안녕하세요! 쉘 튜브 열 교환기 공급업체로서 저는 이러한 멋진 장치의 열 전달 면적을 계산하는 방법에 대해 자주 질문을 받습니다. 그래서 저는 이 블로그 게시물을 여러분이 이해하기 쉬운 방식으로 분류하기 위해 정리하려고 생각했습니다.
먼저, 쉘 튜브 열교환기가 무엇인지에 대해 조금 이야기해 보겠습니다. 에이쉘 튜브 열교환기원통형 쉘 내에 둘러싸인 일련의 튜브로 구성된 열 교환기 유형입니다. 한 유체는 튜브를 통해 흐르고, 다른 유체는 튜브 외부, 쉘 내부로 흐릅니다. 이는 두 유체 사이의 효율적인 열 전달을 가능하게 합니다.
쉘 튜브 열교환기에는 다음과 같은 다양한 유형이 있습니다.스테인레스 스틸 쉘 및 튜브 열교환기, 이는 내식성이 중요한 응용 분야에 적합합니다.역류 쉘 및 튜브 열교환기, 여기서 두 유체는 최대 열 전달 효율을 위해 반대 방향으로 흐릅니다.
이제 열 전달 면적을 계산하는 핵심적인 내용을 살펴보겠습니다.
열전달의 기초
열 교환기의 열 전달에 대한 기본 방정식은 다음과 같습니다.
$Q = U\times A\times\Delta T_{lm}$
어디:
- $Q$는 열 전달률(와트 또는 BTU/hr)입니다. 이는 한 유체에서 다른 유체로 전달되어야 하는 열의 양입니다. 질량유량, 비열용량, 유체의 온도변화를 이용하여 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 질량 유량 $\dot{m}$, 비열 용량 $c_p$을 갖는 유체가 있고 온도 변화 $\Delta T$를 겪는다면 $Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T$입니다.
- $U$는 전체 열 전달 계수입니다($W/m^{2}\cdot K$ 또는 $BTU/hr\cdot ft^{2}\cdot^{\circ}F$ 단위). 이 계수는 튜브 벽의 열 저항, 튜브 및 쉘 측면의 오염, 양쪽의 대류 열 전달 계수를 고려합니다. $U$의 값은 유체 유형, 유속 및 열 교환기의 형상을 기반으로 추정할 수 있습니다. 물 대 물 열교환기의 경우 $U$ 값의 범위는 800 - 1500 $W/m^{2}\cdot K$입니다.
- $A$는 우리가 찾으려는 열 전달 면적($m^{2}$ 또는 $ft^{2}$ 단위)입니다.
- $\Delta T_{lm}$은 로그 - 평균 온도 차이입니다.
로그 계산 - 평균 온도 차이($\Delta T_{lm}$)
로그 평균 온도 차이는 두 유체 사이의 온도 차이가 열 교환기의 길이에 따라 변한다는 사실을 설명하는 데 사용됩니다.
역류 열 교환기의 경우 $\Delta T_{lm}$의 공식은 다음과 같습니다.
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}$
여기서 $\Delta T_1$ 및 $\Delta T_2$는 열 교환기의 양쪽 끝에서 뜨거운 유체와 차가운 유체 사이의 온도 차이입니다.
뜨거운 유체가 $T_{h1}$ 온도에서 들어오고 $T_{h2}$에서 나가고, 차가운 유체가 $T_{c1}$에서 들어오고 $T_{c2}$에서 떠난다고 가정해 보겠습니다. 그러면 $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c2}$ 및 $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c1}$입니다.
병렬 흐름 열 교환기의 경우 개념은 유사하지만 온도 차이가 다르게 정의됩니다. 병렬 흐름에서는 두 유체가 동일한 끝에서 열교환기로 들어갑니다. 따라서 $\Delta T_1 = T_{h1}-T_{c1}$ 및 $\Delta T_2 = T_{h2}-T_{c2}$입니다.
열 전달 영역에 대한 풀이($A$)
$Q$, $U$ 및 $\Delta T_{lm}$ 값이 있으면 열 전달 방정식 $Q = U\times A\times\Delta T_{lm}$를 재정렬하여 $A$를 풀 수 있습니다.
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}$
단계별 예
이해를 돕기 위해 예제를 통해 살펴보겠습니다.
물이 가열되는 역류 쉘 튜브 열 교환기가 있다고 가정합니다. 뜨거운 물은 $80^{\circ}C$에서 들어오고 $60^{\circ}C$에서 나가고, 찬 물은 $20^{\circ}C$에서 들어오고 $50^{\circ}C$에서 나옵니다. 냉수의 질량유량은 $1 kg/s$이고, 물의 비열용량은 $4.18 kJ/kg\cdot K$입니다.
먼저 열 전달률 $Q$를 계산합니다.
$\dot{m}=1kg/s$, $c_p = 4180 J/kg\cdot K$, $\Delta T=T_{c2}-T_{c1}=50 - 20=30 K$
$Q=\dot{m}\times c_p\times\Delta T=1\times4180\times30 = 125400 W$
다음으로 전체 열 전달 계수 $U = 1000 W/m^{2}\cdot K$를 가정합니다.
이제 로그 - 평균 온도 차이를 계산합니다.
$\Delta T_1=T_{h1}-T_{c2}=80 - 50 = 30K$
$\Delta T_2=T_{h2}-T_{c1}=60 - 20 = 40K$
$\Delta T_{lm}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2})}=\frac{30 - 40}{\ln(\frac{30}{40})}\about34.7 K$
마지막으로 열 전달 면적을 계산합니다.
$A=\frac{Q}{U\times\Delta T_{lm}}=\frac{125400}{1000\times34.7}\about3.61m^{2}$
계산에 영향을 미치는 요소
이러한 계산의 정확성에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 요소가 있습니다.
파울링: 시간이 지남에 따라 열 교환기의 튜브 및 쉘 측면에 침전물이 쌓일 수 있으며, 이로 인해 열 저항이 증가하고 전체 열 전달 계수 $U$가 감소합니다. 열 저항 계산에 추가되는 오염 계수를 사용하여 오염을 설명해야 합니다.
흐름 패턴: 쉘 튜브 열 교환기의 실제 흐름 패턴은 이상적인 역류 또는 병렬 흐름 가정보다 더 복잡할 수 있습니다. 열 전달 성능에 영향을 미칠 수 있는 유체의 교차 흐름 및 우회가 있을 수 있습니다.
유체 특성: 점도, 밀도, 열전도율 등 유체의 특성은 온도에 따라 변할 수 있습니다. 이는 대류 열 전달 계수와 전체 열 전달 계수 $U$에 영향을 미칠 수 있습니다.
쉘 튜브 열 교환기 시장에 있고 크기 조정이나 열 전달 계산 이해에 도움이 필요한 경우 주저하지 말고 문의하십시오. 우리는 귀하의 특정 응용 분야에 적합한 열교환기를 찾는 데 도움을 드리기 위해 왔습니다. 소규모 산업 공정이든 대규모 발전소이든 당사는 귀하의 요구 사항을 충족하는 전문 지식과 제품을 보유하고 있습니다. 귀하의 열교환기 요구 사항에 대해 대화를 시작하려면 당사에 문의하시고 최선의 솔루션을 찾기 위해 함께 노력하십시오.
참고자료
- Incropera, FP 및 DeWitt, DP(2002). 열과 물질 전달의 기초. 존 와일리 앤 선즈.
- 홀먼, JP (2002). 열전달. 맥그로-힐.