Como calcular a taxa de transferência de calor de um trocador de calor do tipo FIN?

Ei! Como fornecedor deTrocador de calor do tipo barbatana, Muitas vezes me perguntam sobre como calcular a taxa de transferência de calor desses dispositivos bacanas. Então, pensei em dividi -lo de uma maneira fácil de entender, mesmo que você não seja um gênio da transferência de calor.

Primeiro, vamos falar sobre o que é um trocador de calor do tipo FIN. É um dispositivo que transfere calor entre dois fluidos - geralmente um líquido e um gás - usando aletas para aumentar a área da superfície disponível para transferência de calor. Esse design faz com que os trocadores de calor do tipo FIN super eficientes e amplamente utilizados em várias indústrias, desde sistemas HVAC até processos industriais.

Agora, vamos entrar no âmago - corajoso de calcular a taxa de transferência de calor. Existem alguns fatores e equações importantes que você precisa conhecer.

O básico da transferência de calor

A transferência de calor pode acontecer de três maneiras: condução, convecção e radiação. Nos trocadores de calor do tipo FIN, a condução e a convecção são os principais players.

Condução é a transferência de calor através de um material sólido. Em nosso trocador de calor, isso ocorre dentro das barbatanas e dos tubos. A taxa de condução é governada pela lei de Fourier, que afirma que a taxa de transferência de calor (q) através de um sólido é proporcional à diferença de temperatura através do material, a área cruzada -seccional (a) através da qual o calor está fluindo e a condutividade térmica (k) do material e inversamente proporcional à espessura (L) da matéria. A equação é (q = - ka \ frac {dt} {dx}), onde (\ frac {dt} {dx}) é o gradiente de temperatura.

A convecção, por outro lado, é a transferência de calor entre uma superfície sólida e um fluido. Pode ser uma convecção forçada (quando o fluido é movido por uma força externa como um ventilador ou uma bomba) ou convecção natural (quando o fluido se move devido a diferenças de densidade causadas por variações de temperatura). A taxa de transferência de calor devido à convecção é dada pela lei de resfriamento de Newton: (q = ha \ delta t), onde (h) é o coeficiente de transferência de calor convectivo, (a) é a área de superfície e (\ delta t) é a diferença de temperatura entre a superfície sólida e o fluido.

Cálculo da taxa de transferência de calor em um trocador de calor do tipo FIN

Para calcular a taxa geral de transferência de calor em um trocador de calor do tipo FIN, geralmente usamos o conceito do coeficiente geral de transferência de calor (U). O coeficiente geral de transferência de calor leva em consideração as resistências à transferência de calor nos lados quentes e frios do trocador de calor, bem como a resistência devido à condução através da parede dos tubos.

A equação para a taxa de transferência de calor em um trocador de calor é (q = ua \ delta t_ {lm}), onde (u) é o coeficiente geral de transferência de calor, (a) é a área total de transferência de calor (incluindo as aletas) e (\ delta t_ {lm}) é a diferença média da temperatura.

1. Determinando o coeficiente geral de transferência de calor (u)

O coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado usando a seguinte equação: (\ frac {1} {u} = \ frac {1} {h_i}+\ frac {r_fi} {k_i}+\ frac {\ ln (r_o/r_i)} {2 \ 2 \ P \ p {\ ln (r_o/r_i) kL}+\frac{R_fo}{k_o}+\frac{1}{h_o}), where (h_i) and (h_o) are the convective heat transfer coefficients on the inside and outside of the tubes respectively, (R_fi) and (R_fo) are the fouling resistances on the inside and outside of the tubes, (k_i) and (k_o) are As condutividades térmicas dos fluidos no interior e fora dos tubos (R_I) e (R_O) são os raios interno e externo dos tubos, (k) é a condutividade térmica do material do tubo e (l) é o comprimento do tubo.

Os coeficientes de transferência de calor convectivo (H_I) e (H_O) podem ser determinados usando correlações empíricas. Por exemplo, para a convecção forçada dentro de um tubo, a equação de bavimento pode ser usada: (nu = 0,023re^{0,8} pr^n), onde (nu = \ frac {hd} {k}) é o número de Nusselt, (re = \ frac {\ rho vd}} (Pr = \ frac {\ mu c_p} {k}) é o número de Prandtl, (d) é o diâmetro do tubo, (\ rho) é a densidade do fluido, (v) é a velocidade do fluido, (\ mu) é o que a viscosidade dinâmica do fluido (c_P) é o que o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que o que é o que é o que é o que o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o que é o fluido e o fluido do fluido (v). (n = 0,3) para resfriamento.

2. Cálculo da área total de transferência de calor (a)

A área total de transferência de calor de um trocador de calor do tipo barbatana inclui a área dos tubos e a área das barbatanas. A área dos tubos pode ser calculada como (a_t = \ pi d_il) para a área de superfície interna e (a_o = \ pi d_ol) para a área da superfície externa, onde (d_i) e (d_o) são os diâmetros internos e externos dos tubos e (l) é o comprimento das tubas.

A área das barbatanas pode ser calculada com base em sua geometria. Por exemplo, para as barbatanas retangulares, a área de uma única barbatana é (a_f = 2L_FW_F+2T_FL_F), onde (l_f) é o comprimento da barbatana (W_F) é a largura da barbatana e (t_f) é a espessura da barbatana. A área total da barbatana é então a área de uma única barbatana multiplicada pelo número de barbatanas.

3. Encontrar o log - diferença de temperatura média ((\ delta t_ {lm})))

A diferença média de temperatura média é usada para explicar o fato de que a diferença de temperatura entre os fluidos quentes e frios muda ao longo do comprimento do trocador de calor. É calculado usando a fórmula (\ delta t_ {lm} = \ frac {\ delta t_1- \ delta t_2} {\ ln (\ frac {\ delta t_1} {\ delta t_2}), where (\ delta t_1) e (\ \ \ t_2}), onde duas extremidades do trocador de calor.

Considerações especiais

Há algumas outras coisas a serem lembradas ao calcular a taxa de transferência de calor de um trocador de calor do tipo FIN.

• Eficiência da barra: As barbatanas não são 100% eficientes na transferência de calor. A eficiência da barbatana ((\ eta_f)) leva em consideração o fato de que a temperatura ao longo da barbatana diminui da base da barbatana para a ponta. A eficiência da FIN pode ser calculada usando métodos analíticos ou numéricos, dependendo da geometria da barbatana. A área de FIN eficaz é então (a_ {Fe} = \ eta_fa_f).
• Incrustação: Com o tempo, os depósitos podem se acumular nas superfícies do trocador de calor, aumentando a resistência à transferência de calor. Isso é chamado de incrustação. Como mencionado anteriormente, as resistências de incrustações (R_FI) e (R_FO) estão incluídas no cálculo do coeficiente geral de transferência de calor.

Real - Aplicações Mundiais

Os trocadores de calor do tipo FIN são usados ​​em uma ampla gama de aplicações. Por exemplo,Radiador industrial SRLé um tipo de trocador de calor do tipo de barbatana comumente usado em ambientes industriais para resfriar os fluidos.Trocador de calor resfriado a aré outro exemplo, que usa o ar como o meio de resfriamento.

Nessas aplicações, calcular com precisão a taxa de transferência de calor é crucial para o projeto e operação adequados. Por exemplo, em um processo industrial, se a taxa de transferência de calor for calculada, o equipamento poderá não conseguir resfriar o fluido à temperatura desejada, levando a ineficiências ou até danos ao equipamento de processo.

Embrulhando e alcançando

O cálculo da taxa de transferência de calor de um trocador de calor do tipo FIN pode parecer complexo, mas, ao entender os princípios básicos da transferência de calor e usando as equações corretas, ele se torna gerenciável. Como fornecedor de trocadores de calor do tipo FIN, temos a experiência e a experiência para ajudá -lo com esses cálculos e garantir que você obtenha o trocador de calor certo para suas necessidades.

Se você estiver no mercado para um trocador de calor do tipo FIN ou precisar de mais informações sobre os cálculos de transferência de calor, não hesite em alcançar. Estamos aqui para ajudá -lo a fazer a melhor opção para o seu aplicativo. Vamos iniciar uma conversa e ver como podemos trabalhar juntos para atender aos seus requisitos de transferência de calor.

Referências

• Incropera, FP, & DeWitt, DP (2002). Fundamentos de transferência de calor e massa. John Wiley & Sons.
• Holman, JP (2002). Transferência de calor. McGraw - Hill.