Koncentrický trubkový výměník tepla

Koncentrický Trubka (nebo trubka) Tepelné výměníky se používají v různých průmyslových odvětvích pro účely, jako je zpracování materiálu, příprava jídla a klimatizace.^[1] Průchodem vytvářejí hnací sílu teploty tekutina proudy různých teplot paralelní navzájem odděleny fyzickým hranice ve formě potrubí. To vyvolává nucená konvekce, přenos teplo do / z produktu.

Teorie

The termodynamické chování koncentrických trubkových výměníků tepla lze popsat empirickou i numerickou analýzou. Nejjednodušší z nich zahrnuje použití korelace modelovat přenos tepla; přesnost těchto předpovědí se však liší v závislosti na designu. Pro turbulentní, neviskózní kapaliny Dittus-Boelterova rovnice lze použít k určení součinitel přestupu tepla pro vnitřní i vnější proud; vzhledem k jejich průměrům a rychlostem (nebo průtokům). Pro podmínky, kde se tepelné vlastnosti významně liší, například pro velké teplotní rozdíly, Seider-Tate korelace se používá. Tento model bere v úvahu rozdíly mezi objemovou viskozitou a viskozitou stěny. Obě korelace využívají Nusseltovo číslo a jsou platné pouze v případě, že Reynoldsovo číslo je větší než 10 000. Zatímco Dittus-Boelter vyžaduje Prandtl číslo být mezi 0,7 a 160, Seider-Tate platí pro hodnoty mezi 0,7 a 16 700.

Pro výpočty zahrnující vnější proud se použije ekvivalentní průměr (nebo střední hydraulický poloměr) místo geometrického průměru, protože plocha průřezu prstence není kruhová. Ekvivalentní průměry se také používají pro nepravidelné tvary, jako jsou obdélníkové a trojúhelníkové kanály. U soustředných trubek se tento vztah zjednodušuje na rozdíl mezi průměry pláště a vnějším povrchem vnitřní trubky.

${displaystyle D_ {mathrm {eo}} = {frac {4cdot Area} {WettedPerimeter}}}$

Po stanovení součinitelů přestupu tepla (h_ {i} a h_ {o}) je třeba znát odpor způsobený znečištěním a tepelná vodivost mezního materiálu (k_ {w}) lze vypočítat součinitel celkového přenosu tepla (U_ {o}).

${displaystyle {1 over U_ {o}} = {R_ {fo}} + {R_ {fi}} cdot {frac {D_ {o}} {D_ {i}}} + {frac {D_ {o}} { 2k_ {w}}} cdot ln {frac {D_ {o}} {D_ {i}}} + {1 nad h_ {o}} + {1 nad h_ {i}} cdot {frac {D_ {o}} {D_ {i}}}}$

Požadovanou délku tepelného výměníku lze potom vyjádřit jako funkci rychlosti přenosu tepla:

${displaystyle A = {frac {Q} {UDelta T}}}$

Kde A je povrch k dispozici pro přenos tepla a ∆T je log střední teplotní rozdíl.^[2] Z těchto výsledků Metoda NTU lze vypočítat účinnost výměníku tepla.^[1]

${displaystyle q_ {max} equiv C_ {min} (T_ {h, i} -T_ {c, i})}$

kde

${displaystyle Eequiv {frac {q} {q_ {max}}}}$

Hlavní výhodou soustředné konfigurace, na rozdíl od talíř nebo plášťový a trubkový výměník tepla, je jednoduchost jejich designu. Vnitřky obou povrchů se proto snadno čistí a udržují, takže jsou ideální pro kapaliny, které způsobují zanášení. Jejich robustní konstrukce navíc znamená, že vydrží operace s vysokým tlakem.^[3] Rovněž vytvářejí turbulentní podmínky při nízkých rychlostech proudění, zvyšují koeficient přenosu tepla a tím i rychlost přenosu tepla.^[4] Existují však značné nevýhody, přičemž dvě nejnápadnější jsou jejich vysoké náklady v poměru k oblasti přenosu tepla; a nepraktické délky potřebné pro vysoké tepelné požadavky. Rovněž trpí poměrně vysokými tepelnými ztrátami prostřednictvím svých velkých vnějších skořápek.

Nejjednodušší forma se skládá z přímých částí trubek uzavřených ve vnějším plášti, alternativy, jako jsou vlnité nebo zakřivené trubky, však šetří prostor a maximalizují plochu přenosu tepla na jednotku objemu. Mohou být uspořádány do série nebo paralelně v závislosti na požadavcích na vytápění.^[3] Typicky vyrobené z nerezové oceli, jsou vloženy distanční vložky, aby se udržela soustřednost, zatímco trubky jsou utěsněny O-kroužky, ucpány nebo svařeny v závislosti na provozních tlacích.^[5]

I když je možná konfigurace co i counter, protiproud metoda je častější. Přednost se dává průchodu horké tekutiny vnitřní trubkou, aby se snížily tepelné ztráty, zatímco prstenec je vyhrazen pro vysoké viskozita proud k omezení tlakové ztráty. Kromě dvouproudových výměníků tepla jsou běžné návrhy zahrnující trojité (nebo více) proudy; střídání horkých a chladných proudů, čímž se produkt zahřívá / ochlazuje z obou stran.^[5]

Viz také

Reference

^ ^A ^b Greg F. Naterer (2002). Přenos tepla v jednofázových a vícefázových systémech. CRC Press. ISBN 0-8493-1032-6.
^ Barney L. Capehart (2007). Encyclopedia of Energy Engineering and Technology. CRC Press. ISBN 0-8493-3653-8.
^ ^A ^b Ramesh K. Shah (1988). Návrh zařízení pro přenos tepla. Taylor & Francis. ISBN 0-89116-729-3.
^ J. M. Coulson a J. F. Richardson (1999). Chemické inženýrství společnosti Coulson & Richardson: Tok tekutin, přenos tepla a přenos hmoty (Šesté vydání). Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-4444-3.
^ ^A ^b Michael John Lewis a N. J. Heppell (2000). Zpracování potravin: Pasterizace a sterilizace UHT. Springer. ISBN 0-8342-1259-5.

externí odkazy

Termodynamika tepelných výměníků

[Naterer-1] A ^b Greg F. Naterer (2002). Přenos tepla v jednofázových a vícefázových systémech. CRC Press. ISBN 0-8493-1032-6.

[2] Barney L. Capehart (2007). Encyclopedia of Energy Engineering and Technology. CRC Press. ISBN 0-8493-3653-8.

[Shah-3] A ^b Ramesh K. Shah (1988). Návrh zařízení pro přenos tepla. Taylor & Francis. ISBN 0-89116-729-3.

[4] J. M. Coulson a J. F. Richardson (1999). Chemické inženýrství společnosti Coulson & Richardson: Tok tekutin, přenos tepla a přenos hmoty (Šesté vydání). Butterworth Heinemann. ISBN 0-7506-4444-3.

[Lewis_&_Heppell-5] A ^b Michael John Lewis a N. J. Heppell (2000). Zpracování potravin: Pasterizace a sterilizace UHT. Springer. ISBN 0-8342-1259-5.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]