محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی پوسته و لوله
ظرفیت مبدل حرارتی به میزان توانایی مبدل در انتقال حرارت اشاره دارد
و با استفاده از معادلات انتقال حرارت و پارامترهای طراحی مبدل تعیین
می‌شود. چندین عامل در محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی نقش دارند که
در ادامه به آن‌ها پرداخته می‌شود.
انتقال حرارت کل:
معادله اصلی انتقال حرارت در مبدل حرارتی پوسته و لوله بر اساس قانون
اول ترمودینامیک به صورت زیر بیان می‌شود:
\[ Q = U \cd o t A \cd o t \Delta Tm \]
در این معادله:
– \( Q \) ظرفیت حرارتی یا میزان انتقال حرارت (W) است.
– \( U \) ضریب کلی انتقال حرارت (W/m²·K) است که بستگی به ویژگی
های سیال‌ها، جنس لوله‌ها و شرایط جریان دارد.
– \( A \) سطح انتقال حرارت (m²) است که به طول لوله‌ها و تعداد آن‌ها
وابسته است.
– \( \Delta T m \) اختلاف دمای میانگین مؤثر بین دو سیال است که به
روش جریان سیال‌ها (همسو یا غیرهمسو) بستگی دارد.
ضریب کلی انتقال حرارت:
ضریب کلی انتقال حرارت (\( U \)) پارامتری است که تاثیرات انتقال حرارت
از سیال داخل لوله به دیواره لوله و از دیواره لوله به سیال خارجی را در نظر
می‌گیرد. برای محاسبه \( U \)، نیاز به دانستن ضرایب انتقال حرارت برای
سیال داخل لوله (\( h i \))، سیال در سمت پوسته (\( h o \)) و مقاومت
حرارتی دیواره لوله (\( R w \)) است.
فرمول ضریب کلی انتقال حرارت به صورت زیر است:
\[ \frac{1}{U} = \frac{1}{h i} + \frac{R w}{d i} + \frac{1}{h o} \]
در این معادله:
– \( h i \) ضریب انتقال حرارت سمت داخلی لوله (W/m²·K) است.
– \( h o \) ضریب انتقال حرارت سمت پوسته (W/m²·K) است.
– \( R w \) مقاومت حرارتی دیواره لوله و \( d i \) قطر داخلی لوله است.
اختلاف دمای میانگین لگاریتمی: (LMTD)
یکی از مهم‌ترین پارامترها در محاسبه ظرفیت مبدل، اختلاف دمای میانگین
لگاریتمی (\( \Delta T m \)) است. این پارامتر تفاوت دمای میانگین دو
سیال را در دو انتهای مبدل در نظر می‌گیرد. برای مبدل‌های با جریان همسو
یا غیرهمسو، فرمول \( \Delta Tm \) به شکل زیر است:
\[
\Delta Tm = \frac{\Delta T
_1 – \Delta T_2}{\ln\left(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2}\right)}
\]
در این معادله:
– \( \Delta T_1 \) اختلاف دمای ورودی دو سیال است.
– \( \Delta T_2 \) اختلاف دمای خروجی دو سیال است.
مساحت سطح انتقال حرارت:
مساحت سطح انتقال حرارت (\( A \)) به تعداد و طول لوله‌ها در مبدل بستگی
دارد. برای محاسبه مساحت سطح لوله‌ها، از فرمول زیر استفاده می‌شود:
\[
A = \pi \cd o t d o \cd o t L \cd o t N
\]
در این معادله:
– \( d o \) قطر خارجی لوله است.
– \( L \) طول لوله است.
– \( N \) تعداد لوله‌هاست.
دبی و خواص فیزیکی سیالات:
ظرفیت حرارتی مبدل همچنین به دبی جرمی و خواص فیزیکی سیالات مانند
گرمای ویژه، چگالی و ویسکوزیته بستگی دارد. دبی سیال‌ها تعیین می‌کند
که چه مقدار انرژی می‌تواند از یک سیال به سیال دیگر منتقل شود. برای
محاسبه دقیق ظرفیت، باید اطلاعات دقیق در مورد دبی سیال‌ها، دمای
ورودی و خروجی، و فشارها در دسترس باشد.
جمع‌بندی:
برای محاسبه ظرفیت مبدل حرارتی پوسته و لوله، نیاز به اطلاعات دقیق از
شرایط جریان، خواص فیزیکی سیالات، طراحی هندسی مبدل و شرایط
دمایی ورودی و خروجی سیالات است. با استفاده از معادلات انتقال حرارت،
مانند معادله کلی انتقال حرارت و اختلاف دمای میانگین لگاریتمی. می‌توان
میزان انتقال حرارت را به دقت محاسبه کرد.
