Výpočet výmenníka tepla momentálne netrvá dlhšie ako päť minút. Každá organizácia, ktorá vyrába a predáva takéto vybavenie, spravidla poskytuje každému vlastný výberový program. Dá sa bezplatne stiahnuť z webovej stránky spoločnosti, alebo vám ich technik príde do kancelárie a zadarmo vám ho nainštaluje. Nakoľko je však výsledok takýchto výpočtov správny, dá sa mu veriť a nie je výrobca prefíkaný, keď bojuje v tendri so svojimi konkurentmi? Kontrola elektronickej kalkulačky si vyžaduje znalosti alebo aspoň pochopenie metodiky výpočtu moderných výmenníkov tepla. Skúsme pochopiť detaily.
Čo je tepelný výmenník
Pred výpočtom výmenníka tepla si pripomeňme, o aký druh zariadenia ide? Prístroj na prenos tepla a hmoty (známy ako výmenník tepla, známy tiež ako výmenník tepla alebo TOA).zariadenie na prenos tepla z jednej chladiacej kvapaliny do druhej. V procese zmeny teplôt nosičov tepla sa menia aj ich hustoty, a teda aj hmotnostné ukazovatele látok. Preto sa takéto procesy nazývajú prenos tepla a hmoty.
Typy prenosu tepla
Teraz si povedzme o typoch prenosu tepla – sú len tri. Sálavé - prenos tepla sálaním. Ako príklad zvážte opaľovanie na pláži počas teplého letného dňa. A takéto výmenníky tepla možno dokonca nájsť aj na trhu (trubkové ohrievače vzduchu). Najčastejšie však na vykurovanie obytných priestorov, miestností v byte kupujeme olejové alebo elektrické radiátory. Toto je príklad iného typu prenosu tepla - konvekcia. Konvekcia môže byť prirodzená, nútená (kapota a v boxe je výmenník tepla) alebo mechanická (napríklad s ventilátorom). Posledný typ je oveľa efektívnejší.
Najúčinnejším spôsobom prenosu tepla je však vedenie, alebo, ako sa tomu tiež hovorí, vedenie (z angl. vedenie - "vedenie"). Každý inžinier, ktorý bude vykonávať tepelný výpočet výmenníka tepla, v prvom rade premýšľa o tom, ako vybrať efektívne zariadenie v minimálnych rozmeroch. A to je možné dosiahnuť práve vďaka tepelnej vodivosti. Príkladom toho sú dnes najefektívnejšie TOA – doskové výmenníky tepla. Doskový výmenník tepla podľa definície je výmenník tepla, ktorý prenáša teplo z jedného chladiva do druhého cez stenu, ktorá ich oddeľuje. Maximálnemožná kontaktná plocha dvoch médií spolu so správne zvolenými materiálmi, profilom dosky a hrúbkou umožňuje minimalizovať veľkosť zvoleného zariadenia pri zachovaní pôvodných technických charakteristík požadovaných v technologickom procese.
Typy výmenníkov tepla
Pred výpočtom výmenníka tepla sa určí jeho typ. Všetky TOA možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín: rekuperačné a regeneračné výmenníky tepla. Hlavný rozdiel medzi nimi je nasledovný: v regeneratívnych TOA dochádza k výmene tepla cez stenu oddeľujúcu dve chladivá, zatiaľ čo v regeneračných majú dve médiá priamy vzájomný kontakt, často sa miešajú a vyžadujú si následné oddelenie v špeciálnych separátoroch. Regeneračné výmenníky tepla sa delia na zmiešavacie a výmenníky tepla s náplňou (stacionárne, spádové alebo medziľahlé). Zhruba povedané, vedro horúcej vody, vystavené mrazu, alebo pohár horúceho čaju, nastavený na chladenie v chladničke (nikdy to nerobte!) - to je príklad takéhoto miešania TOA. A naliatím čaju do podšálky a ochladením týmto spôsobom dostaneme príklad regeneračného výmenníka tepla s dýzou (podšálka v tomto príklade hrá úlohu dýzy), ktorá sa najskôr dostane do kontaktu s okolitým vzduchom a odoberie mu teplotu, a potom odoberá časť tepla horúcemu čaju, ktorý je doň naliaty, a snaží sa uviesť obe médiá do tepelnej rovnováhy. Ako sme však už skôr zistili, efektívnejšie je využiť tepelnú vodivosť na prenos tepla z jedného média do druhého, pretoNajužitočnejšie (a široko používané) TOA sú dnes, samozrejme, regeneračné.
Tepelný a konštrukčný dizajn
Akýkoľvek výpočet rekuperačného výmenníka tepla je možné vykonať na základe výsledkov tepelných, hydraulických a pevnostných výpočtov. Sú zásadné, povinné pri navrhovaní nových zariadení a tvoria základ metodiky výpočtu následných modelov radu podobných zariadení. Hlavnou úlohou tepelného výpočtu TOA je určiť požadovanú plochu teplovýmennej plochy pre stabilnú prevádzku výmenníka tepla a dodržanie požadovaných parametrov média na výstupe. Pomerne často sa v takýchto výpočtoch dávajú inžinierom ľubovoľné hodnoty hmotnostných a rozmerových charakteristík budúceho zariadenia (materiál, priemer potrubia, rozmery dosky, geometria zväzku, typ a materiál rebier atď.), Preto po tepelný výpočet, spravidla vykonajú konštruktívny výpočet výmenníka tepla. Koniec koncov, ak v prvej fáze inžinier vypočítal požadovanú povrchovú plochu pre daný priemer potrubia, napríklad 60 mm, a dĺžka výmenníka tepla sa ukázala byť asi šesťdesiat metrov, potom by bolo logickejšie predpokladať prechod na viacpriechodový výmenník tepla alebo na rúrkový typ alebo na zväčšenie priemeru rúrok.
Hydraulický výpočet
Hydraulické alebo hydromechanické, ako aj aerodynamické výpočty sa vykonávajú s cieľom určiť a optimalizovať hydraulické(aerodynamické) tlakové straty vo výmenníku tepla, ako aj vypočítať náklady na energiu na ich prekonanie. Výpočet akejkoľvek cesty, kanála alebo potrubia na prechod chladiacej kvapaliny predstavuje pre človeka primárnu úlohu - zintenzívniť proces prenosu tepla v tejto oblasti. To znamená, že jedno médium musí prenášať a druhé prijímať čo najviac tepla za minimálnu dobu svojho toku. Na to sa často používa prídavná teplovýmenná plocha vo forme vyvinutého povrchového rebrovania (na oddelenie hraničnej laminárnej podvrstvy a zvýšenie turbulencie prúdenia). Optimálny bilančný pomer hydraulických strát, teplovýmennej plochy, hmotnostných a rozmerových charakteristík a odobratého tepelného výkonu je výsledkom kombinácie tepelného, hydraulického a konštrukčného výpočtu TOA.
Skontrolovať výpočet
Overovací výpočet výmenníka tepla sa vykonáva v prípade, keď je potrebné položiť rezervu z hľadiska výkonu alebo z hľadiska plochy teplovýmennej plochy. Povrch je rezervovaný z rôznych dôvodov a v rôznych situáciách: ak to vyžadujú zadávacie podmienky, ak sa výrobca rozhodne urobiť dodatočnú rezervu, aby si bol istý, že takýto výmenník tepla dosiahne režim a minimalizuje chyby spôsobené v výpočty. V niektorých prípadoch je potrebná redundancia na zaokrúhlenie výsledkov konštrukčných rozmerov, zatiaľ čo v iných prípadoch (výparníky, ekonomizéry) sa do výpočtu výkonu výmenníka tepla špeciálne zavedie povrchová rezerva pre kontamináciu kompresorovým olejom prítomným v chladiacom okruhu.. A zlá kvalita vodytreba brať do úvahy. Po určitom čase nepretržitej prevádzky výmenníkov tepla, najmä pri vysokých teplotách, sa na teplovýmennej ploche zariadenia usadzuje vodný kameň, čím sa znižuje koeficient prestupu tepla a nevyhnutne vedie k parazitnému poklesu odvodu tepla. Preto kompetentný inžinier pri výpočte výmenníka tepla voda-voda venuje osobitnú pozornosť dodatočnej redundancii povrchu výmeny tepla. Vykonáva sa aj overovací výpočet, aby sa zistilo, ako bude vybrané zariadenie fungovať v iných sekundárnych režimoch. Napríklad v centrálnych klimatizačných jednotkách (napájacích jednotkách) sa prvé a druhé vykurovacie telesá, ktoré sa používajú v chladnom období, často používajú v lete na ochladzovanie prichádzajúceho vzduchu a dodávajú studenú vodu do rúrok vzduchového výmenníka tepla. Ako budú fungovať a aké parametre budú vydávať, vám umožní vyhodnotiť overovací výpočet.
Prieskumné výpočty
Výskumné výpočty TOA sa vykonávajú na základe získaných výsledkov tepelných a overovacích výpočtov. Spravidla sú potrebné na vykonanie posledných úprav konštrukcie navrhnutého zariadenia. Vykonávajú sa aj za účelom opravy akýchkoľvek rovníc, ktoré sú začlenené do implementovaného výpočtového modelu TOA, získaného empiricky (podľa experimentálnych údajov). Vykonávanie výskumných výpočtov zahŕňa desiatky a niekedy aj stovky výpočtov podľa špeciálneho plánu vyvinutého a implementovaného vo výrobe v súlade smatematická teória plánovacích experimentov. Na základe výsledkov je odhalený vplyv rôznych podmienok a fyzikálnych veličín na ukazovatele účinnosti TOA.
Iné výpočty
Pri výpočte plochy výmenníka nezabúdajte na odolnosť materiálov. Výpočty pevnosti TOA zahŕňajú kontrolu namáhania navrhnutej jednotky, krútenia, aplikovania maximálnych prípustných pracovných momentov na časti a zostavy budúceho výmenníka tepla. Pri minimálnych rozmeroch musí byť výrobok pevný, stabilný a zaručovať bezpečnú prevádzku v rôznych, aj tých najnáročnejších prevádzkových podmienkach.
Dynamický výpočet sa vykonáva s cieľom určiť rôzne charakteristiky výmenníka tepla v rôznych prevádzkových režimoch.
Typy konštrukcie výmenníka tepla
Rekuperačné TOA podľa návrhu možno rozdeliť do pomerne veľkého počtu skupín. Najznámejšie a najpoužívanejšie sú výmenníky tepla doskové, vzduchové (rúrkové rebrované), rúrkové, rúrkové, doskové a iné. Existujú aj exotickejšie a vysoko špecializované typy, ako napríklad špirálový (špirálkový výmenník tepla) alebo škrabaný typ, ktoré pracujú s viskóznymi alebo nenewtonskými kvapalinami, ako aj mnoho ďalších typov.
Potrubné výmenníky tepla
Uvažujme o najjednoduchšom výpočte výmenníka tepla „potrubie v potrubí“. Štrukturálne je tento typ TOA maximálne zjednodušený. Spravidla sa vpúšťajú do vnútornej trubice prístrojahorúca chladiaca kvapalina, aby sa minimalizovali straty, a chladiaca kvapalina sa privádza do plášťa alebo do vonkajšieho potrubia. Úloha inžiniera sa v tomto prípade redukuje na určenie dĺžky takéhoto výmenníka tepla na základe vypočítanej plochy teplovýmennej plochy a daných priemerov.
Tu je vhodné dodať, že v termodynamike sa zavádza koncept ideálneho výmenníka tepla, teda prístroja nekonečnej dĺžky, kde nosiče tepla pracujú v protiprúde a teplotný rozdiel je medzi nimi úplne spracovaný. K splneniu týchto požiadaviek sa najviac približuje konštrukcia potrubia v potrubí. A ak spustíte chladiace kvapaliny v protiprúde, potom to bude takzvaný "skutočný protiprúd" (a nie krížový, ako v tanierových TOA). Teplotná hlava je najefektívnejšie vypracovaná s takouto organizáciou pohybu. Pri výpočte výmenníka tepla „potrubie v potrubí“by ste však mali byť realistickí a nezabúdať na logistickú zložku, ako aj na jednoduchosť inštalácie. Dĺžka eurovozíka je 13,5 metra a nie všetky technické priestory sú prispôsobené na šmyk a montáž zariadení tejto dĺžky.
Plášťové a rúrkové výmenníky tepla
Výpočet takéhoto zariadenia preto veľmi často plynule prechádza do výpočtu rúrkového výmenníka tepla. Toto je zariadenie, v ktorom je zväzok rúrok umiestnený v jedinom kryte (plášte), ktorý je umývaný rôznymi chladivami v závislosti od účelu zariadenia. Napríklad v kondenzátoroch prúdi chladivo do plášťa a voda do rúrok. Pri tomto spôsobe pohybu médií je ovládanie pohodlnejšie a efektívnejšieprevádzku prístroja. Naopak, vo výparníkoch chladivo v rúrach vrie, pričom sú umývané ochladenou kvapalinou (voda, soľanka, glykoly atď.). Preto sa výpočet rúrkového výmenníka tepla redukuje na minimalizáciu rozmerov zariadenia. Pri hre s priemerom plášťa, priemerom a počtom vnútorných rúrok a dĺžkou prístroja inžinier dosiahne vypočítanú hodnotu teplovýmennej plochy.
Vzduchové výmenníky tepla
Jedným z najbežnejších výmenníkov tepla súčasnosti sú rúrkové rebrové výmenníky tepla. Hovorí sa im aj hady. Kde sú nielen inštalované, počnúc fancoilovými jednotkami (z angl. fan + coil, t.j. "fan" + "coil") vo vnútorných jednotkách splitových systémov a končiac obrími rekuperátormi spalín (odber tepla z horúcich spalín a prenos pre potreby vykurovania) v kotolniach na KVET. Preto výpočet špirálového výmenníka tepla závisí od aplikácie, kde bude tento výmenník tepla uvedený do prevádzky. Priemyselné chladiče vzduchu (HOP) inštalované v mraziacich komorách na mäso, nízkoteplotných mrazničkách a iných zariadeniach na chladenie potravín vyžadujú určité konštrukčné prvky vo svojej konštrukcii. Vzdialenosť medzi lamelami (rebrami) by mala byť čo najväčšia, aby sa predĺžil čas nepretržitej prevádzky medzi cyklami odmrazovania. Výparníky pre dátové centrá (centrá na spracovanie dát) sú naopak vyrobené čo najkompaktnejšie zovretím medzilamelovýchminimálna vzdialenosť. Takéto výmenníky tepla pracujú v „čistých zónach“, obklopených jemnými filtrami (až do triedy HEPA), preto je takýto výpočet rúrkového výmenníka vykonávaný s dôrazom na minimalizáciu rozmerov.
Doskové výmenníky tepla
V súčasnosti je dopyt po doskových výmenníkoch tepla stabilný. Podľa ich vyhotovenia sú úplne skladateľné a polozvárané, spájkované meďou a niklom, zvárané a spájkované difúziou (bez spájky). Tepelný výpočet doskového výmenníka tepla je pomerne flexibilný a pre inžiniera nepredstavuje žiadne zvláštne ťažkosti. V procese výberu sa môžete pohrať s typom dosiek, hĺbkou kovacích kanálov, typom rebier, hrúbkou ocele, rôznymi materiálmi a čo je najdôležitejšie, mnohými štandardnými modelmi zariadení rôznych veľkostí. Takéto výmenníky tepla sú nízke a široké (na parný ohrev vody) alebo vysoké a úzke (oddeľovacie výmenníky tepla pre klimatizačné systémy). Často sa používajú aj pre médiá s fázovou zmenou, t.j. ako kondenzátory, výparníky, chladiče prehriatej pary, predkondenzátory atď. Tepelný výpočet dvojfázového výmenníka tepla je o niečo zložitejší ako výmenníka tepla kvapalina-kvapalina, avšak pre skúseného inžiniera, táto úloha je riešiteľná a nepredstavuje žiadne zvláštne ťažkosti. Na uľahčenie takýchto výpočtov používajú moderní dizajnéri databázy inžinierskych počítačov, kde nájdete množstvo potrebných informácií vrátane stavových diagramov akéhokoľvek chladiva v akomkoľvek zákrute, napríklad v programe. CoolPack.
Príklad výpočtu výmenníka tepla
Hlavným účelom výpočtu je vypočítať požadovanú plochu teplovýmennej plochy. Tepelný (chladiaci) výkon je zvyčajne uvedený v zadávacích podmienkach, v našom príklade ho však vypočítame takpovediac pre kontrolu samotného zadania. Občas sa tiež stane, že sa do zdrojových údajov môže vkradnúť chyba. Jednou z úloh kompetentného inžiniera je nájsť a opraviť túto chybu. Ako príklad si vypočítajme doskový výmenník tepla typu "kvapalina-kvapalina". Nech je to tlakový istič vo vysokej budove. Na vyloženie zariadení tlakom sa tento prístup veľmi často používa pri stavbe mrakodrapov. Na jednej strane výmenníka tepla máme vodu so vstupnou teplotou Tin1=14 ᵒС a výstupnou teplotou Тout1=9 ᵒС a s prietokom G1=14 500 kg / h a na druhej strane tiež vodu, ale iba s nasledujúcimi parametrami: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Potrebný výkon (Q0) vypočítame pomocou vzorca tepelnej bilancie (pozri obrázok vyššie, vzorec 7.1), kde Ср je merná tepelná kapacita (tabuľková hodnota). Pre jednoduchosť výpočtov berieme zníženú hodnotu tepelnej kapacity Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Počítanie:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW – na prvej strane a
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW – na druhej strane.
Všimnite si, že podľa vzorca (7.1) Q0=Q1=Q2, bez ohľadu nana ktorej strane bol vykonaný výpočet.
Ďalej pomocou hlavnej rovnice prestupu tepla (7.2) nájdeme požadovanú plochu povrchu (7.2.1), kde k je koeficient prestupu tepla (rovnajúci sa 6350 [W/m 2]) a ΔТav.log. - priemerný logaritmický teplotný rozdiel vypočítaný podľa vzorca (7.3):
ΔT priemerný log.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F potom=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Keď nie je známy koeficient prestupu tepla, výpočet doskového výmenníka tepla je o niečo komplikovanejší. Podľa vzorca (7.4) vypočítame Reynoldsovo kritérium, kde ρ je hustota, [kg/m3], η je dynamická viskozita, [Ns/m 2], v je rýchlosť média v kanáli, [m/s], d cm je zmáčaný priemer kanála [m].
Podľa tabuľky hľadáme hodnotu Prandtlovho kritéria [Pr], ktorú potrebujeme, a pomocou vzorca (7.5) získame Nusseltove kritérium, kde n=0,4 - za podmienok ohrevu kvapaliny a n=0,3 - za podmienok chladenia kvapalinou.
Ďalej pomocou vzorca (7.6) vypočítame koeficient prestupu tepla z každého chladiva na stenu a pomocou vzorca (7.7) vypočítame koeficient prestupu tepla, ktorý dosadíme do vzorca (7.2.1) na výpočet plochy teplovýmennej plochy.
V uvedených vzorcoch je λ koeficient tepelnej vodivosti, ϭ je hrúbka steny kanála, α1 a α2 sú koeficienty prestupu tepla z každého z nosičov tepla na stenu.
