Výpočet výměníku tepla: příklad. Výpočet plochy, výkon výměníku tepla

Výpočet tepelného výměníku momentálně trvá ne více než pět minut. Každá organizace, která vyrábí a prodává takové zařízení, zpravidla poskytuje každému svůj vlastní program výběru. K dispozici je bezplatně ke stažení z webových stránek společnosti nebo jejich odborný technik přijede do vaší kanceláře a nainstaluje jej zdarma. Jak dobrý je výsledek takových výpočtů, je možné mu důvěřovat a nehladit producenta, bojujícího v soutěži se svými konkurenty? Kontrola elektronické kalkulačky vyžaduje znalosti nebo alespoň pochopení metodiky pro výpočet moderních výměníků tepla. Pokusme se pochopit detaily.

Co je výměník tepla

Před výpočtem výměníku tepla si to pamatujeme, ale co je to za to zařízení? Zařízení pro přenos tepla a hmoty (výměník tepla, výměník tepla nebo TOA) je zařízení pro přenos tepla z jedné chladicí kapaliny do druhé. Při procesu změny teplot nosičů tepla se mění také jejich hustota a v důsledku toho i hmotnostní indexy látek. To je důvod, proč se takové procesy nazývají výměna tepla a hmoty.

Typy přenosu tepla

Teď mluvme o typech výměny tepla - existují jen tři. Radiace - přenos tepla způsobený radiací. Jako příklad si můžete vzpomenout na užívání slunečních lázní na pláži v teplém letním dni. Takové výměníky tepla lze dokonce nalézt na trhu (ohřívače vzduchu). Nicméně, nejčastěji pro vytápění obytných místností, místností v bytě, kupujeme olejové nebo elektrické radiátory. Toto je příklad jiného typu výměny tepla - konvekce. Konvekce je přirozená, vynucená (výfukový systém a v krabici je rekuperátor) nebo mechanickým impulsem (např. S ventilátorem). Druhý typ je mnohem účinnější.

Nicméně nejúčinnějším způsobem přenosu tepla je vedení tepla nebo, jak se také nazývá, vedení (z anglického vedení - "vodivost"). Každý inženýr, který zamýšlí provádět výpočet tepla výměníku tepla, si nejprve myslí, že vybere efektivní zařízení v minimálních rozměrech. A k tomu je to kvůli vedení tepla. Příkladem toho jsou nejúčinnější dosavadní výměníky tepla TOA. Deska TOA je podle definice výměníkem tepla, který přenáší teplo z jedné chladicí kapaliny do druhé přes stěnu, která je odděluje. Maximální možná kontaktní plocha mezi dvěma médii v kombinaci s vhodně vybranými materiály, profil desky a jejich tloušťka umožňuje minimalizovat velikost vybraného zařízení při zachování prvotních technických charakteristik požadovaných v technologickém procesu.

Typy výměníků tepla

Před výpočtem výměníku tepla se stanoví jeho typ. Všechna TOA mohou být rozdělena do dvou velkých skupin: rekuperační a regenerační výměníky tepla. Hlavní rozdíl mezi nimi je následující: v regenerační TOA dochází k výměně tepla skrz stěnu oddělující obě média přenosu tepla a ve dvou regeneračních prostředích mají přímý kontakt mezi sebou, často se mísí a vyžadují následnou separaci ve zvláštních separátorech. Regenerační výměníky tepla jsou rozděleny na směšovací a výměníky tepla s tryskou (stacionární, padající nebo mezilehlé). Zhruba řečeno, kbelík s teplou vodou vystavenou mrazu nebo sklenici horkého čaje se v chladničce nechá vychladnout (nikdy to neudělá!) - to je příklad takového míchání TOA. A tím, že naléváme čaj v talíři a ochlazujeme tímto způsobem, získáme příklad regeneračního výměníku tepla s tryskou (talíř v tomto příkladu hraje roli trysky), který se nejprve dotýká okolního vzduchu a zohřívá jeho teplotu, a pak jej odvádí teplo z horkého čaje, , Snaží se přivést oba prostředí do režimu tepelné rovnováhy. Nicméně, jak jsme již vysvětlili, je efektivnější využívat tepelnou vodivost k přenosu tepla z jednoho prostředí do druhého, a proto je užitečnější z hlediska přenosu tepla (a široce používaného) TOA dnes - samozřejmě rekuperační.

Tepelný a konstruktivní výpočet

Jakýkoli výpočet rekuperačního výměníku tepla může být proveden na základě výsledků tepelných, hydraulických a pevnostních výpočtů. Jsou základní, povinné pro návrh nového zařízení a tvoří základ pro výpočet následných modelů řady stejného typu zařízení. Hlavním úkolem tepelného výpočtu TOA je stanovení potřebné plochy teplosměnné plochy pro stabilní provoz výměníku tepla a udržení požadovaných parametrů média na výstupu. V takových výpočtech jsou inženýři při takových výpočtech často přiděleni libovolné hodnoty velkokapacitních charakteristik budoucího zařízení (materiál, průměr trubky, rozměry desky, geometrie nosníku, typ žebra a materiál atd.), Takže po tepelné analýze se obvykle provádí strukturální výpočet výměníku tepla. Koneckonců, jestliže v prvním stupni inženýr vypočítal potřebnou plochu pro daný průměr trubky, například 60 mm a délka výměníku tepla je asi šedesát metrů, je logičtější převzít přechod k vícestupňovému výměníku tepla buď ke skořápkovému typu nebo ke zvýšení průměru trubek.

Hydraulický výpočet

Pro stanovení a optimalizaci hydraulických (aerodynamických) tlakových ztrát ve výměníku tepla a pro výpočet nákladů za jejich překonání jsou prováděny hydraulické nebo hydromechanické a také aerodynamické výpočty. Výpočet jakéhokoli úseku, kanálu nebo potrubí pro průchod chladicí kapaliny nastavuje primární úkol člověka, aby zintenzivnil proces výměny tepla v této oblasti. To znamená, že jedno médium musí vysílat a druhé musí přijímat co nejvíce tepla v minimálním intervalu jeho toku. Za tímto účelem se často používá dodatečná plocha pro výměnu tepla, a to ve formě rozvinutého povrchového opracování (pro oddělení hraniční vrstvené podvrstvy a zesílení průtokové turbulence). Optimální bilanční poměr hydraulických ztrát, plochy teplosměnné plochy, hmotnostní rozměry a odstraněný tepelný výkon je výsledkem kombinace tepelných, hydraulických a konstrukčních výpočtů TOA.

Výpočet ověření

Ověřovací výpočet výměníku tepla se provádí v případě, kdy je třeba umístit rezervu na kapacitu nebo na plochu teplosměnné plochy. Povrch je rezervován z různých důvodů a v různých situacích: pokud to požaduje specifikace, pokud se výrobce rozhodne vytvořit další zásobu, aby se ujistil, že takový tepelný výměník vstoupí do režimu, a minimalizovat chyby ve výpočtech. V některých případech je zapotřebí provést redundanci, aby se zaokrouhli výsledky konstrukčních rozměrů, zatímco v jiných (výparníky, ekonomizéry) výpočet kapacity výměníku tepla specificky zavádí okraj na povrchu, kontaminaci kompresorovým olejem přítomným v chladicím okruhu. Ano, je třeba vzít v úvahu špatnou kvalitu vody. Po určité době nepřetržitého provozu výměníků tepla, zejména při vysokých teplotách, se spalina usazuje na výměnném povrchu zařízení, čímž se snižuje součinitel přestupu tepla a nevyhnutelně vede k parazitnímu snížení rozptylu tepla. Proto při výpočtu výměníku tepla voda-voda musí odborný inženýr věnovat zvláštní pozornost dodatečné rezervaci výměnné plochy tepla. Kalkulace ověření se provádí také s cílem zjistit, jak bude vybrané zařízení pracovat v jiných sekundárních režimech. Například u centrálních klimatizačních jednotek (klimatizačních jednotek) se první a druhé topné těleso používané během chladného období roku v létě často používají k ochlazování přiváděného vzduchu dodáním studené vody do trubek vzduchového výměníku tepla. Jak budou fungovat a jaké parametry dávají, umožní vám vyhodnotit výpočet ověření.

Výpočty výzkumu

Výpočty výzkumu TOA jsou založeny na výsledcích tepelných a ověřovacích výpočtů. Jsou nutné zpravidla provádět nejnovější změny konstrukce promítaného přístroje. Jsou také prováděny s cílem opravit jakékoliv rovnice, které jsou stanoveny v modelu TOA, které se dají získat empiricky (podle experimentálních údajů). Provádění výzkumných výpočtů zahrnuje provádění desítek a někdy stovek výpočtů podle zvláštního plánu, který byl vyvinut a realizován ve výrobě podle matematické teorie experimentálního plánování. Na základě výsledků je odhalen vliv různých podmínek a fyzikálních veličin na ukazatele účinnosti TOA.

Jiné výpočty

Při výpočtu plochy výměníku tepla nezapomeňte na odolnost materiálů. Pevnostní výpočty TOA zahrnují kontrolu navržené jednotky pro namáhání, zkroucení, použití maximálních přípustných provozních momentů na části a sestavy budoucího výměníku tepla. Při minimálních rozměrech musí být výrobek pevný, stabilní a zaručuje bezpečný provoz v různých, dokonce i nejstresivnějších provozních podmínkách.

Dynamický výpočet se provádí za účelem definování různých charakteristik výměníku tepla v proměnných režimech jeho provozu.

Typy výměníků tepla

Rekonstrukční TOA lze podle návrhu rozdělit na dostatečně velký počet skupin. Nejznámějšími a nejrozšířenějšími jsou deskové výměníky tepla, vzduchové trubkové výměníky tepla, výměníky tepla s trubkovými trubkami, výměníky tepla s pláštěm a další. Tam jsou také více exotické a úzce specializované typy, například spirála (výměník tepla-hlemýžď) nebo škrabka, které pracují s viskózní nebo non-newtonian tekutiny, stejně jako mnoho jiných typů.

Trubkové výměníky tepla

Zvažme nejjednodušší výpočet výměníku tepla "trubka v trubce". Strukturálně je tento typ TOA zjednodušován co nejvíce. Horký nosič tepla je zpravidla povolen proudit do vnitřní trubky zařízení, aby se minimalizovaly ztráty, a to ve skříni nebo ve vnější trubce. Úkolem inženýra je v tomto případě určit délku takového tepelného výměníku založený na vypočítané ploše teplosměnné plochy a specifikovaných průměrech.

Zde stojí za to dodat, že v termodynamice je zaveden koncept ideálního tepelného výměníku, to znamená zařízení nekonečné délky, kde médium pro přenos tepla pracuje protiproudem a mezi nimi je plně aktivována teplotní hlava. Návrh potrubí v potrubí je nejblíže těmto požadavkům. A pokud spustíte chladicí kapalinu protiproudem, bude to takzvaný "skutečný protiproud" (a ne kříž, jako na desce TOA). Teplotní hlavice dosahuje maximální účinnosti s takovou organizací provozu. Nicméně při výpočtu výměníku tepla "trubka v trubce" by měl být realistický a nezapomněl ani na logistickou komponentu, ani na pohodlí instalace. Délka eurofury je 13,5 metru a ne všechny technické prostory jsou přizpůsobeny pro šmykové a montážní vybavení této délky.

Výměníky tepla a trubek

Proto velmi často výpočet takového zařízení plyne plynule do výpočtu výměníku tepla s pláštěm a trubkou. Toto zařízení, ve kterém je svazek trubek v jedné plášti (pláště), promyt různými nosiči tepla v závislosti na účelu zařízení. Například v kondenzátorech se chladicí kapalina vypouští do skříně a voda do trubek. Pomocí této metody pohybu je médium pohodlnější a efektivnější pro ovládání provozu zařízení. Ve výparnících naopak chladiva vroucích v trubkách, zatímco jsou omyty chladnou tekutinou (voda, solanka, glykoly atd.). Výpočet výměníku tepla skořepiny se proto snižuje na minimalizaci rozměrů zařízení. Během hraní s průměrem pláště, průměrem a počtem vnitřních trubek a délkou zařízení vstupuje technik do vypočtené hodnoty plochy výměnné plochy.

Vzduchotechnické výměníky

Jedním z nejobvyklejších výměníků tepla pro dnešní dny jsou trubkové výměníky tepla. Jsou také nazývány cívky. Pokud nejsou instalovány, od ventilátorů (z ventilátoru + cívky, tj. "Ventilátor + cívka") ve vnitřních jednotkách rozdělených systémů a končícími obřími rekuperátory spalin (odvádění tepla z horkých kouřových plynů a převodovky Pro vytápění) v kotlích v CHPP. Proto výpočet tepelného výměníku cívky závisí na způsobu použití tohoto výměníku tepla. Průmyslové vzduchové chladiče (VOP), instalované v komorách šokového zmrazování masa, v mrazicích komorách s nízkými teplotami a v jiných objektech zásobování studeným potravinami, vyžadují určité konstrukční rysy jejich výkonu. Vzdálenost mezi lamelami (ploutve) by měla být maximální, aby se prodloužila doba nepřetržité práce mezi rozmrazovacími cykly. Odpařovák pro datová centra (datová centra), naopak, co nejkompaktnější, upnutí interlamové vzdálenosti na minimum. Tyto výměníky tepla pracují v "čistých zónách", obklopené jemnými filtry (až do třídy HEPA), takže výpočet trubkového výměníku tepla je prováděn s důrazem na minimalizaci velikosti.

Deskové tepelné výměníky

V současné době jsou deskové výměníky tepla ve stabilní poptávce. Podle své konstrukce jsou zcela skládací a polosvařeny, měděné a poniklované, svařované a svařované difuzní metodou (bez pájky). Tepelný výpočet deskového tepelného výměníku je dostatečně flexibilní a nepředstavuje pro konstruktéra zvláštní potíže. V procesu výběru můžete hrát typ desek, hloubku děrovacích kanálů, typ ploutví, tloušťku oceli, různé materiály a co je nejdůležitější - četné standardní modely zařízení různých velikostí. Takové výměníky tepla jsou nízké a široké (pro ohřev páry) nebo vysoké a úzké (separační výměníky tepla pro klimatizační systémy). Často se používají pro média s fázovým přechodem, tj. Jako kondenzátory, odpařovače, sušicí ohřívače, předkondenzátory atd. Provedení výpočtu tepla výměníku tepla pracujícího ve dvoufázovém schématu je o něco komplikovanější než tepelný výměník kapalina-kapalina; Zkušený inženýr, tento problém je řešitelný a nepředstavuje zvláštní složitost. Pro usnadnění takových výpočtů používají moderní návrháři počítačové databáze, kde najdete mnoho potřebných informací, včetně diagramů jakéhokoli chladiva v jakémkoli skenování, například programu CoolPack.

Příklad výpočtu výměníku tepla

Hlavním účelem výpočtu je výpočet potřebného povrchové plochy pro výměnu tepla. Tepla (chladicí) výkon je obvykle uvedeno v mandátu, ale v našem příkladu budeme počítat i ji, řekněme, kontrolu specifikace požadavků. Někdy se také stává, že původní data mohou vplížit chyby. Jedním z úkolů příslušného inženýra - tuto chybu najít a opravit. Jako příklad lze uvést, provádět výpočet deskový výměník tepla z „tekuté - kapalina“. Nech to být oddělovač okruhu (tlakový jistič) ve výškové budově. S cílem zmírnit tlak na zařízení, výstavba mrakodrapů velmi často používá tento přístup. Na jedné straně výměníku tepla mají vody při vstupu Tvh1 = 14 ᵒS a výjezd Tvyh1 = 9 ᵒS, a rychlost toku G1 = 14 500 kg / h, a na druhé straně - je také voda, ale zde s následujícími parametry: Tvh2 = 8 ᵒS, Tvyh2 ᵒS = 12, G2 = 18 125 kg / h.

Nutné výkon (Q0) vypočítá podle vzorce tepelné rovnováhy (viz obrázek výše, vzorec 7.1 ..), kde Cp - měrná tepelná kapacita (tabulka hodnota). Pro zjednodušení výpočtů Tyto hodnoty se tepelná kapacita EOT = 4.187 [kJ / kg * ᵒS]. Domníváme se, že:

Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4,187 = 303557,5 [kJ / h] = W = 84,3 84321,53 kW - na první straně a

Q2 = 18 125 * (12-8) * 4,187 = 303557,5 [kJ / h] = W = 84,3 84321,53 kW - na druhé straně.

Všimněte si, že, podle obecného vzorce (7.1), Q0 = Q1 = Q2, bez ohledu na to, na které straně provádění výpočtu.

Dále, v hlavním přenosu tepla rovnice (7.2), najdeme potřebné povrchové plochy (7.2.1), kde k - koeficient přestupu tepla (předpokládá se rovná 6350 [W / ^m2]), a ΔTsr.log. - průměrný rozdíl teplot, se vypočte podle vzorce (7.3):

? T sr.log. = (2-1) / ln (2/1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F = 84321/6350 * 1,4428 = 9,2 ^m2.

V případě, že koeficient přestupu tepla je neznámý, výpočet je poněkud složitější deskový výměník tepla. Vzorec (7.4), jsou považovány za Reynoldsovo číslo, kde ρ - hustota [kg / ^m3], η - dynamická viskozita, [N * s / m ^2], v - rychlost média v potrubí [m / s], d cm - smáčitelný průměr upínacího otvoru [m].

Z tabulky se snažíme požadovanou hodnotu Prandtl [Pr], a vzorec (7.5), získáme číslo Nusseltovo, kde n = 0,4 - tekutých podmínky Topení a n = 0,3 - chlazení v kapalném podmínkách.

Dále, vzorec (7.6) se vypočte součinitel přestupu tepla z chladicí kapaliny do každé stěny, a předpokládá se, že vzorec (7.7), koeficient přenosu tepla, která je substituována ve vzorci (7.2.1) pro výpočet tepelné výměny plochu.

Ve výše uvedených vzorcích, λ - součinitel tepelné vodivosti, ϭ - tloušťka stěn kanálu, alfa1 a α2 - součinitelů přestupu tepla každého z teplonosné stěny.