Salut! En tant que fournisseur d'échangeurs de chaleur à plaques en spirale non détachables, on me pose souvent des questions sur la formule de calcul de la capacité de transfert de chaleur de ces astucieux appareils. J'ai donc pensé prendre un moment pour vous expliquer cela d'une manière facile à comprendre.
Tout d’abord, parlons un peu de ce qu’est un échangeur de chaleur à plaques en spirale non amovible. Il s'agit d'un type d'échangeur de chaleur dans lequel deux canaux en spirale sont formés par deux longues plaques métalliques enroulées autour d'un noyau central. Ces canaux permettent à deux fluides différents de s'écouler dans des directions opposées, facilitant ainsi le transfert de chaleur d'un fluide à l'autre.
Passons maintenant à la question principale : quelle est la formule de calcul de sa capacité de transfert de chaleur ?
La formule de base pour calculer la capacité de transfert de chaleur (Q) d'un échangeur de chaleur est donnée par :
Q = U * A * ΔTm
Décomposons chaque partie de cette formule :
1. U - Coefficient global de transfert de chaleur
Le coefficient de transfert thermique global (U) représente la capacité de l'échangeur thermique à transférer de la chaleur entre les deux fluides. Il prend en compte des facteurs tels que la conductivité thermique du matériau des plaques, l'épaisseur des plaques et les coefficients de transfert de chaleur par convection des deux côtés des plaques.
La valeur de U peut être assez difficile à déterminer avec précision. Cela dépend de divers facteurs, notamment du type de fluides impliqués, de leurs débits et des propriétés physiques des fluides (telles que la viscosité, la densité et la chaleur spécifique). En pratique, U est souvent déterminé expérimentalement ou estimé sur la base de corrélations empiriques.
Par exemple, si vous utilisez de l'eau comme fluide chaud et froid et que le débit est turbulent, la valeur U peut être comprise entre 1 000 et 3 000 W/(m²·K). Mais si l'un des fluides est une huile visqueuse, la valeur U sera beaucoup plus faible, peut-être comprise entre 100 et 500 W/(m²·K).
2. A - Zone de transfert de chaleur
La surface de transfert thermique (A) est la surface totale des plaques en contact avec les fluides. Dans un échangeur de chaleur à plaques en spirale non amovible, le calcul de la surface de transfert de chaleur peut être un peu plus complexe que dans un simple échangeur de chaleur à calandre et tubes.
La formule de la surface de transfert de chaleur d’un échangeur de chaleur à plaques en spirale est la suivante :
A = 2 * π * r * L * N
où:
- r est le rayon moyen des plaques en spirale
- L est la longueur des plaques
- N est le nombre de tours de la spirale
Le rayon moyen (r) est calculé comme la moyenne des rayons intérieur et extérieur de la spirale. La longueur des plaques (L) est la longueur réelle des plaques métalliques avant leur enroulement. Et le nombre de tours (N) est, eh bien, le nombre de fois où les plaques sont enroulées autour du noyau central.
3. ΔTm - Différence de température moyenne logarithmique
La différence de température moyenne logarithmique (ΔTm) est une mesure de la différence de température moyenne entre les fluides chauds et froids sur la longueur de l'échangeur de chaleur. Il prend en compte le fait que la différence de température entre les deux fluides change à mesure qu’ils traversent l’échangeur thermique.
La formule pour ΔTm est :
ΔTm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
où:
- ΔT1 est la différence de température entre les fluides chauds et froids à une extrémité de l'échangeur thermique
- ΔT2 est la différence de température entre les fluides chaud et froid à l'autre extrémité de l'échangeur thermique
Disons que le fluide chaud entre dans l'échangeur thermique à 80°C et sort à 40°C, tandis que le fluide froid entre à 20°C et sort à 60°C. Alors:
- ΔT1 = 80 - 20 = 60°C
- ΔT2 = 40 - 60 = -20°C (on prend la valeur absolue, donc ΔT2 = 20°C)
ΔTm = (60 - 20) / ln(60 / 20) ≈ 36,4°C
Maintenant que nous avons la formule de base, parlons de certains des facteurs qui peuvent affecter la capacité de transfert de chaleur d'un échangeur de chaleur à plaques en spirale non amovible.
Facteurs affectant la capacité de transfert de chaleur
Propriétés du fluide
Comme mentionné précédemment, les propriétés physiques des fluides, telles que la viscosité, la densité et la chaleur spécifique, peuvent avoir un impact significatif sur la capacité de transfert thermique. Les fluides visqueux ont tendance à avoir des coefficients de transfert de chaleur par convection plus faibles, ce qui signifie qu'ils transfèrent la chaleur moins efficacement. Les fluides ayant une chaleur spécifique élevée peuvent absorber ou libérer plus de chaleur par unité de masse, ce qui peut augmenter la capacité de transfert de chaleur.
Débits
Les débits des fluides chauds et froids jouent également un rôle crucial. Des débits plus élevés entraînent généralement des coefficients de transfert de chaleur par convection plus élevés, ce qui peut augmenter la capacité globale de transfert de chaleur. Cependant, il existe une limite à l’augmentation du débit. Au-delà d'un certain point, l'augmentation du débit peut entraîner des pertes de charge plus importantes, ce qui peut augmenter la consommation d'énergie nécessaire pour pomper les fluides à travers l'échangeur thermique.
Matériau et épaisseur de la plaque
La conductivité thermique du matériau des plaques affecte la capacité des plaques à conduire la chaleur d'un fluide à l'autre. Des matériaux à haute conductivité thermique, comme l'acier inoxydable ou le cuivre, sont souvent utilisés dans les échangeurs de chaleur. L'épaisseur des plaques compte également. Les plaques plus épaisses ont une résistance thermique plus élevée, ce qui peut réduire la capacité globale de transfert de chaleur.
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Références
- Incropera, FP et DeWitt, DP (2002). Fondamentaux du transfert de chaleur et de masse. John Wiley et fils.
- Kakac, S. et Liu, H. (2002). Échangeurs de chaleur : sélection, évaluation et conception thermique. Presse CRC.