Beregning af varmeveksleren tager i øjeblikket ikke mere end fem minutter. Enhver organisation, der fremstiller og sælger sådant udstyr, giver som regel alle deres eget valgprogram. Det kan downloades gratis fra virksomhedens hjemmeside, eller deres tekniker kommer til dit kontor og installerer det gratis. Men hvor korrekt er resultatet af sådanne beregninger, kan man stole på det, og er producenten ikke udspekuleret, når han kæmper i et udbud med sine konkurrenter? Kontrol af en elektronisk regnemaskine kræver viden eller i det mindste en forståelse af metoden til beregning af moderne varmevekslere. Lad os prøve at forstå detaljerne.
Hvad er en varmeveksler
Lad os huske, hvad det er for en enhed, inden vi udfører beregningen af varmeveksleren? Et varme- og masseoverførselsapparat (alias en varmeveksler, alias en varmeveksler eller TOA) eren enhed til at overføre varme fra en kølevæske til en anden. I processen med at ændre temperaturerne på varmebærere ændres deres tætheder og følgelig masseindikatorerne for stoffer også. Det er derfor, sådanne processer kaldes varme- og masseoverførsel.
Typer af varmeoverførsel
Lad os nu tale om typerne af varmeoverførsel - der er kun tre af dem. Radiativ - varmeoverførsel på grund af stråling. Som et eksempel kan du overveje at solbade på stranden på en varm sommerdag. Og sådanne varmevekslere kan endda findes på markedet (rørluftvarmere). Men oftest til opvarmning af boliger, værelser i en lejlighed, køber vi olie eller elektriske radiatorer. Dette er et eksempel på en anden type varmeoverførsel - konvektion. Konvektion kan være naturlig, forceret (emhætte, og der er en varmeveksler i kassen) eller mekanisk drevet (f.eks. med ventilator). Sidstnævnte type er meget mere effektiv.
Den mest effektive måde at overføre varme på er dog ledning, eller som det også kaldes ledning (af engelsk. conduction - "conduction"). Enhver ingeniør, der skal udføre en termisk beregning af en varmeveksler, tænker først og fremmest på, hvordan man vælger effektivt udstyr i minimumsdimensioner. Og det er muligt at opnå dette netop på grund af termisk ledningsevne. Et eksempel på dette er den mest effektive TOA i dag - pladevarmevekslere. En pladevarmeveksler er ifølge definitionen en varmeveksler, der overfører varme fra en kølevæske til en anden gennem en væg, der adskiller dem. Maksimumdet mulige kontaktområde mellem de to medier, sammen med korrekt udvalgte materialer, pladeprofil og tykkelse, gør det muligt at minimere størrelsen af det valgte udstyr og samtidig bibeholde de originale tekniske egenskaber, der kræves i den teknologiske proces.
Typer af varmevekslere
Før beregning af varmeveksleren, bestemmes den med dens type. Alle TOA kan opdeles i to store grupper: rekuperative og regenerative varmevekslere. Hovedforskellen mellem dem er som følger: I regenerative TOA'er sker varmeudveksling gennem en væg, der adskiller to kølemidler, mens i regenerative har to medier direkte kontakt med hinanden, ofte blandes og kræver efterfølgende adskillelse i specielle separatorer. Regenerative varmevekslere er opdelt i blande- og varmevekslere med pakning (stationære, faldende eller mellemliggende). Groft sagt en spand varmt vand, udsat for frost, eller et glas varm te, stillet til afkøling i køleskabet (gør det aldrig!) - dette er et eksempel på sådan en blandings-TOA. Og ved at hælde te i en underkop og afkøle den på denne måde, får vi et eksempel på en regenerativ varmeveksler med en dyse (underkoppen i dette eksempel spiller rollen som en dyse), som først kommer i kontakt med den omgivende luft og tager dens temperatur, og fjerner derefter en del af varmen fra den varme te, der hældes i den, og søger at bringe begge medier i termisk ligevægt. Men som vi allerede har fundet ud af tidligere, er det mere effektivt at bruge termisk ledningsevne til at overføre varme fra et medium til et andet, derforDe mere varmeoverførende (og meget brugte) TOA'er i dag er selvfølgelig regenerative.
Termisk og strukturelt design
Enhver beregning af en rekuperativ varmeveksler kan udføres på basis af resultaterne af termiske, hydrauliske og styrkeberegninger. De er grundlæggende, obligatoriske i design af nyt udstyr og danner grundlaget for metoden til beregning af efterfølgende modeller af en linje af lignende enheder. Hovedopgaven for den termiske beregning af TOA er at bestemme det nødvendige areal af varmeveksleroverfladen for stabil drift af varmeveksleren og opretholde de nødvendige parametre for mediet ved udgangen. I sådanne beregninger gives ingeniører ret ofte vilkårlige værdier af vægt- og størrelseskarakteristika for det fremtidige udstyr (materiale, rørdiameter, pladedimensioner, bundtgeometri, type og materiale af finner osv.), og derfor efter termisk beregning udfører de norm alt en konstruktiv beregning af varmeveksleren. Når alt kommer til alt, hvis ingeniøren i det første trin beregnede det nødvendige overfladeareal for en given rørdiameter, for eksempel 60 mm, og varmevekslerlængden viste sig at være omkring tres meter, så ville det være mere logisk at antage en overgang til en multi-pass varmeveksler, eller til en skal-og-rør type, eller for at øge diameteren af rørene.
Hydraulisk beregning
Hydrauliske eller hydromekaniske såvel som aerodynamiske beregninger udføres for at bestemme og optimere hydraulik(aerodynamiske) tryktab i varmeveksleren, samt beregne energiomkostningerne for at overvinde dem. Beregningen af enhver bane, kanal eller rør til passage af kølevæsken udgør en primær opgave for en person - at intensivere varmeoverførselsprocessen i dette område. Det vil sige, at et medium skal overføres, og det andet modtager så meget varme som muligt i minimumsperioden for dets flow. Til dette bruges ofte en ekstra varmevekslerflade i form af en udviklet overfladeribbing (for at adskille det laminære grænseunderlag og øge flowturbulens). Det optimale balanceforhold mellem hydrauliske tab, varmevekslingsoverfladeareal, vægt og størrelseskarakteristika og fjernet termisk kraft er resultatet af en kombination af termisk, hydraulisk og strukturel beregning af TOA.
Tjek beregning
Verifikationsberegningen af varmeveksleren udføres i det tilfælde, hvor det er nødvendigt at lægge en margen med hensyn til effekt eller i form af arealet af varmeveksleroverfladen. Overfladen er reserveret af forskellige årsager og i forskellige situationer: hvis det er påkrævet i henhold til referencebetingelserne, hvis producenten beslutter at lave en ekstra margen for at være sikker på, at en sådan varmeveksler vil nå regimet og minimere fejl i beregningerne. I nogle tilfælde kræves redundans for at afrunde resultaterne af konstruktive dimensioner, mens der i andre (fordampere, economizers) er indført en overflademargin specielt i beregningen af varmevekslereffekten for forurening med kompressorolie, der er til stede i kølekredsløbet. Og dårlig vandkvalitetskal tages i betragtning. Efter nogen tids uafbrudt drift af varmevekslere, især ved høje temperaturer, sætter sig kalk på apparatets varmevekslingsoverflade, hvilket reducerer varmeoverførselskoefficienten og fører uundgåeligt til et parasitisk fald i varmefjernelsen. Derfor er en kompetent ingeniør ved beregning af en vand-til-vand varmeveksler særlig opmærksom på yderligere redundans af varmeveksleroverfladen. Der udføres også en verifikationsberegning for at se, hvordan det valgte udstyr vil fungere i andre, sekundære tilstande. For eksempel i centrale klimaanlæg (forsyningsenheder) bruges den første og anden varmevarmer, som bruges i den kolde årstid, ofte om sommeren til at afkøle den indkommende luft, der leverer koldt vand til luftvarmevekslerrørene. Hvordan de vil fungere, og hvilke parametre der vil give ud, giver dig mulighed for at evaluere verifikationsberegningen.
Undersøgende beregninger
Forskningsberegninger af TOA udføres på grundlag af de opnåede resultater af termiske og verifikationsberegninger. De er som regel nødvendige for at foretage de sidste ændringer til designet af det designede apparat. De udføres også for at rette eventuelle ligninger, der er inkorporeret i den implementerede beregningsmodel af TOA, opnået empirisk (ifølge eksperimentelle data). Udførelse af forskningsberegninger involverer tiere og nogle gange hundredvis af beregninger efter en særlig plan udviklet og implementeret i produktionen iht.matematisk teori om planlægning af eksperimenter. Baseret på resultaterne afsløres indflydelsen af forskellige forhold og fysiske mængder på TOA-effektivitetsindikatorerne.
Andre beregninger
Når du beregner varmevekslerens areal, skal du ikke glemme materialernes modstand. TOA-styrkeberegninger inkluderer kontrol af den designede enhed for spænding, for vridning, for påføring af de maksim alt tilladte arbejdsmomenter til dele og samlinger af den fremtidige varmeveksler. Med minimumsdimensioner skal produktet være stærkt, stabilt og garantere sikker drift under forskellige, selv de mest krævende driftsforhold.
Dynamisk beregning udføres for at bestemme varmevekslerens forskellige karakteristika i variable driftstilstande.
Varmevekslerdesigntyper
Recuperative TOA ved design kan opdeles i et ret stort antal grupper. De mest berømte og udbredte er pladevarmevekslere, luft (rørformet finne), skal-og-rør, rør-i-rør varmevekslere, skal-og-plade og andre. Der er også mere eksotiske og højt specialiserede typer, såsom spiral (spiralvarmeveksler) eller skrabet type, som arbejder med tyktflydende eller ikke-newtonske væsker, såvel som mange andre typer.
Rør-i-rør varmevekslere
Lad os overveje den enkleste beregning af "rør i rør"-varmeveksleren. Strukturelt er denne type TOA maksim alt forenklet. Som regel slipper de ind i apparatets indre rørvarm kølevæske, for at minimere tab, og en kølende kølevæske sendes ind i huset eller i det ydre rør. Ingeniørens opgave i dette tilfælde er reduceret til at bestemme længden af en sådan varmeveksler baseret på det beregnede areal af varmeveksleroverfladen og de givne diametre.
Her er det værd at tilføje, at i termodynamikken introduceres begrebet en ideel varmeveksler, det vil sige et apparat af uendelig længde, hvor varmebærerne arbejder i modstrøm, og temperaturforskellen er fuldstændig beregnet mellem dem. Rør-i-rør-designet er tættest på at opfylde disse krav. Og hvis du kører kølemidlerne i modstrøm, så vil det være den såkaldte "rigtige modstrøm" (og ikke kryds, som i plade TOA'er). Temperaturhovedet er mest effektivt udarbejdet med en sådan organisering af bevægelse. Men når man beregner "rør i rør"-varmeveksleren, skal man være realistisk og ikke glemme logistikkomponenten såvel som nem installation. Længden af eurotrucken er 13,5 meter, og ikke alle tekniske lokaler er tilpasset udskridning og installation af udstyr af denne længde.
Skal- og rørvarmevekslere
Derfor flyder beregningen af et sådant apparat meget ofte jævnt ind i beregningen af en skal-og-rør-varmeveksler. Dette er et apparat, hvor et bundt af rør er placeret i et enkelt hus (hus), vasket af forskellige kølemidler, afhængigt af formålet med udstyret. I kondensatorer bliver kølemidlet f.eks. kørt ind i skallen, og vandet ledes ind i rørene. Med denne metode til mediebevægelse er det mere bekvemt og mere effektivt at kontrollerebetjening af apparatet. I fordampere koger kølemidlet tværtimod i rørene, mens de vaskes af den afkølede væske (vand, s altlage, glykoler osv.). Derfor er beregningen af en skal-og-rør varmeveksler reduceret til at minimere dimensionerne af udstyret. Ved at lege med skaldiameteren, diameteren og antallet af indvendige rør og længden af apparatet, når teknikeren den beregnede værdi af varmeveksleroverfladearealet.
Luftvarmevekslere
En af de mest almindelige varmevekslere i dag er rørformede lamelvarmevekslere. De kaldes også slanger. Hvor de ikke kun er installeret, startende fra fan coil-enheder (fra det engelske fan + coil, dvs. "fan" + "coil") i indendørsenhederne i splitsystemer og slutter med gigantiske røggasgenvindere (varmeudvinding fra varm røggas). og transmission til varmebehov) i kedelanlæg på kraftvarme. Derfor afhænger beregningen af en batterivarmeveksler af den applikation, hvor denne varmeveksler skal tages i brug. Industrielle luftkølere (HOP'er) installeret i kødblæsningsfrysekamre, lavtemperaturfrysere og andre fødevarekølefaciliteter kræver visse designfunktioner i deres design. Afstanden mellem lamellerne (finnerne) skal være så stor som muligt for at øge tiden for kontinuerlig drift mellem afrimningscyklusserne. Fordampere til datacentre (databehandlingscentre) er tværtimod lavet så kompakte som muligt ved at klemme interlamellarenminimum afstand. Sådanne varmevekslere fungerer i "rene zoner", omgivet af fine filtre (op til HEPA-klasse), derfor udføres en sådan beregning af en rørformet varmeveksler med vægt på at minimere dimensioner.
Pladevarmevekslere
Pladevarmevekslere er i øjeblikket i stabil efterspørgsel. Ifølge deres design er de fuldstændig sammenklappelige og semi-svejsede, kobber-loddede og nikkel-loddede, svejsede og loddede ved diffusion (uden lodning). Den termiske beregning af en pladevarmeveksler er ret fleksibel og giver ingen særlige vanskeligheder for en ingeniør. I udvælgelsesprocessen kan du lege med typen af plader, dybden af smedningskanaler, typen af finner, tykkelsen af stål, forskellige materialer og vigtigst af alt, talrige standardstørrelsesmodeller af enheder af forskellige størrelser. Sådanne varmevekslere er lave og brede (til dampopvarmning af vand) eller høje og smalle (adskillende varmevekslere til klimaanlæg). De bruges også ofte til faseskiftemedier, det vil sige som kondensatorer, fordampere, desuperheatere, forkondensatorer osv. Den termiske beregning af en tofaset varmeveksler er lidt mere kompliceret end en væske-væske varmeveksler, dog for erfarne ingeniører. denne opgave er løselig og byder ikke på nogen særlig vanskelighed. For at lette sådanne beregninger bruger moderne designere tekniske computerdatabaser, hvor du kan finde en masse nødvendige oplysninger, herunder tilstandsdiagrammer af ethvert kølemiddel i enhver fejning, for eksempel et programCoolPack.
Eksempel på varmevekslerberegning
Hovedformålet med beregningen er at beregne det nødvendige areal af varmeveksleroverfladen. Termisk (køle-) effekt er norm alt angivet i kommissoriet, men i vores eksempel vil vi så at sige beregne det for at kontrollere selve kommissoriet. Nogle gange sker det også, at der kan snige sig en fejl ind i kildedataene. En af en kompetent ingeniørs opgaver er at finde og rette denne fejl. Lad os som eksempel beregne en pladevarmeveksler af typen "væske-væske". Lad dette være en trykafbryder i en høj bygning. For at aflæsse udstyr ved tryk, bruges denne tilgang meget ofte til konstruktion af skyskrabere. På den ene side af varmeveksleren har vi vand med en indløbstemperatur Tin1=14 ᵒС og en udgangstemperatur Тout1=9 ᵒС, og med en flowhastighed G1=14.500 kg/t, og på den anden - også vand, men kun med følgende parametre: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Vi beregner den nødvendige effekt (Q0) ved hjælp af varmebalanceformlen (se figuren ovenfor, formel 7.1), hvor Ср er den specifikke varmekapacitet (tabelværdi). For at lette beregningerne tager vi den reducerede værdi af varmekapaciteten Срв=4.187 [kJ/kgᵒС]. Tæller:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - på den første side og
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - på anden side.
Bemærk, at ifølge formel (7.1), Q0=Q1=Q2, uansetpå hvilken side beregningen blev foretaget.
Ydermere, ved at bruge hovedvarmeoverførselsligningen (7.2), finder vi det påkrævede overfladeareal (7.2.1), hvor k er varmeoverførselskoefficienten (taget lig med 6350 [W/m 2]), og ΔТav.log. - gennemsnitlig logaritmisk temperaturforskel, beregnet i henhold til formlen (7.3):
ΔT gennemsnitlig log.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F derefter=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Når varmeoverførselskoefficienten er ukendt, er beregningen af pladevarmeveksleren en smule mere kompliceret. I henhold til formlen (7.4) beregner vi Reynolds-kriteriet, hvor ρ er massefylden, [kg/m3], η er den dynamiske viskositet, [Ns/m 2], v er hastigheden af mediet i kanalen, [m/s], d cm er den fugtede diameter af kanalen [m].
Ifølge tabellen leder vi efter værdien af Prandtl-kriteriet [Pr], vi har brug for, og ved hjælp af formlen (7.5) får vi Nusselt-kriteriet, hvor n=0,4 - under betingelser med væskeopvarmning, og n=0,3 - under betingelser med væskekøling
Næste, ved hjælp af formel (7.6), beregner vi varmeoverførselskoefficienten fra hver kølevæske til væggen, og ved hjælp af formel (7.7) beregner vi varmeoverførselskoefficienten, som vi erstatter med formel (7.2.1) for at beregne arealet af varmevekslingsoverfladen.
I de angivne formler er λ den termiske konduktivitetskoefficient, ϭ er kanalens vægtykkelse, α1 og α2 er varmeoverførselskoefficienterne fra hver af varmebærerne til væggen.
