Le calcul de la zone de transfert de chaleur correcte est l'étape la plus critique dans la conception d'échangeurs de chaleur en coque et en tube.tandis qu'une unité surdimensionnée gaspille du capital et peut entraîner une faible vitesse du côté du tube entraînant une pollutionCe guide présente la méthodologie complète de calcul avec un exemple pratique.
Toutes les dimensions des échangeurs de chaleur commencent ici:
Q = U × A × LMTD
Réarrangement pour résoudre la surface:
A = Q / (U × LMTD)
Calculer Q à partir du bilan énergétique du fluide de procédé:
Q = ṁ × cp× ΔT
Où?ṁest le débit de masse (kg/s),cpest la chaleur spécifique (J/kg·K), etΔTest le changement de température du fluide.
Exemple:Refroidissement de 10 kg/s d'eau de procédé de 80°C à 40°C (cp≈ 4,180 J/kg·K):
Q = 10 × 4 180 × (80 - 40) =1,672 kW
La différence de température moyenne de log représente la variation de température le long de la longueur de l'échangeur.
LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
où ΔT1 et ΔT2 sont les différences de température à chaque extrémité de l'échangeur:
| Finition | Le côté chaud | Le côté froid | ΔT |
|---|---|---|---|
| L'entrée (ΔT1) | 120°C (chaud à l'intérieur) | 35°C (froid à l'extérieur) | 85°C |
| Détecteur de décharge (ΔT2) | 80°C (à chaud à l'extérieur) | 20°C (froid à l'intérieur) | 60°C |
LMTD = (85 - 60) / ln ((85/60) = 25 / 0,3483 =710,8°C
Pour les configurations à plusieurs passages ou à débit croisé, multiplier par le facteur de correction F (0,8·1,0) selon les normes TEMA.
Le coefficient global de transfert de chaleur U représente la résistance thermique combinée de la conduction des parois des tubes, de l'encrassement des deux côtés et des coefficients de film convectif.
| Le service | Paire de fluides | U (W/m2·K) |
|---|---|---|
| L'eau / l'eau | Eau de traitement / eau de refroidissement | 800 ¢1,500 |
| Huile / eau | Huile légère / eau de refroidissement | 300 ¢ 500 |
| Gaz / eau | Gaz de combustion / eau d'alimentation de la chaudière | 30 ¢ 60 |
| Vapeur / eau | Vapeur de condensation / eau de refroidissement | 1500 ¢4,000 |
| Produits chimiques / Eau | Solvant organique / eau de refroidissement | 250 ¢ 600 |
Pour notre exemple, en sélectionnant U = 1200 W/m2·K pour le service eau-eau.
Insérer les valeurs dans l'équation réarrangée:
A = Q / (U × LMTD) = 1,672,000 / (1,200 × 71,8) =19.4 m2
Ajouter une marge de conception de 10 à 15% pour l'encrassement et la variabilité opérationnelle:
Uneconception= 19,4 × 1,15 =22.3 m2
La surface requise est fournie physiquement par le faisceau de tubes:
A = n × π × do× L
Où?nest le nombre de tubes,doest le diamètre extérieur du tube, etLest la longueur effective du tube.
En utilisant des tubes OD de 19,05 mm d'une longueur effective de 3 000 mm:
Surface par tube = π × 0,01905 × 3,0 =0.1795 m2
Les tubes nécessaires = 22,3 / 0,1795 =125 tubes
| Facteur | Les effets | Les États membres |
|---|---|---|
| Le dépôt de déchets | Réduit le U au fil du temps | Inclure des résistances à l'encrassement TEMA; ajouter une marge de sécurité de 10 à 25% |
| Arrangement des flux | Le contre-écoulement maximise le LMTD | Utiliser le contre-écoulement lorsque cela est possible; appliquer le facteur F pour les passages multiples |
| Mise en page des tubes | Affecte le débit du côté de la coquille et U | L'écartement triangulaire pour le service monophasique; le carré tourné pour le service de déforestation |
| Distance de décalage | Contrôle de la vitesse du côté de la coquille | Coupe: 25%; espacement: 0,2 ‰ 1,0 × ID de la coquille |
| Limites de vitesse | Trop faible → pollution; trop élevé → érosion | Pour les gaz, la vitesse de sortie est de 1 m/s. |
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