쉘 및 튜브 가스화기는 다양한 산업 공정, 특히 효율적인 열 전달이 가장 중요한 가스화 시스템에서 중요한 장비입니다. 쉘 및 튜브 가스이기의 공급 업체로서, 나는이 가스화기의 전반적인 성능에 대한 다양한 설계 매개 변수의 중요성을 직접 목격했습니다. 열 전달에 큰 영향을 미치는 이러한 매개 변수 중 하나는 튜브 직경입니다. 이 블로그에서는 쉘 직경이 쉘 및 튜브 가스화기의 열전달에 미치는 영향을 탐색 할 것입니다.
쉘 및 튜브 가스 이파에서 열 전달의 기초
튜브 직경의 영향을 탐구하기 전에 쉘 및 튜브 가스화제에서 열 전달의 기본 원리를 이해하는 것이 필수적입니다. 이 시스템의 열 전달은 일반적으로 전도, 대류 및 방사선의 세 가지 주요 메커니즘을 통해 발생합니다. 전도는 가스화기의 튜브 벽과 같은 고체 재료를 통한 열을 전달하는 것입니다. 대류는 튜브 내부 (튜브 - 측 유체)와 튜브 외부 (쉘 - 측면 유체) 모두 유체의 움직임에 의한 열 전달을 포함합니다. 방사선 열 전달은 대부분의 쉘 및 튜브 가스 이화에서 덜 중요하지만 특정 조건에서 전체 열 전달에 여전히 기여할 수 있습니다.
쉘 및 튜브 가스 이파의 전체 열 전달 속도 (Q)는 다음 방정식으로 설명 할 수 있습니다.
[q = u \ times a \ times \ delta t_ {lm}]
여기서 (u)는 전체 열 전달 계수, (a)는 열 전달 영역이고 (\ delta t_ {lm})는 뜨거운 유체와 차가운 유체 사이의 로그 평균 온도 차이입니다.
열 전달 계수에 대한 튜브 직경의 영향
튜브 직경은 전체 열 전달 계수 ((U))에 상당한 영향을 미칩니다. 전체 열 전달 계수는 튜브 - 측 ((H_I)) 및 쉘 - 측 ((H_O)) 및 튜브 벽의 열 저항 ((R_W))의 개별 열 전달 계수의 복잡한 기능입니다.
튜브 - 측면 열전달 계수
튜브 - 측열 전달 계수 ((H_I)는 튜브 내부의 유체의 유동 체제에 의해 영향을받습니다. 층류 ((Re <2300))의 경우, Nusselt 번호 ((NU))는 Prandtl 번호 ((PR)) 및 튜브의 형상의 함수입니다. 튜브 직경이 감소함에 따라, 주어진 질량 유량에 대한 유체 속도가 증가한다. 이러한 속도의 증가는 층류에서 난류 흐름으로의 전환으로 이어질 수있다 ((RE> 4000)). 난류 흐름에서는 Nusselt 수가 높고 열 전달 계수 ((H_I))가 증가합니다.
부드러운 튜브에서 난류 흐름에 대한 Dittus- Boelter 방정식은 다음과 같습니다.
[nu = 0.023re^{0.8} pr^{n}]
가열의 경우 (n = 0.4), 냉각의 경우 (n = 0.3). 튜브 직경 ((D))이 레이놀즈 수 ((re = \ frac {\ rho vd} {\ mu}))에 반비례하기 때문에 더 작은 튜브 직경은 레이놀즈 수가 높아지고 결과적으로 더 높은 튜브 - 측열 전달 계수를 초래합니다.
쉘 - 측면 열전달 계수
쉘 측에서 튜브 직경은 또한 흐름 패턴과 열 전달 계수를 결정하는 데 역할을합니다. 더 작은 튜브 직경을 사용하면 더 많은 수의 튜브를 주어진 쉘 직경으로 포장 할 수 있습니다. 이로 인해 쉘 - 측면 유체가 흐르고 난기류가 향상되고 쉘 측면 열전달 계수 ((H_O))가 증가해야합니다. 그러나 튜브 직경이 너무 작 으면 튜브 사이의 유량 채널이 너무 좁아서 압력 강하가 증가하고 가스 이식기의 전체 효율을 감소시킬 수 있습니다.
열 전달 영역에 대한 튜브 직경의 영향
쉘 및 튜브 가스 이파의 열전달 영역 ((A))는 튜브 직경 ((D)) 및 튜브의 길이 ((L)) 및 튜브 수 ((N))과 직접 관련이 있습니다. 열 전달 영역은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
[a = \ pi dln]
주어진 쉘 직경 및 튜브 길이의 경우, 더 작은 튜브 직경을 사용하면 더 많은 수의 튜브를 설치할 수 있으며, 이는 총 열전달 영역을 증가시킵니다. 열 전달 영역의 이러한 증가는 전체 열 전달 계수와 로그 평균 온도 차이가 일정하게 유지된다고 가정 할 때 전체 열 전달 속도의 증가를 초래할 수 있습니다.
그러나 튜브 직경을 너무 많이 줄이면 실제적인 한계가 생길 수 있습니다. 예를 들어, 작은 튜브는 파울 링이 더 발생하여 시간이 지남에 따라 열 전달 효율을 줄일 수 있습니다. 또한, 더 작은 직경 튜브의 제조 및 유지 보수는 더 어려울 수 있고 비용이 많이들 수 있습니다.
압력 강하에 대한 튜브 직경의 영향
열 전달에 대한 튜브 직경의 영향을 평가할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 요소는 압력 강하입니다. 튜브 측에서, 더 작은 튜브 직경은 주어진 질량 유량에 대해 더 높은 유체 속도로 이어진다. Darcy- 파이프의 압력 강하에 대한 Weisbach 방정식에 따르면 :
[\ delta p_f = f \ frac {l} {d} \ frac {\ rho v^{2}} {2}]
(\ delta p_f)는 마찰 압력 강하, (f)는 마찰 계수, (l)은 튜브의 길이, (d)는 튜브 직경, (\ rho)는 유체 밀도이며 (v)는 유체 속도입니다. 튜브 직경이 감소함에 따라 압력 강하가 증가하여 흐름을 유지하기 위해 더 많은 펌핑 전력이 필요합니다.
쉘 측에서 압력 강하는 튜브 직경의 영향을받습니다. 튜브 직경이 작은 것은 난기류가 증가하고 튜브 사이의 더 좁은 유량 채널로 인해 쉘 - 측압 강하를 증가시킬 수 있습니다.
실질적인 고려 사항 및 응용 프로그램
실용적인 쉘 및 튜브 가스 오이퍼 설계에서 튜브 직경의 선택은 열 전달 효율, 압력 강하, 파울 링 저항, 제조 및 유지 보수 비용 사이의 거래입니다. 높은 열전달 속도가 필요한 응용 분야의 경우 유체가 점도가 낮으며 더 작은 튜브 직경이 선호 될 수 있습니다. 예를 들어, 반응물이 빠르게 가열되거나 냉각되어야하는 일부 화학 공정에서, 더 작은 직경의 튜브를 갖는 쉘 및 튜브 가스화제는보다 효율적인 열 전달 용액을 제공 할 수있다.
그러나, 유체가 점성이거나 미립자 물질을 포함하는 응용의 경우, 더 큰 튜브 직경은 압력 강하를 줄이고 오염을 최소화하기 위해 더 적합 할 수있다. 공급 원료가 재 및 기타 고체 입자를 포함 할 수있는 바이오 매스 가스화의 경우, 더 큰 튜브 직경은 막힘을 방지하고 가스화기의 원활한 작동을 보장 할 수 있습니다.
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결론
튜브 직경은 쉘 및 튜브 가스화기의 열 전달에 상당한 영향을 미칩니다. 열 전달 계수, 열 전달 면적 및 압력 강하에 영향을 미칩니다. 튜브 직경을 신중하게 선택함으로써 파울 링, 압력 강하 및 제조 비용과 같은 실제 제한을 고려하면서 가스이기의 열 전달 성능을 최적화 할 수 있습니다.
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참조
- Acropera, FP, & Dewitt, DP (2002). 열과 질량 전달의 기본. John Wiley & Sons.
- Kern, DQ (1950). 프로세스 열전달. 맥그로 - 힐.
- Shah, RK, & Sekulic, DP (2003). 열교환 기 설계의 기초. John Wiley & Sons.
