Calculul schimbătorului de căldură nu durează în prezent mai mult de cinci minute. Orice organizație care produce și vinde astfel de echipamente, de regulă, oferă fiecăruia propriul program de selecție. Poate fi descărcat gratuit de pe site-ul companiei, sau tehnicianul acestuia va veni la biroul dumneavoastră și îl va instala gratuit. Totuși, cât de corect este rezultatul unor astfel de calcule, poate fi de încredere și producătorul nu este viclean când se luptă într-o licitație cu concurenții săi? Verificarea unui calculator electronic necesită cunoștințe sau cel puțin înțelegerea metodologiei de calcul a schimbătoarelor de căldură moderne. Să încercăm să înțelegem detaliile.
Ce este un schimbător de căldură
Înainte de a efectua calculul schimbătorului de căldură, să ne amintim ce fel de dispozitiv este acesta? Un aparat de transfer de căldură și masă (denumit și schimbător de căldură, alias schimbător de căldură sau TOA) esteun dispozitiv pentru transferul căldurii de la un lichid de răcire la altul. În procesul de modificare a temperaturilor purtătorilor de căldură, densitățile acestora și, în consecință, indicatorii de masă ai substanțelor se modifică. De aceea, astfel de procese sunt numite transfer de căldură și masă.
Tipuri de transfer de căldură
Acum să vorbim despre tipurile de transfer de căldură - sunt doar trei dintre ele. Radiativ - transfer de căldură datorită radiației. De exemplu, luați în considerare plaja pe plajă într-o zi caldă de vară. Și astfel de schimbătoare de căldură pot fi găsite chiar și pe piață (încălzitoare de aer cu tub). Cu toate acestea, cel mai adesea pentru încălzirea spațiilor rezidențiale, a camerelor dintr-un apartament, cumpărăm radiatoare cu ulei sau electrice. Acesta este un exemplu de alt tip de transfer de căldură - convecția. Convecția poate fi naturală, forțată (hotă, iar în cutie există un schimbător de căldură) sau acționată mecanic (cu un ventilator, de exemplu). Cel din urmă tip este mult mai eficient.
Cu toate acestea, cea mai eficientă modalitate de a transfera căldura este conducția sau, așa cum este numită și, conducția (din engleză. conducție - „conducție”). Orice inginer care urmează să efectueze un calcul termic al unui schimbător de căldură, în primul rând, se gândește la cum să selecteze echipamente eficiente în dimensiuni minime. Și este posibil să se realizeze acest lucru tocmai datorită conductivității termice. Un exemplu în acest sens este cel mai eficient TOA de astăzi - schimbătoare de căldură cu plăci. Un schimbător de căldură cu plăci, conform definiției, este un schimbător de căldură care transferă căldura de la un lichid de răcire la altul printr-un perete care le separă. Maximposibila zonă de contact dintre cele două medii, împreună cu materialele corect selectate, profilul plăcii și grosimea, permite reducerea la minimum a dimensiunii echipamentului selectat, păstrând în același timp caracteristicile tehnice originale cerute în procesul tehnologic.
Tipuri de schimbătoare de căldură
Înainte de a calcula schimbătorul de căldură, acesta se determină cu tipul acestuia. Toate TOA pot fi împărțite în două grupuri mari: schimbătoare de căldură recuperative și regenerative. Principala diferență dintre ele este următoarea: în TOA regenerative, schimbul de căldură are loc printr-un perete care separă doi lichide de răcire, în timp ce în cele regenerative, două medii au contact direct unul cu celăl alt, adesea amestecându-se și necesitând separarea ulterioară în separatoare speciale. Schimbătoarele de căldură regenerative se împart în amestecare și schimbătoare de căldură cu umplutură (staționare, în cădere sau intermediare). Aproximativ, o găleată cu apă fierbinte, expusă la îngheț, sau un pahar de ceai fierbinte, setat să se răcească în frigider (nu faceți niciodată asta!) - acesta este un exemplu de astfel de amestecare TOA. Și turnând ceaiul într-o farfurie și răcindu-l în acest fel, obținem un exemplu de schimbător de căldură regenerativ cu o duză (farfuria din acest exemplu joacă rolul unei duze), care contactează mai întâi aerul din jur și ia temperatura acestuia, și apoi ia o parte din căldura de la ceaiul fierbinte turnat în el, căutând să aducă ambele medii în echilibru termic. Cu toate acestea, așa cum am aflat deja mai devreme, este mai eficient să folosiți conductibilitatea termică pentru a transfera căldura de la un mediu la altul, prin urmareCele mai utile (și utilizate pe scară largă) TOA de astăzi sunt, desigur, cele regenerative.
Design termic și structural
Orice calcul al unui schimbător de căldură recuperator poate fi efectuat pe baza rezultatelor calculelor termice, hidraulice și de rezistență. Ele sunt fundamentale, obligatorii în proiectarea noilor echipamente și formează baza metodologiei de calcul a modelelor ulterioare ale unei linii de dispozitive similare. Sarcina principală a calculului termic al TOA este de a determina zona necesară a suprafeței de schimb de căldură pentru funcționarea stabilă a schimbătorului de căldură și menținerea parametrilor necesari ai mediului la ieșire. Destul de des, în astfel de calcule, inginerilor li se acordă valori arbitrare ale caracteristicilor de greutate și dimensiune ale viitorului echipament (material, diametrul țevii, dimensiunile plăcilor, geometria fasciculului, tipul și materialul aripioarelor etc.), prin urmare, după calcul termic, de obicei efectuează un calcul constructiv al schimbătorului de căldură. La urma urmei, dacă în prima etapă inginerul a calculat suprafața necesară pentru un anumit diametru de țeavă, de exemplu, 60 mm, iar lungimea schimbătorului de căldură s-a dovedit a fi de aproximativ șaizeci de metri, atunci ar fi mai logic să presupunem o tranziție. la un schimbător de căldură cu mai multe treceri sau la un tip carcasă și tub sau pentru a mări diametrul tuburilor.
Calcul hidraulic
Hidraulice sau hidromecanice, precum și calcule aerodinamice sunt efectuate pentru a determina și optimiza hidraulicepierderile de presiune (aerodinamice) în schimbătorul de căldură, precum și calcularea costurilor energetice pentru a le depăși. Calculul oricărei căi, canal sau conductă pentru trecerea lichidului de răcire reprezintă o sarcină principală pentru o persoană - să intensifice procesul de transfer de căldură în această zonă. Adică, un mediu trebuie să se transfere, iar celăl alt să primească cât mai multă căldură în perioada minimă a curgerii sale. Pentru aceasta, este adesea folosită o suprafață suplimentară de schimb de căldură, sub forma unei nervuri de suprafață dezvoltate (pentru a separa substratul laminar limită și pentru a spori turbulența curgerii). Raportul optim de echilibru dintre pierderile hidraulice, suprafața de schimb de căldură, caracteristicile de greutate și dimensiune și puterea termică eliminată este rezultatul unei combinații de calcul termic, hidraulic și structural al TOA.
Verifică calculul
Calculul de verificare a schimbătorului de căldură se efectuează în cazul în care este necesară stabilirea unei marje în ceea ce privește puterea sau în ceea ce privește suprafața suprafeței de schimb de căldură. Suprafața este rezervată din diverse motive și în diferite situații: dacă este cerut de caietul de sarcini, dacă producătorul decide să facă o marjă suplimentară pentru a fi sigur că un astfel de schimbător de căldură va atinge regimul și va minimiza erorile făcute în calculele. În unele cazuri, este necesară redundanța pentru rotunjirea rezultatelor dimensiunilor constructive, în timp ce în altele (evaporatoare, economizoare), se introduce în mod special o marjă de suprafață în calculul puterii schimbătorului de căldură, pentru contaminarea cu uleiul compresorului prezent în circuitul frigorific.. Și calitatea proastă a apeitrebuie luate în considerare. După un timp de funcționare neîntreruptă a schimbătoarelor de căldură, în special la temperaturi ridicate, pe suprafața de schimb de căldură a aparatului se depune depuneri, reducând coeficientul de transfer de căldură și conducând inevitabil la o scădere parazită a eliminării căldurii. Prin urmare, un inginer competent, atunci când calculează un schimbător de căldură apă-apă, acordă o atenție deosebită redundanței suplimentare a suprafeței de schimb de căldură. De asemenea, se efectuează un calcul de verificare pentru a vedea cum va funcționa echipamentul selectat în alte moduri secundare. De exemplu, în aparatele centrale de aer condiționat (unități de alimentare), primul și al doilea încălzitor de încălzire, care sunt utilizate în sezonul rece, sunt adesea folosite vara pentru a răci aerul de intrare, furnizând apă rece tuburilor schimbătorului de căldură cu aer. Cum vor funcționa și ce parametri vor oferi vă permite să evaluați calculul de verificare.
Calcule exploratorii
Calculele de cercetare ale TOA sunt efectuate pe baza rezultatelor obținute ale calculelor termice și de verificare. Ele sunt necesare, de regulă, pentru a face ultimele modificări la proiectarea aparatului proiectat. De asemenea, acestea sunt efectuate pentru a corecta eventualele ecuații care sunt încorporate în modelul de calcul implementat al TOA, obținut empiric (conform datelor experimentale). Efectuarea calculelor de cercetare presupune zeci și uneori sute de calcule conform unui plan special elaborat și implementat în producție în conformitate cuteoria matematică a experimentelor de planificare. Pe baza rezultatelor, este relevată influența diferitelor condiții și cantități fizice asupra indicatorilor de eficiență TOA.
Alte calcule
Când calculați suprafața schimbătorului de căldură, nu uitați de rezistența materialelor. Calculele de rezistență TOA includ verificarea unității proiectate pentru efort, pentru torsiune, pentru aplicarea momentelor maxime de lucru admisibile pieselor și ansamblurilor viitorului schimbător de căldură. Cu dimensiuni minime, produsul trebuie să fie puternic, stabil și să garanteze o funcționare sigură în diverse, chiar și în cele mai solicitante condiții de funcționare.
Calculul dinamic este efectuat pentru a determina diferitele caracteristici ale schimbătorului de căldură în moduri de funcționare variabile.
Tipuri de proiectare a schimbătorului de căldură
TOA recuperator prin proiectare poate fi împărțit într-un număr destul de mare de grupuri. Cele mai cunoscute și utilizate pe scară largă sunt schimbătoarele de căldură cu plăci, cu aer (cu aripioare tubulare), schimbătoare de căldură cu tub și tub, schimbătoare de căldură tub-in-pipe, cu plăci și altele. Există, de asemenea, tipuri mai exotice și foarte specializate, cum ar fi tipul spiral (schimbător de căldură cu bobine) sau tip răzuit, care funcționează cu fluide vâscoase sau non-newtoniene, precum și cu multe alte tipuri.
Schimbătoare de căldură țeavă-în-țeavă
Să luăm în considerare cel mai simplu calcul al schimbătorului de căldură „țeavă în conductă”. Din punct de vedere structural, acest tip de TOA este simplificat maxim. De regulă, acestea intră în tubul interior al aparatuluilichid de răcire fierbinte, pentru a minimiza pierderile, iar un lichid de răcire este lansat în carcasă sau în conducta exterioară. Sarcina inginerului în acest caz se reduce la determinarea lungimii unui astfel de schimbător de căldură pe baza ariei calculate a suprafeței de schimb de căldură și a diametrelor date.
Aici merită adăugat că în termodinamică este introdus conceptul de schimbător de căldură ideal, adică un aparat de lungime infinită, unde purtătorii de căldură lucrează în contracurent, iar diferența de temperatură este complet calculată între ei.. Designul conductă în conductă este cel mai aproape de îndeplinirea acestor cerințe. Și dacă rulați lichidele de răcire în contracurent, atunci va fi așa-numitul „contracurent real” (și nu încrucișat, ca în TOA-urile plăcilor). Capul de temperatură este cel mai eficient elaborat cu o astfel de organizare a mișcării. Cu toate acestea, atunci când se calculează schimbătorul de căldură „țeavă în conductă”, ar trebui să fii realist și să nu uităm de componenta logistică, precum și de ușurința instalării. Lungimea eurocamionului este de 13,5 metri, iar nu toate spațiile tehnice sunt adaptate pentru derapajul și instalarea echipamentelor de această lungime.
Schimbatoare de caldura cu manta si tuburi
De aceea, de foarte multe ori, calculul unui astfel de aparat se revarsă fără probleme în calculul unui schimbător de căldură cu carcasă și tub. Acesta este un aparat în care un mănunchi de țevi este amplasat într-o singură carcasă (carcasă), spălată de diverși agenți de răcire, în funcție de scopul echipamentului. În condensatoare, de exemplu, agentul frigorific este introdus în carcasă, iar apa trece în tuburi. Cu această metodă de mișcare media, este mai convenabil și mai eficient de controlatfunctionarea aparatului. În evaporatoare, dimpotrivă, agentul frigorific fierbe în tuburi, în timp ce acestea sunt spălate de lichidul răcit (apă, saramură, glicoli etc.). Prin urmare, calculul unui schimbător de căldură cu carcasă și tub se reduce la minimizarea dimensiunilor echipamentului. Jucându-se cu diametrul carcasei, cu diametrul și numărul conductelor interne și cu lungimea aparatului, inginerul ajunge la valoarea calculată a suprafeței de schimb de căldură.
Schimbătoare de căldură cu aer
Unul dintre cele mai comune schimbătoare de căldură astăzi este schimbătoarele de căldură tubulare cu aripioare. Se mai numesc si serpi. Acolo unde sunt instalate nu numai, pornind de la ventiloconvector (din engleza fan + coil, adică „ventilator” + „coil”) în unitățile interioare ale sistemelor split și terminând cu recuperatoare gigantice de gaze arse (extracția căldurii din gazele de ardere fierbinți). și transport pentru nevoi de încălzire) în centralele de cazane la CET. De aceea, calculul unui schimbător de căldură cu serpentină depinde de aplicația în care va intra în funcțiune acest schimbător de căldură. Răcitoarele industriale cu aer (HOP) instalate în camerele de congelare prin explozie a cărnii, congelatoarele cu temperatură joasă și alte instalații de refrigerare a alimentelor necesită anumite caracteristici de proiectare în proiectarea lor. Distanța dintre lamele (ariotoare) trebuie să fie cât mai mare posibil pentru a crește timpul de funcționare continuă între ciclurile de dezghețare. Evaporatoarele pentru centrele de date (centrele de prelucrare a datelor), dimpotrivă, se realizează cât mai compact prin prinderea interlamelară.distanta minima. Astfel de schimbătoare de căldură funcționează în „zone curate”, înconjurate de filtre fine (până la clasa HEPA), prin urmare, un astfel de calcul al unui schimbător de căldură tubular este realizat cu accent pe minimizarea dimensiunilor.
Schimbătoare de căldură cu plăci
În prezent, schimbătoarele de căldură cu plăci au o cerere stabilă. Conform designului lor, sunt complet pliabile și semisudate, lipite cu cupru și lipite cu nichel, sudate și lipite prin difuzie (fără lipire). Calculul termic al unui schimbător de căldură cu plăci este destul de flexibil și nu prezintă nicio dificultate deosebită pentru un inginer. În procesul de selecție, vă puteți juca cu tipul de plăci, adâncimea canalelor de forjare, tipul aripioarelor, grosimea oțelului, diferite materiale și, cel mai important, numeroase modele standard de dispozitive de diferite dimensiuni. Astfel de schimbătoare de căldură sunt joase și late (pentru încălzirea cu abur a apei) sau în alte și înguste (schimbătoare de căldură separatoare pentru sistemele de aer condiționat). Ele sunt, de asemenea, adesea folosite pentru medii cu schimbare de fază, adică ca condensatoare, evaporatoare, desurîncălzitoare, precondensatori etc. Calculul termic al unui schimbător de căldură cu două faze este puțin mai complicat decât un schimbător de căldură lichid-lichid, totuși, pentru inginer experimentat, această sarcină este rezolvabilă și nu prezintă nicio dificultate deosebită. Pentru a facilita astfel de calcule, designerii moderni folosesc baze de date computerizate de inginerie, unde puteți găsi o mulțime de informații necesare, inclusiv diagrame de stare ale oricărui agent frigorific în orice operațiune, de exemplu, un programCoolPack.
Exemplu de calcul al schimbătorului de căldură
Scopul principal al calculului este de a calcula suprafața necesară a suprafeței de schimb de căldură. Puterea termică (de refrigerare) este de obicei specificată în termenii de referință, cu toate acestea, în exemplul nostru, o vom calcula, ca să spunem așa, pentru a verifica în sine termenii de referință. Uneori se întâmplă și ca o eroare să se strecoare în datele sursă. Una dintre sarcinile unui inginer competent este să găsească și să corecteze această eroare. De exemplu, să calculăm un schimbător de căldură cu plăci de tip „lichid-lichid”. Să fie acesta un întrerupător de presiune într-o clădire în altă. Pentru a descărca echipamentele prin presiune, această abordare este foarte des folosită în construcția de zgârie-nori. Pe o parte a schimbătorului de căldură avem apă cu o temperatură de intrare Tin1=14 ᵒС și o temperatură de ieșire Тout1=9 ᵒС și cu un debit G1=14.500 kg / h, iar pe de altă parte - de asemenea apă, dar numai cu următorii parametri: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Calculăm puterea necesară (Q0) utilizând formula echilibrului termic (vezi figura de mai sus, formula 7.1), unde Ср este capacitatea termică specifică (valoarea tabelului). Pentru simplitatea calculelor, luăm valoarea redusă a capacității termice Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Se numără:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - pe prima parte și
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - pe a doua parte.
Rețineți că, conform formulei (7.1), Q0=Q1=Q2, indiferent depe ce parte a fost făcut calculul.
În continuare, folosind ecuația principală de transfer de căldură (7.2), găsim aria suprafeței cerute (7.2.1), unde k este coeficientul de transfer de căldură (luat egal cu 6350 [W/m 2]), și ΔТav.log. - diferența medie de temperatură logaritmică, calculată după formula (7.3):
ΔT jurnal mediu.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F apoi=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Când coeficientul de transfer de căldură este necunoscut, calculul schimbătorului de căldură cu plăci este puțin mai complicat. Conform formulei (7.4), calculăm criteriul Reynolds, unde ρ este densitatea, [kg/m3], η este vâscozitatea dinamică, [Ns/m 2], v este viteza mediului în canal, [m/s], d cm este diametrul umezit al canalului [m].
Conform tabelului, căutăm valoarea criteriului Prandtl [Pr] de care avem nevoie și, folosind formula (7.5), obținem criteriul Nusselt, unde n=0,4 - în condiții de încălzire lichidă, și n=0,3 - în condiții de răcire cu lichid.
În continuare, folosind formula (7.6), calculăm coeficientul de transfer de căldură de la fiecare lichid de răcire către perete și folosind formula (7.7), calculăm coeficientul de transfer de căldură, pe care îl înlocuim în formula (7.2.1) pentru a calcula aria suprafeței de schimb de căldură.
În formulele indicate, λ este coeficientul de conductivitate termică, ϭ este grosimea peretelui canalului, α1 și α2 sunt coeficienții de transfer de căldură de la fiecare dintre purtătorii de căldură către perete.
