Calculul schimbătorului de căldură: un exemplu. Calcularea zonei, puterea schimbătorului de căldură

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. Acesta poate fi descărcat gratuit de pe site-ul companiei, sau specialistul tehnic va veni la birou și îl va instala gratuit. Cu toate acestea, cât de bine este rezultatul unor astfel de calcule, este posibil să aveți încredere în el și să nu păcăliți producătorul, luptând cu concurenții săi? Verificarea calculatorului electronic necesită cunoaștere sau cel puțin înțelegerea metodologiei de calcul a schimbătorilor de căldură moderni. Să încercăm să înțelegem detaliile.

Ce este un schimbător de căldură

Înainte de a calcula schimbătorul de căldură, să ne amintim, dar ce fel de dispozitiv este acesta? Aparatura de transfer de căldură și masă (este, de asemenea, un schimbător de căldură, este, de asemenea schimbător de căldură, sau TOA) este un dispozitiv pentru transferul căldurii dintr-un lichid de răcire în altul. În procesul de schimbare a temperaturilor purtătorilor de căldură, densitățile lor și, în consecință, indicele de masă al substanțelor se schimbă. De aceea, astfel de procese se numesc schimb de căldură și masă.

Tipuri de transfer termic

Acum să vorbim tipuri de transfer termic - există doar trei dintre ele. Radiații - transferul de căldură datorat radiațiilor. De exemplu, vă puteți aminti să luați băi de soare 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 lămpi). Cu toate acestea, cel mai adesea pentru incalzirea spațiilor rezidențiale, camerele din apartament, cumpărăm radiatoare cu ulei sau radiatoare electrice. Acesta este un exemplu de alt tip de schimb de căldură - convecție. convectie este natural, forțat (evacuare, iar în cutie este recuperator) sau cu un impuls mecanic (cu un ventilator, de exemplu). Acest din urmă tip este mult mai eficient.

Cu toate acestea, cea mai eficientă modalitate de transfer de căldură este conducerea căldurii sau, după cum se mai numește, conducție (din conducta engleză - "conductivitate"). Orice inginer care intenționează să efectueze calculul căldurii unui schimbător de căldură se gândește mai întâi la alegerea unui echipament eficient în dimensiuni minime. Și acest lucru se poate realiza tocmai datorită conducerii căldurii. Un exemplu este cel mai eficient schimbător de căldură cu placă TOA. Placa TOA, conform definiției, este un schimbător de căldură care transferă căldură dintr-un lichid de răcire în altul prin peretele care le separă. maximă posibilă zona de contact dintre cele două medii împreună cu materiale selectate adevărate și plăcile lor de profil grosime Dimensiuni selectate pentru a minimiza hardware păstrând în același timp caracteristicile tehnice inițiale necesare în proces.

Tipuri de schimbătoare de căldură

Înainte de a calcula schimbătorul de căldură, acesta este determinat prin tipul său. Toate TOA pot fi împărțite în două grupe mari: schimbătoare de căldură recuperatoare și regenerative. Principala diferență este între acestea, după cum urmează: în schimbul de căldură recuperativ TOA are loc prin peretele care separă mediul două căldură și vin în contact unul cu celălalt în două medii de regenerare, necesitând adesea amestecarea ulterioară și separare în separatoare speciale. Schimbătoarele de căldură regenerative sunt împărțite în amestecuri și schimbătoare de căldură cu o duză (staționară, care se încadrează sau intermediară). Aproximativ vorbind, o găleată de apă caldă, a pus în frig, sau un pahar de ceai fierbinte, a pus răcit în frigider (niciodată nu face!) - acesta este un exemplu de astfel de amestec TOA. O turnarea farfurioara de ceai și răcirea atât obținem un exemplu al unui schimbător de căldură regenerativ cu duza (farfurioara, în acest exemplu joacă rolul duză), care este mai întâi pus în contact cu aerul ambiant și ia temperatura, iar apoi selectează o parte din căldura de turnat în ea de ceai fierbinte , încercând să aducă ambele medii într-un mod de echilibru termic. Cu toate acestea, așa cum am constatat deja o utilizare mai eficientă a conductivității termice pentru a transfera căldura de la un mediu la altul, prin urmare, mai util în ceea ce privește transferul de căldură (și utilizate pe scară largă) TOA astăzi - desigur, recuperative.

Calcul termic și constructiv

Orice calcul al schimbătorului de căldură regenerativ se poate face pe baza rezultatelor calculelor termice, hidraulice și de rezistență. Ele sunt fundamentale, indispensabile pentru proiectarea de noi echipamente și tehnici sunt baza de calcul a modelelor ulterioare ale aceluiași tip de linie de dispozitive. Sarcina principală a calculului TOA termic este de a determina aria suprafeței de schimb de căldură necesară pentru funcționarea stabilă a schimbătorului de căldură și menținerea parametrilor necesari ai priza media. Destul de des în astfel de calcule inginerii sunt date valori arbitrare ale caracteristicilor de greutate și dimensiuni ale echipamentelor viitoare (material, tuburi cu diametru, plăci, dimensiunile, geometria fasciculului, tipul și finning materialul et al.), Cu toate acestea, după căldura este condusă în mod tipic schimbător de calcul constructiv. La urma urmei, dacă inginerul primul pas considerat suprafață necesară pentru o conductă de diametru dat, de exemplu, 60 mm, iar lungimea schimbătorului de căldură, astfel transformat aproximativ șaizeci de metri, este logic să se presupună tranziție schimbător de căldură în mai multe etape sau la tipul fascicul de tuburi, sau pentru a mări diametrul tuburilor.

Calcul hidraulic

Calcule hidraulice sau hidro-mecanice și aerodinamice efectuate pentru a identifica și de a optimiza hidraulic (aerodinamic) pierderea de presiune în schimbătorul de căldură și pentru a calcula consumul de energie pentru a le depăși. Calculul oricărui tract, canal sau țeavă pentru trecerea lichidului de răcire stabilește sarcina principală pentru o persoană - intensificarea procesului de schimb de căldură în această zonă. Adică, un mediu trebuie să transmită, iar celălalt trebuie să primească cât mai multă căldură în intervalul minim al fluxului său. Pentru a face acest lucru, este adesea folosită o suprafață suplimentară de schimb de căldură, sub forma unei depuneri de suprafață (pentru detașarea substratului laminar delimitat și intensificarea turbulenței de curgere). Optimal relație echilibru în pierderi hidraulice, zonele suprafeței de schimb de căldură, caracteristicile de greutate și mărime, iar ieșirea căldurii retrase este rezultatul calculului agregat TOA termică, hidraulică și constructivă.

Calcul de verificare

Verificarea schimbătorului de căldură se realizează în cazul în care este necesar să se prevadă o rezervă de putere de orice suprafață de schimb de căldură. Suprafața rezervei pentru diferite motive și în diferite situații, în cazul în care acest lucru este cerut de termenii de referință, în cazul în care producătorul decide să facă o marjă suplimentară pentru a fi exact sigur că această căldură va fi lansat pe regimul, și pentru a minimiza erorile în calculele. În unele cazuri, rezervările sunt necesare pentru rotunjirea rezultate dimensiuni structurale în alte (evaporatoare, economizoare) în calculul puterii Schimbătorul de căldură este special injectat în suprafață, contaminat cu ulei de compresor prezent în circuitul de refrigerare. Da, și calitatea slabă a apei trebuie luată în considerare. După un timp, buna funcționare a schimbătoarelor de căldură, în special la temperaturi ridicate, drojdia depune pe suprafața dispozitivului de schimb de căldură, reducerea coeficientului de transfer termic și conducând în mod inevitabil la o reducere de decolare căldură parazitare. Prin urmare, un inginer competent, la calcularea schimbătorului de căldură apă-apă, acordă o atenție deosebită rezervării suplimentare a suprafeței schimbătoarelor de căldură. Calculul verificării se efectuează și pentru a vedea cum va funcționa echipamentul selectat în alte moduri secundare. De exemplu, în aparatele de climatizare centrale (instalatii de aer de alimentare) încălzitoarele pentru prima și a doua de încălzire utilizate în sezonul rece, și adesea implică vara pentru răcire alimentarea cu aer de alimentare cu apă rece în tubul schimbător de căldură aer. Cum vor funcționa și ce parametri vor produce, vă permite să evaluați calculul de verificare.

Calculele de cercetare

Calculele de cercetare ale ANA se bazează pe rezultatele calculelor termice și de verificare. Acestea sunt, de regulă, obligate să facă cele mai recente corecții la proiectarea aparatului proiectat. Acestea sunt, de asemenea, efectuate cu scopul de a adapta orice ecuație care este stabilită în modelul fezabil TOA, obținut empiric (conform datelor experimentale). Punerea în aplicare a calculelor de cercetare presupune realizarea a zeci și, uneori, sute de calcule în conformitate cu un plan special dezvoltat și implementat în producție în conformitate cu teoria matematică a planificării experimentale. Pe baza rezultatelor, se evidențiază efectul diferitelor condiții și cantități fizice asupra indicatorilor de eficiență ai TOA.

Alte calcule

La calcularea suprafeței schimbătorului de căldură, nu uitați de rezistența materialelor. Forțele de forță ale TOA includ verificarea unității proiectate pentru tensiune, torsiune, aplicarea momentelor de funcționare maxime admise la piesele și ansamblurile viitorului schimbător de căldură. Cu dimensiunile minime, produsul trebuie să fie puternic, stabil și să garanteze o funcționare sigură în diferite condiții de operare, chiar și cele mai stresante.

Calculul dinamic este efectuat în scopul definirii diferitelor caracteristici ale schimbătorului de căldură în moduri variabile ale funcționării acestuia.

Tipuri de construcție a schimbătorului de căldură

TOA de recuperare pentru construcții pot fi împărțite într-un număr suficient de mare de grupuri. Cel mai cunoscut și utilizat pe scară largă - un schimbător de căldură cu plăci, aer (tub nervurat), coajă și căldură tub schimbătoarele „țeavă în țeavă“, manta și placă, și altele. Există, de asemenea, mai multe tipuri exotice și înguste de specialitate, de exemplu, spirala (melcul de schimbător de căldură-melc) sau racleta, care funcționează cu vâscozitate sau fluide non-newtoniene, precum și multe alte tipuri.

Schimbătoare de căldură la țevi

Să luăm în considerare cel mai simplu calcul al schimbătorului de căldură "tub-in-pipe". Structurally acest tip de TOA este simplificat cât mai mult posibil. De regulă, un purtător de căldură fierbinte este lăsat să curgă în tubul interior al aparatului, pentru a minimiza pierderile, un lichid de răcire este pornit în carcasă sau în tubul exterior. Sarcina inginerului în acest caz este redusă la determinarea lungimii unui astfel de schimbător de căldură pe baza suprafeței calculate a suprafeței de schimb de căldură și a diametrelor specificate.

Aici merită adăugat faptul că în termodinamică este introdus conceptul de schimbător de căldură ideal, adică un aparat de lungime infinită, unde mediul de transfer de căldură funcționează în contracurent și un cap de temperatură este activat între ele. Proiectarea țevilor în țevi este cea mai apropiată de aceste cerințe. Și dacă porniți lichidul de răcire într-un contracurent, acesta va fi așa-numitul "contracurent real" (și nu cruce, ca în plăcuța TOA). Capul de temperatură atinge o eficiență maximă cu o astfel de organizare a traficului. Cu toate acestea, atunci când efectuați calculul schimbătorului de căldură "pipe-in-pipe", trebuie să fii realist și să nu uitați de componenta logistică, precum și de confortul instalării. Lungimea eurofury este de 13,5 metri, iar nu toate încăperile tehnice sunt adaptate la echipamentele de derapare și asamblare de această lungime.

Schimbătoare de căldură pentru căldură și tuburi

De aceea, foarte des, calculul acestor aparate curge ușor în calculul schimbătorului de căldură al cochiliei și tubului. Acest dispozitiv, în care pachetul de țevi se află într-un singur corp (carcasă), spălat de diferite lichide de răcire, în funcție de scopul echipamentului. În condensatoare, de exemplu, lichidul de răcire este lansat în carcasă, iar apa în tuburi. Cu această metodă de mișcare, suportul media este mai convenabil și mai eficient pentru a controla funcționarea dispozitivului. În evaporatoare, dimpotrivă, agentul frigorific se fierbe în tuburi, în timp ce acestea sunt spălate cu un lichid răcit (apă, saramură, glicoli etc.). Prin urmare, calculul schimbătorului de căldură al cochiliei și tubului reduce la minimizarea dimensiunilor echipamentului. Jucând cu diametrul carcasei, diametrul și numărul de țevi interne și lungimea aparatului, inginerul trece la valoarea calculată a suprafeței schimbătoarelor de căldură.

Schimbatoare de caldura pentru aer

Unul dintre cele mai comune schimbătoare de căldură pentru astăzi este schimbătorul de căldură tubular. Ele sunt de asemenea numite bobine. În cazul în care acestea nu sunt numai ajustate variind de la ventiloconvectoare (din limba engleză. Fan + bobina, adică „fan“ + „bobina“) în blocurile interne sisteme de recuperatorul a gazelor de ardere gigant (selecție de căldură divizat din gazele de ardere fierbinți și transferul pentru încălzire) în cazanele de la CHPP. De aceea, calculul schimbătorului de căldură al bobinei depinde de aplicarea la care va funcționa acest schimbător de căldură. răcitoare de aer industriale (VOPy) instalate în camerele de carne congelată de șoc, în congelatoare la temperaturi joase și alte obiecte ale refrigerarea alimentelor, necesită anumite caracteristici structurale în designul lor. Distanța dintre aripioare (aripioare) trebuie maximizată, pentru a crește timpul de funcționare continuă între ciclurile de dezgheț. Evaporatorii pentru centrele de date (centre de date), dimpotrivă, fac cât mai compact posibil, fixând distanța interlam la un nivel minim. Astfel de schimbătoare de căldură funcționează în „zona pură“, înconjurat de un filtru fin (până la gradul HEPA), cu toate acestea, acest calcul se realizează din schimbătorul de căldură tubular cu accent pe minimizarea dimensiunilor de ansamblu.

Placă schimbătoare de căldură

În prezent, schimbătoarele de căldură cu plăci sunt în cerere stabilă. Conform designului constructiv, acestea sunt pe deplin și semi-garnitură sudate și mednopayanymi nikelpayanymi, sudate și metoda de difuzie brazate (fără lipire). Calculul termic al schimbătorului de căldură al plăcii este suficient de flexibil și nu prezintă o dificultate deosebită pentru inginer. Procesul de selecție poate juca plăci tip, canale adânci ce formează, de tip fin, grosime oțel, materiale diferite și, cel mai important - multe modele de dimensiuni standard de dispozitive de dimensiuni diferite. Astfel de schimbătoare de căldură sunt joase și largi (pentru încălzirea apei cu aburi) sau înalte și înguste (schimbătoare de căldură de separare pentru sistemele de aer condiționat). Ele sunt adesea folosite și un mediu cu o fază de tranziție, adică ca și condensatoare, evaporatoare, racitoare de abur, predkondensatorov și așa mai departe. D. Se efectuează proiectarea termică a schimbătorului de căldură care funcționează la un model bifazic, un pic mai greu decât schimbătorul de căldură al „lichid-lichid“, dar pentru un inginer cu experiență, această problemă este rezolvabilă și nu reprezintă o complexitate deosebită. Pentru a facilita aceste calcule designeri de inginerie moderne folosesc baze de date de calculator, în cazul în care puteți găsi o mulțime de informații necesare, inclusiv diagrama de fază a oricărui agent frigorific în orice mod de baleiaj, de exemplu, un program de CoolPack.

Exemplu de calcul al schimbătorului de căldură

Scopul principal al calculului este de a calcula suprafața necesară suprafeței schimbătoarelor de căldură. Puterea termică (frigorifică) este de obicei specificată în specificația tehnică, dar în exemplul nostru o vom calcula, de exemplu, să verificăm specificația tehnică în sine. Uneori se întâmplă și astfel încât datele originale să poată furifica o eroare. Una dintre sarcinile unui inginer competent este de a găsi și corecta această greșeală. De exemplu, efectuăm un calcul al unui schimbător de căldură de tip placă de tipul "lichid-lichid". Lasati-l sa fie un presostat de presiune intr-o cladire inalta. În scopul de a scuti de echipamente sub presiune, această abordare este adesea folosit în construcția de zgârie-nori. Pe de o parte a schimbătorului de căldură au apă la intrare Tvh1 = 14 ᵒS și ieșire Tvyh1 = 9 ᵒS și G1 debit = 14 500 kg / h, iar pe de altă parte - este de asemenea apă, dar aici, cu următorii parametri: Tvh2 = 8 ᵒS, Tvy2 = 12 ᵒС, G2 = 18,125 kg / h.

Puterea necesară (Q0) este calculată din formula de echilibru termic (a se vedea figura de mai sus, formula 7.1), unde Cp este căldura specifică (valoarea tabelară). Din motive de simplitate a calculelor, să luăm capacitatea redusă de căldură Cpv = 4.187 [kJ / kg * ᵒC]. Considerăm:

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 de ce parte a calculului.

În plus, conform ecuației de transfer de căldură de bază (7.2), găsim suprafața necesară (7.2.1), unde k este coeficientul de transfer termic (presupunem 6350 [W / m²]) și Delta-Tsr.log. - capul mediu de temperatură logaritmică, citit de formula (7.3):

Delta-T sr.log. = (2-1) / ln (2/1) = 1 / ln2 = 1 / 0,69131 = 1,4428;

F = 84321/6350 * 1,4428 = 9,2 m².

În cazul în care coeficientul de transfer de căldură nu este cunoscut, calculul schimbătorului de căldură al plăcii este puțin mai complicat. Prin formula (7.4), presupunem criteriul Reynolds, unde rho- este densitatea, [kg / m³] este vâscozitatea dinamică, [H * s / m²], v este viteza mediei în canal, [m / s], d cm este diametrul canalului umed [m].

Din tabel căutăm valoarea necesară Prandtl [Pr] și formula (7.5), obținem numărul Nusselt, unde n = 0,4 - un condiții lichide pentru încălzire, și n = 0,3 - răcire în condiții de lichide.

In plus, formula (7.6) se calculează coeficientul de transfer de căldură de la agentul de răcire la fiecare perete, iar formula (7.7), se presupune că coeficientul de transfer termic, care este substituit în formula (7.2.1) pentru a calcula aria suprafeței de schimb de căldură.

În aceste formule lambda - este coeficientul de conductivitate termică, ϭ este grosimea peretelui canalului, alfa-1 și alfa-2 - coeficienții de transfer de căldură de la fiecare agent de răcire la perete.