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. Lze jej stáhnout zdarma z webových stránek společnosti, nebo jejich technický odborník přijde do kanceláře a nainstaluje jej zdarma. Jak dobrý je výsledek takových výpočtů, je však možné důvěřovat tomu a nevázat producenta, který bojuje s konkurenty? Kontrola elektronické kalkulačky vyžaduje znalosti nebo alespoň pochopení metody výpočtu moderních výměníků tepla. Pokusme se pochopit detaily.

Co je výměník tepla

Před výpočtem výměníku tepla si to pamatujeme, ale jaký druh zařízení je to? Přístroj pro přenos tepla a hmoty (je to také výměník tepla, je to také výměník tepla, nebo TOA) je zařízení pro přenos tepla z jedné chladicí kapaliny do druhé. V procesu změny teploty nosičů tepla se mění také jejich hustota a v důsledku toho se mění i hmotnostní indexy látek. Proto se takové procesy nazývají teplo a výměna hmoty.

Typy přenosu tepla

Teď mluvme o tom typy přenosu tepla - tam jsou jen tři. Záření - přenos tepla způsobený radiací. Jako příklad si můžete vzpomenout, jak si užíváte sluneční lázně na pláži v teplém letním dni. Takové výměníky tepla lze dokonce nalézt na trhu (ohřívače vzduchu). Nejčastěji však pro vytápění obytných prostor, pokojů v bytě, koupíme olejové nebo elektrické radiátory. Toto je příklad jiného typu výměny tepla - konvekce. Konvekce je to přirozené, nucené (výfukové plyny a v krabici je rekuperátor) nebo s mechanickým impulsem (například s ventilátorem). Druhý typ je mnohem efektivnější.

Nicméně nejúčinnějším způsobem přenosu tepla je vedení tepla nebo, jak se také nazývá, vedení (z anglického vedení - "vodivost"). Každý inženýr, který hodlá provádět výpočet tepla výměníku tepla, si nejprve myslí, že vybere efektivní zařízení v minimálních rozměrech. A to lze dosáhnout právě díky 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 oběma médii ve spojení s vhodně vybranými materiály, profil desek a jejich tloušťka umožňuje minimalizovat velikost vybraného zařízení při zachování počátečních 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 TOA rekuperační probíhá výměna tepla přes stěnu, oddělující dvě tepelného působení, a přijít do styku s navzájem ve dvou regeneračních médií, často vyžadující následné míchání a oddělení na speciálních separátorů. Regenerační výměníky tepla jsou rozděleny do výměníků tepla a míchání s tryskou (stacionární dopadajícího nebo střední). Zjednodušeně řečeno, vědro horké vody, dejte do chladu nebo sklenici horkého čaje, dát chladí v lednici (nikdy nedělají!) - toto je příklad takového míchacího TOA. Licí čaj misku a chlazení tak, dostaneme příklad regeneračního výměníku tepla s tryskou (talíře, v tomto případě hraje roli trysky), který je jako první do styku s okolním vzduchem, a bere jeho teplotu, a pak vybere část tepla nalil do ní horkého čaje hledají obě média vedou k režimu tepelné rovnováhy. Nicméně, jak již bylo zjištěno, efektivnější využití tepelné vodivosti pro přenos tepla z jednoho média do druhého, tedy více užitečné z hlediska přenosu tepla (a široce používané) TOA dnes - samozřejmě rekuperačních.

Tepelný a konstruktivní výpočet

Jakýkoli výpočet rekuperačního výměníku tepla může být proveden na základě výsledků výpočtů tepelné, hydraulické a pevnostní. Jsou základní, povinné při navrhování nových zařízení a tvoří základ pro výpočet následných modelů řady stejného typu zařízení. Hlavním úkolem při výpočtu tepelného TOA je určit požadovanou tepelnou výměnu povrch pro stabilní provoz výměníku tepla a udržení požadované parametry na výstupu médií. Poměrně často se v těchto výpočtech inženýři jsou uvedeny libovolné hodnoty hmotnosti a velikosti charakteristik budoucího zařízení (materiál, trubky o průměru, desky, rozměry, geometrie paprsku, typu a materiálu ploutví a kol.), Ale po teplo se obvykle provádí konstruktivní výpočtu výměníku. Koneckonců, v případě, že první krok inženýr považováno za nutné povrch pro daný průměr potrubí, například, 60 mm, a délka tepelného výměníku tak otočil o šedesát metrů, je logické předpokládat přechodu vícestupňový tepelný výměník, nebo typu trubkový svazek, nebo zvětšit průměr trubek.

Hydraulický výpočet

Pro stanovení a optimalizaci hydraulických (aerodynamických) tlakových ztrát ve výměníku tepla a pro výpočet nákladů na jejich překonání jsou prováděny hydraulické nebo hydromechanické a také aerodynamické výpočty. Výpočet jakéhokoliv úseku, kanálu nebo potrubí pro průchod chladicí kapaliny nastavuje primární úkol pro osobu - zesílí 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 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 jsou výsledkem kombinace tepelného, ​​hydraulického a konstrukčního výpočtu TOA.

Výpočet ověření

Ověřovací výpočet výměníku tepla se provádí v případě, kdy je nutné umístit rezervu na kapacitu nebo na plochu teplosměnné plochy. Povrch rezervy z různých důvodů av různých situacích, pokud to vyžaduje mandátu, pokud se výrobce rozhodne, že další rozpětí být úplně jistý, že toto teplo bude uvolněna na režim, a minimalizovat chyby ve výpočtech. V některých případech je nutné zrušit výsledky strukturálních rozměrů, zatímco v jiných (výparníky, ekonomizéry) v výpočet výkonu Výměník tepla je speciálně vstřikován do povrchu, kontaminovaný kompresorovým olejem přítomným v chladicím okruhu. Ano, je třeba vzít v úvahu špatnou kvalitu vody. Po chvíli, hladký provoz výměníků tepla, zejména při vysokých teplotách se špína usazuje na povrchu teplosměnného zařízení, snížení koeficientu přenosu tepla, a nevyhnutelně vede ke snížení parazitní tepla vzletu. Tedy příslušný inženýr, výpočet výměníku tepla „voda-voda“, věnuje zvláštní pozornost k dodatečné rezervy teplosměnné plochy. Ověřovací výpočet se provádí také s cílem zjistit, jak bude zvolené zařízení fungovat v jiných sekundárních režimech. Například, v centrálních klimatizačních (přívodu vzduchu zařízením) ohřívače pro první a druhé zahřátí použitého v chladném období, a často zahrnují letní chlazení přívodu přívod studené vody do trubky výměníku tepla z. Jak budou fungovat a jaké parametry budou produkovat, umožní vám vyhodnotit výpočet ověření.

Výpočty výzkumu

Výpočty výzkumu TOA jsou založeny na výsledcích tepelných a ověřovacích výpočtů. Vyžadují se zpravidla provedení nejnovějších úprav konstrukce promítaného přístroje. Jsou také prováděny za účelem přizpůsobení všech rovnic, které jsou stanoveny v realizovatelném modelu TOA, získané empiricky (podle experimentálních dat). 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 se zjistí vliv různých podmínek a fyzikálních veličin na ukazatele účinnosti TOA.

Jiné výpočty

Při výpočtu plochy výměníku tepla nezapomeňte na odolnost materiálů. Výpočty pevnosti 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 napínavých provozních podmínkách.

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

Typy konstrukce výměníku tepla

Rekuperační TOA pro stavbu lze 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 ne-newtonské kapaliny, stejně jako mnoho dalších 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. Úloha konstruktéra je v tomto případě snížena na stanovení délky takového výměníku tepla na základě vypočtené plochy výměníku tepla a specifikovaných průměrů.

Je třeba dodat, že v termodynamice zavádí pojem ideálního výměníku tepla, který je nekonečné délky jednotky, kde se chladicí prostředky pracují v přepážce, a mezi plně spustil teplotní rozdíl. Návrh potrubí v potrubí je nejblíže těmto požadavkům. A pokud spustit s protiproudem teplosměnné tekutiny, bude se jednat o takzvaný „counter-real“ (na rozdíl od cross-jako v deskové TOA). Teplotní hlavice dosahuje maximální účinnosti s takovou organizací provozu. Nicméně, provedení „trubka v trubce“ výpočet výměníku tepla by měla být realistická, a ne zapomenout na součásti logistiky, stejně jako snadnou instalaci. Délka eurofury je 13,5 metru a ne všechny technické prostory jsou přizpůsobeny pro kluzné a montážní vybavení této délky.

Výměníky tepla a trubek

Proto velmi často výpočet takového zařízení hladce proudí do výpočtu výměníku tepla s pláštěm a trubkou. Toto zařízení, v němž je svazek trubek v jednom těle (skříň), promyt různými chladicemi, v závislosti na účelu zařízení. Například v kondenzátorech se chladicí kapalina zavádí do skříně a voda do trubek. Pomocí této metody pohybu je médium pohodlnější a efektivnější pro ovládání provozu zařízení. Ve výparníku, naopak, je chladivo má teplotu varu v trubkách a jsou promyty chlazené kapaliny (voda, solanka, glykoly, atd). Výpočet výměníku tepla skořepiny se proto snižuje na minimalizaci rozměrů zařízení. Hra s průměrem pouzdra, průměru a počtu a délky vnitřní trubky přístroje inženýr zadá vypočítanou hodnotu povrchové plochy pro výměnu tepla.

Vzduchotechnické výměníky

Jedním z nejběžnějších výměníků tepla dnes patří trubkové výměníky tepla. Jsou také nazývány cívky. Tam, kde jsou nejen upravit v rozmezí od fancoilů (z anglického. Fan + cívky, tj., „Ventilátor“ + „cívka“) ve vnitřních blocích rozděleny systémy na obří rekuperátoru spalin (výběr tepla z horkých spalin a přenosu pro vytápění) v kotlích v CHPP. Proto je výpočet tepelného výměníku cívky závislý na způsobu použití tohoto výměníku tepla. Průmyslové chladiče vzduchu (VOPy) nainstalované v komorách šoku zmrazené maso, mrazicí komory při nízkých teplotách a jiných objektů potravinářského chlazení, vyžadují určité strukturní rysy v jejich konstrukci. Vzdálenost mezi ploutvemi (ploutve) by měla být maximalizována, aby se prodloužila doba nepřetržitého provozu mezi cykly odtávání. Výparníky pro datová centra (datová centra), naopak, co nejkompaktnější, upnutí meziprostoru na minimum. Takovéto tepelné výměníky jsou v provozu v „čisté zóny“, který je obklopen jemný filtr (až HEPA stupeň), nicméně, tento výpočet je proveden z trubkového výměníku tepla s důrazem na minimalizaci celkových rozměrů.

Deskové tepelné výměníky

V současné době jsou deskové výměníky tepla ve stabilní poptávce. Podle své konstrukce jsou zcela skládací a polosvařované, měděné a poniklované, svařované a svařované difuzní metodou (bez pájky). Tepelný výpočet deskového výměníku tepla je dostatečně flexibilní a nepředstavuje pro konstruktéra zvláštní potíže. Proces výběru může hrát typu desek, hluboké kanály, které tvoří, fin typu, tloušťka oceli, různé materiály a, co je nejdůležitější - mnoho standardních velikostí modelů zařízení různých velikostí. Tyto výměníky tepla jsou nízké a široké (pro ohřev vodní páry) nebo vysoké a úzké (výměníky tepla pro klimatizační systémy). Často se používají, a médium se fázového přechodu, tedy jako kondenzátory, výparníky, parní chladiče, predkondensatorov a tak dále. D. provést tepelné konstrukci tepelného výměníku pracujícího při dvoufázovém vzorkem, o něco těžší, než je výměník tepla „kapalina-kapalina“, ale pro zkušený inženýr, tento problém je řešitelný a nepředstavuje zvláštní složitost. Pro usnadnění takových výpočtů používají moderní návrháři počítačové databanky, kde najdete mnoho potřebných informací, včetně diagramů jakéhokoli chladiva v jakémkoli skenování, například program CoolPack.

Příklad výpočtu výměníku tepla

Hlavním účelem výpočtu je vypočítat potřebnou plochu teplosměnné plochy. Tepelná (chladicí) síla je obvykle uvedena v technické specifikaci, ale v našem příkladu ji vypočítáme, např. Prohlédněte si technickou specifikaci. Někdy se to stane a původní data mohou způsobit chybu. Jednou z úkolů příslušného inženýra je najít a opravit tuto chybu. Jako příklad provedeme výpočet deskového výměníku tepla typu "kapalina-kapalina". Nechť je to vysokotlaká budova. Aby se uvolnilo tlakové zařízení, tento přístup se často používá při stavbě mrakodrapů. 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, Tvy2 = 12 ° C, G2 = 18,125 kg / h.

Požadovaný výkon (Q0) se vypočítá z vzorce tepelné bilance (viz obrázek výše, vzorec 7.1), kde Cp je specifické teplo (tabulková hodnota). Z důvodu jednoduchosti výpočtů si vezměme sníženou tepelnou kapacitu Cpv = 4,187 [kJ / kg * ᵒC]. Zvažujeme:

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

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4.187 = 303557.5 [kJ / h] = 84321.53 W = 84.3 kW - na druhé straně.

Všimněte si, že podle vzorce (7.1), Q0 = Q1 = Q2, bez ohledu na kterou stranu výpočtu.

Dále podle základní rovnice přenosu tepla (7.2) nalezneme požadovanou plochu (7.2.1), kde k je součinitel přestupu tepla (předpokládáme 6350 [W / m²]) a Delta-T.p. - průměrná logaritmická teplotní hlava čtená podle vzorce (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.

V případě, že koeficient přenosu tepla není znám, je výpočet deskového výměníku tepla o něco komplikovanější. Podle vzorce (7.4) předpokládáme Reynoldsovo kritérium, kde rho- je hustota, [kg / m³], eta- je dynamická viskozita, [H * s / m²], v je rychlost média v kanálu, [m / s], d cm je průměr zvlhčeného kanálu [m].

Z tabulky nalezneme potřebnou hodnotu kritéria Prandtl [Pr] a podle vzorce (7.5) získáme kritérium Nusselt, kde n = 0,4 - za podmínek ohřevu kapaliny a n = 0,3 - za podmínek chlazení.

Dále podle vzorce (7.6) se vypočítá součinitel přestupu tepla z každé chladicí kapaliny na stěnu a podle vzorce (7.7) považujeme koeficient přenosu tepla, který nahradíme do vzorce (7.2.1) pro výpočet plochy výměníku tepla.

V těchto vzorcích lambda je koeficient tepelné vodivosti, ϭ je tloušťka stěny kanálu, alfa-1 a alfa-2 - koeficienty přenosu tepla z každého chladiva na stěnu.