Warmteoordragskoëffisiënt

Warmteoordragskoëffisiënt in termodinamika en in meganiese ingenieurswese is die eweredigheidskonstante tussen hittestroom en die termodinamiese dryfkrag vir die vloei van hitte.

Formule 

Wanneer die hitteoordrag of hittelas (Q) van 'n hitteruiler bepaal word, word die volgende formule gebruik:

(Omdat U gebaseer is op die buis buitediameter, gebruik ook die buitediameter wanneer die area bereken word)

Waar:

  = hitteoordrag [Watt]
  = warmteoordragskoëffisiënt [W/(m2.K)]
  = oordragoppervlak in vierkante meter
  = Gemiddelde temperatuurverskil [°C]
  = Logaritmies gemiddelde temperatuurverskil [°C]
  = Temperatuur korreksiefaktor. Dit is 'n funksie van die hoeveelheid gange van die hitteruiler en die posisie van die in- en uitlate van die hitteruiler.
  = Aantal buise
  = Buis buitediameter [meter]
  = Buislengte [meter]

Gebruik altyd eenhede sodat die linkerkant gelyk is aan die regterkant.

Kompenseer warmteoordragskoëffisiënt vir snelheid 

Omdat die warmteoordragskoëffisiënt 'n funksie is van vloeisnelheid (kyk later), kan dit soos volg gekompenseer word vir snelheid:

Waar:

  = Vloei. Vir die hoogste akkuraatheid moet volumevloei of vloeisnelheid gebruik word, veral vir gasse waar die digtheid 'n sterk funksie van temperatuur is. Omdat hierdie metode egter 'n benaderde metode is kan massavloei of molvloei ook gebruik word indien temperature nie baie verander nie.
 ,  = Verwysingsvloei aan die warm en koue kant (gebruik verkieslik volumevloei of vloeisnelheid)
 ,  = Werklike vloei aan die warm en koue kant.
 ,  = warm en koue eksponente wat eksperimenteel verkry word. In Aspen Plus weergawe 10 se HeatX-blok word die verstekwaardes gegee as x = 0.6 en y = 0.8
  = Berekende warmteoordragskoëffisiënt by , 
  = Verwysingswarmteoordragskoëffisiënt by , 

Hitteruiler monitering

Wanneer 'n hitteruiler se prestasie deur middel van sy warmteoordragskoëffisiënt gemoniteer word, is dit belangrik om te kompenseer vir snelheid. Dit kan soos volg gedoen word:

Bepaling van verwysingswaardes en eksponente

Die verwysingswaardes en eksponente (, , , ) kan verkry word deur werklike data te gebruik en hierdie waardes so te verander dat die berekende warmteoordragskoëffisiënt () so min as moontlik 'n funksie van vloei is. Dus moet dit nie verander wanneer vloei verander nie.

Formule vir warmteoordragskoëffisiënt vir 'n buis en mantel hitteruiler 
Die warmteoordragskoëffisiënt vir 'n hitteruiler, gebaseer op die buis te buitediameter, word soos volg weergegee:

Geleidingsterm 

In Warmteoordrag word die geleiding van 'n hol silinder afgelei asː

En die hitte-oordrag weerstand asː

 

Indien hierdie term met  gemaal word, word die geleidingsterm verkryː

 

 

Dusː

Die gelykdingsterm kan ook soos volg vereenvoudig word:

Afkortings 
Die volgende afkortings is van toepassingː

  = hitteoordragskoëffisiënt [W/(m2.K)]
  = buis buitediameter [m]
  = buis binnediameter [m]

  = buite filmkoëffisiënt [W/(m2.K)] (Bereken soos bo gewys)
  = binne filmkoëffisiënt [W/(m2.K)] (Bereken soos bo gewys)
  = buite bevuilingskoëffisiënt [W/(m2.K)] (Lees af uit tabelle)
  = binne bevuilingskoëffisiënt [W/(m2.K)] (Lees af uit tabelle)

  = termiese geleiding van buismateriaal [W/(m.K)]

  = wanddikte van buis [m]

  = temperatuur [°C]
  = snelheid [m/s]
  = snelheid van water [m/s]
  = dightheid[kg/m3]
  = viskositeit by gemiddelde vloeiertemperatuur [Ns/m]
  = viskositeit by buiswand [Ns/m]
  = vloeier spesifieke warmtekapasiteit [J/(kg.K)]
  = vloeier termiese geleiding [W/(m.K)]

Filmkoëffisiënte (hi en ho) 

Die filmkoëffisiënte ( en ) word met die volgende formules hieronder bereken.

Buiskant

Vir die buiskant word  vervang met  en  word vervang met "".

Die vloeisnelheid aan die buiskant word eenvoudig soos volg bepaal:

Waar:

  = vloeisnelheid in die buise (m/s)
  = massavloei (kg/h)
  = dightheid (kg/m3)
  = totale aantal buise (die aantal gate in die buisplaat)
  = aantal buisgange (Engelsː "passes") van hitteruiler
  = buis binnediameter (meter)

Mantelkant

Vir die mantelkant word  vervang met  en  word vervang met met die hidrouliese diameter, .

Diameter

Vir 'n vierkantige buiskonfigurasie word die volgende formule gebruik:

Vir 'n driehoekige buiskonfigurasie word die volgende formule gebruik:

Waarː

  = buisspasiëring
  = buis se buitediameter

Hierdie twee formules word afgelei in hidrouliese diameter.

Snelheid

Die snelheid is nodig om die Reynoldsgetal uit te werk.
Om die snelheid te bepaal word die vloei loodreg met die buise tussen die keerplate by die ewenaar van die hitteruiler beskou.

Die deursnitarea by die ewenaar van die hitteruiler word soos volg bereken:

Dus is die snelheid aan die mantelkant die volgende:

Waar:

  = Effektiewe deursnit vloeiarea
  = Binnediameter van die hitteruiler mantel
  = Keerplaat spasiëring (afstand tussen keerplate)
  = Buis spasiëring
  = Buis buitediameter
  = Snelheid aan die mantelkant

Formules

Die volgende formules word vir beide die buiskant en mantelkant gebruik.

Vir die buiskant word , ,  vervang met , , .

Vir die mantelkant word , ,  vervang met , , .

 Reynoldsgetal: 

 Prandtlgetal: 

 

 

 

  = 0.021 vir gasse
  = 0.023 vir nie-viskose vloeistowwe
  = 0.027 vir viskose vloeistowwe

Benadering vir water

Vir water kan die volgende benadering gebruik word:

Hierdie wys ook dat sou alle ander parameters dieselfde bly, dan geld in die algemeenː

Tipiese bevuilingskoëffisiënte (hod en hid) 
Bevuilingskoëffisiënte  en  is konstantes en word eksperimenteel bepaal en afgelees van tabelle in die literatuur. Hier volg 'n lysː

Uit "Chemical Engineering", Coulson and Richardson, Volume 6, 2de uitgawe, bladsy 538

Termiese geleiding (kw) 

Kyk:
 "Perry's Chemical Engineers' Handbook", 6de uitgawe, bladsy 3-261
 Engineering toolbox/Thermal conductivity

Tipiese warmteoordragskoëffisiënte (U) 
Die volgende is 'n lys van tipiese warmteoordragskoëffisiënteː

Kyk:
 "Chemical Engineering", Coulson and Richardson, Volume 6, 2de uitgawe, bladsy 580
 Engineering toolbox/overall heat transfer coefficient

Engelse terme
 Gas ketel = Gas boiler
 Gasverkoeler = Gas cooler
 Geforseerde konveksie gas = Forced convection gas
 Geforseerde konveksie vloeiende gas = Forced convection (flowing) gas
 Geforseerde vloeistof vloeiende water = Forced liquid (flowing) water
 Gekondenseerde waterdamp = Condensing vapor water
 Hitteruiler = Heat exchanger
 Kokende water (vloeistof) = Boiling liquid water
 Kondenseerder = Condenser
 Lugverkoelers = Air cooler
 Mantel = Jacket
 Oliebad = Oil bath
 Ontbrandingskamer = Combustion chamber
 Pekel = Brine
 Roerder = Stirrer
 Stoomketel = Steam boiler
 Straling = Radiation
 Superheater = Oorverhitter
 Verdamper = Evaporator
 Verdamping = Evaporation
 Verhittingsklos = Heating coil
 Verkoeler = Radiator
 Verkoeler = Refrigerator
 Verkoelingsklos = Cooling coil
 Vloeimanipulasie = Steering
 Vloeistofvrye konveksie = Liquid free convection
 Vrye konveksie gas = Free convection gas
 Vrye konveksie vloeistof = Free convection liquid

Bronne 
 Coulson & Richardson, Chemical engineering, Volume 6, Hersiene 2de uitgawe, bladsy 608

Sien ook 
 Hitteruiler
 Konveksie
 Logaritmies gemiddelde temperatuurverskil
 Termiese geleidingsvermoë
 Warmte
 Warmteoordrag

Hitte