El càlcul de l'intercanviador de calor actualment no triga més de cinc minuts. Qualsevol organització que fabrica i ven aquest equip, per regla general, ofereix a tothom el seu propi programa de selecció. Es pot descarregar gratuïtament des de la pàgina web de l'empresa, o el seu tècnic vindrà a la vostra oficina i l'instal·larà gratuïtament. No obstant això, com de correcte és el resultat d'aquests càlculs, es pot confiar en ell i el fabricant no és astut a l'hora de lluitar en una licitació amb els seus competidors? Comprovar una calculadora electrònica requereix coneixements o almenys una comprensió de la metodologia per calcular els intercanviadors de calor moderns. Intentem entendre els detalls.
Què és un intercanviador de calor
Abans de fer el càlcul de l'intercanviador de calor, recordem quin tipus d'aparell és aquest? Un aparell de transferència de calor i massa (també conegut com un intercanviador de calor, també conegut com un intercanviador de calor o TOA).un dispositiu per transferir la calor d'un refrigerant a un altre. En el procés de canvi de temperatures dels portadors de calor, també canvien les seves densitats i, en conseqüència, els indicadors de massa de les substàncies. És per això que aquests processos s'anomenen transferència de calor i massa.
Tipus de transferència de calor
Ara parlem dels tipus de transferència de calor: només n'hi ha tres. Radiatiu - transferència de calor a causa de la radiació. Com a exemple, penseu a prendre el sol a la platja en un dia càlid d'estiu. I aquests intercanviadors de calor fins i tot es poden trobar al mercat (escalfadors d'aire de tub). No obstant això, la majoria de vegades per escalfar locals residencials, habitacions d'un apartament, comprem oli o radiadors elèctrics. Aquest és un exemple d'un altre tipus de transferència de calor: la convecció. La convecció pot ser natural, forçada (campana i hi ha un intercanviador de calor a la caixa) o accionada mecànicament (amb un ventilador, per exemple). Aquest darrer tipus és molt més eficient.
No obstant això, la manera més eficient de transferir calor és la conducció, o, com també s'anomena, la conducció (de l'anglès. conduction - "conducció"). Qualsevol enginyer que vagi a realitzar un càlcul tèrmic d'un intercanviador de calor, en primer lloc, pensa en com seleccionar un equip eficient en dimensions mínimes. I és possible aconseguir-ho precisament gràcies a la conductivitat tèrmica. Un exemple d'això és el TOA més eficient actual: els intercanviadors de calor de plaques. Un intercanviador de calor de plaques, segons la definició, és un intercanviador de calor que transfereix calor d'un refrigerant a un altre a través d'una paret que els separa. Màximla possible àrea de contacte entre els dos mitjans, juntament amb els materials correctament seleccionats, el perfil de la placa i el gruix, permet minimitzar la mida de l'equip seleccionat mantenint les característiques tècniques originals requerides en el procés tecnològic.
Tipus d'intercanviadors de calor
Abans de calcular l'intercanviador de calor, es determina amb el seu tipus. Tots els TOA es poden dividir en dos grans grups: intercanviadors de calor recuperatius i regeneratius. La principal diferència entre ells és la següent: en els TOA regeneratius, l'intercanvi de calor es produeix a través d'una paret que separa dos refrigerants, mentre que en els regeneratius, dos mitjans tenen contacte directe entre ells, sovint barrejant-se i requerint la posterior separació en separadors especials. Els intercanviadors de calor regenerativa es divideixen en intercanviadors de mescla i intercanviadors de calor amb embalatge (estacionari, caiguda o intermedi). A grans trets, una galleda d'aigua calenta, exposada a les gelades, o un got de te calent, posat a refredar-se a la nevera (no ho feu mai!), aquest és un exemple d'aquest tipus de TOA. I abocant te en un plat i refredant-lo d'aquesta manera, obtenim un exemple d'intercanviador de calor regeneratiu amb un broquet (el plat en aquest exemple fa el paper d'un broquet), que primer contacta amb l'aire circumdant i pren la seva temperatura, i després treu part de la calor del te calent que s'hi aboca, buscant que els dos mitjans estiguin en equilibri tèrmic. Tanmateix, com ja hem descobert anteriorment, és més eficient utilitzar la conductivitat tèrmica per transferir calor d'un medi a un altre, per tantEls TOA de transferència de calor més útils (i àmpliament utilitzats) d'avui són, per descomptat, els regeneratius.
Disseny tèrmic i estructural
Qualsevol càlcul d'un intercanviador de calor recuperador es pot realitzar a partir dels resultats dels càlculs tèrmics, hidràulics i de resistència. Són fonamentals, obligatoris en el disseny de nous equips i constitueixen la base de la metodologia de càlcul de models posteriors d'una línia de dispositius similars. La tasca principal del càlcul tèrmic de TOA és determinar l'àrea necessària de la superfície d'intercanvi de calor per al funcionament estable de l'intercanviador de calor i mantenir els paràmetres necessaris dels mitjans a la sortida. Molt sovint, en aquests càlculs, els enginyers reben valors arbitraris de les característiques de pes i mida dels equips futurs (material, diàmetre del tub, dimensions de la placa, geometria del paquet, tipus i material de les aletes, etc.), per tant, després del càlcul tèrmic, solen realitzar un càlcul constructiu de l'intercanviador de calor. Després de tot, si en la primera etapa l'enginyer va calcular la superfície necessària per a un diàmetre de canonada determinat, per exemple, 60 mm, i la longitud de l'intercanviador de calor resultava ser d'uns seixanta metres, llavors seria més lògic assumir una transició. a un intercanviador de calor de múltiples passades, o a un tipus de closca i tub, o per augmentar el diàmetre dels tubs.
Càlcul hidràulic
Càlculs hidràulics o hidromecànics, així com aerodinàmics per tal de determinar i optimitzar la hidràulicapèrdues de pressió (aerodinàmiques) a l'intercanviador de calor, així com calcular els costos energètics per superar-les. El càlcul de qualsevol camí, canal o canonada per al pas del refrigerant suposa una tasca principal per a una persona: intensificar el procés de transferència de calor en aquesta àrea. És a dir, un medi s'ha de transferir, i l' altre rebre la màxima calor possible en el període mínim del seu flux. Per a això, s'utilitza sovint una superfície d'intercanvi de calor addicional, en forma d'una nervadura superficial desenvolupada (per separar la subcapa laminar límit i millorar la turbulència del flux). La relació d'equilibri òptima de pèrdues hidràuliques, superfície d'intercanvi de calor, pes i característiques de mida i potència tèrmica eliminada és el resultat d'una combinació de càlcul tèrmic, hidràulic i estructural de TOA.
Comprova el càlcul
El càlcul de verificació de l'intercanviador de calor es realitza en el cas que calgui establir un marge en termes de potència o en termes de superfície de la superfície d'intercanvi de calor. La superfície es reserva per diferents motius i en diferents situacions: si així ho exigeixen els termes de referència, si el fabricant decideix fer un marge addicional per tal d'assegurar-se que aquest intercanviador de calor arribarà al règim i minimitzar els errors comesos en els càlculs. En alguns casos, es requereix redundància per arrodonir els resultats de dimensions constructives, mentre que en d' altres (evaporadors, economitzadors) s'introdueix especialment un marge de superfície en el càlcul de la potència de l'intercanviador de calor, per la contaminació per l'oli del compressor present al circuit de refrigeració.. I de mala qualitat de l'aiguacal tenir en compte. Després d'un temps de funcionament ininterromput dels intercanviadors de calor, especialment a altes temperatures, l'escala s'instal·la a la superfície d'intercanvi de calor de l'aparell, reduint el coeficient de transferència de calor i conduint inevitablement a una disminució parasitària de l'eliminació de calor. Per tant, un enginyer competent, quan calcula un intercanviador de calor aigua-aigua, presta especial atenció a la redundància addicional de la superfície d'intercanvi de calor. També es realitza un càlcul de verificació per veure com funcionarà l'equip seleccionat en altres modes secundaris. Per exemple, als aparells d'aire condicionat centrals (unitats de subministrament), el primer i el segon escalfadors de calefacció, que s'utilitzen a l'estació freda, s'utilitzen sovint a l'estiu per refredar l'aire entrant, subministrant aigua freda als tubs de l'intercanviador de calor d'aire. Com funcionaran i quins paràmetres donaran, us permet avaluar el càlcul de verificació.
Càlculs exploratoris
Els càlculs de recerca de TOA es realitzen a partir dels resultats obtinguts de càlculs tèrmics i de verificació. Són necessaris, per regla general, per fer les últimes esmenes al disseny de l'aparell dissenyat. També es duen a terme per corregir les equacions que s'incorporin al model de càlcul de TOA implementat, obtingut empíricament (segons dades experimentals). La realització de càlculs de recerca implica desenes i de vegades centenars de càlculs segons un pla especial desenvolupat i implementat en producció d'acord ambteoria matemàtica dels experiments de planificació. A partir dels resultats, es revela la influència de diverses condicions i quantitats físiques en els indicadors d'eficiència del TOA.
Altres càlculs
Quan calculeu l'àrea de l'intercanviador de calor, no us oblideu de la resistència dels materials. Els càlculs de resistència del TOA inclouen la comprovació de la unitat dissenyada per a la tensió, la torsió, per aplicar els moments de treball màxims admissibles a les peces i conjunts del futur intercanviador de calor. Amb unes dimensions mínimes, el producte ha de ser fort, estable i garantir un funcionament segur en diverses condicions de funcionament, fins i tot les més exigents.
Es realitza un càlcul dinàmic per tal de determinar les diferents característiques de l'intercanviador de calor en modes de funcionament variables.
Tipus de disseny d'intercanviador de calor
El disseny
TOA recuperatiu es pot dividir en un nombre bastant gran de grups. Els més famosos i àmpliament utilitzats són els intercanviadors de calor de plaques, aire (aletes tubulars), intercanviadors de calor de carcassa i tub, intercanviadors de calor de tub en tub, carcassa i placa i altres. També hi ha tipus més exòtics i altament especialitzats, com el tipus espiral (intercanviador de calor de bobina) o el tipus raspat, que funcionen amb fluids viscosos o no newtonians, així com molts altres tipus.
Intercanviadors de calor de canonada
Considerem el càlcul més senzill de l'intercanviador de calor "pipe in pipe". Estructuralment, aquest tipus de TOA es simplifica al màxim. Per regla general, entren al tub interior de l'aparellrefrigerant calent, per minimitzar les pèrdues, i es llança un refrigerant de refrigeració a la carcassa o a la canonada exterior. La tasca de l'enginyer en aquest cas es redueix a determinar la longitud d'aquest intercanviador de calor en funció de l'àrea calculada de la superfície d'intercanvi de calor i els diàmetres donats.
Aquí val la pena afegir que en termodinàmica s'introdueix el concepte d'intercanviador de calor ideal, és a dir, un aparell de longitud infinita, on els portadors de calor treballen en contracorrent, i es calcula completament la diferència de temperatura entre ells.. El disseny de canonada a canonada és el més proper a complir aquests requisits. I si feu servir els refrigerants a contracorrent, llavors serà l'anomenat "contracorrent real" (i no creuat, com en els TOA de plaques). El cap de temperatura es treballa de manera més eficaç amb aquesta organització del moviment. Tanmateix, quan es calcula l'intercanviador de calor "tuba a canonada", cal ser realista i no oblidar-se del component logístic, així com de la facilitat d'instal·lació. La longitud de l'eurotruck és de 13,5 metres, i no totes les instal·lacions tècniques estan adaptades per al patinatge i instal·lació d'equips d'aquesta longitud.
Intercanviadors de calor de carcassa i tubs
Per tant, molt sovint el càlcul d'aquest aparell flueix sense problemes en el càlcul d'un intercanviador de calor de carcassa i tub. Es tracta d'un aparell en el qual es troba un paquet de canonades en una sola carcassa (carcassa), rentada per diversos refrigerants, depenent de la finalitat de l'equip. En els condensadors, per exemple, el refrigerant s'aboca a la carcassa i l'aigua s'aboca als tubs. Amb aquest mètode de moviment dels mitjans, és més còmode i eficient de controlarfuncionament de l'aparell. En els evaporadors, en canvi, el refrigerant bull als tubs, mentre que són rentats pel líquid refredat (aigua, salmorres, glicols, etc.). Per tant, el càlcul d'un intercanviador de calor de carcassa i tub es redueix a minimitzar les dimensions de l'equip. Jugant amb el diàmetre de la carcassa, el diàmetre i el nombre de canonades internes i la longitud de l'aparell, l'enginyer arriba al valor calculat de la superfície d'intercanvi de calor.
Intercanviadors de calor d'aire
Un dels intercanviadors de calor més comuns avui en dia són els intercanviadors de calor d'aletes tubulars. També s'anomenen serps. On no només s'instal·len, començant per les unitats fan coil (de l'anglès fan + coil, és a dir, "fan" + "coil") a les unitats interiors dels sistemes split i acabant amb recuperadors de gasos de combustió gegants (extracció de calor dels gasos de combustió calents). i transmissió per a necessitats de calefacció) a les plantes de calderes de cogeneració. És per això que el càlcul d'un intercanviador de calor de bobina depèn de l'aplicació on aquest intercanviador de calor entrarà en funcionament. Els refrigeradors d'aire industrials (HOP) instal·lats a les cambres de congelació de carn, els congeladors de baixa temperatura i altres instal·lacions de refrigeració d'aliments requereixen determinades característiques de disseny en el seu disseny. L'espai entre les làmines (aletes) ha de ser el més gran possible per tal d'augmentar el temps de funcionament continu entre cicles de descongelació. Els evaporadors per a centres de dades (centres de processament de dades), en canvi, es fan tan compactes com sigui possible subjectant la interlamel·lar.distància mínima. Aquests intercanviadors de calor funcionen en "zones netes", envoltades de filtres fins (fins a la classe HEPA), per tant, aquest càlcul d'un intercanviador de calor tubular es fa amb èmfasi en minimitzar les dimensions.
Intercanviadors de calor de plaques
Actualment, els intercanviadors de calor de plaques tenen una demanda estable. Segons el seu disseny, són completament plegables i semisoldades, soldades amb coure i níquel, soldades i soldades per difusió (sense soldadura). El càlcul tèrmic d'un intercanviador de calor de plaques és bastant flexible i no presenta cap dificultat particular per a un enginyer. En el procés de selecció, podeu jugar amb el tipus de plaques, la profunditat dels canals de forja, el tipus d'aletes, el gruix d'acer, diferents materials i, el més important, nombrosos models de mida estàndard de dispositius de diferents mides. Aquests intercanviadors de calor són baixos i amples (per a l'escalfament de vapor d'aigua) o alts i estrets (intercanviadors de calor separats per a sistemes d'aire condicionat). També s'utilitzen sovint per a medis de canvi de fase, és a dir, com a condensadors, evaporadors, desescalfadors, precondensadors, etc. El càlcul tèrmic d'un intercanviador de calor bifàsic és una mica més complicat que un intercanviador de calor líquid-líquid, però, per a enginyers experimentats, aquesta tasca és resoluble i no presenta cap dificultat particular. Per facilitar aquests càlculs, els dissenyadors moderns utilitzen bases de dades informàtiques d'enginyeria, on podeu trobar molta informació necessària, inclosos diagrames d'estat de qualsevol refrigerant en qualsevol escombrat, per exemple, un programa. CoolPack.
Exemple de càlcul de l'intercanviador de calor
L'objectiu principal del càlcul és calcular l'àrea requerida de la superfície d'intercanvi de calor. La potència tèrmica (refrigeració) s'especifica normalment als termes de referència, però, en el nostre exemple, la calcularem, per dir-ho així, per comprovar els mateixos termes de referència. De vegades també passa que un error pot introduir-se a les dades d'origen. Una de les tasques d'un enginyer competent és trobar i corregir aquest error. Com a exemple, calculem un intercanviador de calor de plaques del tipus "líquid-líquid". Que això sigui un trencador de pressió en un edifici alt. Per descarregar equips per pressió, aquest enfocament s'utilitza molt sovint en la construcció de gratacels. A un costat de l'intercanviador de calor, tenim aigua amb una temperatura d'entrada Tin1=14 ᵒС i una temperatura de sortida Тout1=9 ᵒС, i amb un cabal G1=14.500 kg / h, i a l' altra, també aigua, però només amb els paràmetres següents: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Calculem la potència requerida (Q0) mitjançant la fórmula del balanç de calor (vegeu la figura anterior, fórmula 7.1), on Ср és la capacitat calorífica específica (valor de la taula). Per simplificar els càlculs, prenem el valor reduït de la capacitat calorífica Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Recompte:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - al primer costat i
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - al segon costat.
Tingueu en compte que, segons la fórmula (7.1), Q0=Q1=Q2, independentment dede quin costat es va fer el càlcul.
A més, utilitzant l'equació principal de transferència de calor (7.2), trobem l'àrea de superfície requerida (7.2.1), on k és el coeficient de transferència de calor (pres igual a 6350 [W/m 2]), i ΔТav.log. - diferència de temperatura logarítmica mitjana, calculada segons la fórmula (7.3):
ΔT registre mitjà.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F després=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Quan es desconeix el coeficient de transferència de calor, el càlcul de l'intercanviador de calor de plaques és una mica més complicat. Segons la fórmula (7.4), calculem el criteri de Reynolds, on ρ és la densitat, [kg/m3], η és la viscositat dinàmica, [Ns/m 2], v és la velocitat del medi al canal, [m/s], d cm és el diàmetre humit del canal [m].
Segons la taula, busquem el valor del criteri de Prandtl [Pr] que necessitem i, mitjançant la fórmula (7.5), obtenim el criteri de Nusselt, on n=0,4 - en condicions d'escalfament líquid, i n=0,3 - en condicions de refrigeració líquida.
A continuació, amb la fórmula (7.6), calculem el coeficient de transferència de calor de cada refrigerant a la paret, i mitjançant la fórmula (7.7), calculem el coeficient de transferència de calor, que substituïm a la fórmula (7.2.1) per calcular l'àrea de la superfície d'intercanvi de calor.
A les fórmules indicades, λ és el coeficient de conductivitat tèrmica, ϭ és el gruix de la paret del canal, α1 i α2 són els coeficients de transferència de calor de cadascun dels portadors de calor a la paret.
