Výpočet tepelného výmenníka: príklad. Výpočet plochy, výkon tepelného výmenníka

Výpočet výmenníka teraz trvá menej ako päť minút. Každá organizácia, ktorá vyrába a predáva tieto zariadenia obvykle dáva každému vlastný náborový program. Je ho bezplatne stiahnuť z webových stránok spoločnosti alebo ich technik príde do vašej kancelárie a nainštalovať si ho zdarma. Avšak ako výsledok týchto výpočtov je správne, môžeme mu veriť, a nie byť šikovný, ak výrobca súbojmi v súťaži so svojimi konkurentmi? Kontrola elektronickú kalkulačku vyžaduje znalosti alebo aspoň pochopenie moderných metód výpočtu tepelných výmenníkov. Skúsme vyriešiť detaily.

Aký je tepelný výmenník

Pred vykonaním výpočtu výmenníka, majme na pamäti, a aký druh takéhoto zariadenia? Teplomassoobmennyh zariadenie (tiež známy ako výmenník tepla, tiež známy ako aparátu tepelného výmenníka alebo TOA) - zariadenie na prenos tepla z jedného chladiaceho média do druhého. V tomto procese sa zmení teplota chladiacej kvapaliny tiež meniť ich hustotu a teda hmotnosť indexy látky. To je dôvod, prečo sú tieto procesy označované ako prenosu tepla a hmoty.

druhy prenosu tepla

Teraz sa poďme hovoriť o typy prenosu tepla - tam sú len tri. Žiarenie - prenos tepla sálaním. Ako príklad môžeme spomenúť na opaľovanie na pláži na teplý letný deň. A aj tieto tepelné výmenníky možno nájsť v trhu (ohrievače rúrka ovzdušie) sa. Avšak, najčastejšie na vykurovanie domácností, izby v byte kupujeme ropu alebo elektrické kúrenie. Toto je príklad iného typu prenosu tepla - konvekcia. Prúdenie je prírodný, nedobrovoľné (extrakt, a v poli by tepla), alebo s mechanickým pohonom (s ventilátorom, napríklad). Druhý typ je oveľa účinnejšia.

Avšak, najviac efektívny spôsob prenosu tepla - je tepelná vodivosť, alebo, ako to je volané, vedenie (vedenie angličtiny -. "Vodivosť"). Akýkoľvek inžinier, ktorý sa chystá usporiadať tepelné konštrukcii výmenníka tepla, v prvom rade premýšľať o tom, ako vybrať efektívne zariadenia v malom priestore. A to podarí dosiahnuť, je vedením. Príkladom toho je najúčinnejší aktuálna TOA - doskové výmenníky tepla. Doska TOA podľa definície - tepelný výmenník, ktorý prevádza teplo z chladiacej kvapaliny do druhého cez stenu oddeľovať. Maximálny možný kontaktná plocha medzi oboma médiami spolu so skutočnými vybraných materiálov, a ich profilových dosiek hrúbky rozmery pre minimalizáciu hardvér pri zachovaní pôvodnej technické vlastnosti požadované v tomto procese.

typy tepelných výmenníkov

Pred vykonaním výpočtu výmenníka tepla sú určované jeho typu. Všetky TOA možno rozdeliť do dvoch hlavných skupín: rekuperačných a regeneračných výmenníkov tepla. Hlavný rozdiel medzi nimi je nasledujúci: v TOA rekuperačný prebieha výmena tepla cez stenu, oddeľujúcu dve tepelného pôsobenia, a prísť do styku s navzájom dve regeneračných médií, často vyžadujúce následné miešanie a oddelenie na špeciálnych separátorov. Regeneračné výmenníky tepla sú rozdelené do výmenníkov tepla a miešanie s tryskou (stacionárne dopadajúceho alebo stredný). Zjednodušene povedané, vedro horúcej vody, dajte do chladu alebo pohár horúceho čaju, dať chladí v chladničke (nikdy nerobia!) - toto je príklad takéhoto miešacieho TOA. Liace čaj misku a chladenie tak, dostaneme príklad regeneračného výmenníka tepla s tryskou (taniere, v tomto prípade hrá úlohu trysky), ktorý je ako prvý do styku s okolitým vzduchom, a berie jeho teplotu, a potom vyberie časť tepla nalial do nej horúceho čaju hľadajú obe médiá vedú k režimu tepelnej rovnováhy. Avšak, ako už bolo zistené, efektívnejšie využitie tepelnej vodivosti pre prenos tepla z jedného média do druhého, teda viac užitočné z hľadiska prenosu tepla (a široko používané) TOA dnes - samozrejme rekuperačných.

Tepelné a statické výpočty

Každý výpočet regeneračného výmenníka tepla môže byť vykonané na základe výsledkov tepelných, hydraulických a pevnostné výpočty. Sú to základné, nevyhnutné pre navrhovanie nových zariadení a techniky sú základom pre výpočet následných modelov rovnakého typu zariadenia linky. Hlavnou úlohou pri výpočte tepelného TOA je určiť požadovanú tepelnú výmenu povrch pre stabilnú prevádzku výmenníka tepla a udržanie požadované parametre na výstupe médií. Pomerne často sa v týchto výpočtoch inžinieri sú uvedené ľubovoľné hodnoty hmotnosti a veľkosti charakteristík budúceho zariadenia (materiál, rúrky s priemerom, dosky, rozmery, geometria lúča, typu a materiálu plutiev a kol.), Ale po teplo sa zvyčajne vykonáva konštruktívnu výpočtu výmenníka. Koniec koncov, v prípade, že prvý krok inžinier považovalo za potrebné povrch pre daný priemer potrubia, napríklad, 60 mm, a dĺžka tepelného výmenníka tak otočil o šesťdesiat metrov, je logické predpokladať prechodu viacstupňový tepelný výmenník, alebo typu trubkový zväzok, alebo zväčšiť priemer rúrok.

hydraulický výpočet

Hydraulické alebo hydro-mechanické a aerodynamické výpočty vykonané pre identifikáciu a optimalizáciu hydraulické (aerodynamický) tlakovú stratu v tepelnom výmenníku, a pre výpočet spotreby energie pre ich prekonanie. Výpočet akejkoľvek cesty, kanála alebo potrubia vykurovacieho média priechodu konfrontuje ľudskej primárnej úlohu - zintenzívnenie procesu výmeny tepla na mieste. To znamená, že jedno médium musí prejsť, a druhá je získať čo najviac tepla pri minimálnom intervale jeho priebehu. To často používajú ďalšie vykurovacej plochy v podobe rebier povrchov vyvinutých (pre separáciu hraničné laminárne podvrstvy a zvýšenie prietoku turbulencie). vzťah optimálnej rovnováhy v hydraulických strát, hlavičiek vykurovacej plochy, hmotnosti a veľkosti charakteristiky, a vytiahnuté tepelnom výkone je výsledkom celkovej tepelnej, hydraulických a konštruktívne výpočtu TOA.

kontrola výpočtu

Overenie výmenníka tepla sa vykonáva v prípade, že je nutné vytvoriť zásobu energie na akejkoľvek povrchovej plochy na výmenu tepla. Povrch rezervy z rôznych dôvodov av rôznych situáciách, ak to vyžaduje mandátu, ak sa výrobca rozhodne, že ďalšie rozpätie byť úplne istý, že toto teplo bude uvoľnená na režim, a minimalizovať chyby vo výpočtoch. V niektorých prípadoch sú rezervácia nutná pre zaoblenie konštrukčné rozmery výsledkov v iných (výparníky, ekonomizéry) vo výpočte kapacity výmenníku tepla je špeciálne zavedená povrch okrajov na znečistenie kompresora oleja prítomného v chladiacom okruhu. Áno, a zlá kvalita vody je potrebné brať do úvahy. Po chvíli, hladkú prevádzku výmenníkov tepla, najmä pri vysokých teplotách sa špina usadzuje na povrchu teplosměnného zariadení, zníženie koeficientu prenosu tepla, a nevyhnutne vedie k zníženiu parazitné tepla vzletu. Teda príslušný inžinier, výpočet výmenníka tepla "voda-voda", venuje osobitnú pozornosť k dodatočnej rezervy teplovýmennej plochy. Kontrolných výpočtov a stráviť, aby bolo vidieť, ako sa zariadenie vybraný bude fungovať na iné, sekundárne režimy. Napríklad v centrálnych klimatizačných (prívodu vzduchu zariadením) ohrievače pre prvé a druhé zahriatie použitého v chladnom období, a často zahŕňajú letné chladenie prívodu prívod studenej vody do rúrky výmenníka tepla z. Ako budú fungovať a čo sa dá parametre pre vyhodnotenie výpočtu rozpätia.

výskumné odhady

Výpočty výskum TOA vykonáva na základe výsledkov tepelného výpočtu a overenia. Sú nevyhnutné, spravidla vykonať posledné zmeny v štruktúre navrhovaného zariadení. Sú tiež vykonané na nápravu akýchkoľvek rovnice sú uložené v modeli výpočtu realizovaného TOA získané empiricky (u experimentálnych dát). Vykonávam výskum zahŕňa výpočet desiatky a niekedy aj stovky výpočtov podľa osobitného plánu, ktorý bol vyvinutý a realizovaný vo výrobe podľa matematickej teórie navrhovania experimentov. Podľa výsledkov ukazujú vplyv rôznych podmienok a fyzikálnych veličín na ukazovateľoch výkonnosti TOA.

ďalšie výpočty

Výpočet plochy výmenníka tepla, nezabudnite o odolnosti materiálov. Pevnostné výpočty TOA zahŕňať kontrolu predpokladané jednotku pre napätie, torznú väzbu k maximálnej povolenej pracovnej momenty detaily a uzly budúcnosti výmenníka tepla. S minimálnou rozmery výrobku by mala byť silná, stabilná a bezpečnú prevádzku v rôznych, aj tie namáhavé podmienky.

Dynamický výpočet je vykonaný na určenie rôznych charakteristík tepelného výmenníka o režimoch činnosti s premenlivým.

Druhy konštrukcia tepelného výmenníka

Rekuperačná TOA v dizajne môže byť rozdelená do dostatočne veľkého počtu skupín. Najznámejší a široko používané - doskový výmenník tepla, vzduchu (Rebrová rúrka), Shell a výmenníky tepla "rúrka v rúrke", shell-and-doska, a ďalšie. Existuje viac vysoko špecializované a exotické druhy, napríklad špirála (slimák-výmenník) alebo škrabka, ktoré pracujú s viskózna alebo Newtonove kvapalín, a mnoho iných typov.

Výmenník tepla "rúrka v rúrke"

Zoberme si najjednoduchšie výpočet tepelného výmenníka "rúrky v rúrke". Štrukturálne je tento typ TOA je maximálne zjednodušená. Počas spúšťania trubkovou prístroj vnútorné, zvyčajne horúce teplonosné médium minimalizovať straty, a do skrine alebo do vonkajšej rúrky, chladiace chladiace beh. Engineer úloha v tomto prípade sa redukuje na určenie dĺžky výmenníku tepla na základe vypočítanej výmena tepla povrchu a vopred určených priemerov.

Treba dodať, že v termodynamike zavádza pojem ideálneho výmenníka tepla, ktorý je nekonečné dĺžky jednotky, kde sa chladiace prostriedky pracujú v prepážke, a medzi plne spustil teplotný rozdiel. Konštrukcia "rúrka v rúrke" najbližšej tieto požiadavky spĺňa. A ak spustiť s protiprúdom teplovýmennej tekutiny, bude sa jednať o takzvaný "counter-real" (na rozdiel od cross-ako v doskové TOA). tlak Teplota najefektívnejšie spustená pri organizovaní prevádzky. Avšak, prevedenie "rúrka v rúrke" výpočet výmenníka tepla by mala byť realistická, a nie zabudnúť na súčasti logistiky, rovnako ako jednoduchú inštaláciu. Dĺžka evrofury - 13,5 m, a nie všetky technické zázemie upravené do šmyku a montáž zariadení takú dĺžku.

Shell a rúrkových výmenníkov tepla

Preto je súčasťou výpočtu takéhoto zariadenia plynule prúdi do výpočtu rúrkového výmenníka tepla. Toto zariadenie, pričom rúrkový zväzok je v jednom prípade (skrine), premyje rôznymi chladív, v závislosti na cieľovom zariadení. V kondenzátoroch, napríklad beh v plášti chladiva, a voda - v tube. S touto metódou dopravy prostredia jednoduchšie a efektívnejšie riadenie prevádzky jednotky. Vo výparníku, naopak, je chladivo má teplotu varu v rúrkach a sú premyté chladené kvapaliny (voda, soľanka, glykoly, atď). Z tohto dôvodu, je tepelný výmenník výpočet-trubice sa znižuje, aby sa minimalizovala veľkosť zariadenia. Hra s priemerom puzdra, priemeru a počtu a dĺžky vnútornej rúry prístroje inžinier zadá vypočítanú hodnotu povrchovej plochy na výmenu tepla.

Vzduch tepelné výmenníky

Jedným z najčastejších zďaleka výmenníkov - rebrované rúrky výmenníky tepla. Nazývajú sa cievky. Tam, kde sú nielen upraviť v rozmedzí od fancoilov (z anglického. Fan + cievky, tj., "Ventilátor" + "cievka") vo vnútorných blokoch rozdelené systémy na obrie rekuperátora spalín (výber tepla z horúcich spalín a prenosu že pre kúrenie) v kotloch na CHP. Preto je výpočet výmenníka cievky závisí od aplikácie, kde je teplo ide do prevádzky. Priemyselné chladiča vzduchu (VOPy) nainštalované v komorách šoku mrazené mäso, mraziace komory pri nízkych teplotách a iných objektov potravinárskeho chladenia, vyžadujú určité štruktúrne rysy v ich konštrukcii. Vzdialenosť medzi lamely (rebrá), by mala byť čo najvyššie, aby zvýšenie doby nepretržitej prevádzky odmrazovanie. Výparníky pre DC (dátového centra), naopak umožňuje kompaktnejšie upínacie mezhlamelnye vzdialenosti na minimum. Takéto tepelné výmenníky sú v prevádzke v "čistej zóny", ktorý je obklopený jemný filter (až HEPA stupeň), však, tento výpočet je vykonaný z rúrkového výmenníka tepla s dôrazom na minimalizáciu celkových rozmerov.

doskové výmenníky tepla

V súčasnej dobe dopyt po stabilnej doskové výmenníky. Podľa jeho konštrukčné vyhotovenie, sú úplne utesnené a čiastočne zvárané a mednopayanymi nikelpayanymi, zvárané a spájkované difúznej metóda (bez spájky). Tepelná konštrukcia doskového výmenníka tepla, je dostatočne pružné a nijako zvlášť ťažké inžiniera. Proces výberu môže hrať typu dosiek, hlboké kanály, ktoré tvoria, fin typu, hrúbka ocele, rôzne materiály a, čo je najdôležitejšie - veľa štandardných veľkostí modelov zariadení rôznych veľkostí. Takéto tepelné výmenníky sú nízke a široké (pre parné ohrev vody), alebo vysoké a úzke (výmenníkov tepla pre delenie klimatizačných systémov). Často sa používajú, a médium sa fázového prechodu, teda ako kondenzátory, výparníky, parné chladiča, predkondensatorov a tak ďalej. D. vykonať tepelné konštrukciu tepelného výmenníka pracujúceho pri dvojfázovom vzorkou, o niečo ťažšie, než je výmenník tepla "kvapalina-kvapalina", ale pre skúsený inžinier tento problém je riešiteľný a nie je nijak zvlášť ťažké. S cieľom uľahčiť tieto výpočty moderné technické návrhári používajú počítačovej databázy, kde môžete nájsť veľa potrebných informácií, vrátane fázového diagramu akéhokoľvek chladiva v akomkoľvek režime pruh, napríklad program CoolPack.

Príklad výpočtu výmenník

Hlavným účelom výpočtu je vypočítať požadovanú plochu teplozmennej plochy. Tepelná (chladiaca) energia je zvyčajne špecifikovaná v technickej úlohe, ale v našom príklade ju vypočítame, napríklad, skontrolujte technickú špecifikáciu. Niekedy sa to stane a tak, aby sa pôvodné údaje mohli prejsť chybou. Jednou z úloh príslušného inžiniera je nájsť a napraviť túto chybu. Ako príklad môžeme vypočítať doskový výmenník tepla typu kvapalina-kvapalina. Nech je to vysokotlaková budova. Na uvoľnenie tlakového zariadenia sa tento prístup často používa pri stavbe mrakodrapov. Na jednej strane výmenníka tepla je voda s prívodnou teplotou Тνх1 = 14 ᵒС a výstupom Tvy1 = 9 ᵒС a prietokom G1 = 14,500 kg / h a na druhej strane aj vodou, ale len s takými parametrami: Твх2 = 8 ᵒС, Tvy2 = 12 ° C, G2 = 18,125 kg / h.

Vypočítame požadovaný výkon (Q0) pomocou vzorca pre tepelnú bilanciu (pozri vyššie uvedený obrázok, vzorec 7.1), kde Cp je špecifické teplo (tabuľková hodnota). Z dôvodu jednoduchosti výpočtov si dovoľte znížiť tepelnú kapacitu Cp = 4,187 [kJ / kg * ᵒC]. Zvažujeme:

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

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

Všimnite si, že podľa vzorca (7.1), Q0 = Q1 = Q2, bez ohľadu na ktorú stranu výpočtu.

Potom pomocou rovnice prevodu tepla (7.2) nájdeme požadovanú plochu (7.2.1), kde k je koeficient prestupu tepla (predpokladaný je 6350 [W / m ² ]) a ΔTp.log. - priemerná logaritmická teplotná hlava vypočítaná podľa vzorca (7.3):

ΔT avglog. = (2-1) / ln (2/1) = 1 / ln2 = 1 / 0,69131 = 1,4428;

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

V prípade, keď nie je známy koeficient prenosu tepla, výpočet doskového výmenníka tepla je o niečo komplikovanejší. Podľa vzorca (7.4) predpokladáme Reynoldsovo kritérium, kde ρ je hustota, [kg / m ³ ], η je dynamická viskozita, [H * s / m ² ], v je rýchlosť média v kanáli, [m / s] - priemer zvlhčeného kanála [m].

Z tabuľky nájdeme potrebnú hodnotu kritéria Prandtl [Pr] a podľa vzorca (7.5) získame kritérium Nusselt, kde n = 0,4 - za podmienok ohrevu tekutiny a n = 0,3 - za podmienok kvapalného chladenia.

Potom sa podľa vzorca (7.6) vypočítava koeficient prestupu tepla z každého chladiaceho média na stenu a podľa vzorca (7.7) považujeme koeficient prestupu tepla, ktorý nahradíme do vzorca (7.2.1) na výpočet plochy povrchu tepelnej výmeny.

V týchto vzorcoch je λ koeficient tepelnej vodivosti, ϭ je hrúbka steny kanála, α1 a α2 sú koeficienty prenosu tepla z každého z nosičov tepla na stenu.