A hőcserélő kiszámítása jelenleg nem tart tovább öt percnél. Bármely szervezet, amely ilyen berendezéseket gyárt és értékesít, általában mindenkinek biztosítja a saját kiválasztási programot. Ingyenesen letölthető a cég honlapjáról, vagy eljön a technikusuk az Ön irodájába és ingyenesen telepíti. Mennyire helyes azonban az ilyen számítások eredménye, meg lehet-e bízni benne, és nem ravasz-e a gyártó a versenytársakkal versenyezve? Az elektronikus számológép ellenőrzéséhez a modern hőcserélők számítási módszerének ismerete vagy legalább megértése szükséges. Próbáljuk megérteni a részleteket.
Mi az a hőcserélő
Mielőtt elvégeznénk a hőcserélő számítását, ne feledjük, milyen készülékről van szó? A hő- és tömegátadó berendezés (más néven hőcserélő, más néven hőcserélő vagy TOA)olyan eszköz, amely a hőt egyik hűtőközegből a másikba továbbítja. A hőhordozók hőmérsékletének változása során a sűrűségük és ennek megfelelően az anyagok tömegmutatói is megváltoznak. Ezért nevezik az ilyen folyamatokat hő- és tömegtranszfernek.
A hőátadás típusai
Most beszéljünk a hőátadás típusairól – csak három van belőlük. Sugárzó - sugárzás miatti hőátadás. Vegyük például a napozást a tengerparton egy meleg nyári napon. És ilyen hőcserélőket még a piacon is lehet találni (csöves légfűtő). Leggyakrabban azonban lakóhelyiségek, lakások helyiségeinek fűtésére olaj- vagy elektromos radiátorokat vásárolunk. Ez egy példa egy másik típusú hőátadásra - a konvekcióra. A konvekció lehet természetes, kényszerített (elszívó, és a dobozban van hőcserélő) vagy mechanikus hajtású (pl. ventilátorral). Ez utóbbi típus sokkal hatékonyabb.
A hőátadás leghatékonyabb módja azonban a vezetés, vagy más néven vezetés (az angolból. Conduction - "vezetés"). Minden mérnök, aki a hőcserélő termikus számítását végzi, mindenekelőtt azon gondolkodik, hogyan válasszon hatékony berendezést minimális méretben. Ezt pedig pontosan a hővezető képességnek köszönhetően lehet elérni. Példa erre a mai leghatékonyabb TOA - lemezes hőcserélők. A lemezes hőcserélő a definíció szerint olyan hőcserélő, amely az azokat elválasztó falon keresztül hőt ad át egyik hűtőközegből a másikba. Maximálisa két közeg lehetséges érintkezési felülete a helyesen kiválasztott anyagokkal, lemezprofillal és vastagsággal együtt lehetővé teszi a kiválasztott berendezés méretének minimalizálását a technológiai folyamatban megkövetelt eredeti műszaki jellemzők megőrzése mellett.
Hőcserélők típusai
A hőcserélő kiszámítása előtt meg kell határozni a típusával. Minden TOA két nagy csoportra osztható: rekuperatív és regeneratív hőcserélőkre. A fő különbség köztük a következő: a regeneratív TOA-kban a hőcsere a két hűtőfolyadékot elválasztó falon keresztül történik, míg a regeneratívakban két közeg közvetlenül érintkezik egymással, gyakran keverednek, és speciális szeparátorokban utólagos szétválasztást igényelnek. A regeneratív hőcserélők keverő- és tömítésű hőcserélőkre (helyhez kötött, eső vagy közbenső) vannak felosztva. Durván szólva, egy vödör fagynak kitett forró víz vagy egy pohár forró tea, hűtőszekrényben lehűlni (soha ne tedd!) - ez egy példa egy ilyen keverő TOA-ra. És a teát csészealjba öntve és ilyen módon lehűtve egy fúvókával ellátott regeneratív hőcserélőt kapunk (ebben a példában a csészealj fúvóka szerepét tölti be), amely először érintkezik a környező levegővel és felveszi annak hőmérsékletét, majd elvonja a hő egy részét a beleöntött forró teából, igyekszik mindkét közeget termikus egyensúlyba hozni. Amint azonban már korábban megtudtuk, hatékonyabb a hővezető képesség alkalmazása a hő egyik közegből a másikba történő átadására, ezértA mai hőátadás szempontjából hasznosabb (és széles körben használt) TOA-k természetesen regeneratívak.
Hő- és szerkezeti tervezés
A rekuperatív hőcserélő bármilyen számítása elvégezhető a hő-, hidraulikai és szilárdsági számítások eredményei alapján. Alapvetőek, kötelezőek az új berendezések tervezésénél, és alapját képezik a hasonló eszközök sorozatának későbbi modelljei kiszámításának módszertanának. A TOA termikus számításának fő feladata a hőcserélő felület szükséges területének meghatározása a hőcserélő stabil működéséhez és a közeg szükséges paramétereinek fenntartásához a kimeneten. Az ilyen számítások során a mérnökök gyakran tetszőleges értékeket kapnak a jövőbeni berendezés súly- és méretjellemzőiről (anyag, csőátmérő, lemezméretek, köteg geometriája, bordák típusa és anyaga stb.), ezért miután hőszámítás, általában a hőcserélő konstruktív számítását végzik el. Végül is, ha az első szakaszban a mérnök kiszámította a szükséges felületet egy adott csőátmérőhöz, például 60 mm-hez, és a hőcserélő hossza körülbelül hatvan méternek bizonyult, akkor logikusabb lenne egy átmenetet feltételezni. többjáratú hőcserélőre, vagy héj-cső típusúra, vagy a csövek átmérőjének növelésére.
Hidraulikus számítás
Hidraulikus vagy hidromechanikai, valamint aerodinamikai számításokat végeznek a hidraulika meghatározása és optimalizálása érdekében(aerodinamikai) nyomásveszteségeket a hőcserélőben, valamint kiszámítja a leküzdésükhöz szükséges energiaköltségeket. Bármilyen út, csatorna vagy cső kiszámítása a hűtőfolyadék áthaladásához elsődleges feladat az ember számára - a hőátadási folyamat fokozása ezen a területen. Vagyis az egyik közegnek át kell adnia, a másik pedig annyi hőt kap, amennyit csak lehetséges az áramlásának minimális időtartama alatt. Ehhez gyakran alkalmaznak további hőcserélő felületet, kidolgozott felületi bordázat formájában (a határlamináris alréteg elválasztására és az áramlási turbulencia fokozására). A hidraulikus veszteségek, a hőcserélő felület, a súly- és méretjellemzők, valamint az eltávolított hőteljesítmény optimális egyensúlyi aránya a TOA termikus, hidraulikai és szerkezeti számításainak kombinációjának eredménye.
Számítás ellenőrzése
A hőcserélő ellenőrző számítását abban az esetben kell elvégezni, ha a teljesítmény vagy a hőcserélő felület területe tekintetében tartalékot kell lefektetni. A felületet különféle okok miatt és különböző helyzetekben tartják fenn: ha a feladatmeghatározás előírja, ha a gyártó úgy dönt, hogy pótlólagos tartalékot képez annak érdekében, hogy az ilyen hőcserélő elérje a rendszert és minimalizálja a hibákat. a számításokat. Egyes esetekben redundánsra van szükség a konstruktív méretek eredményének kerekítéséhez, míg más esetekben (párologtatók, ekonomizátorok) speciálisan felületi tartalékot vezetnek be a hőcserélő teljesítményének számításába a hűtőkörben lévő kompresszorolajjal történő szennyeződés miatt.. És rossz vízminőségfigyelembe kell venni. A hőcserélők bizonyos ideig történő megszakítás nélküli működése után, különösen magas hőmérsékleten, vízkő rakódik le a készülék hőcserélő felületén, ami csökkenti a hőátbocsátási tényezőt, és elkerülhetetlenül a hőelvonás parazita csökkenéséhez vezet. Ezért egy hozzáértő mérnök a víz-víz hőcserélő kiszámításakor különös figyelmet fordít a hőcserélő felület további redundanciájára. Ellenőrző számítást is végeznek annak érdekében, hogy megnézzék, hogyan fog működni a kiválasztott berendezés más, másodlagos üzemmódokban. Például a központi klímaberendezésekben (ellátó egységekben) a hideg évszakban használt első és második fűtési fűtőtestet gyakran használják nyáron a beáramló levegő hűtésére, hideg vízzel ellátva a levegő hőcserélő csöveit. Hogyan fognak működni és milyen paramétereket adnak ki, lehetővé teszi az ellenőrzési számítás értékelését.
Feltáró számítások
A TOA kutatási számításait a kapott termikus és ellenőrző számítások eredményei alapján végezzük. Általában szükségesek a tervezett készülék kialakításának utolsó módosításaihoz. Ezeket a TOA implementált számítási modelljébe beépített, empirikusan (kísérleti adatok szerint) kapott egyenletek kijavítására is elvégzik. A kutatási számítások elvégzése több tíz, esetenként több száz számítást foglal magában egy speciális terv szerint, amelyet a gyártásban kidolgozott és megvalósított.tervezési kísérletek matematikai elmélete. Az eredmények alapján feltárható a különféle körülmények és fizikai mennyiségek befolyása a TOA hatékonysági mutatókra.
Egyéb számítások
A hőcserélő területének kiszámításakor ne feledkezzen meg az anyagok ellenállásáról. A TOA szilárdsági számításai magukban foglalják a tervezett egység feszültség-ellenőrzését, csavarását, valamint a megengedett legnagyobb munkanyomatékok alkalmazását a jövőbeni hőcserélő alkatrészeire és szerelvényeire. A minimális méretek mellett a terméknek erősnek, stabilnak kell lennie, és garantálnia kell a biztonságos működést különféle, még a legigényesebb üzemi körülmények között is.
Dinamikus számítást végeznek a hőcserélő különböző jellemzőinek meghatározására változó üzemmódokban.
Hőcserélő-kialakítási típusok
A rekuperatív TOA tervezésénél fogva meglehetősen nagy számú csoportra osztható. A leghíresebb és legszélesebb körben használt lemezes hőcserélők, levegő (csőbordás), héj-cső, cső a csőben hőcserélők, shell-and-lemez és mások. Vannak egzotikusabb és speciálisabb típusok is, mint például a spirálos (tekercses hőcserélő) vagy a kapart típus, amelyek viszkózus vagy nem newtoni folyadékokkal dolgoznak, valamint sok más típus is.
Pipe-in-pipe hőcserélők
Nézzük a "cső a csőben" hőcserélő legegyszerűbb számítását. Szerkezetileg az ilyen típusú TOA maximálisan leegyszerűsödik. Általában beengedik a készülék belső csövétforró hűtőfolyadék, a veszteségek minimalizálása érdekében, és hűtő hűtőfolyadék kerül a burkolatba vagy a külső csőbe. A mérnök feladata ebben az esetben egy ilyen hőcserélő hosszának meghatározására korlátozódik a hőcserélő felület számított területe és a megadott átmérők alapján.
Itt érdemes hozzátenni, hogy a termodinamikában bevezetik az ideális hőcserélő fogalmát, vagyis egy végtelen hosszúságú berendezést, ahol a hőhordozók ellenáramban dolgoznak, és a hőmérsékletkülönbség teljesen ki van dolgozva közöttük. A cső a csőben kialakítás áll a legközelebb e követelmények teljesítéséhez. És ha ellenáramban vezeti a hűtőfolyadékokat, akkor az úgynevezett "igazi ellenáram" lesz (és nem keresztben, mint a lemezes TOA-kban). A hőmérsékleti fej a leghatékonyabban ilyen mozgásszervezéssel dolgozható ki. A „cső a csőben” hőcserélő kiszámításakor azonban reálisnak kell lennie, és nem szabad megfeledkezni a logisztikai összetevőről, valamint a könnyű telepítésről. Az eurotruck hossza 13,5 méter, és nem minden műszaki helyiség alkalmas az ilyen hosszúságú felszerelések csúszására és felszerelésére.
Hát- és csöves hőcserélők
Ezért nagyon gyakran egy ilyen berendezés számítása simán belekerül a héjas-csöves hőcserélő számításába. Ez egy olyan készülék, amelyben egy csőköteg egyetlen házban (burkolatban) van elhelyezve, amelyet különféle hűtőfolyadékok mosnak, a berendezés céljától függően. A kondenzátorokban például a hűtőközeget a héjba, a vizet pedig a csövekbe vezetik. Ezzel a médiamozgatási módszerrel kényelmesebb és hatékonyabb az irányítása készülék működése. Ezzel szemben az elpárologtatókban a hűtőközeg felforr a csövekben, miközben azokat a lehűtött folyadék (víz, sóoldat, glikolok stb.) mossa. Ezért a héj-csöves hőcserélő számítása a berendezés méreteinek minimalizálására csökken. A mérnök a héj átmérőjével, a belső csövek átmérőjével és számával, valamint a berendezés hosszával játszva eléri a hőcserélő felület számított értékét.
Levegő hőcserélők
Ma az egyik leggyakoribb hőcserélő a csőbordás hőcserélők. Kígyóknak is nevezik őket. Ahol nem csak telepítik, kezdve a fan coil egységektől (az angol fan + coil, azaz "fan" + "coil" szóból) a split rendszerek beltéri egységeibe és az óriási füstgáz-visszanyerőkig (hőelszívás a forró füstgázból). és fűtési igények átvitele) a CHP kazántelepeiben. Éppen ezért a tekercses hőcserélő számítása attól az alkalmazástól függ, ahol ez a hőcserélő működik. A gyorsfagyasztó kamrákba, alacsony hőmérsékletű fagyasztókba és más élelmiszer-hűtési létesítményekbe telepített ipari léghűtők (HOP) bizonyos tervezési jellemzőket igényelnek. A lamellák (bordák) közötti távolságnak a lehető legnagyobbnak kell lennie, hogy a leolvasztási ciklusok között megnőjön a folyamatos működés ideje. Az adatközpontok (adatfeldolgozó központok) elpárologtatói éppen ellenkezőleg, az interlamelláris rögzítéssel a lehető legkompaktabbak.minimális távolság. Az ilyen hőcserélők „tiszta zónákban” működnek, finom szűrőkkel körülvéve (HEPA osztályig), ezért a cső alakú hőcserélők ilyen számításait a méretek minimalizálására helyezik a hangsúly.
Lemezes hőcserélők
Jelenleg stabil kereslet mutatkozik a lemezes hőcserélők iránt. Kialakításuk szerint teljesen összecsukható és félig hegesztett, réz- és nikkelforrasztásúak, hegesztettek és diffúzióval forrasztottak (forrasztás nélkül). A lemezes hőcserélő termikus számítása meglehetősen rugalmas, és nem jelent különösebb nehézséget a mérnök számára. A kiválasztási folyamat során eljátszhat a lemezek típusával, a kovácsolási csatornák mélységével, a bordák típusával, az acél vastagságával, a különböző anyagokkal, és ami a legfontosabb, számos különböző méretű, szabványos méretű készülékmodellel. Az ilyen hőcserélők alacsonyak és szélesek (víz gőzmelegítésére) vagy magasak és keskenyek (leválasztó hőcserélők légkondicionáló rendszerekhez). Gyakran használják fázisváltó közegekhez is, például kondenzátorként, elpárologtatóként, túlhevítőként, előkondenzátorként stb. A kétfázisú hőcserélő termikus számítása valamivel bonyolultabb, mint a folyadék-folyadék hőcserélőé, azonban tapaszt alt mérnökök számára, ez a feladat megoldható és nem jelent különösebb nehézséget. Az ilyen számítások megkönnyítése érdekében a modern tervezők mérnöki számítógépes adatbázisokat használnak, ahol sok szükséges információt találhat, beleértve a hűtőközeg állapotdiagramjait bármilyen sweepben, például egy programban. CoolPack.
Példa a hőcserélő számítására
A számítás fő célja a hőcserélő felület szükséges területének kiszámítása. A hő- (hűtési) teljesítményt általában a feladatmeghatározásban adják meg, azonban példánkban ezt úgymond kiszámítjuk, hogy ellenőrizzük magát a feladatkört. Néha az is előfordul, hogy hiba kúszhat a forrásadatokba. A hozzáértő mérnök egyik feladata ennek a hibának a felkutatása és kijavítása. Példaként számítsunk ki egy "folyadék-folyadék" típusú lemezes hőcserélőt. Legyen ez egy nyomásmegszakító egy magas épületben. A berendezések nyomással történő kirakodása érdekében ezt a megközelítést nagyon gyakran használják felhőkarcolók építésénél. A hőcserélő egyik oldalán víz van, amelynek bemeneti hőmérséklete Tin1=14 ᵒС és kimeneti hőmérséklete Тout1=9 ᵒС, és áramlási sebessége G1=14 500 kg / h, a másik oldalon pedig víz is, de csak a következő paraméterekkel: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
A szükséges teljesítményt (Q0) a hőmérleg képletével számítjuk ki (lásd a fenti ábrát, 7.1 képlet), ahol Ср a fajlagos hőkapacitás (táblázati érték). A számítások egyszerűsítése érdekében a hőkapacitás csökkentett értékét vesszük Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Számlálás:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - az első oldalon és
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - a második oldalon.
Ne feledje, hogy a (7.1) képlet szerint Q0=Q1=Q2, függetlenülmelyik oldalon történt a számítás.
Továbbá a (7.2) fő hőátadási egyenlet segítségével megtaláljuk a szükséges felületet (7.2.1), ahol k a hőátbocsátási tényező (6350 [W/m) 2]), és ΔТav.log. - átlagos logaritmikus hőmérséklet-különbség, a (7.3) képlet szerint számítva:
ΔT átlagos napló.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F akkor=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Ha a hőátbocsátási tényező ismeretlen, a lemezes hőcserélő kiszámítása kissé bonyolultabb. A (7.4) képlet szerint kiszámítjuk a Reynolds-kritériumot, ahol ρ a sűrűség, [kg/m3], η a dinamikus viszkozitás, [Ns/m 2], v a közeg sebessége a csatornában, [m/s], d cm a csatorna nedvesített átmérője [m].
A táblázat szerint megkeressük a szükséges Prandtl-kritérium [Pr] értékét, és a (7.5) képlet segítségével megkapjuk a Nusselt-kritériumot, ahol n=0,4 - folyadékmelegítés mellett, ill. n=0,3 - folyadékhűtés körülményei között
Ezután a (7.6) képlet segítségével kiszámítjuk a hőátbocsátási tényezőt az egyes hűtőfolyadékokról a falra, majd a (7.7) képlet segítségével kiszámítjuk a hőátbocsátási tényezőt, amelyet behelyettesítünk a (7.2.1) képletbe. a hőcserélő felület területének kiszámításához.
A feltüntetett képletekben λ a hővezetési együttható, ϭ a csatorna falvastagsága, α1 és α2 pedig az egyes hőhordozóktól a falig terjedő hőátadási tényezők.
