Proračun izmjenjivača topline trenutno ne traje više od pet minuta. Svaka organizacija koja proizvodi i prodaje takvu opremu, u pravilu svakome daje vlastiti program odabira. Može se besplatno preuzeti s web stranice tvrtke ili će njihov tehničar doći u vaš ured i besplatno ga instalirati. No, koliko je točan rezultat ovakvih proračuna, može li mu se vjerovati i nije li proizvođač lukav kad se bori na natječaju sa svojim konkurentima? Provjera elektroničkog kalkulatora zahtijeva poznavanje ili barem razumijevanje metodologije za izračun modernih izmjenjivača topline. Pokušajmo razumjeti detalje.
Što je izmjenjivač topline
Prije proračuna izmjenjivača topline, sjetimo se o kakvom se uređaju radi? Aparat za prijenos topline i mase (tzv. izmjenjivač topline, aka izmjenjivač topline ili TOA).uređaj za prijenos topline s jedne rashladne tekućine na drugu. U procesu promjene temperature nosača topline, mijenjaju se i njihove gustoće i, sukladno tome, pokazatelji mase tvari. Zato se takvi procesi nazivaju prijenosom topline i mase.
Vrste prijenosa topline
Sada razgovarajmo o vrstama prijenosa topline - postoje samo tri. Zračenje - prijenos topline zbog zračenja. Kao primjer, razmislite o sunčanju na plaži u toplom ljetnom danu. A takvi se izmjenjivači topline čak mogu naći na tržištu (cijevni grijači zraka). Međutim, najčešće za grijanje stambenih prostora, prostorija u stanu kupujemo uljne ili električne radijatore. Ovo je primjer druge vrste prijenosa topline - konvekcije. Konvekcija može biti prirodna, prisilna (napa, a u kutiji je izmjenjivač topline) ili mehanički pogonjena (s ventilatorom npr.). Potonji tip je mnogo učinkovitiji.
Međutim, najučinkovitiji način prijenosa topline je kondukcija, ili, kako se još naziva, vođenje (od engleskog. provodljivost - "kondukcija"). Svaki inženjer koji će provesti toplinski proračun izmjenjivača topline, prije svega, razmišlja o tome kako odabrati učinkovitu opremu u minimalnim dimenzijama. A to je moguće postići upravo zahvaljujući toplinskoj vodljivosti. Primjer za to je danas najučinkovitiji TOA - pločasti izmjenjivači topline. Pločasti izmjenjivač topline, prema definiciji, je izmjenjivač topline koji prenosi toplinu s jednog rashladnog sredstva na drugo kroz zid koji ih razdvaja. Maksimummoguće kontaktno područje između dva medija, zajedno s pravilno odabranim materijalima, profilom ploče i debljinom, omogućuje minimiziranje veličine odabrane opreme uz zadržavanje izvornih tehničkih karakteristika potrebnih u tehnološkom procesu.
Vrste izmjenjivača topline
Prije proračuna izmjenjivača topline određuje se prema njegovom tipu. Svi TOA mogu se podijeliti u dvije velike skupine: rekuperativni i regenerativni izmjenjivači topline. Glavna razlika između njih je sljedeća: u regenerativnim TOA-ima izmjena topline se odvija kroz zid koji razdvaja dvije rashladne tekućine, dok kod regenerativnih dva medija imaju izravan kontakt jedan s drugim, često se miješaju i zahtijevaju naknadno odvajanje u posebnim separatorima. Regenerativni izmjenjivači topline dijele se na miješajuće i izmjenjivače topline s pakiranjem (stacionarne, padajuće ili srednje). Grubo govoreći, kanta vruće vode, izložena mrazu, ili čaša vrućeg čaja, stavljena na hlađenje u hladnjak (nikada to ne činite!) - ovo je primjer takvog miješanja TOA. A ulijevanjem čaja u tanjurić i hlađenjem na ovaj način, dobivamo primjer regenerativnog izmjenjivača topline s mlaznicom (tanjurić u ovom primjeru ima ulogu mlaznice), koji prvi dolazi u kontakt s okolnim zrakom i uzima njegovu temperaturu, a zatim oduzima dio topline iz vrućeg čaja koji je uliven u njega, nastojeći dovesti oba medija u toplinsku ravnotežu. Međutim, kao što smo već ranije saznali, učinkovitije je koristiti toplinsku vodljivost za prijenos topline s jednog medija na drugi, stogaKorisniji (i široko korišteni) TOA-i današnjice su, naravno, regenerativni.
Termički i strukturni dizajn
Svaki proračun rekuperativnog izmjenjivača topline može se izvesti na temelju rezultata toplinskih, hidrauličkih i proračuna čvrstoće. Oni su temeljni, obvezni u projektiranju nove opreme i temelj su metodologije za proračun kasnijih modela linije sličnih uređaja. Glavni zadatak toplinskog proračuna TOA je odrediti potrebnu površinu površine izmjenjivača topline za stabilan rad izmjenjivača topline i održavanje potrebnih parametara medija na izlazu. Često se u takvim izračunima inženjerima daju proizvoljne vrijednosti težinskih i veličinskih karakteristika buduće opreme (materijal, promjer cijevi, dimenzije ploče, geometrija snopa, vrsta i materijal peraja itd.), dakle, nakon toplinski proračun, obično provode konstruktivni proračun izmjenjivača topline. Uostalom, ako je u prvoj fazi inženjer izračunao potrebnu površinu za zadani promjer cijevi, na primjer, 60 mm, a duljina izmjenjivača topline se pokazala oko šezdeset metara, tada bi bilo logičnije pretpostaviti prijelaz na višeprolazni izmjenjivač topline, ili na tip školjke i cijevi, ili na povećanje promjera cijevi.
Hidraulički proračun
Provode se hidraulički ili hidromehanički, kao i aerodinamički proračuni kako bi se odredio i optimizirao hidraulički(aerodinamičke) gubitke tlaka u izmjenjivaču topline, kao i izračunati troškove energije za njihovo prevladavanje. Proračun bilo kojeg puta, kanala ili cijevi za prolaz rashladne tekućine predstavlja primarni zadatak za osobu - intenzivirati proces prijenosa topline u ovom području. To jest, jedan medij mora prenijeti, a drugi primiti što je više moguće topline u minimalnom razdoblju svog protoka. Za to se često koristi dodatna površina za izmjenu topline, u obliku razvijenog površinskog rebra (za odvajanje graničnog laminarnog podsloja i povećanje turbulencije strujanja). Optimalni omjer ravnoteže hidrauličkih gubitaka, površine izmjene topline, karakteristika težine i veličine i uklonjene toplinske snage rezultat je kombinacije toplinskog, hidrauličkog i strukturnog proračuna TOA.
Provjeri izračun
Proračun provjere izmjenjivača topline provodi se u slučaju kada je potrebno postaviti marginu u smislu snage ili u smislu površine površine izmjenjivača topline. Površina je rezervirana iz raznih razloga iu različitim situacijama: ako to zahtijeva projektni zadatak, ako proizvođač odluči napraviti dodatnu maržu kako bi bio siguran da će takav izmjenjivač topline postići režim i minimizirati pogreške u kalkulacije. U nekim slučajevima potrebna je redundancija kako bi se zaokružili rezultati konstruktivnih dimenzija, dok se u drugima (isparivači, ekonomizatori) posebno uvodi površinska margina u izračun snage izmjenjivača topline, za onečišćenje kompresorskim uljem prisutnim u rashladnom krugu. I loša kvaliteta vodemora se uzeti u obzir. Nakon nekog vremena neprekidnog rada izmjenjivača topline, osobito pri visokim temperaturama, kamenac se taloži na površini izmjenjivača topline aparata, smanjujući koeficijent prijenosa topline i neizbježno dovodeći do parazitskog smanjenja odvođenja topline. Stoga kompetentni inženjer pri proračunu izmjenjivača topline voda-voda posebnu pozornost posvećuje dodatnoj redundanciji površine izmjenjivača topline. Također se provodi verifikacijski izračun kako bi se vidjelo kako će odabrana oprema raditi u drugim, sekundarnim načinima rada. Na primjer, u centralnim klima uređajima (opskrbnim jedinicama), prvi i drugi grijači za grijanje, koji se koriste u hladnoj sezoni, često se koriste ljeti za hlađenje ulaznog zraka, opskrbljujući hladnom vodom cijevi izmjenjivača topline zraka. Kako će funkcionirati i koji će se parametri dati, omogućuje vam da procijenite izračun provjere.
Istraživački izračuni
Istraživački izračuni TOA provode se na temelju dobivenih rezultata toplinskih i verifikacijskih proračuna. Oni su, u pravilu, nužni za posljednje izmjene i dopune dizajna projektiranog uređaja. Također se provode kako bi se ispravile sve jednadžbe koje su ugrađene u implementirani proračunski model TOA, dobiven empirijski (prema eksperimentalnim podacima). Izvođenje istraživačkih proračuna uključuje desetke, a ponekad i stotine proračuna prema posebnom planu izrađenom i implementiranom u proizvodnji u skladu smatematička teorija planiranja eksperimenata. Na temelju rezultata otkriva se utjecaj različitih uvjeta i fizičkih veličina na pokazatelje učinkovitosti TOA.
Ostali izračuni
Prilikom izračunavanja površine izmjenjivača topline ne zaboravite na otpornost materijala. Izračuni čvrstoće TOA uključuju provjeru projektirane jedinice na naprezanje, na torziju, za primjenu maksimalno dopuštenih radnih momenata na dijelove i sklopove budućeg izmjenjivača topline. Uz minimalne dimenzije, proizvod mora biti čvrst, stabilan i jamčiti siguran rad u raznim, čak i najzahtjevnijim uvjetima rada.
Dinamički proračun se provodi kako bi se odredile različite karakteristike izmjenjivača topline u promjenjivim načinima rada.
Vrste dizajna izmjenjivača topline
Rekuperativni TOA po dizajnu može se podijeliti u prilično velik broj grupa. Najpoznatiji i najšire korišteni su pločasti izmjenjivači topline, zračni (cijevni rebrasti), školjkasto-cijevni, cijev u cijevi izmjenjivači topline, školjkasto-pločasti i drugi. Postoje i egzotičniji i visoko specijalizirani tipovi, kao što su spiralni (izmjenjivač topline zavojnica) ili strugani tip, koji rade s viskoznim ili nenjutonovskim tekućinama, kao i mnoge druge vrste.
Izmjenjivači topline u cijevima
Razmotrimo najjednostavniji izračun izmjenjivača topline "cijev u cijevi". Strukturno, ova vrsta TOA je maksimalno pojednostavljena. U pravilu puštaju u unutarnju cijev aparatavruća rashladna tekućina, kako bi se minimizirali gubici, a rashladno sredstvo za hlađenje se lansira u kućište ili u vanjsku cijev. Zadatak inženjera u ovom slučaju svodi se na određivanje duljine takvog izmjenjivača topline na temelju izračunate površine površine izmjenjivača topline i zadanih promjera.
Ovdje vrijedi dodati da se u termodinamiku uvodi koncept idealnog izmjenjivača topline, odnosno aparata beskonačne duljine, gdje nosači topline rade u protustruji, a temperaturna razlika je u potpunosti razrađena između njih. Dizajn cijevi u cijevi najbliži je ispunjavanju ovih zahtjeva. A ako rashladne tekućine pokrenete u protustruji, tada će to biti takozvani "pravi protutok" (a ne križni, kao u pločastim TOA-ima). Temperaturna glava najučinkovitije se razrađuje s takvom organizacijom kretanja. Međutim, pri izračunavanju izmjenjivača topline "cijev u cijevi", treba biti realan i ne zaboraviti na logističku komponentu, kao i na jednostavnost ugradnje. Dužina eurokamiona je 13,5 metara, a nisu svi tehnički prostori prilagođeni za klizanje i ugradnju opreme ove dužine.
Izmjenjivači topline s školjkom i cijevi
Stoga, vrlo često se proračun takvog aparata glatko ulijeva u proračun izmjenjivača topline s školjkom i cijevi. Ovo je aparat u kojem se snop cijevi nalazi u jednom kućištu (kućištu), koje se ispiru raznim rashladnim tekućinama, ovisno o namjeni opreme. U kondenzatorima se, na primjer, rashladno sredstvo ubacuje u školjku, a voda u cijevi. S ovom metodom kretanja medija praktičnija je i učinkovitija za kontrolurad aparata. U isparivačima, naprotiv, rashladno sredstvo vrije u cijevima, dok se one ispiru ohlađenom tekućinom (voda, slane otopine, glikoli itd.). Stoga se proračun izmjenjivača topline s školjkom i cijevi svodi na minimiziranje dimenzija opreme. Igrajući se s promjerom školjke, promjerom i brojem unutarnjih cijevi te duljinom aparata, inženjer postiže izračunatu vrijednost površine izmjene topline.
Izmjenjivači topline zraka
Jedan od najčešćih izmjenjivača topline danas su cijevni izmjenjivači topline s rebrima. Nazivaju se i zmijama. Gdje se ne ugrađuju samo, počevši od ventilatorskih konvektora (od engleskog fan + coil, tj. "fan" + "coil") u unutarnje jedinice split sustava i završavajući s ogromnim rekuperatorima dimnih plinova (odvod topline iz vrućeg dimnog plina i prijenos za potrebe grijanja) u kotlovnicama na CHP. Zato proračun spiralnog izmjenjivača topline ovisi o primjeni u kojoj će ovaj izmjenjivač topline pustiti u rad. Industrijski hladnjaci zraka (HOP) ugrađeni u komore za brzo zamrzavanje mesa, niskotemperaturne zamrzivače i druga postrojenja za hlađenje hrane zahtijevaju određene značajke dizajna u svom dizajnu. Razmak između lamela (rebara) treba biti što veći kako bi se produžilo vrijeme neprekidnog rada između ciklusa odmrzavanja. Isparivači za podatkovne centre (centre za obradu podataka), naprotiv, izrađuju se što je moguće kompaktnije stezanjem međulamelarnogminimalna udaljenost. Takvi izmjenjivači topline rade u „čistim zonama“, okruženi finim filterima (do HEPA klase), stoga se takav izračun cijevnog izmjenjivača topline provodi s naglaskom na minimiziranju dimenzija.
Pločasti izmjenjivači topline
Trenutno su pločasti izmjenjivači topline u stabilnoj potražnji. Po svom dizajnu su potpuno sklopivi i poluzavareni, bakreni i nikl lemljeni, zavareni i lemljeni difuzno (bez lema). Toplinski proračun pločastog izmjenjivača topline je prilično fleksibilan i ne predstavlja posebnu poteškoću za inženjera. U procesu odabira možete se igrati s vrstom ploča, dubinom kanala kovanja, vrstom peraja, debljinom čelika, različitim materijalima i što je najvažnije, brojnim standardnim modelima uređaja različitih veličina. Takvi izmjenjivači topline su niski i široki (za zagrijavanje vode parom) ili visoki i uski (razdvojni izmjenjivači topline za klimatizacijske sustave). Često se koriste i za medije s promjenom faza, tj. kao kondenzatori, isparivači, odogrejači, predkondenzatori, itd. Toplinski proračun dvofaznog izmjenjivača topline je nešto kompliciraniji od izmjenjivača topline tekućina-tekućina, međutim, za iskusnog inženjera, ovaj zadatak je rješiv i ne predstavlja posebnu poteškoću. Kako bi olakšali takve izračune, moderni dizajneri koriste inženjerske računalne baze podataka, u kojima možete pronaći mnogo potrebnih informacija, uključujući dijagrame stanja bilo kojeg rashladnog sredstva u bilo kojem zamahu, na primjer, programCoolPack.
Primjer izračuna izmjenjivača topline
Glavna svrha proračuna je izračunati potrebnu površinu površine za izmjenu topline. Toplinska (rashladna) snaga je obično navedena u projektnom zadatku, međutim, u našem primjeru izračunat ćemo je, da tako kažem, kako bismo provjerili sam projektni zadatak. Ponekad se također dogodi da se greška može uvući u izvorne podatke. Jedan od zadataka nadležnog inženjera je pronaći i ispraviti ovu grešku. Kao primjer, izračunajmo pločasti izmjenjivač topline tipa "tekućina-tekućina". Neka ovo bude prekidač pritiska u visokoj zgradi. Kako bi se oprema rastovarila pritiskom, ovaj pristup se vrlo često koristi u izgradnji nebodera. S jedne strane izmjenjivača topline imamo vodu s ulaznom temperaturom Tin1=14 ᵒS i izlaznom temperaturom Tout1=9 ᵒS, a s protokom G1=14.500 kg / h, a s druge - također voda, ali samo sa sljedećim parametrima: Tin2=8 ᵒS, Tout2=12 ᵒS, G2=18 125 kg/h.
Izračunavamo potrebnu snagu (Q0) koristeći formulu toplinske ravnoteže (vidi gornju sliku, formula 7.1), gdje je Sr specifični toplinski kapacitet (tablična vrijednost). Radi jednostavnosti proračuna uzimamo smanjenu vrijednost toplinskog kapaciteta Srv=4,187 [kJ/kgᵒS]. Brojenje:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - na prvoj strani i
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - na drugoj strani.
Napominjemo da je, prema formuli (7.1), Q0=Q1=Q2, bez obzira nana kojoj strani je napravljen izračun.
Dalje, koristeći glavnu jednadžbu prijenosa topline (7.2), nalazimo potrebnu površinu (7.2.1), gdje je k koeficijent prijenosa topline (uzet jednak 6350 [W/m 2]), i ΔTav.log. - prosječna logaritamska temperaturna razlika, izračunata prema formuli (7.3):
ΔT prosječni zapisnik.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F tada=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Kada je koeficijent prijenosa topline nepoznat, izračun pločastog izmjenjivača topline je malo kompliciraniji. Prema formuli (7.4) izračunavamo Reynoldsov kriterij, gdje je ρ gustoća, [kg/m3], η je dinamička viskoznost, [Ns/m 2], v je brzina medija u kanalu, [m/s], d cm je navlaženi promjer kanala [m].
Prema tablici tražimo vrijednost Prandtlova kriterija [Pr] koja nam je potrebna i, koristeći formulu (7.5), dobivamo Nusseltov kriterij, gdje je n=0,4 - pod uvjetima zagrijavanja tekućine, i n=0,3 - u uvjetima tekućeg hlađenja.
Dalje, koristeći formulu (7.6), izračunavamo koeficijent prijenosa topline od svake rashladne tekućine do zida, a pomoću formule (7.7) izračunavamo koeficijent prijenosa topline koji zamjenjujemo u formulu (7.2.1) za izračunavanje površine površine za izmjenu topline.
U navedenim formulama, λ je koeficijent toplinske vodljivosti, ϭ je debljina stijenke kanala, α1 i α2 su koeficijenti prijenosa topline od svakog od nosača topline na zid.
