De berekening van de warmtewisselaar duurt momenteel niet langer dan vijf minuten. Elke organisatie die dergelijke apparatuur produceert en verkoopt, biedt in de regel iedereen zijn eigen selectieprogramma. Het kan gratis worden gedownload van de website van het bedrijf, of hun technicus komt naar uw kantoor en installeert het gratis. Maar hoe correct is het resultaat van dergelijke berekeningen, is het te vertrouwen en is de fabrikant niet sluw wanneer hij in een aanbesteding met zijn concurrenten vecht? Het controleren van een elektronische rekenmachine vereist kennis of op zijn minst begrip van de methodologie voor het berekenen van moderne warmtewisselaars. Laten we proberen de details te begrijpen.
Wat is een warmtewisselaar
Laten we, voordat we de berekening van de warmtewisselaar uitvoeren, onthouden wat voor soort apparaat dit is? Een apparaat voor warmte- en massaoverdracht (ook bekend als een warmtewisselaar, ook bekend als een warmtewisselaar of TOA) iseen apparaat voor het overbrengen van warmte van het ene koelmiddel naar het andere. Tijdens het veranderen van de temperaturen van warmtedragers, veranderen ook hun dichtheden en dienovereenkomstig de massa-indicatoren van stoffen. Daarom worden dergelijke processen warmte- en massaoverdracht genoemd.
Soorten warmteoverdracht
Laten we het nu hebben over de soorten warmteoverdracht - er zijn er maar drie. Straling - warmteoverdracht door straling. Denk bijvoorbeeld aan zonnebaden op het strand op een warme zomerdag. En dergelijke warmtewisselaars zijn zelfs op de markt te vinden (buisluchtverwarmers). Meestal kopen we echter olie- of elektrische radiatoren voor het verwarmen van woongebouwen, kamers in een appartement. Dit is een voorbeeld van een ander type warmteoverdracht - convectie. Convectie kan natuurlijk, geforceerd (afzuigkap en er zit een warmtewisselaar in de kast) of mechanisch aangedreven zijn (bijvoorbeeld met een ventilator). Het laatste type is veel efficiënter.
De meest efficiënte manier om warmte over te dragen is echter conductie, of, zoals het ook wel wordt genoemd, conduction (van het Engels: conduction - "conduction"). Elke ingenieur die een thermische berekening van een warmtewisselaar gaat uitvoeren, denkt allereerst na over het selecteren van efficiënte apparatuur in minimale afmetingen. En het is mogelijk om dit precies te bereiken dankzij de thermische geleidbaarheid. Een voorbeeld hiervan is de meest efficiënte TOA van vandaag - platenwarmtewisselaars. Een platenwarmtewisselaar is volgens de definitie een warmtewisselaar die warmte van het ene koelmiddel naar het andere overdraagt via een scheidingswand. maximaalhet mogelijke contactoppervlak tussen de twee media, samen met correct geselecteerde materialen, plaatprofiel en dikte, maakt het mogelijk om de grootte van de geselecteerde apparatuur te minimaliseren met behoud van de originele technische kenmerken die vereist zijn in het technologische proces.
Soorten warmtewisselaars
Voordat de warmtewisselaar wordt berekend, wordt deze bepaald met zijn type. Alle TOA zijn onder te verdelen in twee grote groepen: recuperatieve en regeneratieve warmtewisselaars. Het belangrijkste verschil tussen hen is als volgt: bij regeneratieve TOA's vindt warmte-uitwisseling plaats via een wand die twee koelmiddelen scheidt, terwijl bij regeneratieve media twee media direct met elkaar in contact staan, vaak vermengd en vervolgens gescheiden in speciale afscheiders. Regeneratieve warmtewisselaars zijn onderverdeeld in meng- en warmtewisselaars met pakking (stationair, vallend of tussenliggend). Grofweg gezegd, een emmer heet water, blootgesteld aan vorst, of een glas hete thee, afgekoeld in de koelkast (nooit doen!) - dit is een voorbeeld van zo'n TOA-menging. En door thee in een schotel te gieten en op deze manier af te koelen, krijgen we een voorbeeld van een regeneratieve warmtewisselaar met een mondstuk (de schotel in dit voorbeeld speelt de rol van een mondstuk), die eerst in contact komt met de omringende lucht en zijn temperatuur opneemt, en neemt dan een deel van de warmte weg van de hete thee die erin wordt gegoten, in een poging beide media in thermisch evenwicht te brengen. Zoals we echter al eerder hebben ontdekt, is het efficiënter om thermische geleidbaarheid te gebruiken om warmte van het ene medium naar het andere over te dragen, daaromDe meer bruikbare (en veelgebruikte) TOA's van tegenwoordig zijn natuurlijk regeneratieve.
Thermisch en constructief ontwerp
Elke berekening van een recuperatieve warmtewisselaar kan worden uitgevoerd op basis van de resultaten van thermische, hydraulische en sterkteberekeningen. Ze zijn fundamenteel, verplicht bij het ontwerp van nieuwe apparatuur en vormen de basis van de methodologie voor het berekenen van latere modellen van een reeks vergelijkbare apparaten. De hoofdtaak van de thermische berekening van TOA is om het vereiste oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak te bepalen voor de stabiele werking van de warmtewisselaar en het handhaven van de vereiste parameters van de media aan de uitlaat. Heel vaak krijgen ingenieurs bij dergelijke berekeningen willekeurige waarden van het gewicht en de afmetingen van de toekomstige apparatuur (materiaal, buisdiameter, plaatafmetingen, bundelgeometrie, type en materiaal van vinnen, enz.), Dus na de thermische berekening, voeren ze meestal een constructieve berekening van de warmtewisselaar uit. Immers, als de ingenieur in de eerste fase het benodigde oppervlak voor een gegeven leidingdiameter, bijvoorbeeld 60 mm, berekende en de lengte van de warmtewisselaar ongeveer zestig meter bleek te zijn, dan zou het logischer zijn om uit te gaan van een overgang naar een multi-pass warmtewisselaar, of naar een shell-and-tube type, of om de diameter van de buizen te vergroten.
Hydraulische berekening
Hydraulische of hydromechanische, evenals aerodynamische berekeningen worden uitgevoerd om hydraulische te bepalen en te optimaliseren(aerodynamische) drukverliezen in de warmtewisselaar, evenals de energiekosten berekenen om deze te overwinnen. De berekening van een pad, kanaal of pijp voor de doorgang van het koelmiddel vormt een primaire taak voor een persoon - om het warmteoverdrachtsproces in dit gebied te intensiveren. Dat wil zeggen dat het ene medium moet worden overgedragen en het andere zo veel mogelijk warmte moet ontvangen in de minimale periode van zijn stroom. Hiervoor wordt vaak een extra warmtewisselingsoppervlak gebruikt, in de vorm van een ontwikkelde oppervlakteribbels (om de laminaire grenslaag te scheiden en de stromingsturbulentie te verbeteren). De optimale balansverhouding van hydraulische verliezen, warmtewisselingsoppervlak, gewichts- en groottekenmerken en verwijderd thermisch vermogen is het resultaat van een combinatie van thermische, hydraulische en structurele berekening van TOA.
Berekening controleren
De verificatieberekening van de warmtewisselaar wordt uitgevoerd in het geval dat het nodig is om een marge te leggen in termen van vermogen of in termen van het oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak. Het oppervlak is om verschillende redenen en in verschillende situaties gereserveerd: als de taakomschrijving dit vereist, als de fabrikant besluit een extra marge te maken om er zeker van te zijn dat een dergelijke warmtewisselaar het regime zal bereiken en fouten in de de berekeningen. In sommige gevallen is redundantie nodig om de resultaten van constructieve afmetingen af te ronden, terwijl in andere (verdampers, economizers) speciaal een oppervlaktemarge wordt ingevoerd in de berekening van het warmtewisselaarvermogen, voor vervuiling door compressorolie die aanwezig is in het koelcircuit. En slechte waterkwaliteitmoet rekening mee worden gehouden. Na enige tijd van ononderbroken werking van warmtewisselaars, vooral bij hoge temperaturen, zet kalk neer op het warmtewisselingsoppervlak van het apparaat, waardoor de warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt verminderd en onvermijdelijk leidt tot een parasitaire afname van de warmteafvoer. Daarom besteedt een competente ingenieur bij het berekenen van een water-naar-water-warmtewisselaar speciale aandacht aan extra redundantie van het warmtewisselaaroppervlak. Er wordt ook een verificatieberekening uitgevoerd om te zien hoe de geselecteerde apparatuur zal werken in andere, secundaire modi. In centrale airconditioners (toevoerunits) bijvoorbeeld, worden de eerste en tweede verwarmingsverwarmers, die in het koude seizoen worden gebruikt, vaak in de zomer gebruikt om de binnenkomende lucht te koelen en koud water aan de luchtwarmtewisselaarbuizen te leveren. Hoe ze zullen functioneren en welke parameters zullen opleveren, stelt u in staat om de verificatieberekening te evalueren.
Verkennende berekeningen
Onderzoeksberekeningen van TOA worden uitgevoerd op basis van de verkregen resultaten van thermische en verificatieberekeningen. Ze zijn in de regel nodig om de laatste wijzigingen in het ontwerp van het ontworpen apparaat aan te brengen. Ze worden ook uitgevoerd om eventuele vergelijkingen te corrigeren die zijn opgenomen in het geïmplementeerde rekenmodel van TOA, empirisch verkregen (volgens experimentele gegevens). Het uitvoeren van onderzoeksberekeningen omvat tientallen en soms honderden berekeningen volgens een speciaal plan ontwikkeld en uitgevoerd in productie volgenswiskundige theorie van planningsexperimenten. Op basis van de resultaten wordt de invloed van verschillende omstandigheden en fysieke grootheden op de TOA-efficiëntie-indicatoren onthuld.
Andere berekeningen
Vergeet bij het berekenen van het warmtewisselaargebied de weerstand van materialen niet. TOA-sterkteberekeningen omvatten het controleren van de ontworpen eenheid op spanning, op torsie, voor het toepassen van de maximaal toegestane werkmomenten op de onderdelen en samenstellingen van de toekomstige warmtewisselaar. Met minimale afmetingen moet het product sterk en stabiel zijn en een veilige werking garanderen in verschillende, zelfs de meest veeleisende bedrijfsomstandigheden.
Dynamische berekening wordt uitgevoerd om de verschillende kenmerken van de warmtewisselaar in variabele bedrijfsmodi te bepalen.
Ontwerptypes warmtewisselaar
Recuperatieve TOA kan door ontwerp in een vrij groot aantal groepen worden verdeeld. De meest bekende en meest gebruikte zijn platenwarmtewisselaars, lucht (buisvormige vinnen), shell-and-tube, tube-in-pipe warmtewisselaars, shell-and-plate en andere. Er zijn ook meer exotische en zeer gespecialiseerde typen, zoals spiraalvormige (spiraalwarmtewisselaar) of geschraapte typen, die werken met viskeuze of niet-Newtoniaanse vloeistoffen, evenals vele andere typen.
Pipe-in-pipe warmtewisselaars
Laten we eens kijken naar de eenvoudigste berekening van de "pijp in pijp" warmtewisselaar. Structureel is dit type TOA maximaal vereenvoudigd. In de regel laten ze de binnenbuis van het apparaat binnenhete koelvloeistof, om verliezen te minimaliseren, en een koelvloeistof wordt in de behuizing of in de buitenpijp gelanceerd. De taak van de ingenieur is in dit geval beperkt tot het bepalen van de lengte van een dergelijke warmtewisselaar op basis van het berekende oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak en de gegeven diameters.
Hier is het de moeite waard eraan toe te voegen dat in de thermodynamica het concept van een ideale warmtewisselaar wordt geïntroduceerd, dat wil zeggen een apparaat van oneindige lengte, waarbij de warmtedragers in tegenstroom werken en het temperatuurverschil tussen hen volledig wordt uitgewerkt. Het pijp-in-pijp ontwerp komt het dichtst in de buurt van deze eisen. En als je de koelvloeistoffen in tegenstroom laat lopen, dan zal het de zogenaamde "echte tegenstroom" zijn (en niet kruisen, zoals in plaat-TOA's). De temperatuurkop is het meest effectief uitgewerkt met een dergelijke bewegingsorganisatie. Bij het berekenen van de "pipe in pipe" warmtewisselaar moet men echter realistisch zijn en de logistieke component en het installatiegemak niet vergeten. De lengte van de eurotruck is 13,5 meter en niet alle technische ruimtes zijn aangepast aan het slippen en installeren van apparatuur van deze lengte.
Shell and tube warmtewisselaars
Daarom vloeit de berekening van een dergelijk apparaat vaak soepel over in de berekening van een shell-and-tube warmtewisselaar. Dit is een apparaat waarin een bundel buizen zich in een enkele behuizing (behuizing) bevindt, gewassen door verschillende koelmiddelen, afhankelijk van het doel van de apparatuur. In condensors wordt bijvoorbeeld het koelmiddel in de schaal geleid en het water in de buizen. Met deze methode van mediaverplaatsing is het handiger en efficiënter om te controlerenwerking van het apparaat. In verdampers daarentegen kookt het koelmiddel in de buizen, terwijl ze worden gewassen door de gekoelde vloeistof (water, pekel, glycolen, enz.). Daarom wordt de berekening van een shell-and-tube warmtewisselaar teruggebracht tot het minimaliseren van de afmetingen van de apparatuur. Spelend met de schaaldiameter, de diameter en het aantal interne leidingen en de lengte van het apparaat, komt de ingenieur tot de berekende waarde van het warmtewisselingsoppervlak.
Luchtwarmtewisselaars
Een van de meest voorkomende warmtewisselaars van tegenwoordig zijn warmtewisselaars met buisvormige ribben. Ze worden ook wel slangen genoemd. Waar ze niet alleen worden geïnstalleerd, beginnend bij fancoil units (van het Engelse fan + coil, oftewel "fan" + "coil") in de binnenunits van split-systemen en eindigend met gigantische rookgasrecuperatoren (warmteafvoer uit hete rookgas en transmissie voor verwarmingsbehoeften) in ketelinstallaties bij WKK. Daarom is de berekening van een spoelwarmtewisselaar afhankelijk van de toepassing waar deze warmtewisselaar in gebruik zal worden genomen. Industriële luchtkoelers (HOP's) die zijn geïnstalleerd in vriescellen voor vlees, lage-temperatuurvriezers en andere voedselkoelfaciliteiten, vereisen bepaalde ontwerpkenmerken in hun ontwerp. De afstand tussen de lamellen (vinnen) moet zo groot mogelijk zijn om de tijd van continu bedrijf tussen ontdooicycli te verlengen. Verdampers voor datacenters (dataverwerkingscentra) daarentegen worden zo compact mogelijk gemaakt door de interlamellaireminimale afstand. Dergelijke warmtewisselaars werken in "schone zones", omgeven door fijne filters (tot HEPA-klasse), daarom wordt een dergelijke berekening van een buisvormige warmtewisselaar uitgevoerd met de nadruk op het minimaliseren van afmetingen.
Platenwarmtewisselaars
Momenteel is er een stabiele vraag naar platenwarmtewisselaars. Volgens hun ontwerp zijn ze volledig opvouwbaar en semi-gelast, koper-gesoldeerd en nikkel-gesoldeerd, gelast en gesoldeerd door diffusie (zonder soldeer). De thermische berekening van een platenwarmtewisselaar is vrij flexibel en vormt geen bijzondere moeilijkheid voor een ingenieur. Tijdens het selectieproces kun je spelen met het type platen, de diepte van de smeedkanalen, het type vinnen, de dikte van staal, verschillende materialen en vooral, tal van standaardmodellen van apparaten van verschillende groottes. Dergelijke warmtewisselaars zijn laag en breed (voor stoomverwarming van water) of hoog en smal (scheidende warmtewisselaars voor airconditioningsystemen). Ze worden ook vaak gebruikt voor faseovergangsmedia, d.w.z. als condensors, verdampers, desuperheaters, precondensors, enz. De thermische berekening van een tweefasige warmtewisselaar is iets gecompliceerder dan een vloeistof-vloeistof-warmtewisselaar, maar voor ervaren ingenieur, deze taak is oplosbaar en levert geen bijzondere problemen op. Om dergelijke berekeningen te vergemakkelijken, gebruiken moderne ontwerpers technische computerdatabases, waar u veel noodzakelijke informatie kunt vinden, inclusief toestandsdiagrammen van elk koelmiddel in elke sweep, bijvoorbeeld een programmaCoolPack.
Voorbeeld van warmtewisselaarberekening
Het belangrijkste doel van de berekening is om het vereiste oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak te berekenen. Thermisch (koel)vermogen wordt meestal gespecificeerd in de referentievoorwaarden, maar in ons voorbeeld zullen we het als het ware berekenen om de referentievoorwaarden zelf te controleren. Soms komt het ook voor dat er een fout in de brongegevens kan sluipen. Een van de taken van een competente ingenieur is om deze fout op te sporen en te corrigeren. Laten we als voorbeeld een platenwarmtewisselaar van het type "vloeistof-vloeistof" berekenen. Laat dit een drukbreker zijn in een hoog gebouw. Om apparatuur onder druk te lossen, wordt deze aanpak heel vaak gebruikt bij de constructie van wolkenkrabbers. Aan de ene kant van de warmtewisselaar hebben we water met een inlaattemperatuur Tin1=14 ᵒС en een uitlaattemperatuur Тout1=9 ᵒС, en met een debiet G1=14.500 kg / h, en aan de andere - ook water, maar alleen met de volgende parameters: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
We berekenen het benodigde vermogen (Q0) met behulp van de warmtebalansformule (zie bovenstaande figuur, formule 7.1), waarbij Ср het soortelijk warmtevermogen is (tabelwaarde). Voor de eenvoud van de berekeningen nemen we de gereduceerde waarde van de warmtecapaciteit Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Tellen:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - aan de eerste zijde en
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - aan de tweede zijde.
Merk op dat, volgens formule (7.1), Q0=Q1=Q2, ongeachtaan welke kant de berekening is gemaakt.
Verder, met behulp van de hoofdvergelijking voor warmteoverdracht (7.2), vinden we het vereiste oppervlak (7.2.1), waarbij k de warmteoverdrachtscoëfficiënt is (gelijk aan 6350 [W/m 2]), en ΔТav.log. - gemiddeld logaritmisch temperatuurverschil, berekend volgens formule (7.3):
ΔT gemiddeld logboek.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F dan=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Als de warmteoverdrachtscoëfficiënt onbekend is, is de berekening van de platenwarmtewisselaar wat ingewikkelder. Volgens formule (7.4) berekenen we het Reynolds-criterium, waarbij ρ de dichtheid is, [kg/m3], η de dynamische viscositeit, [Ns/m 2], v is de snelheid van het medium in het kanaal, [m/s], d cm is de bevochtigde diameter van het kanaal [m].
Volgens de tabel zoeken we naar de waarde van het Prandtl-criterium [Pr] dat we nodig hebben en met formule (7.5) verkrijgen we het Nusselt-criterium, waarbij n=0,4 - onder omstandigheden van vloeistofverwarming, en n=0,3 - onder omstandigheden van vloeistofkoeling.
Vervolgens, met behulp van formule (7.6), berekenen we de warmteoverdrachtscoëfficiënt van elk koelmiddel naar de muur, en met behulp van formule (7.7), berekenen we de warmteoverdrachtscoëfficiënt, die we vervangen in formule (7.2.1) om het oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak te berekenen.
In de aangegeven formules is λ de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt, ϭ de wanddikte van het kanaal, α1 en α2 zijn de warmteoverdrachtscoëfficiënten van elk van de warmtedragers naar de muur.
