En tant que fournisseur chevronné d'échangeurs de chaleur à plaques, j'ai été témoin du rôle crucial que jouent ces appareils dans un large éventail d'industries, de l'alimentation et des boissons au traitement chimique et aux systèmes CVC. L'une des questions les plus courantes que nous recevons de nos clients est de savoir comment calculer la surface de transfert de chaleur d'un échangeur thermique à plaques. Dans cet article de blog, je vais vous guider pas à pas tout au long du processus, en vous fournissant les connaissances et les outils dont vous avez besoin pour prendre des décisions éclairées concernant vos besoins en échangeurs de chaleur.
Comprendre les bases du transfert de chaleur
Avant de nous lancer dans les calculs, il est important d’avoir une compréhension de base du fonctionnement du transfert de chaleur. Le transfert de chaleur est le processus d'échange d'énergie entre deux substances à des températures différentes. Dans un échangeur de chaleur à plaques, cet échange se produit entre un fluide chaud et un fluide froid circulant dans des canaux alternés séparés par de fines plaques métalliques. La chaleur est transférée du fluide chaud au fluide froid à travers les plaques, qui font office de barrière entre les deux fluides.
Le taux de transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur à plaques est déterminé par plusieurs facteurs, notamment la différence de température entre les deux fluides, les débits des fluides, la conductivité thermique des plaques et la surface des plaques. La surface des plaques est particulièrement importante car elle détermine la quantité de contact entre les deux fluides et, par conséquent, la quantité de chaleur pouvant être transférée.
L'équation du transfert de chaleur
Le taux de transfert de chaleur dans un échangeur de chaleur à plaques peut être calculé à l’aide de l’équation suivante :
Q = U * A * ΔTlm
Où:
- Q est le taux de transfert de chaleur (en watts ou BTU par heure)
- U est le coefficient de transfert de chaleur global (en watts par mètre carré par degré Celsius ou en BTU par pied carré par heure par degré Fahrenheit)
- A est la surface de transfert de chaleur (en mètres carrés ou pieds carrés)
- ΔTlm est la différence logarithmique moyenne de température (en degrés Celsius ou degrés Fahrenheit)
Le coefficient de transfert de chaleur global (U) est une mesure de l'efficacité de l'échangeur de chaleur. Il prend en compte la conductivité thermique des plaques, l'épaisseur des plaques, la résistance à l'encrassement des fluides et les schémas d'écoulement des fluides. La différence de température moyenne logarithmique (ΔTlm) est une mesure de la différence de température moyenne entre les deux fluides sur la longueur de l'échangeur de chaleur.
Calcul de la différence de température moyenne logarithmique (ΔTlm)
La différence logarithmique de température moyenne (ΔTlm) peut être calculée à l’aide de l’équation suivante :
ΔTlm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
Où:
- ΔT1 est la différence de température entre l'entrée du fluide chaud et la sortie du fluide froid
- ΔT2 est la différence de température entre la sortie du fluide chaud et l'entrée du fluide froid
- ln est la fonction logarithme népérien
Par exemple, disons que nous avons un échangeur thermique à plaques avec une température d'entrée du fluide chaud de 80°C, une température de sortie du fluide chaud de 60°C, une température d'entrée du fluide froid de 20°C et une température de sortie du fluide froid de 40°C. En utilisant l’équation ci-dessus, nous pouvons calculer la différence logarithmique moyenne de température comme suit :
ΔT1 = 80°C - 40°C = 40°C
ΔT2 = 60°C - 20°C = 40°C
ΔTlm = (40°C - 40°C) / ln(40°C / 40°C) = 40°C
Calcul du coefficient de transfert de chaleur global (U)
Le coefficient de transfert thermique global (U) peut être calculé à l’aide de l’équation suivante :
1 / U = 1 / salut + δ / k + 1 / ho
Où:
- hi est le coefficient de transfert de chaleur côté fluide chaud (en watts par mètre carré par degré Celsius ou en BTU par pied carré par heure par degré Fahrenheit)
- δ est l'épaisseur des plaques (en mètres ou pieds)
- k est la conductivité thermique des plaques (en watts par mètre par degré Celsius ou BTU par pied par heure par degré Fahrenheit)
- ho est le coefficient de transfert de chaleur côté fluide froid (en watts par mètre carré par degré Celsius ou en BTU par pied carré par heure par degré Fahrenheit)
Les coefficients de transfert thermique côté fluide chaud et froid (hi et ho) dépendent de plusieurs facteurs, parmi lesquels les débits des fluides, la viscosité des fluides, la conductivité thermique des fluides et la géométrie des canaux dans l'échangeur thermique. Ces coefficients peuvent être estimés à l'aide de corrélations empiriques ou déterminés expérimentalement.
Calcul de la surface de transfert de chaleur (A)
Une fois que nous avons calculé le taux de transfert de chaleur (Q), le coefficient de transfert de chaleur global (U) et la différence de température moyenne logarithmique (ΔTlm), nous pouvons réorganiser l'équation de transfert de chaleur pour résoudre la zone de transfert de chaleur (A) :
A = Q / (U * ΔTlm)
Par exemple, disons que nous avons un échangeur de chaleur à plaques avec un taux de transfert de chaleur de 10 000 watts, un coefficient de transfert de chaleur global de 500 watts par mètre carré par degré Celsius et une différence de température moyenne logarithmique de 40°C. En utilisant l’équation ci-dessus, nous pouvons calculer la surface de transfert de chaleur comme suit :
A = 10 000 watts / (500 watts par mètre carré par degré Celsius * 40°C) = 0,5 mètre carré
Autres considérations
En plus des calculs ci-dessus, plusieurs autres facteurs doivent être pris en compte lors de la sélection d'un échangeur de chaleur à plaques et du calcul de la surface de transfert de chaleur. Ces facteurs comprennent :
- Débits :Les débits des fluides chauds et froids peuvent avoir un impact significatif sur le taux de transfert thermique et sur l’efficacité globale de l’échangeur thermique. Il est important de s'assurer que les débits se situent dans la plage recommandée pour l'échangeur de chaleur.
- Encrassement :L'encrassement est l'accumulation de dépôts sur les surfaces des plaques, ce qui peut réduire le taux de transfert de chaleur et augmenter la chute de pression à travers l'échangeur de chaleur. Il est important de sélectionner un échangeur de chaleur dont la conception minimise l'encrassement et de mettre en œuvre un programme d'entretien régulier pour nettoyer les plaques.
- Sélection des matériaux :Le matériau des plaques et des joints doit être sélectionné en fonction des propriétés des fluides traités, notamment leur température, leur pression, leur composition chimique et leur corrosivité.
- Considérations de conception :La conception de l'échangeur de chaleur, notamment le nombre de plaques, la configuration des plaques et la configuration du flux, peut avoir un impact significatif sur le taux de transfert de chaleur et l'efficacité globale de l'échangeur de chaleur. Il est important de sélectionner un échangeur de chaleur dont la conception est optimisée pour votre application spécifique.
Conclusion
Le calcul de la surface de transfert thermique d'un échangeur thermique à plaques est un processus complexe qui nécessite une compréhension approfondie des principes du transfert thermique et des propriétés des fluides traités. En suivant les étapes décrites dans cet article de blog et en tenant compte des autres facteurs évoqués, vous pouvez sélectionner un échangeur de chaleur à plaques optimisé pour votre application spécifique et garantir qu'il fonctionne de manière efficace et fiable.
Si vous êtes à la recherche d'un échangeur de chaleur à plaques ou si vous avez des questions sur les calculs de transfert de chaleur, n'hésitez pas à nous contacter. Notre équipe d'experts est là pour vous aider à sélectionner l'échangeur de chaleur adapté à vos besoins et vous fournir l'assistance et le service que vous méritez. Nous proposons également une large gamme d'autres échangeurs de chaleur, notammentÉchangeur de chaleur à tube serpent immergé,Échangeur de chaleur par pulvérisation, etÉchangeur de chaleur à enveloppe.
Références
- Incropera, FP et DeWitt, DP (2002). Fondamentaux du transfert de chaleur et de masse. John Wiley et fils.
- Kern, DQ (1950). Processus de transfert de chaleur. McGraw-Hill.
- Shah, RK et Sekulic, DP (2003). Fondamentaux de la conception des échangeurs de chaleur. John Wiley et fils.
