Beregning av varmeveksleren tar for øyeblikket ikke mer enn fem minutter. Enhver organisasjon som produserer og selger slikt utstyr, gir som regel alle sitt eget utvalgsprogram. Den kan lastes ned gratis fra selskapets nettside, eller teknikeren deres kommer til kontoret ditt og installerer det gratis. Men hvor korrekt er resultatet av slike beregninger, kan det stoles på og er ikke produsenten utspekulert når han kjemper i et anbud med sine konkurrenter? Å sjekke en elektronisk kalkulator krever kunnskap eller i det minste en forståelse av metodikken for beregning av moderne varmevekslere. La oss prøve å forstå detaljene.
Hva er en varmeveksler
Før du utfører beregningen av varmeveksleren, la oss huske hva slags enhet dette er? Et varme- og masseoverføringsapparat (alias en varmeveksler, aka en varmeveksler eller TOA) eren enhet for å overføre varme fra en kjølevæske til en annen. I prosessen med å endre temperaturene til varmebærere, endres deres tettheter og følgelig masseindikatorene til stoffer også. Det er derfor slike prosesser kalles varme- og masseoverføring.
Typer varmeoverføring
La oss nå snakke om typene varmeoverføring - det er bare tre av dem. Stråling - varmeoverføring på grunn av stråling. Som et eksempel kan du vurdere å sole deg på stranden på en varm sommerdag. Og slike varmevekslere kan til og med finnes på markedet (rørluftvarmere). Men oftest for oppvarming av boliger, rom i en leilighet, kjøper vi olje eller elektriske radiatorer. Dette er et eksempel på en annen type varmeoverføring - konveksjon. Konveksjon kan være naturlig, tvungen (hette, og det er en varmeveksler i boksen) eller mekanisk drevet (med vifte, for eksempel). Den sistnevnte typen er mye mer effektiv.
Den mest effektive måten å overføre varme på er imidlertid ledning, eller, som det også kalles, ledning (av engelsk. conduction - "conduction"). Enhver ingeniør som skal utføre en termisk beregning av en varmeveksler, tenker først og fremst på hvordan man velger effektivt utstyr i minimumsdimensjoner. Og det er mulig å oppnå dette nettopp på grunn av termisk ledningsevne. Et eksempel på dette er den mest effektive TOA i dag – platevarmevekslere. En platevarmeveksler er ifølge definisjonen en varmeveksler som overfører varme fra en kjølevæske til en annen gjennom en vegg som skiller dem. Maksimumdet mulige kontaktområdet mellom de to mediene, sammen med riktig utvalgte materialer, plateprofil og tykkelse, gjør det mulig å minimere størrelsen på det valgte utstyret samtidig som de originale tekniske egenskapene som kreves i den teknologiske prosessen opprettholdes.
Typer varmevekslere
Før beregning av varmeveksleren bestemmes den med typen. All TOA kan deles inn i to store grupper: rekuperative og regenerative varmevekslere. Hovedforskjellen mellom dem er som følger: i regenerative TOA skjer varmeveksling gjennom en vegg som skiller to kjølevæsker, mens i regenerative har to medier direkte kontakt med hverandre, ofte blandes og krever etterfølgende separasjon i spesielle separatorer. Regenerative varmevekslere er delt inn i blande- og varmevekslere med pakning (stasjonære, fallende eller mellomliggende). Grovt sett, en bøtte med varmt vann, utsatt for frost, eller et glass varm te, satt til avkjøling i kjøleskapet (gjør aldri dette!) - dette er et eksempel på en slik blandings-TOA. Og å helle te i en tallerken og avkjøle den på denne måten, får vi et eksempel på en regenerativ varmeveksler med en dyse (faten i dette eksemplet spiller rollen som en dyse), som først kommer i kontakt med luften rundt og tar temperaturen, og tar deretter bort en del av varmen fra den varme teen som helles i den, og prøver å bringe begge mediene i termisk likevekt. Men som vi allerede har funnet ut tidligere, er det mer effektivt å bruke termisk ledningsevne for å overføre varme fra ett medium til et annet, derforDe mer varmeoverføringsnyttige (og mye brukte) TOAene i dag er selvfølgelig regenerative.
Termisk og strukturell design
Enhver beregning av en rekuperativ varmeveksler kan utføres på grunnlag av resultatene av termiske, hydrauliske og styrkeberegninger. De er grunnleggende, obligatoriske i utformingen av nytt utstyr og danner grunnlaget for metodikken for å beregne påfølgende modeller av en linje med lignende enheter. Hovedoppgaven med den termiske beregningen av TOA er å bestemme det nødvendige området på varmeveksleroverflaten for stabil drift av varmeveksleren og opprettholde de nødvendige parameterne til mediet ved utløpet. Ganske ofte, i slike beregninger, blir ingeniører gitt vilkårlige verdier for vekt- og størrelsesegenskapene til det fremtidige utstyret (materiale, rørdiameter, platedimensjoner, buntgeometri, type og materiale av finner, etc.), derfor etter at termisk beregning utfører de vanligvis en konstruktiv beregning av varmeveksleren. Tross alt, hvis ingeniøren i det første trinnet beregnet det nødvendige overflatearealet for en gitt rørdiameter, for eksempel 60 mm, og varmevekslerlengden viste seg å være omtrent seksti meter, ville det være mer logisk å anta en overgang til en multi-pass varmeveksler, eller til en skall-og-rør type, eller for å øke diameteren på rørene.
Hydraulisk beregning
Hydrauliske eller hydromekaniske, samt aerodynamiske beregninger utføres for å bestemme og optimere hydraulikk(aerodynamiske) trykktap i varmeveksleren, samt beregne energikostnadene for å overvinne dem. Beregningen av enhver bane, kanal eller rør for passasje av kjølevæsken utgjør en primær oppgave for en person - å intensivere varmeoverføringsprosessen i dette området. Det vil si at ett medium må overføres, og det andre mottar så mye varme som mulig i løpet av minimumsperioden for strømningen. Til dette brukes ofte en ekstra varmevekslerflate, i form av en utviklet overflateribbing (for å skille det laminære grenseunderlaget og øke strømningsturbulensen). Det optimale balanseforholdet mellom hydrauliske tap, varmevekslingsoverflateareal, vekt- og størrelsesegenskaper og fjernet termisk kraft er resultatet av en kombinasjon av termisk, hydraulisk og strukturell beregning av TOA.
Sjekk beregning
Verifikasjonsberegningen av varmeveksleren utføres i tilfelle det er nødvendig å legge en margin i form av effekt eller i form av arealet av varmevekslerflaten. Overflaten er reservert av forskjellige grunner og i forskjellige situasjoner: hvis det kreves av referansevilkårene, hvis produsenten bestemmer seg for å lage en ekstra margin for å være sikker på at en slik varmeveksler vil nå regimet og minimere feil i beregningene. I noen tilfeller kreves redundans for å avrunde resultatene av konstruktive dimensjoner, mens i andre (fordampere, economizers) er en overflatemargin spesielt introdusert i beregningen av varmevekslereffekten, for forurensning av kompressorolje som finnes i kjølekretsen. Og dårlig vannkvalitetmå tas i betraktning. Etter en tid med uavbrutt drift av varmevekslere, spesielt ved høye temperaturer, legger seg kalk på varmeveksleroverflaten til apparatet, noe som reduserer varmeoverføringskoeffisienten og fører uunngåelig til en parasittisk reduksjon i varmefjerning. Derfor legger en kompetent ingeniør, ved beregning av en vann-til-vann varmeveksler, spesiell oppmerksomhet til ytterligere redundans på varmeveksleroverflaten. Det utføres også en verifikasjonsberegning for å se hvordan det valgte utstyret vil fungere i andre, sekundære moduser. For eksempel, i sentrale klimaanlegg (forsyningsenheter), brukes de første og andre varmeovnene, som brukes i den kalde årstiden, ofte om sommeren for å avkjøle den innkommende luften, og forsyne kaldt vann til luftvarmevekslerrørene. Hvordan de vil fungere og hvilke parametere som vil gi ut, lar deg evaluere verifikasjonsberegningen.
Undersøkende beregninger
Forskningsberegninger av TOA er utført på grunnlag av oppnådde resultater av termiske og verifikasjonsberegninger. De er som regel nødvendige for å gjøre de siste endringene i utformingen av det utformede apparatet. De utføres også for å korrigere eventuelle ligninger som er innlemmet i den implementerte beregningsmodellen til TOA, innhentet empirisk (i henhold til eksperimentelle data). Å utføre forskningsberegninger innebærer titalls og noen ganger hundrevis av kalkyler etter en spesiell plan utviklet og implementert i produksjon iht.matematisk teori om planlegging av eksperimenter. Basert på resultatene avsløres påvirkningen av ulike forhold og fysiske mengder på TOA-effektivitetsindikatorene.
Andre beregninger
Når du beregner varmevekslerområdet, ikke glem motstanden til materialer. TOA-styrkeberegninger inkluderer å kontrollere den utformede enheten for spenning, for torsjon, for å bruke de maksim alt tillatte arbeidsmomentene til delene og sammenstillingene til den fremtidige varmeveksleren. Med minimumsdimensjoner må produktet være sterkt, stabilt og garantere sikker drift under ulike, selv de mest krevende driftsforhold.
Dynamisk beregning utføres for å bestemme de ulike egenskapene til varmeveksleren i variable driftsmoduser.
Designtyper for varmeveksler
Recuperative TOA by design kan deles inn i et ganske stort antall grupper. De mest kjente og mest brukte er platevarmevekslere, luft (rørfinnede), skall-og-rør, rør-i-rør varmevekslere, skall-og-plate og andre. Det finnes også mer eksotiske og høyt spesialiserte typer, som spiral (spiralvarmeveksler) eller skrapet type, som fungerer med tyktflytende eller ikke-newtonske væsker, så vel som mange andre typer.
Rør-i-rør varmevekslere
La oss vurdere den enkleste beregningen av "rør i rør" varmeveksleren. Strukturelt er denne typen TOA maksim alt forenklet. Som regel slipper de inn i det indre røret til apparatetvarm kjølevæske, for å minimere tap, og en kjølekjølevæske sendes inn i foringsrøret, eller inn i det ytre røret. Ingeniørens oppgave i dette tilfellet er redusert til å bestemme lengden på en slik varmeveksler basert på det beregnede arealet av varmeveksleroverflaten og de gitte diametrene.
Her er det verdt å legge til at i termodynamikk introduseres konseptet med en ideell varmeveksler, det vil si et apparat med uendelig lengde, hvor varmebærerne jobber i motstrøm, og temperaturforskjellen er helt utregnet mellom dem. Rør-i-rør-designet er nærmest å oppfylle disse kravene. Og hvis du kjører kjølevæskene i motstrøm, så vil det være den såk alte "reelle motstrømmen" (og ikke kryss, som i plate TOA). Temperaturhodet er mest effektivt utarbeidet med en slik organisering av bevegelse. Men når man beregner "rør i rør" varmeveksleren, bør man være realistisk og ikke glemme logistikkkomponenten, så vel som enkel installasjon. Lengden på eurotrucken er 13,5 meter, og ikke alle tekniske lokaler er tilpasset skrens og montering av utstyr av denne lengden.
Skall- og rørvarmevekslere
Derfor flyter beregningen av et slikt apparat jevnt inn i beregningen av en skall-og-rør-varmeveksler. Dette er et apparat der en bunt med rør er plassert i et enkelt hus (hus), vasket av forskjellige kjølevæsker, avhengig av formålet med utstyret. I kondensatorer kjøres for eksempel kjølemediet inn i skallet, og vannet kjøres inn i rørene. Med denne metoden for mediebevegelse er den mer praktisk og mer effektiv å kontrolleredrift av apparatet. I fordampere, tvert imot, koker kjølemediet i rørene, mens de vaskes av den avkjølte væsken (vann, s altvann, glykoler, etc.). Derfor er beregningen av en skall-og-rør varmeveksler redusert til å minimere dimensjonene til utstyret. Ved å leke med skalldiameteren, diameteren og antallet interne rør og lengden på apparatet, når ingeniøren den beregnede verdien av varmeveksleroverflaten.
Luftvarmevekslere
En av de vanligste varmevekslerne i dag er rørformede ribbevarmevekslere. De kalles også slanger. Der de ikke bare er installert, fra viftekonvektorer (fra engelske fan + coil, dvs. "fan" + "coil") i innendørsenhetene til delte systemer og slutter med gigantiske røykgassgjenvinnere (varmeutvinning fra varm røykgass) og overføring for varmebehov) i kjeleanlegg ved CHP. Det er grunnen til at beregningen av en spiralvarmeveksler avhenger av applikasjonen hvor denne varmeveksleren skal brukes. Industrielle luftkjølere (HOP-er) installert i kjøttfrysingskamre, lavtemperaturfrysere og andre matkjøleanlegg krever visse designfunksjoner i utformingen. Avstanden mellom lamellene (finnene) bør være så stor som mulig for å øke tiden for kontinuerlig drift mellom avrimingssyklusene. Fordampere for datasentre (databehandlingssentre), tvert imot, gjøres så kompakte som mulig ved å klemme interlamellarenminste avstand. Slike varmevekslere opererer i "rene soner", omgitt av fine filtre (opp til HEPA-klasse), derfor utføres en slik beregning av en rørformet varmeveksler med vekt på å minimere dimensjoner.
Platevarmevekslere
For øyeblikket er det stabil etterspørsel etter platevarmevekslere. I henhold til deres design er de helt sammenleggbare og halvsveiset, kobberloddet og nikkelloddet, sveiset og loddet ved diffusjon (uten loddetinn). Den termiske beregningen av en platevarmeveksler er ganske fleksibel og byr ikke på noen spesielle vanskeligheter for en ingeniør. I utvelgelsesprosessen kan du leke med typen plater, dybden på smikanaler, typen finner, tykkelsen på stål, forskjellige materialer og viktigst av alt, en rekke standardstørrelsesmodeller av enheter i forskjellige størrelser. Slike varmevekslere er lave og brede (for dampoppvarming av vann) eller høye og smale (separerende varmevekslere for klimaanlegg). De brukes også ofte til faseendringsmedier, det vil si som kondensatorer, fordampere, desuperheatere, forkondensatorer osv. Termisk beregning av en tofase varmeveksler er litt mer komplisert enn en væske-væske varmeveksler, men for erfarne ingeniører, denne oppgaven er løsbar og byr ikke på noen spesielle vanskeligheter. For å lette slike beregninger bruker moderne designere tekniske datadatabaser, der du kan finne mye nødvendig informasjon, inkludert tilstandsdiagrammer av ethvert kjølemiddel i ethvert sveip, for eksempel et programCoolPack.
Eksempel på varmevekslerberegning
Hovedformålet med beregningen er å beregne det nødvendige arealet av varmeveksleroverflaten. Termisk (kjøling) kraft er vanligvis spesifisert i referansevilkårene, men i vårt eksempel vil vi beregne den, så å si, for å sjekke selve referansevilkårene. Noen ganger hender det også at en feil kan snike seg inn i kildedataene. En av oppgavene til en kompetent ingeniør er å finne og rette opp denne feilen. Som et eksempel, la oss beregne en platevarmeveksler av typen "væske-væske". La dette være en trykkbryter i en høy bygning. For å losse utstyr ved trykk, brukes denne tilnærmingen veldig ofte i konstruksjonen av skyskrapere. På den ene siden av varmeveksleren har vi vann med en innløpstemperatur Tin1=14 ᵒС og en utløpstemperatur Тout1=9 ᵒС, og med en strømningshastighet G1=14 500 kg / t, og på den andre - også vann, men bare med følgende parametere: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/t.
Vi beregner nødvendig effekt (Q0) ved å bruke varmebalanseformelen (se figuren ovenfor, formel 7.1), der Ср er den spesifikke varmekapasiteten (tabellverdi). For enkelhets skyld tar vi den reduserte verdien av varmekapasiteten Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Teller:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - på første side og
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - på den andre siden.
Merk at i henhold til formel (7.1), Q0=Q1=Q2, uavhengig avpå hvilken side beregningen ble gjort.
Videre ved å bruke hovedvarmeoverføringsligningen (7.2), finner vi det nødvendige overflatearealet (7.2.1), der k er varmeoverføringskoeffisienten (tatt lik 6350 [W/m 2]), og ΔТav.log. - gjennomsnittlig logaritmisk temperaturforskjell, beregnet i henhold til formelen (7.3):
ΔT gjennomsnittlig logg.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F deretter=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Når varmeoverføringskoeffisienten er ukjent, er beregningen av platevarmeveksleren litt mer komplisert. I henhold til formel (7.4) beregner vi Reynolds-kriteriet, der ρ er tettheten, [kg/m3], η er den dynamiske viskositeten, [Ns/m 2], v er hastigheten til mediet i kanalen, [m/s], d cm er den fuktede diameteren til kanalen [m].
I følge tabellen ser vi etter verdien av Prandtl-kriteriet [Pr] vi trenger, og ved å bruke formel (7.5) får vi Nusselt-kriteriet, der n=0.4 - under forhold med væskeoppvarming, og n=0,3 - under forhold med væskekjøling
Deretter, ved hjelp av formel (7.6), beregner vi varmeoverføringskoeffisienten fra hver kjølevæske til veggen, og ved hjelp av formel (7.7) beregner vi varmeoverføringskoeffisienten, som vi erstatter med formel (7.2.1) for å beregne arealet av varmevekslingsoverflaten.
I de angitte formlene er λ varmeledningskoeffisienten, ϭ er kanalens veggtykkelse, α1 og α2 er varmeoverføringskoeffisienten fra hver av varmebærerne til veggen.
