วิธีคำนวณพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ

ความสำคัญของพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน

การคำนวณพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนที่ถูกต้องเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีขนาดเล็กเกินไปจะไม่สามารถทำงานได้ตามภาระความร้อนที่ต้องการ ในขณะที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีขนาดใหญ่เกินไปจะสิ้นเปลืองเงินทุนและอาจทำให้ความเร็วของของไหลในท่อต่ำเกินไป ซึ่งนำไปสู่การอุดตัน คู่มือนี้จะแนะนำวิธีการคำนวณที่สมบูรณ์พร้อมตัวอย่างการคำนวณ

1. สมการพื้นฐาน

การกำหนดขนาดเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดเริ่มต้นที่นี่:

Q = U × A × LMTD

• Q = ภาระความร้อนหรือหน้าที่ (W หรือ BTU/hr)
• U = สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม (W/m²·K)
• A = พื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน (m² หรือ ft²)
• LMTD = ผลต่างอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม (°C หรือ °F)

จัดรูปสมการใหม่เพื่อหาพื้นที่:

A = Q / (U × LMTD)

2. ขั้นตอนที่ 1: กำหนดภาระความร้อน (Q)

คำนวณ Q จากสมดุลพลังงานของของไหลในกระบวนการ:

Q = ṁ × c_p × ΔT

โดยที่ ṁ คืออัตราการไหลเชิงมวล (kg/s), c_p คือความร้อนจำเพาะ (J/kg·K), และ ΔT คือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของของไหล

ตัวอย่าง: การทำความเย็นน้ำในกระบวนการ 10 kg/s จาก 80°C ถึง 40°C (c_p ≈ 4,180 J/kg·K):

Q = 10 × 4,180 × (80 - 40) = 1,672 kW

3. ขั้นตอนที่ 2: คำนวณ LMTD

ผลต่างอุณหภูมิเฉลี่ยลอการิทึม (LMTD) คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตลอดความยาวของเครื่องแลกเปลี่ยน สำหรับการจัดเรียงแบบไหลสวนทาง:

LMTD = (ΔT₁ - ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)

โดยที่ ΔT₁ และ ΔT₂ คือผลต่างอุณหภูมิที่ปลายแต่ละด้านของเครื่องแลกเปลี่ยน:

LMTD = (85 - 60) / ln(85/60) = 25 / 0.3483 = 71.8°C

สำหรับการจัดเรียงแบบหลายรอบหรือแบบไหลตัด ให้คูณด้วยตัวประกอบการแก้ไข F (0.8–1.0) ตามมาตรฐาน TEMA

4. ขั้นตอนที่ 3: เลือกค่า U

สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม U แสดงถึงความต้านทานความร้อนรวมของการนำผนังท่อ การอุดตันทั้งสองด้าน และสัมประสิทธิ์ฟิล์มการพาความร้อน ช่วงทั่วไป:

สำหรับตัวอย่างของเรา เลือก U = 1,200 W/m²·K สำหรับบริการน้ำต่อ-น้ำ

5. ขั้นตอนที่ 4: คำนวณพื้นที่ที่ต้องการ

แทนค่าลงในสมการที่จัดรูปใหม่:

A = Q / (U × LMTD) = 1,672,000 / (1,200 × 71.8) = 19.4 m²

เพิ่มส่วนเผื่อการออกแบบ 10–15% สำหรับการอุดตันและความผันแปรในการดำเนินงาน:

A_design = 19.4 × 1.15 = 22.3 m²

6. ขั้นตอนที่ 5: แปลงเป็นรูปทรงเรขาคณิตของท่อ

พื้นที่ที่ต้องการจะถูกจัดหาโดยชุดท่อ:

A = n × π × d_o × L

โดยที่ n คือจำนวนท่อ, d_o คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ, และ L คือความยาวประสิทธิผลของท่อ

การกำหนดขนาดชุดท่อ

ใช้ท่อขนาด 19.05 มม. OD ที่มีความยาวประสิทธิผล 3,000 มม.:

พื้นที่ต่อท่อ = π × 0.01905 × 3.0 = 0.1795 m²
จำนวนท่อที่ต้องการ = 22.3 / 0.1795 = 125 ท่อ

7. ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ

รายการตรวจสอบสรุป

1. คำนวณ Q จากอัตราการไหลเชิงมวล ความร้อนจำเพาะ และ ΔT
2. กำหนด LMTD จากอุณหภูมิปลายทั้งสี่ (ใช้ตัวประกอบ F สำหรับการจัดเรียงที่ซับซ้อน)
3. เลือกค่า U จากตารางอ้างอิงหรือการคำนวณความต้านทานโดยละเอียด
4. คำนวณ A = Q / (U × LMTD) และเพิ่มส่วนเผื่อการออกแบบ 10–15%
5. แปลงเป็นจำนวนท่อ: n = A / (π × d_o × L)

ต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อที่ออกแบบตามข้อกำหนดกระบวนการของคุณหรือไม่? ติดต่อ Yuhong Group เพื่อรับการสนับสนุนด้านวิศวกรรมและใบเสนอราคาที่แข่งขันได้ เราจัดหาเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครบวงจร ชุดท่อ แผ่นท่อ แผ่นกั้น และหัวขึ้นรูป พร้อมการรับรอง ASME เต็มรูปแบบ