Izračun toplotnega izmenjevalca: primer. Izračun površine, moč izmenjevalnika toplote

Izračun toplotnega izmenjevalca trenutno traja največ pet minut. Vsaka organizacija, ki proizvaja in prodaja takšno opremo, praviloma zagotavlja vsakomur svoj lastni izbirni program. Brezplačno ga lahko prenesete s spletne strani podjetja, ali pa bo tehnični strokovnjak prišel v vašo pisarno in ga brezplačno namestil. Vendar, kako dober rezultat takšnih izračunih, ali je mogoče zaupati in ne zavede producenta, ki se bo boril proti ponudbi s svojimi konkurenti? Preverjanje elektronskega kalkulatorja zahteva znanje ali vsaj razumevanje metodologije izračuna sodobnih toplotnih izmenjevalcev. Poskusimo razumeti podrobnosti.

Kaj je izmenjevalnik toplote

Pred izračunom toplotnega izmenjevalca se spomnimo, kaj je to naprava? Aparat za prenos toplote in mase (to je tudi toplotni izmenjevalec, je tudi toplotni izmenjevalec, ali TOA) je naprava za prenos toplote iz ene hladilne tekočine na drugo. V procesu spreminjanja temperature toplotnih nosilcev se spreminjajo tudi njihova gostota in s tem tudi masni indeksi snovi. Zato se ti procesi imenujejo izmenjava toplote in mase.

Vrste prenosa toplote

Zdaj pa se pogovoriva vrste prenosa toplote - jih je le tri. Sevanje - prenos toplote zaradi sevanja. Na primer, si lahko zapomnite sončne kopeli na plaži v toplem poletnem dnevu. Tovrstne izmenjevalnike toplote je mogoče najti tudi na trgu (grelniki zraka z žarnicami). Vendar pa najpogosteje za ogrevanje stanovanjskih prostorov, sob v stanovanju kupujemo naftne ali električne radiatorje. To je primer druge vrste izmenjave toplote - konvekcija. Konvekcija naravno, prisilno (izpušno, v škatli je recuperator) ali z mehanskim impulzom (npr. z ventilatorjem). Slednji tip je veliko bolj učinkovit.

Vendar pa je najučinkovitejši način prenosa toplote toplotna prevodnost ali, kako se tudi imenuje, prevodnost (od angleške prevodnosti - "prevodnost"). Vsak inženir, ki namerava izvesti toplotni izračun izmenjevalnika toplote, najprej razmišlja o izbiri učinkovite opreme v najmanjših merah. To se lahko doseže ravno zaradi toplotne prevodnosti. Primer tega je najučinkovitejši TO-ploščni toplotni izmenjevalci. Plate TOA je po definiciji toplotni izmenjevalec, ki prenaša toploto iz enega hladila na drugega skozi steno, ki ju ločuje. Največja možna kontaktna površina med obema medijem v povezavi z ustrezno izbranimi materiali, profil plošč in njihova debelina omogoča zmanjšanje velikosti izbrane opreme ob ohranjanju začetnih tehničnih lastnosti, zahtevanih v tehnološkem procesu.

Vrste toplotnih izmenjevalcev

Pred izračunom toplotnega izmenjevalca se določi s svojim tipom. Vsa TOA lahko razdelimo v dve veliki skupini: rekuperativni in regenerativni toplotni izmenjevalci. Glavna razlika med njima je, kot sledi: pri strel TOA Oporavljati izmenjava toplote poteka skozi steno, ki ločuje dve toplotni medij in v stiku drug z drugim v dveh regenerativnih medijih, pogosto zahtevajo naknadno mešanje in ločitev v posebnih separatorji. Regenerativni toplotni izmenjevalci so razdeljeni na mešalne in toplotne izmenjevalnike s šobo (stacionarno, padanje ali vmesno). Grobo rečeno, vedro vroče vode, pripravljeni v mrazu, ali kozarec vročega čaja, put ohladimo v hladilniku (nikoli ne naredi!) - to je primer takšnega mešanja TOA. Izlivnim čaj krožnik in ohlajanje ga tako dobimo primer regenerativnem prenosniku toplote s šobo (krožnik, v tem primeru predstavlja del šobe), ki je najprej kontaktiramo z okoliškim zrakom, in ima temperaturo, in nato izbere del toplote zlijemo v njem vročega čaja , ki si prizadevata, da obe okolji vključita v način toplotnega ravnovesja. Vendar pa, kot smo že našli bolj učinkovito uporabo toplotne prevodnosti za prenos toplote iz enega medija v drugega, zato je bolj koristno v smislu prenosa toplote (in se pogosto uporablja) TOA danes - seveda, sposobnost obnavljanja.

Toplotni in konstruktivni izračun

Vsak izračun rekuperativnega toplotnega izmenjevalca se lahko izvede na podlagi rezultatov toplotnih, hidravličnih in trdnostnih izračunov. So temeljni, obvezni pri oblikovanju nove opreme in tvorijo osnovo za izračun nadaljnjih modelov linije iste vrste aparata. Glavna naloga izračuna toplotno TOA je določiti potrebno toplotno izmenjavo površino za stabilno delovanje toplotnega izmenjevalnika in vzdrževanje potrebne parametre medija. Pogosto v takih izračunov se inženirji dana poljubnih vrednosti karakteristik teže in velikosti prihodnjega oprema (material, premer cevi, plošč, dimenzijami, geometrija pramen, vrsti in industrijska rezanja plavuti et al.), Vendar po toplotni običajno izvede konstruktivno izračuna izmenjevalnika. Konec koncev, če je prvi korak inženir potrebno površina za dani premer cevi, na primer, 60 mm in dolžino toplotnega izmenjevalnika torej izkazalo približno šestdeset metrov, je razumljivo, da prevzame prehoda večstopenjski toplotni izmenjevalnik ali tipa cevni snop, ali povečati premer cevi.

Hidravlični izračun

Izvedemo hidravlične ali hidromehanske in aerodinamične izračune za določitev in optimizacijo hidravličnih (aerodinamičnih) tlačnih izgub v toplotnem izmenjevalniku ter tudi izračun stroškov energije za njihovo premagovanje. Izračun poljubnega trakta, kanala ali cevi za prehod hladilne tekočine postavi primarno nalogo za osebo - intenzivira proces izmenjave toplote na tem področju. To pomeni, da mora en medij prenašati, drugi pa prejeti čim večje toplote v najmanjšem intervalu njegovega pretoka. Da bi to naredili, se pogosto uporablja dodatna površina za izmenjavo toplote v obliki razvite površine plavuti (za odstranitev mejnega laminarnega podlivca in za intenziviranje pretočne turbulence). Optimalno razmerje ravnotežja med hidravličnimi izgubami, površinami površine izmenjave toplote, karakteristikami masne razsežnosti in odstranjeno toplotno močjo je rezultat kombinacije termičnega, hidravličnega in strukturnega izračuna TOA.

Izračun preverjanja

Preverjanje toplotnega izmenjevalnika se izvede v primeru, ko je to potrebno postaviti rezervo moči koli izmenjavo toplote površine. Površina rezerve iz različnih razlogov in v različnih situacijah, če to zahteva mandatu, če se proizvajalec odloči, da bo dodatna marža, da je popolnoma prepričan, da bo ta toplota sprosti na režim, in da se zmanjšajo napake pri izračunih. V nekaterih primerih je potrebna redundanca za zaokroževanje rezultatov strukturnih dimenzij, medtem ko je v drugih (izparilnikov, ekonomista) v izračun moči Izmenjevalnik toplote se posebej vbrizga v površino, kontaminirano s kompresorskim oljem, prisotnim v hladilnem krogu. Da, in slabo kakovost vode je treba upoštevati. Čez nekaj časa, nemoteno delovanje toplotnih izmenjevalcev, zlasti pri visokih temperaturah, žlindre poravna na površini naprave za izmenjavo toplote, zmanjšanje koeficienta toplotne in neizogibno vodi do zmanjšanja parazitski toplote vzletu. Zato pristojni inženir, izračun toplotnega izmenjevalnika "vodo-voda", posebno pozornost namenja dodatno rezervo za izmenjavo toplote površine. Izračun preverjanja se izvede tudi, da bi videli, kako izbrana oprema deluje v drugih, sekundarnih načinih. Na primer, v osrednjem klimatske naprave (naprav za oskrbo) grelniki v prvem in drugem ogrevanje, uporabljenega v hladnem obdobju, in pogosto vključujejo poleti za hlajenje hranjenja dovod zraka hladno vodo v zrak toploto izmenjujoče cevi. Kako bodo delovali in kateri parametri bodo proizvedli, vam omogoča, da ocenite izračun preverjanja.

Raziskovalni izračuni

Raziskovalni izračuni TOA temeljijo na rezultatih toplotnih in preveritvenih izračunov. Praviloma so obvezni, da najnovejše popravke načrtujejo projicirane aparate. Izvajajo se tudi z namenom prilagajanja katerimkoli enačbam, določenim v izvedljivem modelu TOA, pridobljenem empirično (glede na eksperimentalne podatke). Izvajanje raziskovalnih izračuni vključuje izvedbo desetin, včasih pa več sto izračunov v skladu s posebnim načrtom, ki se razvija in izvaja v proizvodnji v skladu z matematično teorijo eksperimentalnega načrtovanja. Na podlagi rezultatov je razviden učinek različnih pogojev in fizičnih količin na kazalce učinkovitosti TOA.

Drugi izračuni

Pri izračunu površine toplotnega izmenjevalca ne pozabite na odpornost materialov. Izračuni moči TOA vključujejo preverjanje načrtovane enote za napetost, torzijo, uporabo največjih dopustnih obratovalnih momentov za dele in sklopi prihodnjega izmenjevalca toplote. Z najmanjšimi dimenzijami mora biti izdelek močan, stabilen in varen za uporabo v različnih, tudi najbolj stresnih obratovalnih pogojih.

Dinamični izračun se izvaja z namenom določitve različnih lastnosti izmenjevalnika toplote v različnih načinih delovanja.

Vrste konstrukcij toplotnega izmenjevalca

Recuperativni TOA za gradnjo se lahko razdeli na dovolj veliko število skupin. Najbolj poznan in razširjen - ploščni toplotni izmenjevalnik, zrak (lamelni cev), z ohišjem in cevjo toplotni izmenjalniki "cev v cevi", školjke in ploščo, in drugi. Obstaja več visoko specializirane in eksotičnih vrst, npr spiralo (cochlea izmenjevalnikov) ali strgalo, ki delajo z viskozne ali ne-novtonske tekočine, kot tudi mnoge druge vrste.

Toplotni izmenjevalci cevovoda

Naj bo najpreprostejši izračun toplotnega izmenjevalnika "cev v cevi". Strukturno je ta tip TOA poenostavljen čim bolj. Praviloma se v notranjost cevi aparata vroči toplotni nosilec dovoli, da se zmanjšajo izgube, se v ohišju ali v zunanji cevi zažene hladilno sredstvo. Naloga inženirja v tem primeru je zmanjšana na določitev dolžine takšnega izmenjevalnika toplote na podlagi izračunane površine površine izmenjave toplote in določenih premerov.

Vredno je dodal, da v termodinamike uvaja koncept idealnega toplotnega izmenjevalnika, da je neskončno enoto dolžine, kjer sredstva za hlajenje deluje na števec, in med popolnoma sprožil temperaturne razlike. Zasnova cevi v cevi, ki je najbližja tem zahtevam. In če teče protitočne tekočine za prenos toplote, bo tako imenovani "boj proti pravi" (v nasprotju z navzkrižno kot v ploščo TOA). Temperaturni glavi doseže največjo učinkovitost s tako organizacijo prometa. Vendar pa je treba opravljanje "cev v cevi" izračun toplotnega izmenjevalnika biti realni in ne pozabite na komponento logistike, kot tudi enostavno namestitev. Dolžina evrofury - 13,5 m, in ne vseh tehnične naprave, prirejene za kompaktni in namestitev opreme take dolžine.

Izmenjalci toplote in cevi

Zato zelo pogosto izračun takega aparata gladko pretaka v izračun toplotnega izmenjevalca cevi in ​​cevi. Ta naprava, pri čemer je snop cevi v enem primeru (ohišja), izperemo z različnimi hladilna sredstva glede na ciljni opremo. V kondenzatorjih se npr. Hladilno sredstvo sproži v ohišje in voda v cevi. S to metodo gibanja je medij bolj priročen in učinkovit za nadzor delovanja naprave. V uparjalnikov, nasprotno, hladilno vre v epruvetah in jih izperemo z ohlajeno tekočino (voda, slanice, glikolov, itd). Zato se izračun toplotnega izmenjevalca cevi in ​​cevi zmanjša, da bi zmanjšali dimenzije opreme. Igranje s premerom okrova, premera in števila in dolžine notranje cevi aparata inženir vnese izračunana vrednost toplotnega izmenjevalnika površine.

Toplotni izmenjevalniki zraka

Eden najpogostejših toplotnih izmenjevalcev za danes je cevasti toplotni izmenjevalci. Imenujejo se tudi tuljave. Kadar niso le prilagodi v razponu od fancoils (od angleške. Fan + tuljavo, to je, "fan" + "coil") v notranjih blokih split sistemi za velikanski dimnih plinov rekuperatorjem (izbor toplote iz vročih dimnih plinov in prenos za ogrevanje) v kotlovnicah na CHPP. Zato je izračun toplotnega izmenjevalnika tuljave odvisen od uporabe, do katere bo ta toplotni izmenjevalec obratoval. Industrijski zračni hladilniki (VOPy) nameščeni v zbornic šok zamrznjeno meso, v zamrzovalnikih pri nizkih temperaturah in drugih predmetov hlajenje hrane, zahtevajo nekatere strukturne značilnosti pri njihovem oblikovanju. Razdalja med plavutmi (plavuti) je treba maksimirati, da se poveča čas neprekinjenega delovanja med cikli odmrzovanja. Uparjalniki za DCS (podatkovnega centra), nasprotno, naredi čim bolj kompaktno vpenjanje mezhlamelnye razdaljo na minimum. Takšni toplotni izmenjevalniki delujejo v "čisti območju", ki ga obdaja fini filter (do HEPA razreda), vendar se ta izračun izvede cevnega toplotnega izmenjevalca s poudarkom na zmanjšanju celotne dimenzije.

Plate Izmenjalci toplote

Trenutno so ploščni izmenjevalci toplote stabilni. Po konstruktivno oblikovanje, so v celoti tesnili in delno varjene in mednopayanymi nikelpayanymi, varjene in spajkane metodo difuzije (brez spajke). Toplotni izračun ploščatega toplotnega izmenjevalnika je dovolj prožen in ne predstavlja posebne težave za inženirja. Izbirni postopek se lahko igrajo tipa plošče, globoke kanale, ki tvorijo, tipa fin, debeline jekla, različnih materialov in, kar je najpomembnejše - veliko standardne modele velikost naprav različnih velikosti. Ti toplotni izmenjevalniki so nizki in široki (za ogrevanje s paro vode) ali visoki in ozki (ločilni toplotni izmenjevalniki za klimatske naprave). Pogosto se uporabljajo, in medij s faznim prehodom, torej kot kondenzatorje, uparjalniki, parne hladilniki, predkondensatorov in tako naprej. D. Izvajanje toplotno oblikovanje toplotnega izmenjevalnika, ki deluje v dvofaznem vzorec, nekoliko trše od toplotnega izmenjevalnika z "tekočinsko-tekočinsko", toda za izkušen inženir, ta problem je rešljiv in ne predstavlja posebne kompleksnosti. Za olajšanje te izračune sodobne inženirske oblikovalci uporabljajo računalniško bazo podatkov, kjer lahko najdete veliko potrebnih informacij, vključno s faznim diagramom koli hladilno sredstvo v vsakem načinu streak, na primer, program CoolPack.

Primer izračuna toplotnega izmenjevalca

Glavni namen izračuna je izračun potrebnega območja površine izmenjave toplote. Toplota (hlajenje) moč je običajno določeno v mandatu, ampak v našem primeru bomo izračunali in jo, za, recimo, preverjanje specifikacije zahtev. Včasih se zgodi in tako, da se lahko izvirni podatki skrivajo z napako. Ena od nalog pristojnega inženirja je najti in popraviti to napako. Kot primer izvajamo izračun ploščatega toplotnega izmenjevalnika tipa "tekoče-tekoče". Naj bo tlačni odklopnik v visoki stavbi. Za lajšanje tlačne opreme se ta pristop pogosto uporablja pri gradnji nebotičnikov. Na eni strani toplotnega izmenjevalnika imajo vode pri dotoku Tvh1 = 14 ᵒS in izstop Tvyh1 = 9 ᵒS, in pretočna hitrost G1 = 14 500 kg / h, in na drugi strani - je tudi voda, ki pa tukaj z naslednjimi parametri: Tvh2 = 8 ᵒS, Tvy2 = 12 ° C, G2 = 18,125 kg / h.

Zahtevana moč (Q0) se izračuna iz formule toplotne bilance (glej sliko zgoraj, formula 7.1), pri čemer je Cp specifična toplota (tabularna vrednost). Zaradi preprostosti izračunov vzemimo zmanjšano toplotno kapaciteto Cpv = 4.187 [kJ / kg * ᵒC]. Upoštevamo:

Q1 = 14.500 * (14 - 9) * 4.187 = 303557,5 [kJ / h] = 84321,53 W = 84,3 kW - na prvi strani in

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4.187 = 303557,5 [kJ / h] = 84321,53 W = 84,3 kW - na drugi strani.

Upoštevajte, da glede na formulo (7.1) Q0 = Q1 = Q2, ne glede na to, katera stran izračuna.

Nadalje, po osnovni enačbi prenosa toplote (7.2) najdemo zahtevano površino (7.2.1), kjer je k koeficient prenosa toplote (predpostavimo, da je 6350 [W / m²]) in Delta-T.p. - povprečna logaritmična temperaturna glava, ki se glasi s formulo (7.3):

Delta-T sr.log. = (2 - 1) / ln (2/1) = 1 / ln2 = 1 / 0,69131 = 1,4428;

F = 84321/6350 * 1,4428 = 9,2 m².

V primeru, ko koeficient prenosa toplote ni znan, je izračun ploščnega toplotnega izmenjevalnika nekoliko bolj zapleten. S formulo (7.4) predpostavljamo Reynoldsov kriterij, kjer rho- je gostota, [kg / m³], eta- je dinamična viskoznost, [H * s / m²], v je hitrost medija v kanalu, [m / s], d cm je premer omočenega kanala [m].

Iz tabele želimo zahtevano vrednost Prandtlove [Pr], in s formulo (7.5), dobimo Nusseltovo število, kjer je n = 0,4 - če tekoča pogojih segrevanja, in n = 0,3 - hlajenje v tekočih razmerah.

Nadalje je formula (7.6), izračunan koeficient toplotne prehodnosti od hladilne tekočine za vsako steno, in formula (7.7) Predpostavlja koeficient toplotne prehodnosti, ki je substituirana v formuli (7.2.1) za izračun menjalnega površino toplote.

V teh formulah lambda- je koeficient toplotne prevodnosti, ϭ je debelina kanalske stene, alfa-1 in alfa-2 - koeficienti prenosa toplote iz vsake hladilne tekočine na steno.