Beräkning av värmeväxlaren tar för närvarande inte mer än fem minuter. Varje organisation som tillverkar och säljer sådan utrustning förser som regel alla med sitt eget urvalsprogram. Det kan laddas ner gratis från företagets hemsida, eller så kommer deras tekniker till ditt kontor och installerar det gratis. Men hur korrekt är resultatet av sådana beräkningar, går det att lita på och är tillverkaren inte listig när han kämpar i ett anbud med sina konkurrenter? Att kontrollera en elektronisk kalkylator kräver kunskap eller åtminstone förståelse för metodiken för beräkning av moderna värmeväxlare. Låt oss försöka förstå detaljerna.
Vad är en värmeväxlare
Låt oss komma ihåg vilken typ av enhet det här är innan du utför beräkningen av värmeväxlaren? En värme- och massöverföringsapparat (alias en värmeväxlare, aka en värmeväxlare eller TOA) ären anordning för att överföra värme från en kylvätska till en annan. I processen att ändra temperaturen på värmebärare förändras också deras densiteter och följaktligen massaindikatorerna för ämnen. Det är därför sådana processer kallas värme- och massöverföring.
Typer av värmeöverföring
Nu ska vi prata om typerna av värmeöverföring - det finns bara tre av dem. Strålning - värmeöverföring på grund av strålning. Som ett exempel, överväg att sola på stranden en varm sommardag. Och sådana värmeväxlare kan till och med hittas på marknaden (rörluftvärmare). Men oftast för uppvärmning av bostäder, rum i en lägenhet, köper vi olja eller elradiatorer. Detta är ett exempel på en annan typ av värmeöverföring - konvektion. Konvektion kan vara naturlig, forcerad (huv, och det finns en värmeväxlare i lådan) eller mekaniskt driven (med en fläkt till exempel). Den senare typen är mycket effektivare.
Det mest effektiva sättet att överföra värme är dock ledning, eller, som det också kallas, ledning (av engelskan. conduction - "conduction"). Alla ingenjörer som ska göra en termisk beräkning av en värmeväxlare tänker först och främst på hur man väljer effektiv utrustning i minimala dimensioner. Och det är möjligt att uppnå detta just på grund av värmeledningsförmåga. Ett exempel på detta är den mest effektiva TOA idag - plattvärmeväxlare. En plattvärmeväxlare, enligt definitionen, är en värmeväxlare som överför värme från en kylvätska till en annan genom en vägg som skiljer dem åt. Maximalden möjliga kontaktytan mellan de två medierna, tillsammans med korrekt valda material, plåtprofil och tjocklek, gör det möjligt att minimera storleken på den valda utrustningen samtidigt som de ursprungliga tekniska egenskaperna som krävs i den tekniska processen bibehålls.
Typer av värmeväxlare
Innan värmeväxlaren beräknas bestäms den med dess typ. Alla TOA kan delas in i två stora grupper: rekuperativa och regenerativa värmeväxlare. Huvudskillnaden mellan dem är följande: i regenerativa TOA sker värmeväxling genom en vägg som separerar två kylmedel, medan i regenerativa har två medier direkt kontakt med varandra, ofta blandas och kräver efterföljande separation i speciella separatorer. Regenerativa värmeväxlare är uppdelade i blandnings- och värmeväxlare med packning (stationära, fallande eller mellanliggande). Grovt sett, en hink med hett vatten, utsatt för frost, eller ett glas varmt te, ställt att svalna i kylskåpet (gör aldrig detta!) - det här är ett exempel på en sådan blandnings-TOA. Och genom att hälla te i ett fat och kyla det på detta sätt får vi ett exempel på en regenerativ värmeväxlare med ett munstycke (fatet i detta exempel spelar rollen som ett munstycke), som först kommer i kontakt med den omgivande luften och tar dess temperatur, och tar sedan bort en del av värmen från det varma teet som hälls i det, och försöker bringa båda medierna i termisk jämvikt. Men som vi redan har upptäckt tidigare är det mer effektivt att använda värmeledningsförmåga för att överföra värme från ett medium till ett annat, därförDe mer användbara (och ofta använda) TOA:erna för värmeöverföring idag är naturligtvis regenerativa.
Termisk och strukturell design
Alla beräkningar av en återvinningsvärmeväxlare kan utföras på basis av resultaten av termiska, hydrauliska och hållfasthetsberäkningar. De är grundläggande, obligatoriska vid utformningen av ny utrustning och utgör grunden för metoden för att beräkna efterföljande modeller av en rad liknande enheter. Huvuduppgiften för den termiska beräkningen av TOA är att bestämma det erforderliga området på värmeväxlingsytan för en stabil drift av värmeväxlaren och upprätthålla de erforderliga parametrarna för mediet vid utloppet. Ganska ofta, i sådana beräkningar, ges ingenjörer godtyckliga värden på vikten och storleksegenskaperna för den framtida utrustningen (material, rördiameter, plattdimensioner, buntgeometri, typ och material av fenor, etc.), därför efter termisk beräkning utför de vanligtvis en konstruktiv beräkning av värmeväxlaren. När allt kommer omkring, om ingenjören i det första steget beräknade den erforderliga ytan för en given rördiameter, till exempel 60 mm, och värmeväxlarens längd visade sig vara cirka sextio meter, skulle det vara mer logiskt att anta en övergång till en flergångsvärmeväxlare, eller till en skal-och-rörtyp, eller för att öka diametern på rören.
Hydraulisk beräkning
Hydrauliska eller hydromekaniska, såväl som aerodynamiska beräkningar utförs för att bestämma och optimera hydrauliken(aerodynamiska) tryckförluster i värmeväxlaren, samt beräkna energikostnaderna för att övervinna dem. Beräkningen av någon bana, kanal eller rör för passage av kylvätskan utgör en primär uppgift för en person - att intensifiera värmeöverföringsprocessen i detta område. Det vill säga att ett medium måste överföra och det andra får så mycket värme som möjligt under den minsta flödesperioden. För detta används ofta en extra värmeväxlingsyta, i form av en utvecklad ytribbning (för att separera det gränsskiktade laminära underskiktet och förstärka flödesturbulensen). Det optimala balansförhållandet mellan hydrauliska förluster, värmeväxlingsyta, vikt- och storleksegenskaper och avlägsnad termisk kraft är resultatet av en kombination av termisk, hydraulisk och strukturell beräkning av TOA.
Kontrollera beräkning
Verifikationsberäkningen av värmeväxlaren utförs i de fall då det är nödvändigt att lägga en marginal i termer av effekt eller i termer av arean på värmeväxlarytan. Ytan är reserverad av olika skäl och i olika situationer: om det krävs enligt referensvillkoren, om tillverkaren beslutar att göra en extra marginal för att vara säker på att en sådan värmeväxlare kommer att nå regimen och minimera fel som görs i beräkningarna. I vissa fall krävs redundans för att avrunda resultaten av konstruktiva dimensioner, medan i andra (förångare, ekonomisatorer) införs en ytmarginal speciellt i beräkningen av värmeväxlarens effekt, för förorening av kompressorolja som finns i kylkretsen. Och dålig vattenkvalitetmåste beaktas. Efter en tid av oavbruten drift av värmeväxlare, speciellt vid höga temperaturer, lägger sig kalk på apparatens värmeväxlingsyta, vilket minskar värmeöverföringskoefficienten och leder oundvikligen till en parasitisk minskning av värmeavlägsnandet. Därför ägnar en kompetent ingenjör, vid beräkning av en vatten-till-vatten-värmeväxlare, särskild uppmärksamhet åt ytterligare redundans på värmeväxlingsytan. En verifieringsberäkning görs också för att se hur den valda utrustningen kommer att fungera i andra, sekundära lägen. Till exempel, i centrala luftkonditioneringsanläggningar (försörjningsenheter), används de första och andra värmevärmarna, som används under den kalla årstiden, ofta på sommaren för att kyla den inkommande luften och förse luftvärmeväxlarens rör med kallt vatten. Hur de kommer att fungera och vilka parametrar som kommer att ge ut, låter dig utvärdera verifieringsberäkningen.
Undersökande beräkningar
Forskningsberäkningar av TOA utförs på basis av de erhållna resultaten av termiska och verifieringsberäkningar. De är som regel nödvändiga för att göra de sista ändringarna i utformningen av den designade apparaten. De utförs också för att korrigera eventuella ekvationer som ingår i den implementerade beräkningsmodellen av TOA, erhållen empiriskt (enligt experimentella data). Att utföra forskningskalkyler innebär tiotals och ibland hundratals beräkningar enligt en särskild plan framtagen och genomförd i produktionen enl.matematisk teori för planering av experiment. Baserat på resultaten avslöjas inverkan av olika förhållanden och fysiska storheter på TOA-effektivitetsindikatorerna.
Andra beräkningar
När du beräknar värmeväxlarens yta, glöm inte materialresistansen. TOA-hållfasthetsberäkningar inkluderar kontroll av den designade enheten för stress, för vridning, för applicering av de maxim alt tillåtna arbetsmomenten på delarna och aggregaten av den framtida värmeväxlaren. Med minimimått måste produkten vara stark, stabil och garantera säker drift under olika, även de mest krävande driftsförhållanden.
Dynamisk beräkning utförs för att bestämma de olika egenskaperna hos värmeväxlaren i varierande driftlägen.
Designtyper för värmeväxlare
Recuperative TOA by design kan delas in i ett ganska stort antal grupper. De mest kända och mest använda är plattvärmeväxlare, luft (rörflänsar), skal-och-rör, rör-i-rör värmeväxlare, skal-och-platta och andra. Det finns också mer exotiska och högt specialiserade typer, såsom spiral (spiralvärmeväxlare) eller skrapad typ, som fungerar med trögflytande eller icke-Newtonska vätskor, såväl som många andra typer.
Rör-i-rör värmeväxlare
Låt oss överväga den enklaste beräkningen av värmeväxlaren "rör i rör". Strukturellt är denna typ av TOA maxim alt förenklad. Som regel släpper de in i apparatens inre rörvarm kylvätska, för att minimera förluster, och en kylande kylvätska släpps in i höljet eller in i det yttre röret. Ingenjörens uppgift i detta fall reduceras till att bestämma längden på en sådan värmeväxlare baserat på den beräknade arean av värmeväxlarytan och de givna diametrarna.
Här är det värt att tillägga att inom termodynamiken introduceras konceptet med en ideal värmeväxlare, det vill säga en apparat av oändlig längd, där värmebärarna arbetar i motström, och temperaturskillnaden är helt utarbetad mellan dem. Rör-i-rör-designen är närmast att uppfylla dessa krav. Och om du kör kylvätskorna i motström, så blir det det så kallade "riktiga motflödet" (och inte kors, som i platt-TOA). Temperaturhuvudet är mest effektivt utarbetat med en sådan rörelseorganisation. Men när man beräknar värmeväxlaren "rör i rör" bör man vara realistisk och inte glömma logistikkomponenten, såväl som enkel installation. Längden på eurotrucken är 13,5 meter, och inte alla tekniska lokaler är anpassade för sladd och installation av utrustning av denna längd.
Shell och rörvärmeväxlare
Därför flödar mycket ofta beräkningen av en sådan apparat smidigt in i beräkningen av en skal-och-rörvärmeväxlare. Detta är en apparat där en bunt av rör är placerad i ett enda hus (hölje), tvättas av olika kylmedel, beroende på utrustningens syfte. I till exempel kondensorer körs köldmediet in i skalet och vattnet körs in i rören. Med denna metod för mediarörelse är det bekvämare och mer effektivt att kontrolleradriften av apparaten. I förångare, tvärtom, kokar köldmediet i rören, medan de tvättas av den kylda vätskan (vatten, s altlösningar, glykoler, etc.). Därför reduceras beräkningen av en skal-och-rörvärmeväxlare till att minimera utrustningens dimensioner. Genom att leka med skaldiametern, diametern och antalet inre rör och apparatens längd når ingenjören det beräknade värdet på värmeväxlingsytan.
Luftvärmeväxlare
En av de vanligaste värmeväxlarna idag är rörformade lamellvärmeväxlare. De kallas också för ormar. Där de inte bara är installerade, med start från fläktkonvektorer (från engelska fan + coil, d.v.s. "fan" + "coil") i inomhusenheterna i delade system och slutar med gigantiska rökgasåtervinnare (värmeuttag från het rökgas och överföring för värmebehov) i pannanläggningar vid kraftvärme. Det är därför som beräkningen av en batterivärmeväxlare beror på applikationen där denna värmeväxlare kommer att fungera. Industriella luftkylare (HOP) installerade i blästringskammare för kött, lågtemperaturfrysar och andra matkylanläggningar kräver vissa designegenskaper i sin design. Avståndet mellan lamellerna (fenorna) bör vara så stort som möjligt för att öka tiden för kontinuerlig drift mellan avfrostningscyklerna. Förångare för datacenter (databehandlingscenter) görs tvärtom så kompakta som möjligt genom att klämma fast interlamellenminsta avstånd. Sådana värmeväxlare arbetar i "rena zoner", omgivna av fina filter (upp till HEPA-klass), därför görs en sådan beräkning av en rörformad värmeväxlare med tonvikt på att minimera dimensioner.
Plåtvärmeväxlare
För närvarande är efterfrågan på plattvärmeväxlare stabil. Enligt deras design är de helt hopfällbara och halvsvetsade, kopparlödda och nickellödda, svetsade och lödda genom diffusion (utan lödning). Den termiska beräkningen av en plattvärmeväxlare är ganska flexibel och innebär inte några speciella svårigheter för en ingenjör. I urvalsprocessen kan du leka med typen av plattor, djupet på smideskanaler, typen av fenor, tjockleken på stål, olika material och viktigast av allt, många standardmodeller av enheter av olika storlekar. Sådana värmeväxlare är låga och breda (för ånguppvärmning av vatten) eller höga och smala (separerande värmeväxlare för luftkonditioneringssystem). De används också ofta för fasväxlingsmedia, det vill säga som kondensorer, förångare, desuperheaters, förkondensatorer etc. Termisk beräkning av en tvåfasvärmeväxlare är något mer komplicerad än en vätske-vätskevärmeväxlare, dock för erfaren ingenjör. denna uppgift är lösbar och innebär inte några speciella svårigheter. För att underlätta sådana beräkningar använder moderna designers tekniska datordatabaser, där du kan hitta mycket nödvändig information, inklusive tillståndsdiagram över vilket köldmedium som helst i alla svep, till exempel ett programCoolPack.
Exempel på värmeväxlarberäkning
Huvudsyftet med beräkningen är att beräkna den erforderliga arean på värmeväxlingsytan. Termisk (kyl-) effekt anges vanligtvis i referensvillkoren, men i vårt exempel kommer vi att beräkna den så att säga för att kontrollera själva referensvillkoren. Ibland händer det också att ett fel kan smyga sig in i källdata. En av uppgifterna för en kompetent ingenjör är att hitta och rätta till detta fel. Som ett exempel, låt oss beräkna en plattvärmeväxlare av typen "vätska-vätska". Låt detta vara en tryckbrytare i en hög byggnad. För att lossa utrustning med tryck används denna metod mycket ofta vid konstruktion av skyskrapor. På ena sidan av värmeväxlaren har vi vatten med en inloppstemperatur Tin1=14 ᵒС och en utloppstemperatur Тout1=9 ᵒС, och med en flödeshastighet G1=14 500 kg / h, och på den andra - även vatten, men bara med följande parametrar: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Vi beräknar den erforderliga effekten (Q0) med hjälp av värmebalansformeln (se figuren ovan, formel 7.1), där Ср är den specifika värmekapaciteten (tabellvärde). För att förenkla beräkningarna tar vi det reducerade värdet av värmekapaciteten Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Räknar:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - på första sidan och
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - på andra sidan.
Observera att, enligt formel (7.1), Q0=Q1=Q2, oavsettpå vilken sida beräkningen gjordes.
Vidare, med hjälp av huvudvärmeöverföringsekvationen (7.2), hittar vi den erforderliga ytarean (7.2.1), där k är värmeöverföringskoefficienten (tagen lika med 6350 [W/m 2]), och ΔТav.log. - genomsnittlig logaritmisk temperaturskillnad, beräknad enligt formeln (7.3):
ΔT genomsnittlig logg.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F sedan=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
När värmeöverföringskoefficienten är okänd är beräkningen av plattvärmeväxlaren lite mer komplicerad. Enligt formel (7.4) beräknar vi Reynolds-kriteriet, där ρ är densiteten, [kg/m3], η är den dynamiska viskositeten, [Ns/m 2], v är hastigheten för mediet i kanalen, [m/s], d cm är kanalens fuktade diameter [m].
I enlighet med tabellen letar vi efter värdet på Prandtl-kriteriet [Pr] som vi behöver och med formeln (7.5) får vi Nusselt-kriteriet, där n=0,4 - under förhållanden med vätskeuppvärmning, och n=0,3 - under vätskekylningsförhållanden
Nästa, med formeln (7.6), beräknar vi värmeöverföringskoefficienten från varje kylvätska till väggen, och med formeln (7.7) beräknar vi värmeöverföringskoefficienten, som vi ersätter med formeln (7.2.1) för att beräkna arean på värmeväxlingsytan.
I de angivna formlerna är λ värmeledningskoefficienten, ϭ är kanalens väggtjocklek, α1 och α2 är värmeöverföringskoefficienterna från var och en av värmebärarna till väggen.
