حرارتی کواکسیال برای کاربردهای پمپ حرارتی عالی هستند زیرا می توانند انتقال حرارت کارآمد را در یک طراحی جمع و جور فراهم کنند.

و ما را فراموش نکنیدمبدل حرارتی Tantalumبشر Tantalum یک ماده بسیار مقاوم در برابر خوردگی است و این مبدل حرارتی را برای استفاده در محیط های شیمیایی سخت مناسب می کند.

پایان

روش NTU ابزاری قدرتمند برای طراحی مبدل حرارتی است. با دنبال کردن مراحل ذکر شده در بالا ، می توانیم مبدل حرارتی را طراحی کنیم که نیازهای خاص ما را برآورده کند. این که آیا شما در صنعت شیمیایی ، HVAC یا هر زمینه دیگری که نیاز به انتقال حرارت دارد ، هستید ، روش NTU می تواند به شما در انجام کار کمک کند.

اگر به محصولات مبدل حرارتی ما علاقه مند هستید یا با استفاده از روش NTU به اطلاعات بیشتری در مورد طراحی مبدل حرارتی نیاز دارید ، در ارتباط با ما دریغ نکنید. ما در اینجا هستیم تا در نیازهای انتقال حرارت خود به شما کمک کنیم و می توانیم بهترین راه حل ها را برای پروژه های خود در اختیار شما قرار دهیم.

منابع

• Incropera ، FP ، & DeWitt ، DP (2002). اصول گرما و انتقال انبوه. جان ویلی و پسران.
• شاه ، RK ، و Sekulic ، DP (2003). اصول طراحی مبدل حرارتی. جان ویلی و پسران.