Mnoho zákazníkov sa pri výbere doskového výmenníka zameriava predovšetkým na obstarávaciu cenu. Kvalitu a cenu doskového výmenníka tepla však do značnej miery určuje niekoľko kľúčových faktorov, vrátane materiálu dosky, konštrukčného riešenia, plochy prenosu tepla a požadovaného tepelného výkonu.
Tento článok poskytuje praktický prehľad výpočtov veľkosti doskových výmenníkov tepla a predstavuje dve bežne používané metódy návrhu: metódu logaritmického rozdielu strednej teploty (LMTD) a metódu počtu prenosových jednotiek (NTU).
Zatiaľ čo každá aplikácia má jedinečné prevádzkové podmienky, nasledujúce informácie ponúkajú užitočný východiskový bod pre výber správneho doskového výmenníka tepla.
1. Doskový výmenník teplaVýpočty veľkosti
Tepelná prevádzka
Tepelná spotreba sa vzťahuje na množstvo tepla, ktoré musí výmenník tepla odovzdať.
Na základe procesných podmienok, prietoku tekutiny, vstupných a výstupných teplôt a iných prevádzkových parametrov možno vypočítať požadovanú tepelnú spotrebu.
Oblasť prenosu tepla
Teplovýmenná plocha je jedným z najdôležitejších parametrov pri určovaní veľkosti doskového výmenníka tepla.
Vypočítava sa na základe požadovaného tepelného výkonu, prietokov kvapaliny, prevádzkových teplôt a výkonu prenosu tepla.
Počet tanierov
Počet dosiek určuje dostupný povrch na prenos tepla vo výmenníku tepla.
Vo všeobecnosti zvýšenie počtu dosiek poskytuje väčšiu plochu prenosu tepla a zlepšuje tepelný výkon.
Prídavné dosky však tiež zvyšujú náklady na zariadenie a pokles tlaku.
Požadovaný počet dosiek by sa mal určiť podľa oblasti prenosu tepla, rozmerov dosiek a podmienok prúdenia.
Model a špecifikácie
Po určení kľúčových konštrukčných parametrov je možné vybrať vhodný model z dostupného sortimentu.
Pri výbere by sa mali zohľadniť faktory ako:
- Materiál dosky
- Hodnotenie tlaku
- Odolnosť proti korózii
- Prevádzková teplota
- Požiadavky na proces
Pokles tlaku
Pokles tlaku sa vzťahuje na stratu tlaku, ktorú zažíva kvapalina pri prechode cez výmenník tepla.
Závisí to od viacerých faktorov vrátane:
- Prietok
- Počet tanierov
- Rozstup tanierov
- Hrúbka plechu
Pri výbere doskového výmenníka tepla je dôležité overiť, či vypočítaná tlaková strata zostáva v rámci povolených limitov procesného systému.
Zhrnutie
Presný spôsob dimenzovania by mal byť vždy upravený podľa konkrétnych prevádzkových podmienok každej aplikácie.
Okrem tepelných výpočtov by sa mali zvážiť aj požiadavky na inštaláciu, dostupnosť údržby a metódy čistenia, aby sa zabezpečila spoľahlivá dlhodobá-prevádzka.
Medzi rôznymi dostupnými metódami výpočtu jeMetóda logaritmického rozdielu strednej teploty (LMTD).aMetóda počtu prenosových jednotiek (NTU).sú dva najpoužívanejšie prístupy pre návrh doskových výmenníkov tepla.
Obe metódy sú založené na princípoch prenosu tepla a koreláciách poklesu tlaku.
2. Čo je metóda logaritmického rozdielu strednej teploty (LMTD)?
Metóda logaritmického rozdielu strednej teploty (LMTD) je jedným z najčastejšie používaných prístupov na výpočet kapacity prenosu tepla doskového výmenníka tepla.
Jeho základný princíp predpokladá, že k výmene tepla dochádza na základe priemerného teplotného rozdielu medzi horúcou a studenou kvapalinou.
Proces prenosu tepla je rozdelený do série malých častí.
V každej sekcii sú teploty dvoch kvapalín reprezentovanéT₁, T₂, T₃aT₄.
Prenesené teplo v každej sekcii sa vypočíta individuálne a celková rýchlosť prenosu tepla sa získa súčtom výsledkov.
Namiesto použitia skutočného teplotného rozdielu v každej sekcii metóda používalog priemerný teplotný rozdiel.
Rovnica LMTD je:
kde:
- ΔT₁= Teplotný rozdiel na jednom konci výmenníka tepla
- ΔT₂= Teplotný rozdiel na druhom konci
- ΔTlm= Zaznamenať rozdiel strednej teploty
Celková rýchlosť prenosu tepla sa vypočíta takto:
Q=U × A × ∆Tlm
kde:
- Q= Rýchlosť prenosu tepla
- U= Celkový koeficient prestupu tepla
- A= Oblasť efektívneho prenosu tepla
- ΔTlm= Zaznamenať rozdiel strednej teploty
V praktických aplikáciách sa teploty tekutiny priebežne menia pozdĺž dráhy toku.
Preto by sa výpočty mali vykonávať s použitím skutočných prevádzkových podmienok a príslušných hodnôtUaAmali by byť vybrané na získanie presných výsledkov.
3. Metóda NTU pre návrh doskového tepelného výmenníka
TheMetóda počtu prenosových jednotiek (NTU).je ďalší široko používaný prístup na odhadovanie tepelného výkonu doskového výmenníka tepla.
Na rozdiel od metódy LMTD je metóda NTU založená na konceptePočet prenosových jednotiek (NTU), bezrozmerný parameter, ktorý predstavuje schopnosť prenosu tepla výmenníka tepla.
NTU závisí od faktorov, ako je hmotnostný prietok, tepelná kapacita a celkový výkon prenosu tepla.
Krok 1. Stanovte tepelné zaťaženie a vlastnosti kvapaliny
Na základe podmienok procesu vypočítajte:
- Požadovaná tepelná prevádzka
- Hmotnostný prietok
- Špecifická tepelná kapacita každej tekutiny
Krok 2. Stanovte kapacitu prenosu tepla
Schopnosť prenosu tepla výmenníka tepla predstavuje:
- Celkový súčiniteľ prestupu tepla (U)
- Účinná plocha prenosu tepla (A)
Celkový koeficient prenosu tepla popisuje rýchlosť prenosu tepla medzi dvoma kvapalinami na jednotkový teplotný rozdiel.
Krok 3. Vypočítajte hodnotu NTU
NTU sa vypočíta pomocou:
kde:
- Cminje menšia rýchlosť tepelnej kapacity týchto dvoch tekutín.
Krok 4. Výpočet účinnosti výmenníka tepla
Účinnosť výmenníka tepla možno odhadnúť pomocou:
ε=1 - exp(-NTU × (1 - Cr))
kde:
- ε= Účinnosť výmenníka tepla
- Cr= Pomer tepelnej kapacity, definovaný ako pomer nižšej tepelnej kapacity k vyššej tepelnej kapacite.
Krok 5. Vypočítajte rýchlosť prenosu tepla
Rýchlosť prenosu tepla sa potom vypočíta takto:
Q=ε × Cmin × (T1 - T2)
kde:
- Q= Rýchlosť prenosu tepla
- T₁ – T₂= Teplotný rozdiel medzi vstupnými prúdmi dvoch kvapalín.
Poznámky
Metóda NTU vyžaduje väčší počet vstupných parametrov ako metóda LMTD a výpočty sú vo všeobecnosti zložitejšie.
Z tohto dôvodu sú presné prevádzkové údaje nevyhnutné na zabezpečenie spoľahlivých výsledkov výpočtov.
Pri správnom použití poskytuje metóda NTU efektívny spôsob hodnotenia tepelného výkonu doskových výmenníkov tepla, najmä ak nie sú výstupné teploty v štádiu návrhu známe.
