Il calcolo della corretta area di trasferimento di calore è il passo più critico nella progettazione degli scambiatori di calore a guscio e a tubo.mentre un'unità di grandi dimensioni spreca capitale e può causare una bassa velocità sul lato del tubo che porta a inquinamentoQuesta guida illustra la metodologia di calcolo completa con un esempio pratico.
Tutte le misure degli scambiatori di calore iniziano qui:
Q = U × A × LMTD
Riordinamento per risolvere per area:
A = Q / (U × LMTD)
Calcolare Q dal bilancio energetico del fluido di processo:
Q = ṁ × cp× ΔT
Dove?ṁè il flusso di massa (kg/s),cpè il calore specifico (J/kg·K), eΔTè la variazione della temperatura del fluido.
Esempio:raffreddamento dell'acqua di processo a 10 kg/s da 80°C a 40°Cp≈ 4,180 J/kg·K):
Q = 10 × 4,180 × (80 - 40) =1,672 kW
La differenza di temperatura media di log rappresenta la variazione di temperatura lungo la lunghezza dello scambiatore.
LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
dove ΔT1 e ΔT2 sono le differenze di temperatura a ciascuna estremità dello scambiatore:
| Finale | Il lato caldo | Il lato freddo | ΔT |
|---|---|---|---|
| Innesco (ΔT1) | 120°C (a caldo) | 35°C (frigido all'esterno) | 85°C |
| Sfoglio (ΔT2) | 80°C (a caldo) | 20°C (in freddo) | 60°C |
LMTD = (85 - 60) / ln ((85/60) = 25 / 0,3483 =710,8°C
Per le configurazioni multipass o cross-flow, moltiplicare per il fattore di correzione F (0,8 ∼1,0) per le norme TEMA.
Il coefficiente complessivo di trasferimento di calore U rappresenta la resistenza termica combinata della conduzione delle pareti del tubo, della contaminazione su entrambi i lati e dei coefficienti di pellicola convettiva.
| Servizio | Coppia di fluidi | U (W/m2·K) |
|---|---|---|
| Acqua / acqua | Acqua di processo / acqua di raffreddamento | 800 ¢1,500 |
| Olio / Acqua | Olio leggero / acqua di raffreddamento | 300 ¢ 500 |
| Gas / acqua | Gas di scarico / acqua di alimentazione della caldaia | 30 ¢ 60 |
| Vapore / Acqua | Vapore di condensazione / acqua di raffreddamento | 1500 ¢4,000 |
| Prodotti chimici / Acqua | Solvente organico / acqua di raffreddamento | 250 ¢ 600 |
Per il nostro esempio, selezionando U = 1.200 W/m2·K per il servizio acqua-acqua.
Inserire i valori nell'equazione riorganizzata:
A = Q / (U × LMTD) = 1,672,000 / (1,200 × 71,8) =19.4 m2
Aggiungere il margine di progettazione del 1015% per l'inquinamento e la variabilità operativa:
Aprogettazione= 19,4 × 1,15 =22.3 m2
L'area richiesta è fornita fisicamente dal fascio del tubo:
A = n × π × do× L
Dove?nè il numero di tubi,doè il diametro esterno del tubo, eLè la lunghezza effettiva del tubo.
Utilizzando tubi OD da 19,05 mm con una lunghezza effettiva di 3000 mm:
Area per tubo = π × 0,01905 × 3,0 =0.1795 m2
Tubi necessari = 22,3 / 0,1795 =125 tubi
| Fattore | Impatto | Indirizzo |
|---|---|---|
| Inquinamento | Riduce U nel tempo | Includere le resistenze all'inquinamento TEMA; aggiungere un margine di sicurezza del 1025% |
| Disposizione dei flussi | Controflusso massimizza LMTD | Utilizzare contro-flusso quando possibile; applicare il fattore F per i passaggi multipli |
| Disposizione del tubo | Colpisce il flusso laterale e l' U | Per il servizio di inquinamento, il passo triangolare per il servizio monofase; il quadrato ruotato |
| Distanza di deflezione | Controlla la velocità sul lato della conchiglia | Taglio: 25%; spaziatura: 0,2 × 1,0 × ID della conchiglia |
| Limiti di velocità | Troppo basso → inquinamento; troppo alto → erosione | Liquido: 1 ̊3 m/s; Gas: 15 ̊30 m/s |
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