ความเร็วของของไหลส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่ออย่างไร

ในขอบเขตของการถ่ายเทความร้อนทางอุตสาหกรรม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อมีบทบาทสำคัญในการถ่ายเทความร้อนทางอุตสาหกรรม อุปกรณ์เหล่านี้นำไปใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่กระบวนการทางเคมีไปจนถึงการผลิตไฟฟ้า ไปจนถึงการถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวสองชนิดอย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อคือความเร็วของของไหล ในบล็อกโพสต์นี้ ในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อปรุงรส ผมจะเจาะลึกว่าความเร็วของของไหลส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่ออย่างไร และสำรวจผลกระทบของความสัมพันธ์นี้

พื้นฐานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ

ก่อนที่เราจะเจาะลึกถึงอิทธิพลของความเร็วของของไหลต่อการถ่ายเทความร้อน จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจหลักการทำงานพื้นฐานของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อประกอบด้วยท่อหลายท่อที่อยู่ภายในเปลือก ของไหลชนิดหนึ่งไหลผ่านท่อ (ของไหลด้านท่อ) ในขณะที่ของเหลวอีกชนิดหนึ่งไหลผ่านเปลือกรอบท่อ (ของไหลด้านเปลือก) ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากของไหลร้อนไปยังของไหลเย็นผ่านผนังท่อ

อัตราการถ่ายเทความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่ออยู่ภายใต้กฎการทำความเย็นของนิวตัน ซึ่งสามารถแสดงเป็น $Q = U×A×\Delta T_{lm}$ โดยที่ $Q$ คืออัตราการถ่ายเทความร้อน $U$ คือสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม $A$ คือพื้นที่การถ่ายเทความร้อน และ $\Delta T_{lm}$ คือบันทึก - ความแตกต่างของอุณหภูมิเฉลี่ยระหว่างของไหลร้อนและเย็น

ผลกระทบของความเร็วของของไหลต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน

ท่อ - ความเร็วของของไหลด้านข้าง

ความเร็วของของไหลด้านท่อมีผลกระทบอย่างมากต่อค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่ด้านท่อ ($h_t$) เมื่อความเร็วของของไหลด้านท่อเพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น นี่เป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงในระบบการไหลและความหนาของชั้นขอบเขต

ที่ความเร็วต่ำ การไหลจะเป็นแบบราบเรียบ ในการไหลแบบราบเรียบ ของไหลจะเคลื่อนที่ในชั้นขนาน และการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นโดยการนำภายในชั้นของไหลเป็นหลัก ชั้นขอบเขตซึ่งเป็นชั้นบางๆ ของของไหลที่อยู่ติดกับผนังท่อที่มีของไหลความเร็วต่ำ มีความหนาค่อนข้างมากในการไหลแบบราบเรียบ ชั้นขอบเขตหนานี้ทำหน้าที่เป็นความต้านทานความร้อน ขัดขวางการถ่ายเทความร้อน

เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น การไหลจะเปลี่ยนจากแบบราบเรียบเป็นแบบปั่นป่วน การไหลแบบปั่นป่วนนั้นมีลักษณะเฉพาะคือการเคลื่อนที่ของของไหลที่วุ่นวายซึ่งขัดขวางชั้นขอบเขต ชั้นขอบเขตที่บางกว่าในการไหลเชี่ยวจะช่วยลดความต้านทานความร้อน ทำให้สามารถถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนในการไหลแบบปั่นป่วนอาจสูงกว่าการไหลแบบราบเรียบหลายเท่า

ในทางคณิตศาสตร์ สมการ Dittus - Boelter สามารถใช้ในการประมาณค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบท่อ - ด้านข้างสำหรับการไหลแบบปั่นป่วนของของไหลที่มีเลข Prandtl ปานกลาง: $Nu = 0.023Re^{0.8}Pr^{n}$ โดยที่ $Nu$ คือเลข Nusselt, $Re$ คือเลข Reynolds (หน่วยวัดของรูปแบบการไหล, $Re=\frac{\rho vd}{\mu}$ พร้อมด้วย $\rho$ คือความหนาแน่นของของไหล $v$ ความเร็วของของไหล $d$ เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ และ $\mu$ ความหนืดของของไหล) และ $Pr$ คือตัวเลขปรานด์เทิล เลขชี้กำลัง $n$ คือ 0.4 สำหรับการให้ความร้อน และ 0.3 สำหรับการทำให้เย็นลง จากสมการนี้ เห็นได้ชัดว่าเลขนัสเซลต์และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน มีความสัมพันธ์โดยตรงกับเลขเรย์โนลด์ส ซึ่งเป็นสัดส่วนกับความเร็วของของไหล

เชลล์ - ความเร็วของของไหลด้านข้าง

ที่ด้านเปลือก การเพิ่มความเร็วของของไหลยังช่วยเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ($h_s$) อย่างไรก็ตาม รูปแบบการไหลที่ด้านเปลือกมีความซับซ้อนมากกว่าเมื่อเทียบกับด้านท่อ ของไหลด้านเปลือกจะไหลไปรอบๆ ท่อ ทำให้เกิดการไหลข้ามและไหลขนานกัน

ความเร็วของเปลือก - ด้านข้างที่สูงขึ้นส่งเสริมการผสมของของไหลที่รุนแรงยิ่งขึ้นและทำลายชั้นขอบเขตบนพื้นผิวด้านนอกของท่อ เช่นเดียวกับผลข้างเคียงของหลอด ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานความร้อนและเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อน อย่างไรก็ตาม การออกแบบด้านเปลือก เช่น โครงร่างท่อ (เช่น ระยะพิทช์สามเหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยม) และการมีอยู่ของแผ่นกั้น อาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อวิธีที่ความเร็วของของไหลด้านเปลือกมีอิทธิพลต่อการถ่ายเทความร้อน แผ่นกั้นใช้เพื่อควบคุมของเหลวด้านเปลือกให้ทั่วท่อ ช่วยเพิ่มความเร็วของของไหลและระดับความปั่นป่วน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อน

การพิจารณาความดันตกและความเร็ว

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วการเพิ่มความเร็วของของไหลจะช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อน แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน นั่นคือ แรงดันตกที่เพิ่มขึ้น แรงดันตกคร่อมในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อเป็นการวัดพลังงานที่ต้องใช้ในการดันของไหลผ่านระบบ

ทั้งในด้านท่อและด้านเปลือก แรงดันตกคร่อมจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความเร็วของของไหล (ในการไหลเชี่ยว) เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น แรงเสียดทานระหว่างของไหลกับผนังท่อ (ด้านท่อ) หรือท่อและเปลือก (ด้านเปลือก) จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงดันตกคร่อมสูงขึ้น

แรงดันตกมากเกินไปอาจทำให้เกิดปัญหาหลายประการ ต้องใช้ปั๊มหรือคอมเพรสเซอร์ที่ทรงพลังมากขึ้นเพื่อรักษาอัตราการไหลที่ต้องการ ซึ่งจะเพิ่มการใช้พลังงานและต้นทุนการดำเนินงาน นอกจากนี้ แรงดันตกที่สูงอาจทำให้เกิดความเครียดทางกลกับส่วนประกอบตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

ดังนั้น เมื่อออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องค้นหาความเร็วของของไหลที่เหมาะสมที่สุดเพื่อเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนให้สูงสุด ในขณะเดียวกันก็รักษาแรงดันตกให้อยู่ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ ซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับความสมดุลอย่างระมัดระวังระหว่างปัจจัยทั้งสอง โดยคำนึงถึงข้อกำหนดเฉพาะของการสมัคร

การใช้งานและข้อเสนอผลิตภัณฑ์ของเรา

บริษัทของเราในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อที่เชื่อถือได้ นำเสนอเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลากหลายประเภทเพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมที่แตกต่างกัน สำหรับการใช้งานที่ต้องการความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและการกัดกร่อนสูง เราขอแนะนำของเราเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบเปลือกและท่อซิลิคอนคาร์ไบด์- ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุที่ขึ้นชื่อเรื่องการนำความร้อนและความคงตัวทางเคมีได้ดีเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรง

ที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อคู่เป็นการออกแบบที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ ซึ่งมักใช้ในการใช้งานขนาดเล็กหรือสำหรับกระบวนการทำความร้อนและความเย็นเบื้องต้น ประกอบด้วยท่อที่มีศูนย์กลางสองท่อ โดยมีของไหลชิ้นหนึ่งไหลผ่านท่อด้านในและอีกท่อหนึ่งไหลผ่านวงแหวนระหว่างท่อทั้งสอง

สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนจากก๊าซเป็นของเหลวเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจากแก๊สเป็นของเหลวและท่อเป็นตัวเลือกในอุดมคติ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนประเภทนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อถ่ายเทความร้อนระหว่างก๊าซและของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมคุณสมบัติที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับคุณสมบัติเฉพาะของการถ่ายเทความร้อนระหว่างก๊าซและของเหลว

บทสรุป

ความเร็วของของไหลในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อมีผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการถ่ายเทความร้อน การเพิ่มความเร็วของของไหลจะทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้อัตราการถ่ายเทความร้อนสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงนี้มาพร้อมกับต้นทุนของแรงดันตกคร่อมที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวัง

ในฐานะซัพพลายเออร์เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อ เราเข้าใจถึงความสำคัญของการค้นหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและแรงดันตกคร่อม เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่หลากหลายของเราได้รับการออกแบบมาเพื่อให้โซลูชันการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ หากคุณต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อหรือมีคำถามใดๆ เกี่ยวกับการเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน เราขอแนะนำให้คุณติดต่อเราเพื่อขอหารือโดยละเอียดและสำรวจว่าผลิตภัณฑ์ของเราสามารถตอบสนองความต้องการเฉพาะของคุณได้อย่างไร

อ้างอิง

1. Incropera, FP, DeWitt, DP, เบิร์กแมน, TL, & Lavine, AS (2007) พื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวล จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์
2. เคิร์น, ดีคิว (1950) กระบวนการถ่ายเทความร้อน แมคกรอว์ - ฮิลล์
3. ชาห์ อาร์เค และเซคูลิค DP (2003) พื้นฐานของการออกแบบเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์