Lämmönvaihtimen laskenta kestää tällä hetkellä enintään viisi minuuttia. Jokainen organisaatio, joka valmistaa ja myy tällaisia laitteita, tarjoaa pääsääntöisesti jokaiselle oman valintaohjelman. Sen voi ladata ilmaiseksi yrityksen verkkosivuilta tai heidän teknikkonsa tulee toimistollesi ja asentaa sen ilmaiseksi. Kuinka oikea on tällaisten laskelmien tulos, voiko siihen luottaa ja eikö valmistaja ole ovela kilpailijoidensa kanssa tarjouskilpailussa? Elektronisen laskimen tarkistaminen edellyttää nykyaikaisten lämmönvaihtimien laskentamenetelmien tuntemusta tai ainakin ymmärtämistä. Yritetään ymmärtää yksityiskohdat.
Mikä on lämmönvaihdin
Ennen kuin suoritat lämmönvaihtimen laskennan, muistetaan, millainen laite tämä on? Lämmön- ja massansiirtolaite (alias lämmönvaihdin, alias lämmönvaihdin tai TOA) onlaite lämmön siirtämiseksi jäähdytysnesteestä toiseen. Lämmönsiirtoaineiden lämpötilojen muuttamisessa myös niiden tiheydet ja vastaavasti aineiden massaindikaattorit muuttuvat. Siksi tällaisia prosesseja kutsutaan lämmön- ja massasiirroksi.
Lämmönsiirtotyypit
Puhutaan nyt lämmönsiirtotyypeistä - niitä on vain kolme. Säteilevä - säteilyn aiheuttama lämmönsiirto. Harkitse esimerkiksi auringonottoa rannalla lämpimänä kesäpäivänä. Ja tällaisia lämmönvaihtimia löytyy jopa markkinoilta (putkiilmanlämmittimet). Useimmiten asuntojen, asunnon huoneiden lämmitykseen ostamme kuitenkin öljy- tai sähköpatterit. Tämä on esimerkki toisesta lämmönsiirrosta - konvektiosta. Konvektio voi olla luonnollista, pakotettua (huuva, ja laatikossa on lämmönvaihdin) tai mekaanisesti ohjattua (esim. tuulettimella). Jälkimmäinen tyyppi on paljon tehokkaampi.
Tehokkain tapa siirtää lämpöä on kuitenkin johtuminen tai, kuten sitä myös kutsutaan, johtuminen (englanniksi konduktio - "johtaminen"). Jokainen insinööri, joka aikoo suorittaa lämmönvaihtimen lämpölaskelman, ajattelee ensinnäkin kuinka valita tehokkaat laitteet vähimmäismitoilla. Ja tämä on mahdollista saavuttaa juuri lämmönjohtavuuden ansiosta. Esimerkki tästä on tämän hetken tehokkain TOA - levylämmönvaihtimet. Levylämmönvaihdin on määritelmän mukaan lämmönvaihdin, joka siirtää lämpöä jäähdytysnesteestä toiseen niitä erottavan seinän kautta. Maksimikahden väliaineen mahdollinen kosketuspinta-ala yhdessä oikein valittujen materiaalien, levyprofiilin ja paksuuden kanssa mahdollistaa valitun laitteiston koon minimoimisen samalla, kun säilytetään teknisessä prosessissa vaaditut alkuperäiset tekniset ominaisuudet.
Lämmönvaihtimien tyypit
Ennen lämmönvaihtimen laskemista se määritetään sen tyypillä. Kaikki TOA:t voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään: rekuperatiiviset ja regeneratiiviset lämmönvaihtimet. Suurin ero niiden välillä on seuraava: regeneratiivisissa TOA:issa lämmönvaihto tapahtuu seinän kautta, joka erottaa kaksi jäähdytysainetta, kun taas regeneratiivisissa kahdella väliaineella on suora kosketus toisiinsa, usein sekoittuvat ja vaativat myöhempää erottamista erityisissä erottimissa. Regeneratiiviset lämmönvaihtimet jaetaan sekoitus- ja lämmönvaihtimiin, joissa on tiiviste (kiinteä, putoava tai väli). Karkeasti sanottuna ämpäri kuumaa vettä, joka on alttiina pakkaselle, tai lasillinen kuumaa teetä, asetettu jäähtymään jääkaappiin (älä koskaan tee tätä!) - tämä on esimerkki tällaisesta TOA-sekoituksesta. Ja kaatamalla teetä lautaseen ja jäähdyttämällä sitä tällä tavalla, saamme esimerkin regeneratiivisesta lämmönvaihtimesta, jossa on suutin (tässä esimerkissä lautanen on suuttimen rooli), joka ensin koskettaa ympäröivää ilmaa ja ottaa sen lämpötilan, ja sitten ottaa pois osan lämmöstä siihen kaadetusta kuumasta teestä, pyrkien saattamaan molemmat väliaineet lämpötasapainoon. Kuitenkin, kuten olemme jo aiemmin havainneet, on tehokkaampaa käyttää lämmönjohtavuutta lämmön siirtämiseen väliaineesta toiseen, jotenNykyään hyödyllisemmät (ja laaj alti käytetyt) lämmönsiirtoon liittyvät TOA:t ovat tietysti regeneratiivisia.
Lämpö- ja rakennesuunnittelu
Kaikki palautuvan lämmönvaihtimen laskelmat voidaan tehdä lämpö-, hydrauli- ja lujuuslaskelmien tulosten perusteella. Ne ovat perustavanlaatuisia, pakollisia uusien laitteiden suunnittelussa ja muodostavat perustan menetelmälle, jolla lasketaan samank altaisten laitteiden sarjan myöhempiä malleja. TOA:n lämpölaskennan päätehtävänä on määrittää tarvittava lämmönvaihtopinnan pinta-ala lämmönvaihtimen vakaalle toiminnalle ja väliaineen vaadittujen parametrien ylläpitämiseksi ulostulossa. Melko usein tällaisissa laskelmissa insinööreille annetaan mieliv altaiset arvot tulevan laitteiston paino- ja kokoominaisuuksista (materiaali, putken halkaisija, levyn mitat, nippujen geometria, evien tyyppi ja materiaali jne.), joten sen jälkeen, kun lämpölaskelma, he suorittavat yleensä lämmönvaihtimen rakentavan laskelman. Loppujen lopuksi, jos insinööri laski ensimmäisessä vaiheessa tarvittavan pinta-alan tietylle putken halkaisijalle, esimerkiksi 60 mm, ja lämmönvaihtimen pituus osoittautui noin kuusikymmentä metriä, niin olisi loogisempaa olettaa siirtymä monivaiheiseen lämmönvaihtimeen tai vaippa-putkityyppiseen tai putkien halkaisijan lisäämiseen.
Hydraulilaskenta
Hydraulisia tai hydromekaanisia sekä aerodynaamisia laskelmia tehdään hydrauliikan määrittämiseksi ja optimoimiseksi(aerodynaamiset) painehäviöt lämmönvaihtimessa sekä laskea energiakustannukset niiden voittamiseksi. Minkä tahansa reitin, kanavan tai putken laskeminen jäähdytysnesteen kulkua varten on henkilölle ensisijainen tehtävä - tehostaa lämmönsiirtoprosessia tällä alueella. Toisin sanoen yhden väliaineen on siirrettävä, ja toinen vastaanottaa mahdollisimman paljon lämpöä virtauksensa vähimmäisjaksossa. Tätä varten käytetään usein lisälämmönvaihtopintaa kehitetyn pintaribityksen muodossa (erottelemaan rajalaminaarista alikerrosta ja tehostamaan virtauksen turbulenssia). Hydraulisten häviöiden, lämmönvaihdon pinta-alan, paino- ja kokoominaisuuksien sekä poistetun lämpötehon optimaalinen tasapainosuhde on tulosta lämpö-, hydrauli- ja rakenteellisten laskelmien yhdistelmästä TOA.
Tarkista laskelma
Lämmönvaihtimen tarkistuslaskenta suoritetaan siinä tapauksessa, että on tarpeen asettaa marginaali tehon tai lämmönvaihtopinnan pinta-alan suhteen. Pinta on varattu eri syistä ja eri tilanteissa: jos toimeksianto niin vaatii, jos valmistaja päättää tehdä lisämarginaalin varmistaakseen, että tällainen lämmönvaihdin saavuttaa järjestelmän ja minimoi asennuksessa tehdyt virheet. laskelmat. Joissakin tapauksissa tarvitaan redundanssia rakentavien mittojen tulosten pyöristämiseen, kun taas toisissa (höyrystimet, ekonomaisaattorit) lämmönvaihtimen tehon laskemiseen lisätään pintamarginaali erityisesti jäähdytyspiirissä olevan kompressoriöljyn aiheuttaman saastumisen var alta.. Ja huono veden laatuon otettava huomioon. Jonkin ajan lämmönvaihtimien keskeytymättömän toiminnan jälkeen, varsinkin korkeissa lämpötiloissa, kalkki laskeutuu laitteen lämmönvaihtopinnalle, mikä pienentää lämmönsiirtokerrointa ja johtaa väistämättä lämmönpoiston loisten vähenemiseen. Siksi pätevä insinööri kiinnittää vesi-vesi-lämmönvaihdinta laskeessaan erityistä huomiota lämmönvaihtopinnan lisäredundanssiin. Varmistuslaskenta suoritetaan myös, jotta nähdään, kuinka valitut laitteet toimivat muissa, toissijaisissa tiloissa. Esimerkiksi keskusilmastointilaitteissa (syöttöyksiköissä) ensimmäistä ja toista lämmityslämmitintä, joita käytetään kylmänä vuodenaikana, käytetään usein kesällä jäähdyttämään tulevaa ilmaa ja toimittamaan kylmää vettä ilman lämmönvaihdinputkiin. Kuinka ne toimivat ja mitkä parametrit antavat, voit arvioida varmennuslaskelman.
Tutkivat laskelmat
TOA:n tutkimuslaskelmat suoritetaan saatujen lämpö- ja verifiointilaskennan tulosten perusteella. Ne ovat yleensä välttämättömiä viimeisten muutosten tekemiseksi suunnitellun laitteen suunnitteluun. Niitä tehdään myös TOA:n toteutettuun laskentamalliin empiirisesti saatujen yhtälöiden korjaamiseksi (kokeellisten tietojen mukaan). Tutkimuslaskelmien suorittamiseen liittyy kymmeniä ja joskus satoja laskelmia erityissuunnitelman mukaisesti, joka on laadittu ja toteutettu tuotannossa.suunnittelukokeiden matemaattinen teoria. Tulosten perusteella paljastuu eri olosuhteiden ja fyysisten suureiden vaikutus TOA-tehokkuusindikaattoreihin.
Muut laskelmat
Lämmönvaihtimen pinta-alaa laskettaessa älä unohda materiaalien kestävyyttä. TOA:n lujuuslaskelmiin kuuluu suunnitellun yksikön jännitystarkistus, vääntö, tulevan lämmönvaihtimen osien ja kokoonpanojen suurimmat sallitut työmomentit. Vähimmäismitoilla tuotteen on oltava vahva, vakaa ja taattava turvallinen käyttö erilaisissa, vaativimmissakin käyttöolosuhteissa.
Dynaaminen laskenta suoritetaan lämmönvaihtimen eri ominaisuuksien määrittämiseksi vaihtelevissa toimintatiloissa.
Lämmönvaihtimen mallityypit
Toipuva TOA voidaan jakaa melko moneen ryhmään. Tunnetuimpia ja laajimmin käytettyjä ovat levylämmönvaihtimet, ilma (putkirivat), vaippa-putki-, putki-putki-lämmönvaihtimet, kuori- ja levylämmönvaihtimet ja muut. On myös eksoottisempia ja pitkälle erikoistuneita tyyppejä, kuten spiraali (kierukkalämmönvaihdin) tai kaavittu tyyppi, jotka toimivat viskoosien tai ei-newtonilaisten nesteiden kanssa, sekä monien muiden tyyppien kanssa.
Putki putkessa -lämmönvaihtimet
Tarkastellaan yksinkertaisinta "putki putkessa" -lämmönvaihtimen laskentaa. Rakenteellisesti tämän tyyppinen TOA on mahdollisimman yksinkertaistettu. Yleensä ne päästävät laitteen sisäputkeenkuuma jäähdytysneste häviöiden minimoimiseksi, ja jäähdytysneste johdetaan koteloon tai ulkoputkeen. Insinöörin tehtävä tässä tapauksessa rajoittuu tällaisen lämmönvaihtimen pituuden määrittämiseen lämmönvaihtopinnan lasketun pinta-alan ja annettujen halkaisijoiden perusteella.
Tähän on syytä lisätä, että termodynamiikassa otetaan käyttöön ideaalilämmönvaihtimen käsite, eli äärettömän pituinen laite, jossa lämmönsiirtoaineet toimivat vastavirrassa ja lämpötilaero on täysin selvitetty niiden välillä. Putki putkessa -rakenne on lähinnä näiden vaatimusten täyttämistä. Ja jos käytät jäähdytysnesteitä vastavirralla, se on niin kutsuttu "todellinen vastavirta" (eikä risti, kuten levyn TOA:issa). Lämpöpää on tehokkaimmin kehitetty tällaisella liikejärjestelyllä. Laskettaessa "putki putkessa" -lämmönvaihdinta on kuitenkin oltava realistinen ja unohtamatta logistiikkakomponenttia sekä asennuksen helppoutta. Eurotruckin pituus on 13,5 metriä, eivätkä kaikki tekniset tilat ole mukautettu tämän pituisten laitteiden luistoon ja asennukseen.
Kuori- ja putkilämmönvaihtimet
Siksi tällaisen laitteen laskenta menee hyvin usein sujuvasti vaippa-putkilämmönvaihtimen laskentaan. Tämä on laite, jossa putkinippu sijaitsee yhdessä kotelossa (kotelossa) ja pestään erilaisilla jäähdytysnesteillä laitteen käyttötarkoituksesta riippuen. Esimerkiksi lauhduttimissa kylmäaine johdetaan vaippaan ja vesi johdetaan putkiin. Tällä median liikkumismenetelmällä sitä on kätevämpi ja tehokkaampi hallitalaitteen toimintaa. Höyrystimissä päinvastoin kylmäaine kiehuu putkissa, kun taas jäähdytetty neste (vesi, suolaliuokset, glykolit jne.) pesee ne. Siksi vaippa-putkilämmönvaihtimen laskenta vähennetään laitteiston mittojen minimoimiseksi. Leikkien vaipan halkaisijalla, sisäputkien halkaisijalla ja lukumäärällä sekä laitteen pituudella, insinööri saavuttaa lasketun lämmönvaihtopinta-alan arvon.
Ilmalämmönvaihtimet
Yksi yleisimmistä lämmönvaihtimista nykyään on putkimaiset lamellilämmönvaihtimet. Niitä kutsutaan myös käärmeiksi. Siellä missä niitä ei ole vain asennettu, alkaen fan coil-yksiköistä (englannin kielestä fan + coil, eli "fan" + "coil") split-järjestelmien sisäyksiköissä ja päätyen jättimäisiin savukaasujen t alteenottoihin (lämmönpoisto kuumasta savukaasusta ja siirto lämmitystarpeisiin) CHP:n kattilalaitoksissa. Siksi patterin lämmönvaihtimen laskenta riippuu sovelluksesta, jossa tämä lämmönvaihdin otetaan käyttöön. Lihan pikapakastuskammioihin, matalan lämpötilan pakastimiin ja muihin elintarvikkeiden jäähdytystiloihin asennettavat teollisuusilmanjäähdyttimet (HOP) edellyttävät suunnittelussaan tiettyjä suunnitteluominaisuuksia. Lamellien (rivien) välisen etäisyyden tulee olla mahdollisimman suuri, jotta sulatusjaksojen välinen jatkuva toiminta pidentää. Päinvastoin konesalien höyrystimet (tietojenkäsittelykeskukset) tehdään mahdollisimman kompaktiksi kiinnittämällä välilamelliminimietäisyys. Tällaiset lämmönvaihtimet toimivat "puhtailla vyöhykkeillä", joita ympäröivät hienot suodattimet (HEPA-luokkaan asti), joten tällainen putkimaisen lämmönvaihtimen laskenta suoritetaan painottaen mittojen minimoimista.
Levylämmönvaihtimet
Tällä hetkellä levylämmönvaihtimien kysyntä on vakaata. Suunnittelunsa mukaan ne ovat täysin kokoontaitettavia ja puolihitsattuja, kupari- ja nikkeli- juotettuja, hitsattuja ja diffuusiolla juotettuja (ilman juotetta). Levylämmönvaihtimen lämpölaskenta on melko joustavaa, eikä se aiheuta insinöörille erityisiä vaikeuksia. Valintaprosessissa voit leikkiä levytyypeillä, taontakanavien syvyydellä, evien tyypillä, teräksen paksuudella, eri materiaaleilla ja mikä tärkeintä, lukuisilla erikokoisilla laitemalleilla. Tällaiset lämmönvaihtimet ovat matalia ja leveitä (veden höyrylämmitykseen) tai korkeita ja kapeita (ilmastointijärjestelmien erottavat lämmönvaihtimet). Niitä käytetään usein myös faasinvaihtoväliaineina, eli lauhduttimina, haihduttimina, jäähdyttiminä, esilauhduttimina jne. Kaksivaiheisen lämmönvaihtimen lämpölaskenta on kuitenkin hieman monimutkaisempaa kuin neste-neste-lämmönvaihtimen, mutta kokeneelle insinöörille, tämä tehtävä on ratkaistavissa eikä aiheuta erityisiä vaikeuksia. Tällaisten laskelmien helpottamiseksi nykyaikaiset suunnittelijat käyttävät teknisiä tietokonetietokantoja, joista löydät paljon tarpeellista tietoa, mukaan lukien tilakaaviot minkä tahansa pyyhkäisyn kylmäaineesta, esimerkiksi ohjelmasta. CoolPack.
Esimerkki lämmönvaihtimen laskennasta
Laskennan päätarkoitus on laskea tarvittava lämmönvaihtopinnan pinta-ala. Terminen (jäähdytys) teho on yleensä määritelty toimeksiannoissa, mutta esimerkissämme laskemme sen niin sanotusti tarkistaaksemme itse tehtävän. Joskus käy myös niin, että lähdetietoihin voi hiipiä virhe. Yksi pätevän insinöörin tehtävistä on löytää ja korjata tämä virhe. Esimerkkinä lasketaan "neste-neste" -tyyppinen levylämmönvaihdin. Olkoon tämä painekatkaisin korkeassa rakennuksessa. Laitteiden purkamiseksi paineella tätä lähestymistapaa käytetään hyvin usein pilvenpiirtäjien rakentamisessa. Lämmönvaihtimen toisella puolella on vettä, jonka tulolämpötila on Tin1=14 ᵒС ja ulostulolämpötila Тout1=9 ᵒС ja virtausnopeus G1=14 500 kg / h, ja toisella - myös vettä, mutta vain seuraavilla parametreilla: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Laskemme tarvittavan tehon (Q0) lämpötasekaavalla (katso yllä oleva kuva, kaava 7.1), jossa Ср on ominaislämpökapasiteetti (taulukon arvo). Laskelmien yksinkertaistamiseksi otamme lämpökapasiteetin pienennetyn arvon Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Laskenta:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - ensimmäisellä puolella ja
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - toisella puolella.
Huomaa, että kaavan (7.1) mukaan Q0=Q1=Q2, riippumattakummalle puolelle laskelma tehtiin.
Lisäksi päälämmönsiirtoyhtälön (7.2) avulla löydämme tarvittavan pinta-alan (7.2.1), jossa k on lämmönsiirtokerroin (otettu 6350 [W/m 2]), ja ΔТav.log. - keskimääräinen logaritminen lämpötilaero, laskettuna kaavan (7.3) mukaan:
ΔT keskimääräinen loki.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F sitten=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Kun lämmönsiirtokerrointa ei tunneta, levylämmönvaihtimen laskenta on hieman monimutkaisempaa. Kaavan (7.4) mukaan lasketaan Reynoldsin kriteeri, jossa ρ on tiheys, [kg/m3], η on dynaaminen viskositeetti, [Ns/m 2], v on väliaineen nopeus kanavassa, [m/s], d cm on kanavan kostutettu halkaisija [m].
Taulukon mukaan etsimme tarvitsemamme Prandtl-kriteerin [Pr] arvon ja kaavan (7.5) avulla saadaan Nusselt-kriteeri, jossa n=0,4 - nesteen kuumennusolosuhteissa ja n=0,3 - nestejäähdytysolosuhteissa
Seuraavaksi lasketaan kaavalla (7.6) lämmönsiirtokerroin jokaisesta jäähdytysnesteestä seinään ja kaavalla (7.7) lasketaan lämmönsiirtokerroin, joka korvataan kaavalla (7.2.1) laskea lämmönvaihtopinnan pinta-ala.
Annetuissa kaavoissa λ on lämmönjohtavuuskerroin, ϭ on kanavan seinämän paksuus, α1 ja α2 ovat lämmönsiirtokertoimet kustakin lämmönsiirrosta seinään.
