Obliczanie wymiennika ciepła zajmuje obecnie nie więcej niż pięć minut. Każda organizacja, która produkuje i sprzedaje taki sprzęt, z reguły zapewnia każdemu własny program selekcji. Można go pobrać za darmo ze strony internetowej firmy lub ich technik przyjdzie do twojego biura i zainstaluje go za darmo. Na ile jednak trafny jest wynik takich obliczeń, czy można mu ufać i czy producent nie jest sprytny, walcząc w przetargu ze swoimi konkurentami? Sprawdzenie kalkulatora elektronicznego wymaga wiedzy, a przynajmniej zrozumienia metodyki obliczania nowoczesnych wymienników ciepła. Spróbujmy zrozumieć szczegóły.
Co to jest wymiennik ciepła
Przed wykonaniem obliczeń wymiennika ciepła pamiętajmy, jakie to urządzenie? Urządzenie do wymiany ciepła i masy (inaczej wymiennik ciepła, wymiennik ciepła lub TOA) tourządzenie do przenoszenia ciepła z jednego chłodziwa do drugiego. W procesie zmiany temperatur nośników ciepła zmieniają się również ich gęstości i odpowiednio wskaźniki masy substancji. Dlatego takie procesy nazywamy przenoszeniem ciepła i masy.
Rodzaje wymiany ciepła
Porozmawiajmy teraz o rodzajach wymiany ciepła - są tylko trzy z nich. Radiacyjne - przenoszenie ciepła w wyniku promieniowania. Jako przykład rozważ opalanie się na plaży w ciepły letni dzień. A takie wymienniki ciepła można znaleźć nawet na rynku (nagrzewnice rurowe). Najczęściej jednak do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych, pomieszczeń w mieszkaniu kupujemy grzejniki olejowe lub elektryczne. Jest to przykład innego rodzaju wymiany ciepła - konwekcji. Konwekcja może być naturalna, wymuszona (kaptur, w skrzynce znajduje się wymiennik ciepła) lub mechanicznie (np. wentylatorem). Ten drugi typ jest znacznie bardziej wydajny.
Jednakże najskuteczniejszym sposobem przekazywania ciepła jest przewodzenie lub, jak to się nazywa, przewodzenie (z angielskiego przewodzenie - „przewodnictwo”). Każdy inżynier, który zamierza przeprowadzić kalkulację cieplną wymiennika ciepła, w pierwszej kolejności zastanawia się nad doborem wydajnego sprzętu o minimalnych wymiarach. I jest to możliwe właśnie dzięki przewodności cieplnej. Przykładem tego jest obecnie najwydajniejszy TOA – płytowe wymienniki ciepła. Płytowy wymiennik ciepła, zgodnie z definicją, to wymiennik ciepła, który przenosi ciepło z jednego chłodziwa do drugiego przez oddzielającą je ścianę. MaksymalnyEwentualna powierzchnia styku pomiędzy dwoma mediami, wraz z odpowiednio dobranymi materiałami, profilem i grubością płyty, pozwala zminimalizować gabaryty wybranego sprzętu przy zachowaniu oryginalnych właściwości technicznych wymaganych w procesie technologicznym.
Rodzaje wymienników ciepła
Przed obliczeniem wymiennika ciepła należy go określić na podstawie jego typu. Wszystkie TOA można podzielić na dwie duże grupy: rekuperacyjne i regeneracyjne wymienniki ciepła. Główna różnica między nimi jest następująca: w regeneracyjnych TOA wymiana ciepła odbywa się przez ściankę oddzielającą dwa chłodziwa, natomiast w regeneracyjnych dwa media mają ze sobą bezpośredni kontakt, często mieszając się i wymagając późniejszej separacji w specjalnych separatorach. Regeneracyjne wymienniki ciepła dzielą się na mieszające i wymienniki ciepła z uszczelnieniem (stacjonarne, opadowe lub pośrednie). Z grubsza mówiąc, wystawione na mróz wiadro gorącej wody lub szklanka gorącej herbaty schłodzić się w lodówce (nigdy tego nie rób!) - to przykład takiego mieszania TOA. A wlewając herbatę do spodka i schładzając ją w ten sposób, otrzymujemy przykład regeneracyjnego wymiennika ciepła z dyszą (spodek w tym przykładzie pełni rolę dyszy), który najpierw styka się z otaczającym powietrzem i przejmuje jego temperaturę, a następnie odbiera część ciepła z nalanej do niego gorącej herbaty, starając się doprowadzić oba media do równowagi termicznej. Jednak, jak już wcześniej dowiedzieliśmy się, bardziej efektywne jest wykorzystanie przewodności cieplnej do przenoszenia ciepła z jednego medium do drugiego, dlategoBardziej przydatne (i powszechnie stosowane) przenoszenie ciepła, dzisiejsze TOA to oczywiście te regeneracyjne.
Projekt cieplny i konstrukcyjny
Wszelkie obliczenia rekuperacyjnego wymiennika ciepła można przeprowadzić na podstawie wyników obliczeń cieplnych, hydraulicznych i wytrzymałościowych. Są podstawowymi, obowiązkowymi przy projektowaniu nowego sprzętu i stanowią podstawę metodyki obliczania kolejnych modeli linii podobnych urządzeń. Głównym zadaniem obliczeń termicznych TOA jest określenie wymaganej powierzchni powierzchni wymiany ciepła dla stabilnej pracy wymiennika ciepła i utrzymania wymaganych parametrów mediów na wylocie. Dość często w takich obliczeniach inżynierom podaje się dowolne wartości charakterystyki masy i wielkości przyszłego sprzętu (materiał, średnica rury, wymiary płyty, geometria wiązki, rodzaj i materiał żeberek itp.), dlatego po obliczenia termiczne, zwykle przeprowadzają obliczenia konstrukcyjne wymiennika ciepła. Przecież gdyby w pierwszym etapie inżynier obliczył wymaganą powierzchnię dla danej średnicy rury np. 60 mm, a długość wymiennika ciepła okazałaby się około sześćdziesięciu metrów, to bardziej logiczne byłoby założenie przejścia do wielociągowego wymiennika ciepła lub typu płaszczowo-rurowego lub do zwiększenia średnicy rur.
Obliczenia hydrauliczne
Wykonywane są obliczenia hydrauliczne lub hydromechaniczne oraz aerodynamiczne w celu określenia i optymalizacji(aerodynamiczne) straty ciśnienia w wymienniku ciepła, a także oblicz koszty energii do ich zniwelowania. Obliczenie dowolnej ścieżki, kanału lub rury do przejścia chłodziwa stanowi podstawowe zadanie dla osoby - zintensyfikowanie procesu wymiany ciepła w tym obszarze. Oznacza to, że jedno medium musi przenosić, a drugie odbierać jak najwięcej ciepła w minimalnym okresie jego przepływu. W tym celu często stosuje się dodatkową powierzchnię wymiany ciepła w postaci rozwiniętego użebrowania powierzchni (w celu oddzielenia granicznej podwarstwy laminarnej i wzmocnienia turbulencji przepływu). Optymalny bilans strat hydraulicznych, powierzchni wymiany ciepła, charakterystyki wagowej i wymiarowej oraz usuniętej mocy cieplnej jest wynikiem kombinacji obliczeń cieplnych, hydraulicznych i strukturalnych TOA.
Sprawdź obliczenia
Obliczenia weryfikacyjne wymiennika ciepła są przeprowadzane w przypadku, gdy konieczne jest ustawienie marginesu pod względem mocy lub pod względem pola powierzchni wymiany ciepła. Powierzchnia jest zarezerwowana z różnych powodów i w różnych sytuacjach: jeśli wymaga tego specyfikacja istotnych warunków zamówienia, jeśli producent zdecyduje się na dodatkowy margines, aby mieć pewność, że taki wymiennik osiągnie reżim i zminimalizuje błędy popełniane w obliczenia. W niektórych przypadkach wymagana jest redundancja w celu zaokrąglenia wyników wymiarów konstrukcyjnych, podczas gdy w innych (parowniki, ekonomizery) w obliczeniach mocy wymiennika ciepła wprowadzany jest specjalny margines powierzchniowy na zanieczyszczenie olejem sprężarkowym obecnym w obiegu chłodniczym. I słaba jakość wodyNależy wziąć pod uwagę. Po pewnym czasie nieprzerwanej pracy wymienników ciepła, zwłaszcza w wysokich temperaturach, na powierzchni wymiany ciepła aparatu osadza się kamień, obniżając współczynnik przenikania ciepła i nieuchronnie prowadząc do pasożytniczego zmniejszenia odprowadzania ciepła. Dlatego kompetentny inżynier przy obliczaniu wymiennika ciepła woda-woda zwraca szczególną uwagę na dodatkową redundancję powierzchni wymiany ciepła. Przeprowadzane są również obliczenia weryfikacyjne, aby zobaczyć, jak wybrany sprzęt będzie działał w innych, wtórnych trybach. Np. w klimatyzatorach centralnych (jednostkach nawiewnych) pierwszy i drugi nagrzewnica grzewcza, które są używane w okresie zimowym, są często wykorzystywane w okresie letnim do schładzania powietrza nawiewanego, doprowadzając zimną wodę do rur wymiennika ciepła powietrza. Jak będą funkcjonować i jakie parametry dadzą, pozwala ocenić obliczenia weryfikacyjne.
Obliczenia eksploracyjne
Obliczenia badawcze TOA przeprowadzane są na podstawie uzyskanych wyników obliczeń cieplnych i weryfikacyjnych. Są one z reguły niezbędne do dokonania ostatnich poprawek w projekcie projektowanej aparatury. Przeprowadza się je również w celu skorygowania wszelkich równań zawartych w zaimplementowanym modelu obliczeniowym TOA, uzyskanym empirycznie (na podstawie danych eksperymentalnych). Wykonywanie obliczeń badawczych to dziesiątki, a czasem setki obliczeń według specjalnego planu opracowanego i wdrożonego do produkcji zgodnie zmatematyczna teoria planowania eksperymentów. Na podstawie uzyskanych wyników ujawnia się wpływ różnych warunków i wielkości fizycznych na wskaźniki efektywności TOA.
Inne obliczenia
Obliczając powierzchnię wymiennika ciepła, nie zapomnij o odporności materiałów. Obliczenia wytrzymałościowe TOA obejmują sprawdzenie zaprojektowanej jednostki pod kątem naprężeń, skręcania, zastosowania maksymalnych dopuszczalnych momentów roboczych na części i zespoły przyszłego wymiennika ciepła. Przy minimalnych wymiarach produkt musi być mocny, stabilny i gwarantować bezpieczną pracę w różnych, nawet najbardziej wymagających warunkach pracy.
Dynamiczne obliczenia są przeprowadzane w celu określenia różnych charakterystyk wymiennika ciepła w różnych trybach pracy.
Typy konstrukcji wymienników ciepła
Rekuperacyjny TOA z założenia można podzielić na dość dużą liczbę grup. Najbardziej znane i szeroko stosowane są wymienniki ciepła płytowe, powietrzne (żebrowane rurowe), płaszczowo-rurowe, rurowo-rurowe, płaszczowo-płytowe i inne. Istnieją również bardziej egzotyczne i wysoce wyspecjalizowane typy, takie jak spiralne (wężownicowy wymiennik ciepła) lub skrobakowe, które pracują z płynami lepkimi lub nienewtonowskimi, a także wiele innych.
Wymienniki ciepła typu „rura w rurze”
Rozważmy najprostsze obliczenie wymiennika ciepła „rura w rurze”. Strukturalnie ten typ TOA jest maksymalnie uproszczony. Z reguły wpuszczają się do dętki aparatugorącego chłodziwa, aby zminimalizować straty, a chłodziwo jest wprowadzane do obudowy lub do rury zewnętrznej. Zadanie inżyniera w tym przypadku sprowadza się do określenia długości takiego wymiennika ciepła na podstawie obliczonego pola powierzchni wymiany ciepła i podanych średnic.
Tutaj warto dodać, że w termodynamice wprowadza się pojęcie idealnego wymiennika ciepła, czyli aparatu o nieskończonej długości, w którym nośniki ciepła pracują w przeciwprądzie, a różnica temperatur między nimi jest całkowicie wyliczana. Konstrukcja typu „rura w rurze” jest najbardziej zbliżona do spełnienia tych wymagań. A jeśli chłodzisz płyny w przeciwprądzie, to będzie to tak zwany „prawdziwy przeciwprąd” (a nie krzyżowy, jak w płytowych TOA). Głowica termiczna jest najskuteczniej wypracowywana przy takiej organizacji ruchu. Jednak przy obliczaniu wymiennika ciepła „rura w rurze” należy być realistą i nie zapominać o komponencie logistycznym, a także o łatwości montażu. Długość eurociężarówki wynosi 13,5 metra i nie wszystkie pomieszczenia techniczne są przystosowane do zrywki i instalacji sprzętu o tej długości.
Wymienniki ciepła płaszczowo-rurowe
Dlatego bardzo często obliczenia takiego aparatu płynnie spływają do obliczeń wymiennika płaszczowo-rurowego. Jest to aparat, w którym wiązka rur znajduje się w jednej obudowie (obudowie), mytej różnymi chłodziwami, w zależności od przeznaczenia sprzętu. Na przykład w skraplaczach czynnik chłodniczy jest kierowany do płaszcza, a woda do rur. Dzięki tej metodzie przemieszczania mediów wygodniej i wydajniej jest kontrolowaćdziałanie aparatu. Natomiast w parownikach czynnik chłodniczy wrze w rurkach, podczas gdy są one myte przez schłodzoną ciecz (wodę, solanki, glikole itp.). Dlatego obliczenia płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła sprowadzają się do minimalizacji wymiarów urządzenia. Bawiąc się średnicą płaszcza, średnicą i liczbą rur wewnętrznych oraz długością aparatu, inżynier osiąga obliczoną wartość pola powierzchni wymiany ciepła.
Powietrzne wymienniki ciepła
Jeden z najpopularniejszych obecnie wymienników ciepła to rurowe lamelowe wymienniki ciepła. Nazywane są również wężami. Gdzie nie tylko są instalowane, zaczynając od klimakonwektorów (z angielskiego fan + coil czyli „wentylator” + „coil”) w jednostkach wewnętrznych systemów typu split, a kończąc na gigantycznych rekuperatorach spalin (odzysk ciepła z gorących spalin i przesyłu na potrzeby ogrzewania) w kotłowniach elektrociepłowni. Dlatego obliczenia wymiennika wężownicowego zależą od zastosowania, w którym ten wymiennik ciepła zostanie uruchomiony. Przemysłowe chłodnice powietrza (HOP) instalowane w komorach do zamrażania podmuchowego mięsa, zamrażarkach niskotemperaturowych i innych urządzeniach do chłodzenia żywności wymagają pewnych cech konstrukcyjnych w swojej konstrukcji. Odstęp między lamelami (żeberkami) powinien być jak największy, aby wydłużyć czas ciągłej pracy pomiędzy cyklami odszraniania. Parowniki dla centrów danych (centrów przetwarzania danych), wręcz przeciwnie, są wykonane tak kompaktowe, jak to możliwe, poprzez zaciśnięcie międzylamelarneminimalna odległość. Takie wymienniki ciepła działają w „strefach czystych”, otoczonych filtrami dokładnymi (do klasy HEPA), dlatego takie obliczenia rurowego wymiennika ciepła są przeprowadzane z naciskiem na minimalizację wymiarów.
Płytowe wymienniki ciepła
Obecnie popyt na płytowe wymienniki ciepła jest stabilny. Zgodnie z ich konstrukcją są całkowicie składane i częściowo spawane, lutowane miedzią i niklem, spawane i lutowane dyfuzyjnie (bez lutowania). Obliczenia termiczne płytowego wymiennika ciepła są dość elastyczne i nie stanowią szczególnej trudności dla inżyniera. W procesie selekcji można pobawić się rodzajem płyt, głębokością kanałów kucia, rodzajem żeber, grubością stali, różnymi materiałami, a co najważniejsze licznymi standardowymi wymiarami modeli urządzeń o różnych rozmiarach. Takie wymienniki ciepła są niskie i szerokie (do parowego podgrzewania wody) lub wysokie i wąskie (rozdzielające wymienniki do systemów klimatyzacyjnych). Są one również często wykorzystywane do mediów zmiennofazowych, tj. jako skraplacze, parowniki, schładzacze, skraplacze wstępne itp. Obliczenia cieplne dwufazowego wymiennika ciepła są nieco bardziej skomplikowane niż wymiennika ciecz-ciecz, jednak dla doświadczonego inżyniera, to zadanie jest możliwe do rozwiązania i nie przedstawia żadnych szczególnych trudności. Aby ułatwić takie obliczenia, współcześni projektanci korzystają z inżynierskich komputerowych baz danych, w których można znaleźć wiele niezbędnych informacji, w tym diagramy stanu dowolnego czynnika chłodniczego w dowolnym przebiegu, na przykład programCoolPack.
Przykład obliczenia wymiennika ciepła
Głównym celem obliczeń jest obliczenie wymaganej powierzchni powierzchni wymiany ciepła. Moc cieplna (chłodnicza) jest zwykle podawana w SIWZ, jednak w naszym przykładzie obliczymy ją niejako po to, by sprawdzić samą SIWZ. Czasami zdarza się również, że do danych źródłowych może wkraść się błąd. Jednym z zadań kompetentnego inżyniera jest znalezienie i naprawienie tego błędu. Jako przykład obliczmy płytowy wymiennik ciepła typu „ciecz-ciecz”. Niech to będzie wyłącznik ciśnienia w wysokim budynku. W celu rozładowania sprzętu pod ciśnieniem takie podejście jest bardzo często stosowane przy budowie wieżowców. Z jednej strony wymiennika ciepła mamy wodę o temperaturze wlotowej Tin1=14 ᵒС i temperaturze wylotowej Тout1=9 ᵒС i o natężeniu przepływu G1=14500 kg/h, a z drugiej - również wodę, ale tylko o parametrach: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Wymaganą moc (Q0) obliczamy na podstawie wzoru bilansu cieplnego (patrz rysunek powyżej, wzór 7.1), gdzie Ср jest jednostkową pojemnością cieplną (wartość z tabeli). Dla uproszczenia obliczeń przyjmujemy zmniejszoną wartość pojemności cieplnej Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Liczenie:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557, 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84,3 kW - po pierwszej stronie i
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557, 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84,3 kW - po drugiej stronie.
Zauważ, że zgodnie ze wzorem (7.1), Q0=Q1=Q2, niezależnie odpo której stronie dokonano obliczeń.
Ponadto, korzystając z głównego równania przenikania ciepła (7.2), znajdujemy wymaganą powierzchnię (7.2.1), gdzie k jest współczynnikiem przenikania ciepła (przyjętym równym 6350 [W/m 2]) i ΔТav.log. - średnia logarytmiczna różnica temperatur, obliczona według wzoru (7.3):
ΔT średni dziennik.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F to=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Gdy współczynnik przenikania ciepła jest nieznany, obliczenia płytowego wymiennika ciepła są nieco bardziej skomplikowane. Zgodnie ze wzorem (7.4) obliczamy kryterium Reynoldsa, gdzie ρ to gęstość, [kg/m3], η to lepkość dynamiczna, [Ns/m 2], v jest prędkością medium w kanale, [m/s], d cm jest zwilżoną średnicą kanału [m].
Zgodnie z tabelą szukamy potrzebnej nam wartości kryterium Prandtla [Pr] i korzystając ze wzoru (7.5) otrzymujemy kryterium Nusselta, gdzie n=0,4 - w warunkach ogrzewania cieczy, a n=0,3 - w warunkach chłodzenia cieczą
Następnie, korzystając ze wzoru (7.6), obliczamy współczynnik przenikania ciepła od każdego chłodziwa do ściany, a za pomocą wzoru (7.7) obliczamy współczynnik przenikania ciepła, który podstawiamy do wzoru (7.2.1) do obliczenia pola powierzchni wymiany ciepła.
We wskazanych wzorach λ to współczynnik przewodzenia ciepła, ϭ to grubość ścianki kanału, α1 i α2 to współczynniki przenikania ciepła z każdego z nośników ciepła do ściany.
