En tant que fournisseur d'échangeurs de chaleur à tubes spiralés, on me pose souvent des questions sur les formules utilisées pour calculer leurs performances. Comprendre ces formules est crucial pour les ingénieurs, les concepteurs et toute personne impliquée dans la sélection et le fonctionnement des échangeurs de chaleur. Dans cet article de blog, j'examinerai les formules clés qui jouent un rôle important dans l'évaluation des performances des échangeurs de chaleur à tubes spiralés.
Coefficient de transfert de chaleur global (U)
Le coefficient de transfert thermique global (U) est un paramètre fondamental dans le calcul des performances des échangeurs de chaleur. Il représente le taux de transfert de chaleur par unité de surface et par unité de différence de température entre les fluides chauds et froids. La formule de calcul du coefficient de transfert de chaleur global dans un échangeur de chaleur à tube enroulé en spirale est basée sur le concept de résistance thermique.
L’équation générale du coefficient de transfert thermique global est la suivante :
[
\frac{1}{UA}=\frac{1}{h_{i} A_{i}}+R_{fi}+\frac{\ln \left(\frac{d_{o}}{d_{i}}\right)}{2 \pi k L}+R_{fo}+\frac{1}{h_{o} A_{o}}
]
où:
- (U) est le coefficient de transfert de chaleur global ((W/m^{2}K))
- (A) est la zone de transfert de chaleur ((m^{2}))
- (h_{i}) et (h_{o}) sont respectivement les coefficients de transfert de chaleur intérieur et extérieur ((W/m^{2}K))
- (A_{i}) et (A_{o}) sont respectivement les zones de transfert de chaleur intérieure et extérieure ((m^{2}))
- (R_{fi}) et (R_{fo}) sont respectivement les résistances à l'encrassement intérieure et extérieure ((m^{2}K/W))
- (d_{i}) et (d_{o}) sont les diamètres intérieur et extérieur du tube ((m))
- (k) est la conductivité thermique du matériau du tube ((W/mK))
- (L) est la longueur du tube ((m))
Les coefficients de transfert de chaleur (h_{i}) et (h_{o}) dépendent du régime d'écoulement (laminaire ou turbulent), des propriétés du fluide et de la géométrie de l'échangeur de chaleur. Pour un écoulement turbulent à l'intérieur d'un tube, l'équation de Dittus - Boelter peut être utilisée pour estimer le coefficient de transfert de chaleur intérieur :
[
h_{i}=0,023 \frac{k}{d_{i}} \mathrm{Re}{i}^{0.8} \mathrm{Pr}{je}^{n}
]
où (\mathrm{Re}{i}) est le nombre de Reynolds à l'intérieur du tube, (\mathrm{Pr}{i}) est le nombre de Prandtl du fluide à l'intérieur du tube, et (n = 0,4) pour le chauffage et (n = 0,3) pour le refroidissement.
Le coefficient de transfert de chaleur extérieur (h_{o}) est plus complexe à calculer en raison de la géométrie en spirale de l'échangeur de chaleur. Des corrélations empiriques basées sur des données expérimentales sont souvent utilisées pour estimer (h_{o}).
Taux de transfert de chaleur (Q)
Le taux de transfert de chaleur ((Q)) est la quantité de chaleur transférée du fluide chaud au fluide froid dans l'échangeur de chaleur. Il peut être calculé à l'aide de la formule suivante :
[
Q = UA\Delta T_{lm}
]
où (\Delta T_{lm}) est la différence logarithmique de température moyenne (LMTD). Le LMTD est utilisé pour tenir compte de la différence de température variable entre les fluides chauds et froids le long de l'échangeur de chaleur.
La formule du LMTD dans un échangeur de chaleur à contre-courant (ce qui est souvent le cas pour les échangeurs de chaleur à tubes enroulés en spirale) est la suivante :
[
\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_{1}-\Delta T_{2}}{\ln \left(\frac{\Delta T_{1}}{\Delta T_{2}}\right)}
]
où (\Delta T_{1}) et (\Delta T_{2}) sont les différences de température entre les fluides chauds et froids aux deux extrémités de l'échangeur de chaleur.
Dans un échangeur de chaleur à flux parallèle, la formule LMTD reste la même, mais les différences de température (\Delta T_{1}) et (\Delta T_{2}) sont définies différemment.
Nombre d'unités de transfert (NTU) et efficacité ((\epsilon))
Le nombre d'unités de transfert (NTU) et l'efficacité ((\epsilon)) sont deux paramètres importants utilisés pour analyser les performances des échangeurs de chaleur. Le NTU est défini comme :
[
\mathrm{NTU}=\frac{UA}{C_{\min }}
]
où (C_{\min}) est le taux de capacité thermique minimale des deux fluides ((C = m c_{p}), où (m) est le débit massique et (c_{p}) est la capacité thermique spécifique).
L'efficacité ((\epsilon)) d'un échangeur de chaleur est définie comme le rapport du taux de transfert de chaleur réel ((Q)) au taux de transfert de chaleur maximum possible ((Q_{\max})) :
[
\epsilon=\frac{Q}{Q_{\max }}
]
Le taux de transfert de chaleur maximum possible est donné par (Q_{\max}=C_{\min }\left(T_{h, \text { in }}-T_{c, \text { in }}\right)), où (T_{h, \text { in }}) et (T_{c, \text { in }}) sont respectivement les températures d'entrée des fluides chauds et froids.
Pour un échangeur de chaleur à contre-courant, la relation entre l'efficacité et le NTU est donnée par :
[
\epsilon=\frac{1 - e^{-\mathrm{NTU}\left(1 - C_{r}\right)}}{1 - C_{r} e^{-\mathrm{NTU}\left(1 - C_{r}\right)}}
]
où (C_{r}=\frac{C_{\min }}{C_{\max }}) est le rapport du taux de capacité thermique.
Chute de pression
En plus des performances de transfert de chaleur, la chute de pression dans un échangeur de chaleur à tube enroulé en spirale est également un facteur important. La chute de pression dans les tubes ((\Delta P_{i})) peut être calculée à l'aide de l'équation de Darcy - Weisbach :
[
\Delta P_{i}=f \frac{L}{d_{i}} \frac{\rho v_{i}^{2}}{2}
]
où (f) est le facteur de frottement, (\rho) est la densité du fluide et (v_{i}) est la vitesse moyenne du fluide à l'intérieur du tube.
Le facteur de frottement (f) dépend du régime d'écoulement. Pour l'écoulement laminaire ((\mathrm{Re}<2300)), (f=\frac{64}{\mathrm{Re}}) et pour l'écoulement turbulent, l'équation de Colebrook ou d'autres corrélations empiriques peuvent être utilisées pour estimer (f).
La chute de pression côté coque ((\Delta P_{o})) est plus complexe en raison du modèle d'écoulement en spirale. Des corrélations empiriques basées sur des données expérimentales sont souvent utilisées pour calculer (\Delta P_{o}).
Importance du calcul des performances
Un calcul précis des performances des échangeurs de chaleur à tubes spiralés est essentiel pour plusieurs raisons. Premièrement, cela aide à sélectionner correctement l’échangeur de chaleur pour une application spécifique. En connaissant le taux de transfert de chaleur, le coefficient de transfert de chaleur global et la chute de pression, les ingénieurs peuvent choisir un échangeur de chaleur qui répond aux exigences du processus.
Deuxièmement, le calcul des performances est crucial pour optimiser le fonctionnement de l’échangeur thermique. En surveillant les performances réelles et en les comparant aux valeurs calculées, les opérateurs peuvent identifier tout problème tel qu'un encrassement ou une mauvaise répartition du débit et prendre les mesures appropriées pour améliorer l'efficacité de l'échangeur de chaleur.
Nos échangeurs de chaleur à tubes spiralés
Dans notre entreprise, nous nous engageons à fournir des produits de haute qualitéÉchangeurs de chaleur à tubes enroulés en spirale. Nos échangeurs de chaleur sont conçus et fabriqués en utilisant les dernières technologies et matériaux pour garantir des performances optimales. Nous utilisons des simulations avancées de dynamique des fluides informatiques (CFD) et des tests expérimentaux pour valider les performances de nos échangeurs de chaleur et garantir qu'ils respectent ou dépassent les normes de l'industrie.
En plus des échangeurs de chaleur à tubes spiralés, nous proposons égalementÉchangeurs de chaleur à tuyaux enroulés en spiraleetCondenseurs à tuyaux enrouléspour diverses applications. Nos produits sont largement utilisés dans des industries telles que la chimie, la pétrochimie, la production d'électricité et la transformation des aliments.
Contactez-nous pour l'approvisionnement
Si vous êtes à la recherche d'un échangeur de chaleur à tubes enroulés en spirale ou de tout autre produit connexe, nous serons ravis de vous aider. Notre équipe d'ingénieurs et de représentants commerciaux expérimentés peut vous aider à sélectionner l'échangeur de chaleur adapté à votre application et vous fournir des informations techniques et des tarifs détaillés.
Que vous ayez besoin d'un échangeur de chaleur standard ou d'une solution conçue sur mesure, nous disposons de l'expertise et des ressources nécessaires pour répondre à vos besoins. Contactez-nous dès aujourd'hui pour démarrer le processus d'approvisionnement et profiter de nos produits de haute qualité et de notre excellent service client.
Références
- Incropera, FP et DeWitt, DP (2002). Fondamentaux du transfert de chaleur et de masse. John Wiley et fils.
- Shah, RK et Sekulic, DP (2003). Fondamentaux de la conception des échangeurs de chaleur. John Wiley et fils.
- Kakac, S. et Liu, H. (2002). Échangeurs de chaleur : sélection, évaluation et conception thermique. Presse CRC.