Изчисляване на топлообменника: пример. Изчисляване на площта, мощност на топлообменника

Изчисляването на топлообменника в момента не отнема повече от пет минути. Всяка организация, която произвежда и продава такава техника, по правило предоставя на всички свои собствени програми за подбор. Тя може да бъде изтеглена безплатно от уеб сайта на фирмата, или техният специалист ще дойде във вашия офис и да го инсталира безплатно. Но колко добре е резултат от такива изчисления, възможно ли е да му се доверите и да не заблудите производителя, като се борите с конкурентите си? Проверката на електронния калкулатор изисква познания или поне разбиране на методологията за изчисляване на съвременните топлообменници. Нека се опитаме да разберем подробностите.

Какво представлява топлообменникът?

Преди да изчислим топлообменника, нека си спомним, но какъв вид устройство е това? Апарат за пренос на топлина и маса (той също е топлообменник, той също е топлообменник, или TOA) е устройство за пренос на топлина от един охладител в друг. В процеса на промяна на температурите на топлоносителите, тяхната плътност и съответно масовите индекси на веществата също се променят. Ето защо такива процеси се наричат ​​топло и масообмен.

Видове топлопредаване

Сега нека поговорим видове пренос на топлина - има само три от тях. Радиация - предаването на топлина, дължащо се на лъчение. Като пример, можете да си спомните да вземате слънчеви бани на плажа през топъл летен ден. И такива топлообменници могат дори да бъдат намерени на пазара (лампи въздушни нагреватели). Въпреки това, най-често за отопление на жилищни помещения, стаи в апартамента, ние купуваме петрол или електрически радиатори. Това е пример за друг вид топлообмен - конвекция. конвекция тя е естествена, принудена (отработена, в кутията е рекуператор) или с механичен импулс (например с вентилатор). Последният тип е много по-ефективен.

Най-ефективният начин за прехвърляне на топлината обаче е топлинната проводимост или, както се нарича и проводимост (от английската проводимост - "проводимост"). Всеки инженер, който възнамерява да извърши изчисление на топлина на топлообменник, най-напред помисли за избора на ефективно оборудване с минимални размери. И това може да се постигне точно поради топлопроводимостта. Пример за това е най-ефективните до момента термични топлообменници TOA. Пластинката TOA, съгласно определението, е топлообменник, пренасящ топлина от една охлаждаща течност до друга чрез стената, която я разделя. максималния възможен контактната зона между двете среди заедно с истински избрани материали, както и техните профилни плочи дебелина размери избрани за свеждане до минимум хардуер при запазване на първоначалните технически характеристики, изисквани в процеса.

Видове топлообменници

Преди да се изчисли топлообменника, той се определя от неговия тип. Всички TOA могат да бъдат разделени на две големи групи: рекуперативни и регенеративни топлообменници. Основната разлика между тях е както следва: в TOA рекуперативен обмена на топлина се осъществява през стената, разделяща среда два топлина, и влизат в контакт един с друг в два регенеративни медии, често изисква последващо смесване и разделяне в специални сепаратори. Регенеративните топлообменници са разделени на смесители и топлообменници с дюза (стационарна, падаща или междинна). Грубо казано, кофа с топла вода, поставени в студа, или чаша горещ чай, сложи охлажда в хладилник (никога не правя!) - това е пример за такова смесване TOA. Леякова чай чиния и охлаждане на толкова получаваме пример на регенеративен топлообменник с дюзата (чиния, в този пример играе част на дюзата), което първо се поставя в контакт с атмосферния въздух и се температура, и след това избира част от топлината на излива в нея горещ чай , която се стреми да приведе двете среди в режим на термично равновесие. Въпреки това, както вече бе открита по-ефективно използване на топлопроводимост за прехвърляне на топлина от една среда в друга, следователно, по-полезно от гледна точка на пренос на топлина (и широко използван) TOA днес - разбира се, рекуперативен.

Термично и конструктивно изчисление

Всяко изчисляване на регенеративен топлообменник може да се направи въз основа на резултатите от топлинни, хидравлични и якост изчисленията. Те са от основно значение, необходима за проектиране на ново оборудване и технологии са в основата за изчисляване на следващите модели на един и същ тип устройства линия. Основната задача на изчисляване на топлинната TOA е да се определи необходимата топлообменна повърхност за стабилна работа на топлообменника и поддържане на необходимите параметри на изхода на носителя. Много често в тези изчисления инженери са дадени произволни стойности на тегло и размер характеристики на бъдещата оборудване (материал, диаметър тръби, плочи, размери, геометрия лъч, тип и материал премахване на перките и др.), Но след топлинна обикновено се провежда конструктивен изчисление топлообменник. В крайна сметка, ако първият етап инженер счита за необходима площ за дадена тръба с диаметър, например 60 mm, а дължината на топлообменника по този начин беше около шейсетm, логично е да се предположи, преход многостепенен топлообменник или вида на тръбен сноп, или за увеличаване на диаметъра на тръбите.

Хидравлично изчисление

Хидравлични или хидро-механични и аеродинамични изчисления проведени да се идентифицират и да се оптимизира хидравлични (аеродинамичен) загуба на налягане в топлообменника, и за изчисляване на потреблението на енергия, за да ги преодолее. Изчисляването на всеки тракт, канал или тръба за преминаване на охлаждащата течност определя основната задача на човек - да засили процеса на топлообмен в тази област. Това означава, че една среда трябва да предава, а другата трябва да получава възможно най-много топлина в минималния интервал от нейния поток. За да се постигне това, често се използва допълнителна топлообменна повърхност под формата на развит повърхностен фининг (за отстраняване на граничния ламинарен подслой и засилване на турбуленцията на потока). връзка оптимален баланс на хидравличните загуби, областта на обмен повърхността на топлина, характеристиките на тегло и размери, и източената изхода топлина е резултат на термични, хидравлични и конструктивен изчисляването на общата TOA.

Изчисляване на проверката

Проверката на топлообменника се извършва в случаите, когато е необходимо да се постави резерв за капацитет или за площта на топлообменната повърхност. Повърхността на резерва по различни причини и в различни ситуации, ако това се изисква от техническото задание, ако производителят решава да направи допълнителен марж да е сигурен, че тази топлина ще бъде пусната на режима, и да сведе до минимум грешките в изчисленията. В някои случаи е необходимо съкращаване на резултатите от структурните измерения, докато в други (изпарители, економайзери) в изчисляване на мощността Топлообменникът се инжектира специално в повърхността, замърсена с компресорното масло, което се намира в хладилната верига. Да, и лошото качество на водата трябва да се има предвид. След известно време на нормалното функциониране на топлообменници, особено при високи температури, ръждата се утаява върху повърхността на устройството за топлообмен, намаляване коефициента на топлина, и неизбежно води до намаляване на паразитни топлина излитане. Затова компетентен инженер, изчисление на топлообменник "вода-вода", обръща специално внимание на допълнителния резерв на топлообмен повърхност. Извършва се и изчислението на проверката, за да се види как избраното оборудване ще работи в други, вторични режими. Например, в централни климатици въздушните (инсталации за подаване на въздух) нагреватели за първата и втората нагряваща използва в студения сезон, и често включват лятото за охлаждане хранене въздух студена вода в топлообменник тръба въздух топлина. Как те ще функционират и какви параметри ще произвеждат, позволява да оцените изчислението на проверката.

Изследователски изчисления

Изчисленията за изследване на TOA се основават на резултатите от изчисленията за термична и верификационна проверка. По правило те трябва да правят най-новите корекции в дизайна на проектирания апарат. Те се извършват и с цел да се коригират всички уравнения, които са заложени в реалистичния модел на ТОА, получен емпирично (според експерименталните данни). Изпълнението на изследователските изчисления включва извършване на десетки и понякога стотици изчисления съгласно специален план, разработен и приложен в производството според математическата теория на експерименталното планиране. Въз основа на резултатите се разкрива ефектът от различни условия и физически количества върху показателите за ефективност на ТОА.

Други изчисления

При изчисляване на площта на топлообменника не забравяйте съпротивлението на материалите. Изчисленията за якост на TOA включват проверка на проектираното устройство за напрежение, усукване, прилагане на максимално допустимите работни моменти на частите и монтажните възли на бъдещия топлообменник. С минималните размери продуктът трябва да бъде здрав, стабилен и да гарантира безопасна работа в различни, дори и най-стресови условия на работа.

Динамичното изчисление се извършва с цел определяне на различните характеристики на топлообменника в променливите режими на неговата работа.

Видове конструкция на топлообменник

Рекуперативната ТОА за строителство може да бъде разделена на достатъчно голям брой групи. Най-известни и широко използвани - топлообменник, въздух (тръба перки), черупки и тръба топлообменници "тръба в тръба", черупки-и-плоча, и др. Има по-високо специализирани и екзотични видове, например, спирала (кохлеята-обменни) или скрепера, които работят с вискозен или не-Нютоновите флуиди, както и много други видове.

Топлообменници от тръби до тръби

Нека разгледаме най-простото изчисление на топлообменника "тръба-в-тръба". Структурно този тип TOA е опростен колкото е възможно повече. Като правило, горещ топлоносител може да тече във вътрешната тръба на апарата, за да се сведат до минимум загубите, в корпуса или във външната тръба се пуска охладител. В този случай задачата на инженера се намалява до определяне на дължината на такъв топлообменник въз основа на изчислената площ на топлообменната повърхност и определените диаметри.

Струва си да се добави, че в термодинамиката въвежда концепцията за идеална топлообменник, който е от безкрайна единица дължина, където охладители работят в брояч, както и между напълно задействана температурната разлика. Дизайнът на тръбата в тръбата е най-близо до тези изисквания. И ако работи с обратен пренос на топлина течности, той ще бъде така наречената "контра-реален" (за разлика от кръстосано като в чинията TOA). Температурната глава постига максимална ефективност при такава организация на движението. Въпреки това, извършване на "тръба в тръба" изчисление на топлообменника трябва да бъдем реалисти и да не забравяме и за логистиката компонент, както и лекотата на монтажа. дължина evrofury - 13,5 м, а не всички технически съоръжения, приспособени към буксуване и монтаж на оборудване, като дължина.

Топлообменници на корпуси и тръби

Поради това е част от изчисляването на такова устройство плавно преминава в изчисляването на кожухотръбен топлообменник. Този апарат, където тръбния сноп е в един случай (корпус), промива се с различни охлаждащи течности, в зависимост от оборудването дестинация. В кондензатори, например, тече в кожуха на хладилния агент и вода - в тръба. С този метод на трафика среди по-лесно и по-ефективно да контролира работата на уреда. В изпарителите, обратно, на хладилния агент кипи в тръбите и се промива с охладен течен (вода, солни разтвори, гликоли, и т.н.). Ето защо, топлообменник за изчисление тръба е намалена да сведе до минимум размера на оборудване. Игра с диаметъра на корпуса, диаметъра и броя и дължината на вътрешната тръби апарат инженер влиза изчислената стойност на площ топлообмен.

Въздушни топлообменници

Един от най-често далеч топлообменници - на перки тръба топлообменници. Те са наречени бобини. Когато те не само се регулира в границите от конвектори (от английски език. Вентилатор + намотка, т.е. "фен" + "сонда") във вътрешните блокове разделят системи на гигантски рекуператор димен газ (избор на топлина от горещите димни газове и прехвърлянето то за отопление) в котли на когенерацията. Ето защо изчисляването на топлообменника намотка зависи от приложението, където топлината отива в експлоатация. Индустриални въздушни охладители (VOPy), монтирани в камери шок замразено месо, във фризер при ниски температури и други обекти на хладилния храна, изискват определени структурни характеристики в техния дизайн. Разстояние между ламела (перка), следва да бъде максимално да се увеличи по време на непрекъсната работа между размразяване цикли. Изпарители за РК (център за данни), а напротив, дава възможност за по-компактен затягане mezhlamelnye разстояние до минимум. Такива топлообменници работят в "чиста зона", заобиколен от фин филтър (до НЕРА клас), обаче, това изчисление се извършва на тръбния топлообменник с акцент върху минимизиране на габаритните размери.

Пластинчати топлообменници

Понастоящем стабилно търсене за плоча топлообменници. Според конструктивното оформление, те са напълно уплътняваното и полу-заварени, и mednopayanymi nikelpayanymi, заварени и запоени метод дифузия (без спойка). Термично дизайн на топлообменника е достатъчно гъвкава и не е особено трудно да инженер. Процесът на подбор може да играе тип плочи, дълбоки канали, образуващи перки тип, дебелина на стомана, различни материали и най-важното - много стандартни размери модели на устройства с различни размери. Такива топлообменници са ниски и широки (за отопление пара вода) или високи и тесни (разделяне на топлообменниците за климатични системи). Те често се използват, и среда с фазов преход, т.е. като кондензатори, изпарители, парни охладители, predkondensatorov и така нататък. Г. Извършване на топлинна дизайн на топлообменник, работещ при двуфазен модел, малко по-трудно от топлообменника на "течност-течност", но за опитен инженер на този проблем може да се реши и да не е особено трудно. За да се улесни тези изчисления съвременни инженерни дизайнери използват компютърна база данни, където можете да намерите много необходима информация, включително и фазата на диаграмата на всеки хладилен агент във всеки режим жилка, например, една програма CoolPack.

Пример за изчисление на топлообменника

Основната цел на изчислението е необходимо изчисляване на площта на топлообмен. Heat (хладилна) мощност обикновено е посочено в техническото задание, но в нашия пример, ние ще се изчисли и нея, за, да речем, проверка на техническото задание. Понякога това се случва, че първоначалните данни могат да се приплъзват грешка. Една от задачите на компетентен инженер - тази грешка, за да откриете и отстраните. Като пример, изпълнява изчисление топлообменник на "течност - течност". Нека да сепаратор верига (прекъсвач налягане) в високото строителство. С цел да се облекчи натиска върху оборудването, строителството на небостъргачи много често се използва този подход. От едната страна на топлообменника има вода на входа Tvh1 = 14 ᵒS и изход Tvyh1 = 9 ᵒS и G1 скорост на потока = 14 500 кг / ч, а от друга - е вода, но тук със следните параметри: Tvh2 = 8 ᵒS, Tvyh2 ᵒS = 12, G2 = 18 125 кг / час.

Необходимата мощност (Q0) се изчислява от формулата на топлинния баланс (виж фигурата по-горе, формула 7.1), където Cp е специфичната топлина (таблична стойност). За да се опрости изчисленията, нека приемем намалената топлинна мощност Cpv = 4.187 [kJ / kg * ᵒC]. Ние считаме:

Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4,187 = 303557.5 [кДж / Н] = W = 84.3 84321.53 кВт - върху първата страна и

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4,187 = 303557.5 [кДж / Н] = W = 84.3 84321.53 кВт - на втората страна.

Обърнете внимание, че според формулата (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от коя страна на изчислението.

Освен това, в уравнението на основната пренос на топлина (7.2), ние откриваме областта необходимата повърхност (7.2.1), където К - коефициент на пренос на топлина (приема равна на 6,350 [W / m²]) и Delta-Tsr.log. - средната логаритмична температурна глава, прочетена по формула (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.

В случай, когато коефициентът на топлопреминаване не е известен, изчисляването на плочата на топлообменника е малко по-сложно. По формула (7.4), ние приемаме критерия Reynolds, където rho- е плътността, [kg / m³] е динамичният вискозитет, [H * s / m²], v е скоростта на средата в канала, [m / s], d cm е диаметърът на намокрения канал [m].

От таблицата намираме необходимата стойност на критерия Prandtl [Pr] и по формулата (7.5) получаваме критерия Nusselt, където n = 0.4 - при условия на нагряване на флуида и n = 0.3 - при условия на охлаждане на флуида.

Освен това, с формула (7.6) се изчислява коефициента на топлопредаване от охладителя за всяка стена, и с формула (7.7) се приема коефициент за пренос на топлина, който е заместен по формула (7.2.1), за да се изчисли обмен повърхност на топлина.

В тези формули ламбда е коефициентът на топлинна проводимост, ϭ е дебелината на стената на канала, алфа-1 и алфа-2 - коефициентите на пренос на топлина от всяко охлаждане до стената.