จะคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อได้อย่างไร?

ในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ การทำความเข้าใจวิธีคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมถือเป็นสิ่งสำคัญ ค่าสัมประสิทธิ์นี้เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการออกแบบ การวิเคราะห์ และการประเมินประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ ในบล็อกนี้ ผมจะเจาะลึกรายละเอียดของการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม พร้อมให้คำแนะนำที่ครอบคลุมซึ่งผสมผสานความรู้ทางทฤษฎีเข้ากับข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ

1. ทำความเข้าใจพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ

ก่อนที่เราจะเริ่มคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม จำเป็นต้องเข้าใจหลักการพื้นฐานของการถ่ายเทความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อประกอบด้วยมัดท่อที่หุ้มอยู่ในเปลือก ของไหลชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อ (ของไหลด้านท่อ) ในขณะที่อีกของเหลวหนึ่งไหลออกนอกท่อในเปลือก (ของไหลด้านเปลือก) ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากของไหลร้อนไปยังของไหลเย็นผ่านผนังท่อ

กระบวนการถ่ายเทความร้อนเกี่ยวข้องกับความต้านทานหลักสามประการ: ความต้านทานของไหลด้านท่อ - ความต้านทานของผนังท่อ และความต้านทานของของเหลวด้านเปลือก ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (U) มีความสัมพันธ์กับความต้านทานเหล่านี้ และกำหนดโดยสมการต่อไปนี้ตามกฎการนำความร้อนของฟูริเยร์และกฎการทำความเย็นของนิวตัน:

$$Q = UA \เดลต้า T_{lm}$$

โดยที่ $Q$ คืออัตราการถ่ายเทความร้อน $A$ คือพื้นที่การถ่ายเทความร้อน และ $\Delta T_{lm}$ คือบันทึก - ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ย

2. การคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนส่วนบุคคล

ท่อ - สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านข้าง ($h_i$)

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนระหว่างท่อและด้านข้างสามารถคำนวณได้โดยใช้ความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ หนึ่งในความสัมพันธ์ที่ใช้กันมากที่สุดคือสมการ Dittus - Boelter สำหรับการไหลเชี่ยว ($Re>10,000$) ในท่อเรียบ:

$$Nu = 0.023 เรื่อง^{0.8} Pr^n$$

โดยที่ $Nu=\frac{h_i D_i}{k}$, $Re=\frac{\rho v D_i}{\mu}$, $Pr=\frac{C_p \mu}{k}$, $D_i$ คือเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ, $\rho$ คือความหนาแน่นของของไหล, $v$ คือความเร็วเฉลี่ยของของไหล, $\mu$ คือความหนืดไดนามิกของของไหล $C_p$ คือความจุความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ และ $k$ คือค่าการนำความร้อนของของไหล เลขชี้กำลัง $n$ คือ 0.4 สำหรับการให้ความร้อน และ 0.3 สำหรับการทำให้เย็นลง

สำหรับการไหลแบบราบเรียบ ($Re < 2300$) สามารถใช้สมการ Sieder - Tate ได้:

$$Nu = 1.86\left(\frac{Re Pr D_i}{L}\right)^{\frac{1}{3}}\left(\frac{\mu}{\mu_w}\right)^{0.14}$$

โดยที่ $L$ คือความยาวของท่อ และ $\mu_w$ คือความหนืดของของไหลที่อุณหภูมิผนัง

สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนด้านเชลล์ ($h_o$)

การคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนระหว่างเปลือกและด้านมีความซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากรูปแบบการไหลที่ซับซ้อนของของไหลระหว่างเปลือกและด้าน แนวทางหนึ่งคือใช้วิธี Kern วิธี Kern ให้ค่าประมาณของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนระหว่างเปลือกและด้านข้าง โดยอ้างอิงจากเส้นผ่านศูนย์กลางที่เท่ากัน ($D_e$) ของทางไหลระหว่างเปลือกและด้านข้าง:

$$Nu = 0.36 เรื่อง^{0.55} Pr^{\frac{1}{3}}\left(\frac{\mu}{\mu_w}\right)^{0.14}$$

โดยที่ $Re=\frac{\rho v_s D_e}{\mu}$ และ $v_s$ คือความเร็วของไหลด้านเปลือก เส้นผ่านศูนย์กลางที่เท่ากัน $D_e$ ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงท่อ (เช่น ระยะพิทช์สามเหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยม)

3. การพิจารณาความต้านทานของผนังท่อ

ความต้านทานของผนังท่อต่อการถ่ายเทความร้อนได้มาจาก:

$$R_{wall}=\frac{\ln\left(\frac{D_o}{D_i}\right)}{2\pi k_{wall}L}$$

โดยที่ $D_o$ คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ $D_i$ คือเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อ $k_{wall}$ คือค่าการนำความร้อนของวัสดุท่อ และ $L$ คือความยาวของท่อ

4. การคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมตามพื้นที่ผิวด้านนอกของท่อ ($U_o$) สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการต่อไปนี้ ซึ่งคำนึงถึงความต้านทานแต่ละตัว:

$$\frac{1}{U_o}=\frac{D_o}{h_i D_i}+\frac{D_o \ln\left(\frac{D_o}{D_i}\right)}{2k_{wall}}+\frac{1}{h_o}+R_{f,i}\frac{D_o}{D_i}+R_{f,o}$$

โดยที่ $R_{f,i}$ และ $R_{f,o}$ คือความต้านทานการเปรอะเปื้อนบนท่อ - ด้านข้างและด้านเปลือก - ตามลำดับ การเปรอะเปื้อนคือการสะสมของวัสดุที่ไม่ต้องการบนพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อน

5. ข้อควรพิจารณาและตัวอย่างในทางปฏิบัติ

ในการใช้งานจริง การคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมต้องใช้ข้อมูลที่แม่นยำเกี่ยวกับคุณสมบัติของของไหล อัตราการไหล ขนาดท่อ และปัจจัยการเปรอะเปื้อน ลองพิจารณาตัวอย่าง:

สมมติว่าเรามีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อแนวนอนด้วยพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

• เส้นผ่านศูนย์กลางภายในท่อ $D_i = 0.02$ ม
• เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ $D_o = 0.025$ ม
• ความยาวท่อ $L = 3$ ม
• วัสดุท่อ: สแตนเลส $k_{wall}=16$ W/(m·K)
• ท่อ - ของเหลวด้านข้าง: น้ำที่มี $h_i = 2000$ W/(m²·K)
• น้ำมันเชลล์ - ด้าน: น้ำมันที่มี $h_o = 500$ W/(m²·K)
• ความต้านทานการเปรอะเปื้อนบนท่อ - ด้าน $R_{f,i}=0.0002$ m²·K/W
• ความต้านทานการเปรอะเปื้อนบนเปลือก - ด้าน $R_{f,o}=0.0005$ m²·K/W

เราสามารถคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมโดยพิจารณาจากพื้นที่ผิวด้านนอก:

$$\frac{1}{U_o}=\frac{0.025}{2000\times0.02}+\frac{0.025\ln\left(\frac{0.025}{ 0.02}\right)}{2\times16}+\frac{1}{500}+0.0002\times\frac{0.025}{0.02}+0.0005$$

$$\frac{1}{U_o}=0.000625 + 0.000044+0.002 + 0.00025+0.0005$$

$$\frac{1}{U_o}=0.003419$$

$$U_o\ประมาณ292.5\ W/(ตรม.·K)$$

6. ความสำคัญของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมเป็นตัวแปรสำคัญในการออกแบบและการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมที่สูงขึ้นหมายถึงการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งอาจส่งผลให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนมีขนาดเล็กลง การใช้พลังงานลดลง และต้นทุนการดำเนินงานลดลง

สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อประเภทต่างๆ เช่นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อแบบ Single Passและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อไทเทเนียมการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน คุณสมบัติของวัสดุ การกำหนดค่าการไหล และสภาวะการทำงานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเหล่านี้จะส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแต่ละรายการ และท้ายที่สุดคือค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม

7. ติดต่อเพื่อหารือและจัดซื้อจัดจ้างเพิ่มเติม

หากคุณสนใจเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อหรือต้องการข้อมูลเพิ่มเติมในการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมสำหรับการใช้งานเฉพาะของคุณ เราพร้อมให้ความช่วยเหลือ ทีมผู้เชี่ยวชาญของเรามีประสบการณ์กว้างขวางในการออกแบบและการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ เราสามารถจัดหาโซลูชันที่ปรับแต่งตามความต้องการของคุณได้

ไม่ว่าคุณจะต้องการตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อมาตรฐานหรือตัวพิเศษเช่นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อไทเทเนียม เราสามารถนำเสนอผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงพร้อมประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมได้ ติดต่อเราเพื่อเริ่มการสนทนาเกี่ยวกับความต้องการในการถ่ายเทความร้อน และสำรวจความเป็นไปได้ในการจัดซื้อ

อ้างอิง

• Incropera, FP, DeWitt, DP, เบิร์กแมน, TL, & Lavine, AS (2007) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวล จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์
• เคิร์น, ดีคิว (1950) กระบวนการถ่ายเทความร้อน แมคกรอว์ - ฮิลล์