İster yeni bir sistem tasarlayan bir mühendis, ister mevcut olanı optimize eden bir teknisyen, ister bilinçli bir satın alma yapmak isteyen bir işletme sahibi olun, bir ısı eşanjörünün ısı transfer alanını hesaplamak çok önemli bir iştir. Uzun süredir ısı eşanjörü tedarikçisi olarak, bu hesaplamayı iyi yapmanın bir projeyi nasıl başarılı ya da başarısız hale getirebileceğini ilk elden gördüm. Şimdi bir ısı eşanjörünün ısı transfer alanını nasıl hesaplayabileceğinize bakalım.
Isı Değiştiricide Isı Transferinin Temelleri
Hesaplamanın özüne inmeden önce, bir ısı eşanjöründe ısı transferinin temel prensiplerini hızlıca gözden geçirelim. Isı değiştirici, ısıyı bir akışkandan diğerine aktaran bir cihazdır. Gibi farklı tipte ısı değiştiriciler vardır.Titanyum Plakalı Eşanjör,Paslanmaz plakalı eşanjör, VeKabuk ve Bobin Eşanjörü.
Çoğu ısı değiştiricide ısı transferinin birincil modu iletim ve taşınımdır. İletim, ısının katı bir maddeden aktarılmasıdır, konveksiyon ise ısının katı bir yüzey ile hareket halindeki bir sıvı arasında aktarılmasıdır. Bir ısı değiştiricideki toplam ısı transfer hızı (Q) aşağıdaki denklemle belirlenir:
$Q = U \times A \times \Delta T_{lm}$
Nerede:
- Q, ısı aktarım hızıdır (watt veya BTU/saat cinsinden). Bu birim zamanda sıcak akışkandan soğuk akışkana ne kadar ısı aktarıldığını gösterir.
- U genel ısı transfer katsayısıdır (W/m²·K veya BTU/hr·ft²·°F cinsinden). Isı değiştiricideki iletim ve taşınım dirençlerinin birleşik etkilerini hesaba katar.
- A, hesaplamaya çalıştığımız ısı transfer alanıdır (m² veya ft² cinsinden).
- $\Delta T_{lm}$, ısı değiştiricinin uzunluğu boyunca sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki ortalama sıcaklık farkının bir ölçüsü olan log - ortalama sıcaklık farkıdır (LMTD).
Isı Transfer Alanını Hesaplama Adımları
Adım 1: Isı Transfer Hızını (Q) Belirleyin
Isı transfer alanının hesaplanmasında ilk adım, ısı transfer oranının belirlenmesidir. Bu birkaç yolla yapılabilir.
Sıcak ve soğuk akışkanların kütle akış hızlarını ($\dot{m}$) ve özgül ısı kapasitelerini ($c_p$) ve bunların giriş ve çıkış sıcaklıklarını biliyorsanız, enerji dengesi denklemlerini kullanabilirsiniz.
Sıcak akışkan için: $Q = \dot{m}h \time c{p,h} \times (T_{h,in}-T_{h,out})$
Soğuk akışkan için: $Q = \dot{m}c \times c{p,c} \times (T_{c,out}-T_{c,in})$
İdeal bir ısı değiştiricide, sıcak akışkan tarafından hesaplanan ısı transfer hızının, soğuk akışkan tarafından hesaplanan ısı transfer hızına eşit olması gerekir. Gerçek dünya senaryolarında çevredeki ısı kayıplarından dolayı küçük farklılıklar meydana gelebilir.
Örneğin, $\dot{m} kütlesel akış hızına sahip bir sıcak su akışımız olduğunu varsayalım.h = 2$ kg/s, özgül ısı kapasitesi $c{p,h}=4,18$ kJ/kg·K, giriş sıcaklığı $T_{h,in}=80^{\circ}C$ ve çıkış sıcaklığı $T_{h,out}=60^{\circ}C$.
$Q=\dot{m}h\times c{p,h}\times(T_{h,in} - T_{h,out})$
$Q = 2\times4.18\times(80 - 60)$
$Q=2\times4,18\times20=167,2$ kW
Adım 2: Genel Isı Transfer Katsayısını (U) Tahmin Edin
Genel ısı transfer katsayısı, ısı değiştiricinin türü, kullanılan akışkanlar, akış hızları ve kirlenme koşulları gibi birçok faktöre bağlıdır.
Plakalı ısı eşanjörü için sudan suya uygulamalara yönelik tipik U değerleri 1500 - 3000 W/m²·K aralığındadır. Kabuk-borulu ısı değiştiriciler için değerler 500 - 2000 W/m²·K aralığında olabilir.
Farklı akışkanlarla veya standart dışı çalışma koşullarıyla uğraşıyorsanız, U'yu daha doğru bir şekilde tahmin etmek için ısı transferi el kitaplarına başvurmanız veya ampirik korelasyonlar kullanmanız gerekebilir. Örneğin, bir kullanıyorsanızTitanyum Plakalı Eşanjöraşındırıcı bir akışkan için U değeri, titanyumun ve akışkanın özelliklerine göre ayarlanabilir.
Adım 3: Günlük - Ortalama Sıcaklık Farkını Hesaplayın ($\Delta T_{lm}$)
Günlük - ortalama sıcaklık farkı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır:
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}$
$\Delta T_1$ ve $\Delta T_2$, ısı değiştiricinin iki ucundaki sıcak ve soğuk akışkanlar arasındaki sıcaklık farklarıdır.
Önceki örneğimizde, soğuk suyun giriş sıcaklığının $T_{c,in}=20^{\circ}C$ ve çıkış sıcaklığının $T_{c,out}=40^{\circ}C$ olduğunu varsayalım.
$\Delta T_1=T_{h,in}-T_{c,out}=80 - 40 = 40^{\circ}C$
$\Delta T_2=T_{h,out}-T_{c,in}=60 - 20 = 40^{\circ}C$
$\Delta T_1=\Delta T_2$ olduğundan, $\Delta T_{lm}=\Delta T_1=\Delta T_2 = 40^{\circ}C$
Adım 4: Isı Transfer Alanını Hesaplayın (A)
Artık Q, U ve $\Delta T_{lm}$'a sahip olduğumuza göre, A'yı çözmek için ısı transferi denklemini $Q = U \times A \times \Delta T_{lm}$ yeniden düzenleyebiliriz:
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}$
U = 2000 W/m²·K olarak tahmin ettiğimizi varsayalım.
$A=\frac{167200}{2000\times40}=2,09$ m²
Hususlar ve Sınırlamalar
Isı transfer alanını hesaplarken birkaç önemli husus vardır.
Kirlenme, ısı eşanjörünün performansını zaman içinde etkileyebilecek önemli bir faktördür. Isı transfer yüzeylerinde birikintiler oluştukça genel ısı transfer katsayısı azalır ve aynı ısı transfer hızına ulaşmak için daha fazla ısı transfer alanı gerekebilir. Bu nedenle hesaplanan ısı transfer alanına kirlenme faktörünün eklenmesi sıklıkla tavsiye edilir.
Ayrıca bir ısı değiştiricideki paralel akış, karşı akış veya çapraz akış gibi akış düzenlemeleri de LMTD'yi ve genel ısı transferini etkileyebilir. Karşıt akışlı ısı eşanjörleri genellikle daha yüksek bir LMTD'ye sahiptir ve aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için paralel akışlı ısı eşanjörlerinden daha verimlidir.
Neden Isı Eşanjörü Tedarikçiniz Olarak Bizi Seçmelisiniz?
Bir ısı eşanjörü tedarikçisi olarak uzun yıllara dayanan deneyime ve aşağıdakiler dahil geniş bir ürün yelpazesine sahibiz:Titanyum Plakalı Eşanjör,Paslanmaz plakalı eşanjör, VeKabuk ve Bobin Eşanjörü. Özel gereksinimlerinize göre ısı eşanjörünün doğru boyutlandırılmasında size yardımcı olabiliriz.
Uzman ekibimiz, ısı transfer alanının doğru bir şekilde hesaplanmasında ve uygulamanız için doğru ısı eşanjörü tipinin seçilmesinde size yardımcı olabilir. Kirlenme ve akış düzenlemeleri gibi gerçek dünyadaki zorlukları anlıyoruz ve ısı eşanjörünüzün performansını ve ömrünü optimize edecek çözümler sağlayabiliriz.
İster küçük ölçekli bir işletme ister büyük bir endüstriyel işletme olun, bir ısı eşanjörü pazarındaysanız, bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin. Isı transferi ihtiyaçlarınız için en iyi kararı vermenize yardımcı olmak için buradayız. Başarılı bir ortaklığa başlamak ve satın alma işleminizi bugün görüşmek için bizimle iletişime geçin.
Referanslar
- Incropera, FP, DeWitt, DP, Bergman, TL ve Lavine, AS (2007). Isı ve Kütle Transferinin Temelleri. John Wiley ve Oğulları.
- Mueller, AC (1998). Isı Eşanjörleri: Seçimi, Derecelendirmesi ve Termal Tasarımı. CRC Basın.