Calculul schimbătorului de căldură: exemplul. Calcularea zonei, puterea schimbătorului de căldură

Calculul schimbătorului de căldură acum durează mai puțin de cinci minute. Orice organizație care produce și vinde astfel de echipamente, de obicei, oferă tuturor propriul lor program de recrutare. Acesta poate fi descărcat gratuit de pe site-ul companiei sau a unui tehnician lor va veni la birou și instalați-l gratuit. Cu toate acestea, ca urmare a unor astfel de calcule sunt corecte, putem avea încredere în el și să nu fie inteligent în cazul în care producătorul de luptă în ofertă cu concurenții săi? Verificarea calculator electronic necesită cunoștințe sau cel puțin înțelegerea metodelor moderne de calcul a schimbătoarelor de căldură. Să încercăm să rezolve detaliile.

Ce este un schimbător de căldură

Înainte de a efectua calculul schimbătorului de căldură, să ne amintim, și ce fel de astfel de dispozitiv? Teplomassoobmennyh aparat (aka schimbător de căldură, de asemenea , cunoscut sub numele de aparat schimbător de căldură sau TOA) - un dispozitiv de transfer de căldură de la un lichid de răcire la altul. In procesul de schimbarile de temperatura lichidului de răcire schimbă, de asemenea, densitatea lor și, în consecință, masa indicilor substanțelor. Acesta este motivul pentru astfel de procese sunt denumite de căldură și de transfer de masă.

tipuri de transfer de căldură

Acum hai sa vorbim despre tipurile de transfer de căldură - există doar trei. Radiații - transferul de căldură prin radiație. Ca un exemplu, putem aminti de băi de soare pe plajă într-o zi caldă de vară. Și chiar aceste schimbătoare de căldură pot fi găsite în piață (tuburi radiante de aer). Cu toate acestea, cel mai adesea pentru încălzirea locuinței, camere în apartament am cumpăra ulei sau încălzire electrică. Acesta este un exemplu de un alt tip de transfer de căldură - convecție. Convecția este natural, involuntar (extract, iar în cutie trebuie schimbător) sau cu acționare mecanică (cu un ventilator, de exemplu). Ultimul tip este mult mai eficient.

Cu toate acestea, cea mai eficientă metodă de transfer termic - este conductivitatea termică, sau, cum este numit, conducție (conducției engleză -. „Conductivitate“). Orice inginer care se va ține proiectarea termică a schimbătorului de căldură, în primul rând se gândească la modul de a alege echipamente eficiente într-un spațiu minim. Și reușește să realizeze acest lucru este prin conducție. Un exemplu în acest sens este cel mai eficient până în prezent TOA - schimbătoare de căldură cu plăci. Placă TOA prin definiție - un schimbător de căldură care transferă căldura din lichidul de răcire la altul printr-un zid 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 efectua calculul schimbătorului de căldură sunt determinate în funcție de tipul acestuia. Toate TOA pot fi împărțite în două grupe majore: schimbătoare de căldură recuperative și regenerare. 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. schimbătoare de căldură regenerative sunt împărțite în schimbătoare de căldură și amestecarea cu o duză (incident de staționare sau intermediar). 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 care caută atât de plumb media la modul 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.

Calculul termic și structurale

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.

calculul 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. Calcularea orice cale, canal sau conductă pentru trecerea agentului de încălzire se confruntă cu sarcina primară umană - intensificarea procesului de schimb de căldură la locul. Asta este, un mediu trebuie să treacă, iar celălalt pentru a obține cât mai multă căldură la un interval de minim cursul. Acest lucru se aplică de multe ori suprafață suplimentară de schimb de căldură sub forma unor suprafețe ale aripioarelor dezvoltate (pentru separarea subnivelul laminar granițe și consolidarea turbulența debitului). 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.

calculul 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, rezerve sunt necesare pentru rotunjirea rezultatelor dimensiunilor structurale în alte (vaporizatoare, economizoare) în calculul capacității schimbătorului de căldură este introdus special suprafață marja privind contaminarea uleiului de compresor prezent în circuitul de refrigerare. Da, și calitatea proastă a apei trebuie să fie luate 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 inginer competent, un calcul al schimbătorului de căldură „apă-apă“, acordă o atenție deosebită rezerva suplimentară a suprafeței de schimb de căldură. Verificarea de calcul și cheltui pentru a vedea modul în care echipamentul ales va lucra la 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 va functiona si cu ce va da parametrii de evaluare calcul interval.

estimările de cercetare

Calcule de cercetare TOA efectuate pe baza rezultatelor calculului termic și verificare. Acestea sunt necesare, de regulă, pentru a face ultimele modificări la structura dispozitivului proiectat. De asemenea, au efectuat pentru a corecta orice ecuații sunt stabilite în modelul de calcul pus în aplicare TOA obținute empiric (pentru date experimentale). Efectuarea de cercetare implica un calcul de zeci și , uneori , sute de calcule printr - un plan special, elaborat și implementat în producție , conform teoriei matematice de proiectare a experimentelor. Conform rezultatelor relevă influența diferitelor condiții și cantitățile fizice privind indicatorii de performanță TOA.

alte calcule

Calculul suprafeței schimbătorului de căldură, nu uitați despre rezistența materialelor. Calculele de rezistență TOA includ verificarea unității proiectate pentru tensiune, atașarea la torsiune la momentele maxime admisibile de lucru la detalii și nodurile viitorului schimbătorului de căldură. Cu dimensiuni minime ale produsului ar trebui să fie puternic, stabil și să asigure funcționarea în condiții de siguranță în diverse, chiar și în condițiile cele mai intense.

Calculul dinamic este efectuat pentru a determina diferite caracteristici ale schimbătorului de căldură asupra modurilor de operare variabile.

Tipuri de proiectare schimbător de căldură

TOA recuperative în designul poate fi împărțit 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 mai multe tipuri foarte specializate și exotice, de exemplu, în spirală (cohleea schimbătoare) sau racleta, care lucrează cu fluide vâscoase sau non-newtoniene și multe alte tipuri.

schimbător de căldură „tub în tub“

Luați în considerare cel mai simplu calcul al schimbătorului de „tub în tub“ de căldură. Structural, acest tip de TOA este simplificat la maxim. În timpul pornirii aparatului tubului interior, de obicei, fluidul de transfer de căldură fierbinte pentru a minimiza pierderile, și în carcasă sau în tubul exterior, lichidul de răcire a alerga. Inginer Sarcina în acest caz se reduce la determinarea lungimii schimbătorului de căldură pe baza suprafeței de schimb de căldură calculat și diametre predeterminate.

Este demn de mentionat ca in termodinamica introduce conceptul de un schimbător de căldură ideală, adică de unitatea de lungime infinită, unde coolants lucrează în contra, și între diferența de temperatură complet declanșat. Design-ul „conducta în conducta de“ cel mai apropiat îndeplinește aceste cerințe. Și, dacă se execută fluide de transfer de căldură în contracurent, acesta va fi așa-numitul „contra-reală“ (spre deosebire de eco-TOA ca în placă). Temperatura de presiune a declanșat cel mai eficient atunci când o organizație de trafic. Cu toate acestea, realizarea unei „țeavă în țeavă“ de calcul al schimbătorului de căldură trebuie să fie realist și să nu uităm despre componenta logistica, precum și ușurința de instalare. Lungimea evrofury - 13,5 m, și nu toate facilitățile tehnice adaptate derapeze și instalarea de echipamente de astfel de lungime.

Shell și schimbătoare de căldură tub

Prin urmare, este o parte din calculul unui astfel de dispozitiv curge lin în calculul cochilie și tub schimbător de căldură. Acest aparat, în care pachetul de tuburi este într-un singur caz (carcasă), spălată cu diferite coolants, în funcție de echipamentul destinație. În condensatori, de exemplu, executați în mantaua de agent frigorific, și apă - într-un tub. Cu această metodă de trafic medii mai ușor și mai eficient pentru a controla funcționarea unității. În vaporizatoare, în schimb, agentul frigorific fierbe în tuburi și acestea sunt spălate cu lichid răcit (apă, saramuri, glicoli, etc.). De aceea, schimbătorul de căldură de calcul tub este redus pentru a minimiza dimensiunea echipamentului. Redarea cu diametrul carcasei, diametrul și numărul și lungimea interioară inginerului aparat țevi intră valoarea calculată a suprafeței de schimb de căldură.

schimbătoare de căldură aer

Una dintre cele mai comune de schimbătoare de căldură departe - o înotătoare schimbătoare de căldură tubulare. Acestea sunt 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 ea pentru încălzire) în cazane la CHP. Acesta este motivul pentru calculul schimbătorului bobinei depinde, aplicația în care căldura intră în funcțiune. 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 între lamela (fin) ar trebui să fie maximizate pentru a crește timpul de funcționare continuă între cicluri de dezghețare. Evaporator pentru DCs (centru de date), dimpotrivă, face posibilă o distanță de prindere mezhlamelnye mai compact 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.

Schimbătoare de căldură cu plăci

Cererea În prezent stabilă pentru schimbătoare de căldură cu plăci. Conform designului constructiv, acestea sunt pe deplin și semi-garnitură sudate și mednopayanymi nikelpayanymi, sudate și metoda de difuzie brazate (fără lipire). Design termică a schimbătorului de căldură cu plăci este suficient de flexibilă și nu deosebit de greu de 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 mici și late (pentru încălzirea cu abur de apă) sau (schimbătoare de căldură de separare pentru sistemele de aer condiționat) înalte și înguste. 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 inginer cu experiență această problemă este rezolvabilă și nu este deosebit de dificilă. 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 schimbător

Scopul principal al calculului este un calcul al zonei necesară suprafeței de schimb de căldură. Se încălzește (refrigerare) de putere este de obicei specificat în termenii de referință, dar în exemplul nostru, vom calcula și ea, pentru, să zicem, o verificare a caietului de sarcini. Uneori se întâmplă, de asemenea, că datele originale se pot strecura erori. Una dintre sarcinile unui inginer competent - această eroare pentru a găsi și repara. Ca un exemplu, efectuați calculul schimbător de căldură cu plăci de „lichid - lichid“. Să fie un circuit separator (întrerupător de presiune) în clădire înaltă. Pentru a diminua presiunea exercitată asupra echipamentului, construcția de zgârie-nori foarte des folosit această abordare. 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, Tvyh2 ᵒS = 12, G2 = 18 125 kg / h.

puterea necesară (Q0) se calculează cu formula echilibrului termic (a se vedea figura de mai sus, formula 7.1 ..), unde Cp - capacitatea termică specifică (valoare tabel). Pentru simplificarea calculelor Aceste valori iau capacitatea calorică EOT = 4.187 [kJ / kg * ᵒS]. Considerăm că:

Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4.187 = 303557.5 [kJ / h] = W = 84,3 84321.53 kW - pe prima parte și

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4.187 = 303557.5 [kJ / h] = W = 84,3 kW 84321.53 - pe cealaltă parte.

De notat că, în conformitate cu formula (7.1), Q0 = Q1 = Q2, indiferent de ce parte a calculului efectuat.

Mai departe, în ecuația de transfer de căldură principal (7.2), vom găsi suprafața necesară de suprafață (7.2.1), unde k - coeficientul de transfer termic (presupus egal cu 6350 [W / ^m2]) și ΔTsr.log. - diferența de temperatură medie, se calculează cu formula (7.3):

? T sr.log. = (2 - 1) / ln (2/1) = 1 / In2 = 1 / 0.6931 = 1.4428;

F este = 84321/6350 * 1.4428 = 9,2 m ^2.

În cazul în care coeficientul de transfer termic este necunoscut, calculul este puțin mai complicat schimbător de căldură cu plăci. Formula (7.4) sunt considerate un număr Reynolds unde ρ - densitatea [kg / ^m3], η - vâscozitate dinamică, [N * s / m ^2], v - a vitezei mediului în conducta [m / s], d cm - bore diametru umectabilă [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.

In formulele de mai sus, λ - coeficientul de conductivitate termică, ϭ - grosimea peretelui canalului, și alfa1 α2 - coeficienții de transfer de căldură ale fiecărui perete de transfer de căldură.