Изчисляването на топлообменника в момента отнема не повече от пет минути. Всяка организация, която произвежда и продава такова оборудване, като правило предоставя на всеки своя собствена програма за подбор. Може да се изтегли безплатно от сайта на компанията или техен техник ще дойде във вашия офис и ще го инсталира безплатно. Колко верен обаче е резултатът от подобни изчисления, може ли да му се вярва и дали производителят не е хитър, когато се бори в търг с конкурентите си? Проверката на електронен калкулатор изисква познания или поне разбиране на методологията за изчисляване на съвременните топлообменници. Нека се опитаме да разберем подробностите.
Какво е топлообменник
Преди да извършим изчислението на топлообменника, нека си спомним какъв вид устройство е това? Апарат за пренос на топлина и маса (известен още като топлообменник, известен още като топлообменник или TOA).устройство за пренос на топлина от една охлаждаща течност към друга. В процеса на промяна на температурите на топлоносителите, тяхната плътност и съответно масовите показатели на веществата също се променят. Ето защо такива процеси се наричат пренос на топлина и маса.
Видове топлопренасяне
Сега нека поговорим за видовете пренос на топлина - има само три от тях. Радиация - пренос на топлина поради радиация. Като пример помислете за слънчеви бани на плажа в топъл летен ден. А такива топлообменници дори могат да се намерят на пазара (тръбни въздушни нагреватели). Въпреки това, най-често за отопление на жилищни помещения, стаи в апартамент, ние купуваме маслени или електрически радиатори. Това е пример за друг вид пренос на топлина - конвекция. Конвекцията може да бъде естествена, принудителна (качулка, а в кутията има топлообменник) или механично задвижвана (с вентилатор например). Последният тип е много по-ефективен.
Въпреки това, най-ефективният начин за пренос на топлина е проводимостта, или, както още се нарича, проводимост (от англ. conduction - "проводимост"). Всеки инженер, който ще извърши термично изчисление на топлообменник, на първо място, мисли как да избере ефективно оборудване в минимални размери. И това е възможно да се постигне именно благодарение на топлопроводимостта. Пример за това е най-ефективният TOA днес - пластинчати топлообменници. Пластинчатият топлообменник, според дефиницията, е топлообменник, който пренася топлина от една охлаждаща течност към друга през стена, която ги разделя. Максимумвъзможната контактна площ между двете среди, заедно с правилно подбрани материали, профил на плочата и дебелина, позволява минимизиране на размера на избраното оборудване, като се запазват оригиналните технически характеристики, изисквани в технологичния процес.
Видове топлообменници
Преди да се изчисли топлообменникът, той се определя с неговия тип. Всички TOA могат да бъдат разделени на две големи групи: рекуперативни и регенеративни топлообменници. Основната разлика между тях е следната: при регенеративните TOA топлообменът се осъществява през стена, разделяща две охлаждащи течности, докато при регенеративните две среди имат пряк контакт една с друга, често се смесват и изискват последващо разделяне в специални сепаратори. Регенеративните топлообменници се делят на смесителни и топлообменници с набивка (стационарни, падащи или междинни). Грубо казано, кофа с гореща вода, изложена на замръзване, или чаша горещ чай, поставена да се охлади в хладилника (никога не правете това!) - това е пример за такова смесване на TOA. И като налеем чая в чинийка и го охлаждаме по този начин, получаваме пример за регенеративен топлообменник с дюза (чинията в този пример играе ролята на дюза), която първо влиза в контакт с околния въздух и взема неговата температура, и след това отнема част от топлината от горещия чай, излят в него, като се стреми да доведе и двете среди в топлинно равновесие. Въпреки това, както вече разбрахме по-рано, е по-ефективно да се използва топлопроводимост за пренос на топлина от една среда в друга, следователноПо-полезните (и широко използвани) TOA днес са, разбира се, регенеративните.
Топлинен и структурен дизайн
Всяко изчисление на рекуперативен топлообменник може да се извърши въз основа на резултатите от топлинни, хидравлични и якостни изчисления. Те са фундаментални, задължителни при проектирането на ново оборудване и са в основата на методологията за изчисляване на следващите модели на линия от подобни устройства. Основната задача на топлинното изчисление на TOA е да се определи необходимата площ на топлообменната повърхност за стабилна работа на топлообменника и поддържане на необходимите параметри на средата на изхода. Доста често при такива изчисления на инженерите се дават произволни стойности на характеристиките на теглото и размера на бъдещото оборудване (материал, диаметър на тръбата, размери на плочата, геометрия на снопа, вид и материал на перките и др.), следователно, след термично изчисление, те обикновено извършват конструктивно изчисление на топлообменника. В крайна сметка, ако на първия етап инженерът изчисли необходимата повърхност за даден диаметър на тръбата, например 60 mm, и дължината на топлообменника се окаже около шестдесет метра, тогава би било по-логично да се приеме преход към многопроходен топлообменник, или към тръбен тип, или за увеличаване на диаметъра на тръбите.
Хидравлично изчисление
Извършват се хидравлични или хидромеханични, както и аеродинамични изчисления с цел определяне и оптимизиране на хидравличните(аеродинамични) загуби на налягане в топлообменника, както и изчисляване на разходите за енергия за преодоляването им. Изчисляването на всеки път, канал или тръба за преминаване на охлаждащата течност поставя основна задача за човек - да засили процеса на пренос на топлина в тази област. Тоест една среда трябва да прехвърли, а другата да получи възможно най-много топлина в минималния период на потока си. За това често се използва допълнителна топлообменна повърхност под формата на развита повърхностна ребра (за отделяне на граничния ламинарен подслой и повишаване на турбулентността на потока). Оптималното съотношение на баланса на хидравличните загуби, топлообменната повърхност, характеристиките на теглото и размера и отстранената топлинна мощност е резултат от комбинация от топлинно, хидравлично и структурно изчисление на TOA.
Проверка на изчислението
Изчислението за проверка на топлообменника се извършва в случай, когато е необходимо да се постави марж по отношение на мощността или по отношение на площта на топлообменната повърхност. Повърхността е запазена по различни причини и в различни ситуации: ако това се изисква от техническото задание, ако производителят реши да направи допълнителен марж, за да е сигурен, че такъв топлообменник ще достигне режима и ще сведе до минимум грешките, допуснати в изчисленията. В някои случаи се изисква излишък, за да се закръглят резултатите от конструктивните размери, докато в други (изпарители, икономийзери) се въвежда повърхностен марж специално при изчисляването на мощността на топлообменника за замърсяване от компресорно масло, присъстващо в хладилния кръг. И лошо качество на водататрябва да се вземе предвид. След известно време на непрекъсната работа на топлообменниците, особено при високи температури, котлен камък се утаява върху топлообменната повърхност на апарата, намалява коефициента на топлопреминаване и неизбежно води до паразитно намаляване на топлоотвеждането. Ето защо, компетентен инженер, при изчисляване на топлообменник вода-вода, обръща специално внимание на допълнителната излишност на топлообменната повърхност. Извършва се и изчисление за проверка, за да се види как ще работи избраното оборудване в други, вторични режими. Например, в централните климатици (захранващи блокове), първият и вторият отоплителни нагреватели, които се използват през студения сезон, често се използват през лятото за охлаждане на входящия въздух, доставяйки студена вода към тръбите на въздушния топлообменник. Как ще функционират и какви параметри ще дадат, ви позволява да оцените изчислението за проверка.
Проучвателни изчисления
Изследователските изчисления на TOA се извършват въз основа на получените резултати от термични и верификационни изчисления. Те са необходими, като правило, за да се направят последните изменения в дизайна на проектирания апарат. Те се извършват и с цел коригиране на всякакви уравнения, които са включени в внедрения изчислителен модел на TOA, получен емпирично (според експериментални данни). Извършването на изследователски изчисления включва десетки, а понякога и стотици изчисления по специален план, разработен и внедрен в производството в съответствие сматематическа теория на експериментите за планиране. Въз основа на резултатите се разкрива влиянието на различни условия и физически величини върху показателите за ефективност на TOA.
Други изчисления
При изчисляване на площта на топлообменника, не забравяйте за устойчивостта на материалите. Изчисленията на силата на TOA включват проверка на проектирания блок за напрежение, за усукване, за прилагане на максимално допустимите работни моменти към частите и възлите на бъдещия топлообменник. С минимални размери продуктът трябва да бъде здрав, стабилен и да гарантира безопасна работа при различни, дори и най-взискателните условия на работа.
Извършва се динамично изчисление, за да се определят различните характеристики на топлообменника в променливи режими на работа.
Типове дизайн на топлообменника
Рекуперативната TOA по дизайн може да бъде разделена на доста голям брой групи. Най-известните и широко разпространени са пластинчатите топлообменници, въздушните (тръбни оребрени), кожухотръбни, тръбни топлообменници, черупковидни и др. Има и по-екзотични и високоспециализирани типове, като спираловиден (спирален топлообменник) или стържен тип, които работят с вискозни или ненютонови течности, както и много други видове.
Тръба-в-тръбни топлообменници
Нека разгледаме най-простото изчисление на топлообменника "тръба в тръба". Структурно този тип TOA е максимално опростен. По правило те пускат във вътрешната тръба на апаратагореща охлаждаща течност, за да се сведат до минимум загубите, и охлаждаща охлаждаща течност се пуска в корпуса или във външната тръба. Задачата на инженера в този случай се свежда до определяне на дължината на такъв топлообменник въз основа на изчислената площ на топлообменната повърхност и дадените диаметри.
Тук си струва да добавим, че в термодинамиката се въвежда концепцията за идеален топлообменник, тоест апарат с безкрайна дължина, където топлоносителите работят в противоток и температурната разлика е напълно отработена между тях. Дизайнът тръба в тръба е най-близо до отговарянето на тези изисквания. И ако пуснете охлаждащите течности в противоток, тогава това ще бъде така нареченият "реален противоток" (а не кръстосан, както в плочните TOA). Температурната глава се изработва най-ефективно с такава организация на движението. Въпреки това, когато изчислявате топлообменника „тръба в тръба“, трябва да бъдете реалисти и да не забравяте за логистичния компонент, както и за лекотата на инсталиране. Дължината на еврокамина е 13,5 метра и не всички технически помещения са пригодени за плъзгане и монтаж на оборудване с тази дължина.
Тръбни и тръбни топлообменници
Следователно, много често изчислението на такъв апарат плавно се влива в изчисляването на корпусно-тръбен топлообменник. Това е апарат, в който сноп от тръби е разположен в един корпус (корпус), измити от различни охлаждащи течности, в зависимост от предназначението на оборудването. В кондензаторите, например, хладилният агент се вкарва в корпуса, а водата се пуска в тръбите. С този метод на движение на медиите е по-удобно и по-ефективно да се контролираработа на апарата. В изпарителите, напротив, хладилният агент кипи в тръбите, докато те се измиват от охладената течност (вода, саламура, гликоли и др.). Следователно изчислението на корпусно-тръбен топлообменник се свежда до минимизиране на размерите на оборудването. Играейки с диаметъра на корпуса, диаметъра и броя на вътрешните тръби и дължината на апарата, инженерът достига изчислената стойност на топлообменната повърхност.
Въздушни топлообменници
Един от най-разпространените топлообменници днес са тръбните оребрени топлообменници. Наричат ги още змии. Там, където те не са само инсталирани, като се започне от вентилаторни конвектори (от английското fan + coil, т.е. "вентилатор" + "бобина") във вътрешните тела на сплит системи и завършвайки с гигантски рекуператори на димни газове (извличане на топлина от горещ димен газ и пренос за нуждите на отопление) в котелни инсталации към ТЕЦ. Ето защо изчисляването на топлообменника на серпентин зависи от приложението, където този топлообменник ще влезе в експлоатация. Индустриалните въздушни охладители (HOP), монтирани в камери за взривно замразяване на месо, нискотемпературни фризери и други хладилни съоръжения за храни, изискват определени конструктивни характеристики в своя дизайн. Разстоянието между ламелите (перките) трябва да бъде възможно най-голямо, за да се увеличи времето за непрекъсната работа между циклите на размразяване. Изпарителите за центрове за данни (центрове за обработка на данни), напротив, са направени възможно най-компактни чрез затягане на интерламеларнитеминимално разстояние. Такива топлообменници работят в „чисти зони“, заобиколени от фини филтри (до клас HEPA), следователно, такова изчисление на тръбен топлообменник се извършва с акцент върху минимизиране на размерите.
Плочати топлообменници
В момента пластинчатите топлообменници са в стабилно търсене. По своя дизайн са напълно сгъваеми и полузаварени, медно и никелово запоени, заварени и споени чрез дифузия (без спойка). Топлинното изчисление на пластинчат топлообменник е доста гъвкаво и не представлява особена трудност за инженера. В процеса на избор можете да играете с вида на плочите, дълбочината на каналите за коване, вида на перките, дебелината на стоманата, различните материали и най-важното, многобройни стандартни модели устройства с различни размери. Такива топлообменници са ниски и широки (за парно загряване на вода) или високи и тесни (разделителни топлообменници за климатични системи). Те също така често се използват за среда за смяна на фаза, т.е. като кондензатори, изпарители, обезвъздушители, предкондензатори и т.н. Термичното изчисление на двуфазен топлообменник е малко по-сложно от топлообменник течност-течност, но за опитен инженер, тази задача е разрешима и не представлява особена трудност. За да улеснят такива изчисления, съвременните дизайнери използват инженерни компютърни бази данни, където можете да намерите много необходима информация, включително диаграми на състоянието на всеки хладилен агент във всяко движение, например програмаCoolPack.
Пример за изчисление на топлообменника
Основната цел на изчислението е да се изчисли необходимата площ на топлообменната повърхност. Топлинната (хладилна) мощност обикновено се посочва в техническото задание, но в нашия пример ще я изчислим, така да се каже, за да проверим самото задание. Понякога се случва и грешка да се промъкне в изходните данни. Една от задачите на компетентен инженер е да открие и коригира тази грешка. Като пример, нека изчислим пластинчат топлообменник от типа "течност-течност". Нека това е прекъсвач на налягането във висока сграда. За да се разтовари оборудването чрез налягане, този подход много често се използва при изграждането на небостъргачи. От едната страна на топлообменника имаме вода с температура на вход Tin1=14 ᵒС и температура на изход Тout1=9 ᵒС, а с дебит G1=14 500 kg / h, а от другата - също вода, но само със следните параметри: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Изчисляваме необходимата мощност (Q0), като използваме формулата за топлинен баланс (вижте фигурата по-горе, формула 7.1), където Ср е специфичният топлинен капацитет (таблична стойност). За улеснение на изчисленията приемаме намалената стойност на топлинния капацитет Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Броене:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - от първата страна и
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - от втората страна.
Забележете, че съгласно формула (7.1), Q0=Q1=Q2, независимо отот коя страна е направено изчислението.
Освен това, използвайки основното уравнение за пренос на топлина (7.2), намираме необходимата повърхност (7.2.1), където k е коефициентът на топлопреминаване (взет равен на 6350 [W/m 2]), и ΔТav.log. - средна логаритмична температурна разлика, изчислена по формулата (7.3):
ΔT среден лог.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F след това=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Когато коефициентът на топлопреминаване е неизвестен, изчисляването на пластинчатия топлообменник е малко по-сложно. Съгласно формула (7.4) изчисляваме критерия на Рейнолдс, където ρ е плътността, [kg/m3], η е динамичният вискозитет, [Ns/m 2], v е скоростта на средата в канала, [m/s], d cm е намокреният диаметър на канала [m].
Според таблицата търсим стойността на критерия на Прандтл [Pr], от който се нуждаем и, използвайки формула (7.5), получаваме критерия на Нуселт, където n=0,4 - при условия на нагряване на течност, и n=0,3 - при условия на течно охлаждане
След това, използвайки формула (7.6), изчисляваме коефициента на топлопреминаване от всяка охлаждаща течност към стената и използвайки формула (7.7), изчисляваме коефициента на топлопреминаване, който заместваме във формула (7.2.1) за изчисляване на площта на топлообменната повърхност.
В посочените формули λ е коефициентът на топлопроводимост, ϭ е дебелината на стената на канала, α1 и α2 са коефициентите на топлопреминаване от всеки от топлоносителите към стената.
