Izračun toplotnega izmenjevalnika trenutno ne traja več kot pet minut. Vsaka organizacija, ki izdeluje in prodaja takšno opremo, praviloma vsakomur ponuja svoj izbirni program. Brezplačno ga lahko prenesete s spletne strani podjetja ali pa bo njihov tehnik prišel v vašo pisarno in ga brezplačno namestil. Vendar, kako pravilen je rezultat takšnih izračunov, ali mu je mogoče zaupati in ali proizvajalec ni zvit, ko se bori na razpisu s svojimi konkurenti? Preverjanje elektronskega kalkulatorja zahteva znanje ali vsaj razumevanje metodologije za izračun sodobnih toplotnih izmenjevalcev. Poskusimo razumeti podrobnosti.
Kaj je toplotni izmenjevalec
Preden opravimo izračun toplotnega izmenjevalnika, se spomnimo, kakšna naprava je to? Aparat za prenos toplote in mase (tudi toplotni izmenjevalec, tudi toplotni izmenjevalec ali TOA).naprava za prenos toplote iz ene hladilne tekočine v drugo. V procesu spreminjanja temperatur toplotnih nosilcev se spreminjajo tudi njihove gostote in s tem tudi kazalniki mase snovi. Zato se takšni procesi imenujejo prenos toplote in mase.
Vrste prenosa toplote
Zdaj se pogovorimo o vrstah prenosa toplote - obstajajo le trije. Sevalni - prenos toplote zaradi sevanja. Kot primer si oglejte sončenje na plaži v toplem poletnem dnevu. In takšne toplotne izmenjevalce je mogoče najti celo na trgu (cevni grelniki zraka). Najpogosteje pa za ogrevanje stanovanjskih prostorov, prostorov v stanovanju kupujemo oljne ali električne radiatorje. To je primer druge vrste prenosa toplote - konvekcije. Konvekcija je lahko naravna, prisilna (napa, v škatli pa je toplotni izmenjevalnik) ali mehansko (z ventilatorjem npr.). Slednja vrsta je veliko bolj učinkovita.
Vendar pa je najučinkovitejši način prenosa toplote prevodnost ali, kot jo tudi imenujejo, prevodnost (iz angleščine prevodnost - "prevajanje"). Vsak inženir, ki bo izvedel toplotni izračun toplotnega izmenjevalnika, najprej razmišlja o tem, kako izbrati učinkovito opremo v minimalnih dimenzijah. In to je mogoče doseči ravno zaradi toplotne prevodnosti. Primer tega je danes najučinkovitejši TOA - ploščni toplotni izmenjevalniki. Ploščni toplotni izmenjevalec je po definiciji toplotni izmenjevalec, ki prenaša toploto iz enega hladilnega sredstva v drugega skozi steno, ki jih ločuje. največmožna kontaktna površina med obema medijema skupaj s pravilno izbranimi materiali, profilom plošč in debelino omogoča minimiziranje velikosti izbrane opreme ob ohranjanju prvotnih tehničnih lastnosti, zahtevanih v tehnološkem procesu.
Vrste toplotnih izmenjevalcev
Pred izračunom toplotnega izmenjevalnika se določi z njegovim tipom. Vse TOA lahko razdelimo v dve veliki skupini: rekuperativne in regenerativne toplotne izmenjevalce. Glavna razlika med njima je naslednja: pri regenerativnih TOA izmenjava toplote poteka skozi steno, ki ločuje dve hladilni tekočini, pri regenerativnih pa imata dva medija neposreden stik drug z drugim, pogosto se mešata in zahtevata naknadno ločevanje v posebnih separatorjih. Regenerativni toplotni izmenjevalniki se delijo na mešalne in toplotne izmenjevalnike z embalažo (stacionarni, padajoči ali vmesni). Grobo rečeno, vedro vroče vode, izpostavljeno zmrzali, ali kozarec vročega čaja, ki se ohladi v hladilniku (nikoli tega ne počnite!) - to je primer takšnega mešanja TOA. In če čaj nalijemo v krožnik in ga na ta način ohladimo, dobimo primer regenerativnega toplotnega izmenjevalnika s šobo (krožnik v tem primeru igra vlogo šobe), ki najprej pride v stik z okoliškim zrakom in izmeri njegovo temperaturo, in nato odvzame del toplote vročemu čaju, ki ga vlijemo vanj, s čimer želi oba medija spraviti v toplotno ravnovesje. Vendar, kot smo že ugotovili prej, je bolj učinkovito uporabljati toplotno prevodnost za prenos toplote iz enega medija v drugega, zatoNajbolj uporabni (in široko uporabljeni) TOA danes so seveda regenerativni.
Toplotna in strukturna zasnova
Vsak izračun rekuperativnega toplotnega izmenjevalnika se lahko izvede na podlagi rezultatov toplotnih, hidravličnih in trdnostnih izračunov. So temeljni, obvezni pri načrtovanju nove opreme in predstavljajo osnovo metodologije za izračun poznejših modelov linije podobnih naprav. Glavna naloga toplotnega izračuna TOA je določiti potrebno površino površine za izmenjavo toplote za stabilno delovanje toplotnega izmenjevalnika in vzdrževanje zahtevanih parametrov medija na izhodu. Pogosto se pri takšnih izračunih inženirjem podajo poljubne vrednosti teže in velikosti bodoče opreme (material, premer cevi, dimenzije plošč, geometrija snopa, vrsta in material plavuti itd.), Zato po toplotni izračun, običajno izvedejo konstruktivni izračun toplotnega izmenjevalnika. Konec koncev, če bi na prvi stopnji inženir izračunal potrebno površino za dani premer cevi, na primer 60 mm, in se je izkazala, da je dolžina toplotnega izmenjevalnika približno šestdeset metrov, bi bilo bolj logično domnevati prehod na večprehodni toplotni izmenjevalnik ali na lupino-cevni tip ali za povečanje premera cevi.
hidravlični izračun
Izvajajo se hidravlični ali hidromehanski, pa tudi aerodinamični izračuni, da se določi in optimizira hidravlični(aerodinamične) izgube tlaka v toplotnem izmenjevalniku, kot tudi izračun stroškov energije za njihovo premagovanje. Izračun katere koli poti, kanala ali cevi za prehod hladilne tekočine predstavlja za osebo primarno nalogo - intenzivirati proces prenosa toplote na tem področju. To pomeni, da mora en medij prenesti, drugi pa prejeti čim več toplote v minimalnem obdobju svojega pretoka. Za to se pogosto uporablja dodatna površina za izmenjavo toplote v obliki razvitega površinskega rebra (za ločevanje mejnega laminarnega podsloja in povečanje pretočne turbulence). Optimalno razmerje ravnotežja med hidravličnimi izgubami, površino izmenjave toplote, težo in velikostjo ter odvzeto toplotno močjo je rezultat kombinacije toplotnega, hidravličnega in strukturnega izračuna TOA.
Preverite izračun
Preveritveni izračun toplotnega izmenjevalnika se izvede v primeru, ko je treba določiti mejo glede na moč ali glede na površino površine izmenjevalnika toplote. Površina je rezervirana iz različnih razlogov in v različnih situacijah: če to zahteva referenčna naloga, če se proizvajalec odloči narediti dodatno maržo, da bi zagotovil, da bo tak toplotni izmenjevalnik dosegel režim in zmanjšal napake pri izračune. V nekaterih primerih je za zaokrožitev rezultatov konstruktivnih dimenzij potrebna redundanca, v drugih (uparjalniki, ekonomizatorji) je pri izračunu moči toplotnega izmenjevalnika posebej uvedena površinska meja za kontaminacijo s kompresorskim oljem, ki je prisotno v hladilnem krogu.. In slaba kakovost vodeje treba upoštevati. Po določenem času neprekinjenega delovanja toplotnih izmenjevalnikov, zlasti pri visokih temperaturah, se na površini izmenjevalnika toplote aparata usede vodni kamen, kar zmanjša koeficient toplotne prehodnosti in neizogibno vodi do parazitskega zmanjšanja odvajanja toplote. Zato kompetenten inženir pri izračunu toplotnega izmenjevalnika voda-voda posebno pozornost namenja dodatni redundanci površine izmenjevalnika toplote. Izvede se tudi verifikacijski izračun, da se vidi, kako bo izbrana oprema delovala v drugih, sekundarnih načinih. Na primer, v centralnih klimatskih napravah (napajalnih enotah) se prvi in drugi grelniki, ki se uporabljajo v hladni sezoni, poleti pogosto uporabljajo za hlajenje vhodnega zraka, ki dovaja hladno vodo v cevi toplotnega izmenjevalnika zraka. Kako bodo delovali in kateri parametri bodo izdali, vam omogoča, da ocenite izračun preverjanja.
raziskovalni izračuni
Raziskovalni izračuni TOA se izvajajo na podlagi dobljenih rezultatov toplotnih in verifikacijskih izračunov. Praviloma so potrebni za zadnje spremembe zasnove načrtovane naprave. Izvajajo se tudi z namenom, da se popravijo morebitne enačbe, ki so vključene v implementirani računski model TOA, pridobljen empirično (po eksperimentalnih podatkih). Izvajanje raziskovalnih izračunov vključuje desetine in včasih stotine izračunov po posebnem načrtu, ki je bil izdelan in implementiran v proizvodnji v skladu zmatematična teorija načrtovanja eksperimentov. Na podlagi rezultatov se razkrije vpliv različnih pogojev in fizikalnih veličin na kazalnike učinkovitosti TOA.
Drugi izračuni
Pri izračunu površine toplotnega izmenjevalnika ne pozabite na odpornost materialov. Izračuni trdnosti TOA vključujejo preverjanje načrtovane enote za napetost, torzijo, za uporabo največjih dovoljenih delovnih momentov na dele in sklope prihodnjega toplotnega izmenjevalnika. Z minimalnimi dimenzijami mora biti izdelek močan, stabilen in zagotavljati varno delovanje v različnih, tudi najzahtevnejših pogojih delovanja.
Dinamični izračun se izvede za določitev različnih značilnosti toplotnega izmenjevalnika v spremenljivih načinih delovanja.
Vrste zasnove toplotnega izmenjevalnika
Rekuperativni TOA po zasnovi lahko razdelimo v dokaj veliko število skupin. Najbolj znani in najpogosteje uporabljeni so ploščni toplotni izmenjevalniki, zračni (cevasti rebrasti), lupino-cevni, cevni toplotni izmenjevalniki, lupino-ploščati in drugi. Obstajajo tudi bolj eksotične in visoko specializirane vrste, na primer spiralni (tuljavni toplotni izmenjevalnik) ali strgani tip, ki delujejo z viskoznimi ali nenewtonskimi tekočinami, pa tudi številne druge vrste.
cevni izmenjevalniki toplote
Oglejmo si najpreprostejši izračun toplotnega izmenjevalnika "cev v cevi". Strukturno je ta vrsta TOA maksimalno poenostavljena. Praviloma spuščajo v notranjo cev aparatavroča hladilna tekočina, da se zmanjšajo izgube, hladilna tekočina pa se sproži v ohišje ali v zunanjo cev. Inženirska naloga je v tem primeru zmanjšana na določitev dolžine takega toplotnega izmenjevalnika na podlagi izračunane površine površine izmenjevalnika toplote in danih premerov.
Tukaj je vredno dodati, da je v termodinamiki uveden koncept idealnega toplotnega izmenjevalnika, to je aparata neskončne dolžine, kjer toplotni nosilci delujejo v protitoku, temperaturna razlika med njimi pa je v celoti izdelana. Zasnova cevi v cevi je najbližje izpolnjevanju teh zahtev. In če hladilne tekočine vodite v protitoku, bo to tako imenovani "pravi protitok" (in ne križni, kot v ploščnih TOA). Temperaturna glava je najbolj učinkovito izdelana s takšno organizacijo gibanja. Vendar pa je treba pri izračunu toplotnega izmenjevalnika "cev v cevi" biti realen in ne pozabiti na logistično komponento, pa tudi na enostavnost namestitve. Dolžina eurotovornjaka je 13,5 metra, vsi tehnični prostori pa niso prilagojeni za drsenje in vgradnjo opreme te dolžine.
Toplotni izmenjevalniki s lupino in cevi
Zato se zelo pogosto izračun takšne naprave gladko pretaka v izračun toplotnega izmenjevalnika lupine in cevi. To je aparat, v katerem je snop cevi nameščen v enem samem ohišju (ohišju), ki se spere z različnimi hladilnimi sredstvi, odvisno od namena opreme. V kondenzatorjih, na primer, hladilno sredstvo teče v lupino, voda pa v cevi. S to metodo gibanja medijev je bolj priročno in učinkoviteje nadzorovatidelovanje aparata. V uparjalnikih, nasprotno, hladilno sredstvo vre v ceveh, medtem ko jih izpira ohlajena tekočina (voda, slanice, glikoli itd.). Zato se izračun toplotnega izmenjevalnika lupine in cevi zmanjša na zmanjšanje dimenzij opreme. Ko se igra s premerom lupine, premerom in številom notranjih cevi ter dolžino aparata, inženir doseže izračunano vrednost površine izmenjave toplote.
zračni toplotni izmenjevalniki
Eden najpogostejših toplotnih izmenjevalnikov danes so cevni rebrasti toplotni izmenjevalniki. Imenujejo jih tudi kače. Kjer niso samo nameščeni, začenši od ventilatorskih konvektorjev (iz angleškega fan + coil, tj. "fan" + "coil") v notranjih enotah split sistemov in konča z ogromnimi rekuperatorji dimnih plinov (odvzem toplote iz vročih dimnih plinov). in prenos za potrebe ogrevanja) v kotlovnicah SPTE. Zato je izračun tuljavnega toplotnega izmenjevalnika odvisen od aplikacije, kjer bo ta toplotni izmenjevalnik začel obratovati. Industrijski hladilniki zraka (HOP), vgrajeni v komore za hitro zamrzovanje mesa, nizkotemperaturne zamrzovalnike in druge hladilne naprave za živila, zahtevajo določene oblikovne značilnosti v svoji zasnovi. Razmik med lamelami (plavuti) naj bo čim večji, da se podaljša čas neprekinjenega delovanja med cikli odmrzovanja. Uparjalniki za podatkovne centre (centre za obdelavo podatkov), nasprotno, so čim bolj kompaktni z vpetjem medlamelarnegaminimalna razdalja. Takšni toplotni izmenjevalniki delujejo v "čistih conah", obkroženi s finimi filtri (do razreda HEPA), zato se tak izračun cevnega toplotnega izmenjevalnika izvaja s poudarkom na minimiziranju dimenzij.
ploščni toplotni izmenjevalniki
Trenutno so ploščni toplotni izmenjevalniki v stabilnem povpraševanju. Po svoji zasnovi so popolnoma zložljivi in polvarjeni, bakreno in nikljano spajkani, varjeni in spajkani z difuzijo (brez spajkanja). Toplotni izračun ploščnega toplotnega izmenjevalnika je precej prilagodljiv in za inženirja ne predstavlja posebnih težav. Pri izbirnem postopku se lahko igrate z vrsto plošč, globino kanalov kovanja, vrsto reber, debelino jekla, različnimi materiali in kar je najpomembneje, številnimi standardnimi modeli naprav različnih velikosti. Takšni toplotni izmenjevalniki so nizki in široki (za parno ogrevanje vode) ali visoki in ozki (ločevalni toplotni izmenjevalniki za klimatske sisteme). Pogosto se uporabljajo tudi za medije s spremembo faz, to je kot kondenzatorji, uparjalniki, razgrevalniki, predkondenzatorji itd. Toplotni izračun dvofaznega toplotnega izmenjevalnika je nekoliko bolj zapleten kot izmenjevalnik toplote tekočina-tekočina, vendar za izkušenega inženirja, ta naloga je rešljiva in ne predstavlja posebnih težav. Za olajšanje takšnih izračunov sodobni oblikovalci uporabljajo inženirske računalniške baze podatkov, kjer lahko najdete veliko potrebnih informacij, vključno z diagrami stanja katerega koli hladilnega sredstva v katerem koli zamahu, na primer programCoolPack.
Primer izračuna toplotnega izmenjevalnika
Glavni namen izračuna je izračunati zahtevano površino površine za izmenjavo toplote. Toplotna (hladilna) moč je običajno določena v opisu nalog, vendar jo bomo v našem primeru izračunali tako rekoč, da preverimo sam projekt. Včasih se zgodi tudi, da se v izvorne podatke lahko prikrade napaka. Ena od nalog pristojnega inženirja je najti in odpraviti to napako. Za primer izračunajmo ploščni toplotni izmenjevalnik tipa "tekočina-tekočina". Naj bo to odklopnik tlaka v visoki zgradbi. Za raztovarjanje opreme s pritiskom se ta pristop zelo pogosto uporablja pri gradnji nebotičnikov. Na eni strani toplotnega izmenjevalnika imamo vodo z vstopno temperaturo Tin1=14 ᵒС in izstopno temperaturo Тout1=9 ᵒС ter s pretokom G1=14.500 kg / h, na drugi strani pa tudi vodo, vendar samo z naslednjimi parametri: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Izračunamo zahtevano moč (Q0) po formuli toplotne bilance (glej sliko zgoraj, formula 7.1), kjer je Ср specifična toplotna kapaciteta (tabelna vrednost). Zaradi enostavnosti izračunov vzamemo zmanjšano vrednost toplotne kapacitete Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Štetje:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - na prvi strani in
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - na drugi strani.
Upoštevajte, da je v skladu s formulo (7.1) Q0=Q1=Q2, ne glede nana kateri strani je bil opravljen izračun.
Nadaljnje z uporabo glavne enačbe za prenos toplote (7.2) najdemo zahtevano površino (7.2.1), kjer je k koeficient prenosa toplote (vzemite enako 6350 [W/m 2]), in ΔТav.log. - povprečna logaritemska temperaturna razlika, izračunana po formuli (7.3):
ΔT povprečni dnevnik.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F nato=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Ko koeficient prenosa toplote ni znan, je izračun ploščnega toplotnega izmenjevalnika nekoliko bolj zapleten. Po formuli (7.4) izračunamo Reynoldsov kriterij, kjer je ρ gostota, [kg/m3], η je dinamična viskoznost, [Ns/m 2], v je hitrost medija v kanalu, [m/s], d cm je namočen premer kanala [m].
V skladu s tabelo poiščemo vrednost Prandtlovega kriterija [Pr], ki ga potrebujemo, in s formulo (7.5) dobimo Nusseltov kriterij, kjer je n=0,4 - v pogojih segrevanja tekočine in n=0,3 - v pogojih tekočega hlajenja.
Naprej s formulo (7.6) izračunamo koeficient prenosa toplote od vsakega hladilne tekočine do stene in s formulo (7.7) izračunamo koeficient toplotne prehodnosti, ki ga nadomestimo s formulo (7.2.1) za izračun površine izmenjevalne površine.
V navedenih formulah je λ koeficient toplotne prevodnosti, ϭ debelina stene kanala, α1 in α2 sta koeficienta prenosa toplote od vsakega od toplotnih nosilcev do stene.
