Proračun izmjenjivača topline trenutno ne traje više od pet minuta. Svaka organizacija koja proizvodi i prodaje takvu opremu, u pravilu, svakome daje vlastiti program selekcije. Može se besplatno preuzeti sa web stranice kompanije ili će njihov tehničar doći u vašu kancelariju i besplatno ga instalirati. Međutim, koliko je tačan rezultat ovakvih proračuna, može li mu se vjerovati i nije li proizvođač lukav kada se bori na tenderu sa svojim konkurentima? Provjera elektronskog kalkulatora zahtijeva znanje ili barem razumijevanje metodologije za proračun modernih izmjenjivača topline. Pokušajmo razumjeti detalje.
Šta 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 jednog rashladnog sredstva na drugo. U procesu promjene temperature nosača topline, mijenjaju se i njihove gustoće i, shodno tome, indikatori mase tvari. Zato se takvi procesi nazivaju prijenosom topline i mase.
Vrste prenosa toplote
Sada razgovarajmo o vrstama prijenosa topline - postoje samo tri. Zračenje - prijenos topline zbog zračenja. Kao primjer, razmislite o sunčanju na plaži tokom toplog ljetnog dana. A takvi izmjenjivači topline se 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 (sa ventilatorom, na primjer). Potonji tip je mnogo efikasniji.
Međutim, najefikasniji način prenosa toplote je kondukcija, ili, kako se još naziva, provodljivost (od engleskog. conduction - "conduction"). Svaki inženjer koji će provesti toplinski proračun izmjenjivača topline, prije svega, razmišlja o tome kako odabrati efikasnu opremu u minimalnim dimenzijama. A to je moguće postići upravo zahvaljujući toplotnoj provodljivosti. Primjer za to je najefikasniji TOA danas - 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. Maksimummoguća kontaktna površina između dva medija, zajedno sa pravilno odabranim materijalima, profilom ploče i debljinom, omogućava minimiziranje veličine odabrane opreme uz zadržavanje originalnih tehničkih karakteristika potrebnih u tehnološkom procesu.
Vrste izmjenjivača topline
Prije proračuna izmjenjivača topline određuje se prema njegovom tipu. Svi TOA se mogu podijeliti u dvije velike grupe: rekuperativni i regenerativni izmjenjivači topline. Glavna razlika između njih je sljedeća: u regenerativnim TOA razmjena topline se odvija kroz zid koji razdvaja dva rashladna sredstva, dok u regenerativnim dva medija imaju direktan kontakt jedan s drugim, često se miješaju i zahtijevaju naknadno odvajanje u posebnim separatorima. Regenerativni izmjenjivači topline dijele se na miješajuće i izmjenjivače topline sa pakovanjem (stacionarni, padajući ili srednji). Grubo govoreći, kanta vruće vode, izložena mrazu, ili čaša vrućeg čaja, stavljena da se ohladi u frižideru (nikada to ne radite!) - ovo je primjer takvog miješanja TOA. A sipanjem čaja u tanjir i hlađenjem na ovaj način, dobijamo primer regenerativnog izmenjivača toplote sa mlaznicom (tanjirić u ovom primeru ima ulogu mlaznice), koji prvi dolazi u kontakt sa okolnim vazduhom i uzima njegovu temperaturu, a zatim oduzima dio topline iz vrućeg čaja koji se u njega sipa, nastojeći da oba medija dovede u termičku ravnotežu. Međutim, kao što smo već ranije saznali, efikasnije je koristiti toplinsku provodljivost za prijenos topline s jednog medija na drugi, stogaKorisniji (i široko korišteni) TOA-i današnjice su, naravno, regenerativni.
Termički i strukturalni dizajn
Svaki proračun rekuperativnog izmenjivača toplote može se izvesti na osnovu rezultata termičkih, hidrauličkih i proračuna čvrstoće. Oni su fundamentalni, obavezni u projektovanju nove opreme i čine osnovu metodologije za proračun kasnijih modela linije sličnih uređaja. Glavni zadatak termičkog 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 proračunima inženjerima daju proizvoljne vrijednosti težinskih i veličinskih karakteristika buduće opreme (materijal, promjer cijevi, dimenzije ploče, geometrija snopa, vrsta i materijal peraja, itd.), dakle, nakon termički proračun, obično provode konstruktivni proračun izmjenjivača topline. Uostalom, ako je u prvoj fazi inženjer izračunao potrebnu površinu za dati promjer cijevi, na primjer, 60 mm, a ispostavilo se da je dužina izmjenjivača topline oko šezdeset metara, onda bi bilo logičnije pretpostaviti prijelaz na višeprolazni izmjenjivač topline, ili na tip školjke i cijevi, ili na povećanje prečnika cijevi.
Hidraulični proračun
Hidraulički ili hidromehanički, kao i aerodinamički proračuni se provode u cilju određivanja i optimizacije hidrauličnih(aerodinamičke) gubitke pritiska u izmenjivaču toplote, kao i izračunavanje troškova energije za njihovo prevazilaženje. Proračun bilo kojeg puta, kanala ili cijevi za prolaz rashladne tekućine predstavlja primarni zadatak za osobu - intenziviranje procesa prijenosa topline u ovom području. To jest, jedan medij mora prenijeti, a drugi primiti što je više moguće topline u minimalnom periodu svog protoka. Za to se često koristi dodatna površina za izmjenu topline, u obliku razvijenih površinskih rebra (za odvajanje graničnog laminarnog podsloja i povećanje turbulencije protoka). Optimalni omjer ravnoteže hidrauličkih gubitaka, površine razmjene topline, karakteristika težine i veličine i uklonjene toplinske snage rezultat je kombinacije termičkog, hidrauličkog i strukturnog proračuna TOA.
Provjeri izračun
Proračun verifikacije izmjenjivača topline se vrši u slučaju kada je potrebno postaviti marginu u smislu snage ili u smislu površine površine izmjenjivača topline. Površina je rezervisana iz raznih razloga iu različitim situacijama: ako je to propisano projektnim zadatkom, ako proizvođač odluči napraviti dodatnu maržu kako bi bio siguran da će takav izmjenjivač topline dostići režim i minimizirati greške u kalkulacije. U nekim slučajevima potrebna je redundancija kako bi se zaokružili rezultati konstruktivnih dimenzija, dok se u drugim (isparivači, ekonomajzeri) površinska margina posebno uvodi u proračun snage izmjenjivača topline, za kontaminaciju kompresorskim uljem prisutnim u rashladnom krugu.. I loš kvalitet vodemora se uzeti u obzir. Nakon nekog vremena neprekidnog rada izmjenjivača topline, posebno 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, prilikom proračuna izmjenjivača topline voda-voda, posebnu pažnju obraća na dodatnu redundantnost površine izmjenjivača topline. Također se vrši verifikacijski proračun kako bi se vidjelo kako će odabrana oprema raditi u drugim, sekundarnim načinima rada. Na primjer, u centralnim klima uređajima (dovodnim jedinicama), prvi i drugi grijači za grijanje, koji se koriste u hladnoj sezoni, često se koriste ljeti za hlađenje ulaznog zraka, dovodeći hladnu vodu do cijevi izmjenjivača topline zraka. Kako će funkcionisati i koje će parametre dati, omogućava vam da procijenite kalkulaciju verifikacije.
Istraživačke kalkulacije
Istraživački proračuni TOA se provode na osnovu dobijenih rezultata termičkih i verifikacionih proračuna. Oni su, u pravilu, neophodni da bi se napravile posljednje izmjene u dizajnu projektovanog aparata. Takođe se provode u cilju ispravljanja svih jednačina koje su ugrađene u implementirani proračunski model TOA, dobijenih empirijski (prema eksperimentalnim podacima). Izvođenje istraživačkih proračuna uključuje desetine, a ponekad i stotine proračuna prema posebnom planu izrađenom i implementiranom u proizvodnji u skladu samatematička teorija planiranja eksperimenata. Na osnovu rezultata otkriva se uticaj različitih uslova i fizičkih veličina na indikatore efikasnosti TOA.
Druge kalkulacije
Prilikom izračunavanja površine izmjenjivača topline ne zaboravite na otpornost materijala. ToA proračuni čvrstoće uključuju provjeru projektirane jedinice na naprezanje, na torziju, na primjenu maksimalno dozvoljenih radnih momenata na dijelove i sklopove budućeg izmjenjivača topline. Sa minimalnim dimenzijama, proizvod mora biti jak, stabilan i garantovati siguran rad u raznim, pa i najzahtjevnijim uslovima rada.
Dinamički proračun se vrši kako bi se odredile različite karakteristike izmjenjivača topline u varijabilnim režimima rada.
Vrste dizajna izmenjivača toplote
Rekuperativni TOA po dizajnu može se podijeliti u prilično veliki broj grupa. Najpoznatiji i najšire korišteni su pločasti izmjenjivači topline, zračni (cijevasto rebrasti), školjkasto-cijevni, cijev-u-cijevi izmjenjivači topline, školjkasto-pločasti i drugi. Postoje i egzotičniji i visoko specijalizirani tipovi, kao što je spiralni (izmjenjivač topline) ili strugani tip, koji rade sa viskoznim ili nenjutnovskim fluidima, kao i mnoge druge vrste.
Pipe-in-pipe izmjenjivači topline
Razmotrimo najjednostavniji proračun izmjenjivača topline "cijev u cijevi". Strukturno, ova vrsta TOA je maksimalno pojednostavljena. Po pravilu puštaju u unutrašnju cijev aparatavruća rashladna tečnost, kako bi se minimizirali gubici, a rashladna tečnost se lansira u kućište, ili u vanjsku cijev. Zadatak inženjera u ovom slučaju se svodi na određivanje dužine takvog izmjenjivača topline na osnovu izračunate površine površine izmjenjivača topline i zadatih prečnika.
Ovdje vrijedi dodati da se u termodinamiku uvodi koncept idealnog izmjenjivača topline, odnosno aparata beskonačne dužine, 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 pokrećete u protustruji, onda će to biti takozvani "pravi protivtok" (a ne križni, kao u pločastim TOA-ima). Temperaturna glava se najefikasnije razrađuje s takvom organizacijom kretanja. Međutim, prilikom izračunavanja izmjenjivača topline "cijevi u cijevi", treba biti realan i ne zaboraviti na logističku komponentu, kao i na jednostavnost ugradnje. Dužina eurokamiona je 13,5 metara i 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 nesmetano ulijeva u proračun izmjenjivača topline sa 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, na primjer, rashladno sredstvo se ubacuje u školjku, a voda u cijevi. Sa ovom metodom kretanja medija, praktičnija je i efikasnija kontrolarad aparata. U isparivačima, naprotiv, rashladno sredstvo ključa u cijevima, dok se one ispiru ohlađenom tekućinom (voda, salamuri, glikoli itd.). Stoga se proračun izmjenjivača topline s školjkom i cijevi svodi na minimiziranje dimenzija opreme. Igrajući se sa prečnikom školjke, prečnikom i brojem unutrašnjih cevi i dužinom aparata, inženjer dolazi do izračunate vrednosti površine razmene toplote.
Izmjenjivači topline zraka
Jedan od najčešćih izmjenjivača topline danas su cijevni rebrasti izmjenjivači topline. Nazivaju se i zmijama. Tamo gde se ne ugrađuju samo, počevši od ventilator konvektora (od engleskog fan + coil, tj. "fan" + "coil") u unutrašnje jedinice split sistema pa do ogromnih rekuperatora dimnih gasova (odvod toplote iz vrelog dimnog gasa i prijenos za potrebe grijanja) u kotlovnicama na CHP. Zbog toga 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 dizajnerske karakteristike 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. Ovakvi izmjenjivači topline rade u “čistim zonama”, okruženi finim filterima (do HEPA klase), stoga se ovakav proračun cijevastog izmjenjivača topline vrši s naglaskom na minimiziranju dimenzija.
Pločasti izmjenjivači topline
Trenutno su pločasti izmjenjivači topline u stabilnoj potražnji. Po svom dizajnu su potpuno sklopivi i poluzavareni, lemljeni bakrom i niklom, zavareni i lemljeni difuzno (bez lema). Termički proračun pločastog izmjenjivača topline je prilično fleksibilan i ne predstavlja posebnu poteškoću za inženjera. U procesu odabira možete se poigrati s tipom ploča, dubinom kanala kovanja, vrstom rebara, debljinom čelika, različitim materijalima, i što je najvažnije, brojnim standardnim modelima uređaja različitih veličina. Takvi izmjenjivači topline su niski i široki (za grijanje vode parom) ili visoki i uski (razdvojni izmjenjivači topline za sisteme klimatizacije). Često se koriste i za medije s promjenom faza, tj. kao kondenzatori, isparivači, odogrejači, predkondenzatori, itd. Termički proračun dvofaznog izmjenjivača topline je nešto složeniji od izmjenjivača topline tekućina-tečnost, međutim, za iskusne inženjere, ovaj zadatak je rješiv i ne predstavlja posebne poteškoće. Da bi olakšali takve proračune, moderni dizajneri koriste inženjerske kompjuterske baze podataka, u kojima možete pronaći mnogo potrebnih informacija, uključujući dijagrame stanja bilo kojeg rashladnog sredstva u bilo kojem zamahu, na primjer, programCoolPack.
Primjer proračuna izmjenjivača topline
Glavna svrha proračuna je izračunavanje potrebne površine površine za izmjenu topline. Toplinska (rashladna) snaga je obično navedena u projektnom zadatku, međutim, u našem primjeru ćemo je izračunati, da tako kažem, da provjerimo sam projektni zadatak. Ponekad se dešava i da se greška može uvući u izvorne podatke. Jedan od zadataka nadležnog inženjera je da pronađe i ispravi ovu grešku. Kao primjer, izračunajmo pločasti izmjenjivač topline tipa "tečnost-tečnost". Neka ovo bude prekidač pritiska u visokoj zgradi. U cilju rasterećenja opreme pritiskom, ovaj pristup se vrlo često koristi u izgradnji nebodera. Na jednoj strani izmjenjivača topline nalazi se voda sa ulaznom temperaturom Tin1=14 ᵒS i izlaznom temperaturom Tout1=9 ᵒS, a sa protokom G1=14.500 kg/h, a sa 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 toplotnog bilansa (vidi gornju sliku, formula 7.1), gde je Sr specifični toplotni kapacitet (tabelarna vrednost). Radi jednostavnosti proračuna uzimamo redukovanu vrijednost toplotnog kapaciteta Srv=4,187 [kJ/kgᵒS]. Brojanje:
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
Imajte na umu da je, prema formuli (7.1), Q0=Q1=Q2, bez obzira nana kojoj strani je izvršena kalkulacija.
Dalje, koristeći glavnu jednačinu 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 razlika temperature, izračunata prema formuli (7.3):
ΔT prosječna log.=(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, proračun pločastog izmjenjivača topline je malo složeniji. Prema formuli (7.4), izračunavamo Reynoldsov kriterijum, gdje je ρ gustina, [kg/m3], η je dinamički viskozitet, [Ns/m 2], v je brzina medija u kanalu, [m/s], d cm je vlažni prečnik kanala [m].
Prema tabeli, tražimo vrednost Prandtl kriterijuma [Pr] koja nam je potrebna i, koristeći formulu (7.5), dobijamo Nuseltov kriterijum, gde je n=0,4 - u uslovima zagrevanja tečnosti, i n=0,3 - pod uslovima tečnog hlađenja
Dalje, koristeći formulu (7.6), izračunavamo koeficijent prolaza toplote od svake rashladne tečnosti do zida, a koristeći formulu (7.7), izračunavamo koeficijent prolaza toplote, koji zamenjujemo u formulu (7.2.1) za izračunavanje površine površine za izmjenu topline.
U naznačenim formulama, λ je koeficijent toplotne provodljivosti, ϭ je debljina zida kanala, α1 i α2 su koeficijenti prenosa toplote od svakog od nosača toplote do zida.
