Siltummaiņa aprēķins pašlaik aizņem ne vairāk kā piecas minūtes. Jebkura organizācija, kas ražo un pārdod šādas iekārtas, parasti nodrošina ikvienu ar savu atlases programmu. To var lejupielādēt bez maksas no uzņēmuma vietnes, vai arī viņu tehniķis ieradīsies jūsu birojā un instalēs to bez maksas. Tomēr, cik pareizs ir šādu aprēķinu rezultāts, vai tam var uzticēties un vai ražotājs nav viltīgs, cīnoties konkursā ar saviem konkurentiem? Elektroniskā kalkulatora pārbaudei nepieciešamas zināšanas vai vismaz izpratne par mūsdienu siltummaiņu aprēķināšanas metodiku. Mēģināsim izprast detaļas.
Kas ir siltummainis
Pirms veikt siltummaiņa aprēķinus, atcerēsimies, kāda veida ierīce tā ir? Siltuma un masas pārneses aparāts (pazīstams arī kā siltummainis, siltummainis vai TOA) irierīce siltuma pārnešanai no viena dzesēšanas šķidruma uz otru. Siltumnesēju temperatūru maiņas procesā mainās arī to blīvumi un attiecīgi vielu masas rādītāji. Tāpēc šādus procesus sauc par siltuma un masas pārnesi.
Siltuma pārneses veidi
Tagad parunāsim par siltuma pārneses veidiem – tie ir tikai trīs. Radiatīvais - siltuma pārnese starojuma dēļ. Piemēram, apsveriet iespēju sauļoties pludmalē siltā vasaras dienā. Un šādus siltummaiņus pat var atrast tirgū (cauruļu gaisa sildītāji). Taču visbiežāk dzīvojamo telpu, istabu apsildīšanai dzīvoklī pērkam eļļas vai elektriskos radiatorus. Šis ir cita veida siltuma pārneses piemērs - konvekcija. Konvekcija var būt dabiska, piespiedu (pārsegs, un kastē ir siltummainis) vai mehāniski darbināma (piemēram, ar ventilatoru). Pēdējais veids ir daudz efektīvāks.
Tomēr visefektīvākais veids, kā nodot siltumu, ir vadītspēja jeb, kā to mēdz dēvēt arī, vadīšana (no angļu valodas. Conduction - "conduction"). Jebkurš inženieris, kurš gatavojas veikt siltummaiņa termisko aprēķinu, vispirms domā par to, kā izvēlēties efektīvu aprīkojumu minimālajos izmēros. Un to ir iespējams sasniegt tieši siltumvadītspējas dēļ. Piemērs tam ir šodien visefektīvākais TOA - plākšņu siltummaiņi. Plākšņu siltummainis saskaņā ar definīciju ir siltummainis, kas pārnes siltumu no viena dzesēšanas šķidruma uz otru caur sienu, kas tos atdala. Maksimumsiespējamais saskares laukums starp diviem medijiem kopā ar pareizi izvēlētiem materiāliem, plāksnes profilu un biezumu ļauj minimizēt izvēlētās iekārtas izmērus, saglabājot tehnoloģiskajā procesā nepieciešamās oriģinālās tehniskās īpašības.
Siltummaiņu veidi
Pirms siltummaiņa aprēķināšanas tas tiek noteikts ar tā tipu. Visus TOA var iedalīt divās lielās grupās: rekuperatīvie un reģeneratīvie siltummaiņi. Galvenā atšķirība starp tām ir šāda: reģeneratīvajos TOA siltuma apmaiņa notiek caur sienu, kas atdala divus dzesēšanas šķidrumus, savukārt reģeneratīvajos - diviem barotnēm ir tiešs kontakts viens ar otru, bieži sajaucoties un pēc tam nepieciešama atdalīšana īpašos separatoros. Reģeneratīvie siltummaiņi tiek iedalīti maisīšanas un siltummaiņos ar blīvējumu (stacionāri, krītoši vai starpprodukti). Aptuveni runājot, spainis ar karstu ūdeni, kas pakļauts sala iedarbībai, vai glāze karstas tējas, kas novietota ledusskapī atdzist (nekad to nedariet!) - tas ir šādas sajaukšanas TOA piemērs. Un, ielejot tēju apakštasītē un šādā veidā atdzesējot, mēs iegūstam reģeneratīvā siltummaiņa piemēru ar sprauslu (šajā piemērā apakštase spēlē sprauslas lomu), kas vispirms saskaras ar apkārtējo gaisu un ņem tā temperatūru, un pēc tam atņem daļu siltuma no tajā ielietās karstās tējas, cenšoties novest abus nesējus termiskā līdzsvarā. Taču, kā jau noskaidrojām iepriekš, siltumvadītspēju efektīvāk izmantot siltuma pārnešanai no vienas vides uz otru, tāpēcMūsdienās noderīgākie (un plaši izmantotie) siltuma pārneses TOA, protams, ir atjaunojošie.
Siltuma un konstrukciju projektēšana
Jebkuru rekuperatīvā siltummaiņa aprēķinu var veikt, pamatojoties uz termisko, hidraulisko un stiprības aprēķinu rezultātiem. Tie ir fundamentāli, obligāti jaunu iekārtu projektēšanā un veido pamatu metodikai līdzīgu ierīču sērijas turpmāko modeļu aprēķināšanai. TOA termiskā aprēķina galvenais uzdevums ir noteikt nepieciešamo siltuma apmaiņas virsmas laukumu stabilai siltummaiņa darbībai un nepieciešamo barotnes parametru uzturēšanai pie izejas. Diezgan bieži šādos aprēķinos inženieriem tiek dotas patvaļīgas nākotnes aprīkojuma svara un izmēra raksturlielumu vērtības (materiāls, caurules diametrs, plāksnes izmēri, saišķa ģeometrija, spuru veids un materiāls utt.), Tāpēc pēc siltuma aprēķinu, viņi parasti veic konstruktīvu siltummaiņa aprēķinu. Galu galā, ja pirmajā posmā inženieris aprēķināja nepieciešamo virsmas laukumu konkrētam caurules diametram, piemēram, 60 mm, un siltummaiņa garums izrādījās apmēram sešdesmit metri, tad loģiskāk būtu pieņemt pāreju. uz vairākkārtu siltummaini vai apvalka un caurules tipu, vai lai palielinātu cauruļu diametru.
Hidrauliskais aprēķins
Tiek veikti hidrauliskie vai hidromehāniskie, kā arī aerodinamiskie aprēķini, lai noteiktu un optimizētu hidraulikas(aerodinamiskos) spiediena zudumus siltummainī, kā arī aprēķināt enerģijas izmaksas to pārvarēšanai. Jebkura dzesēšanas šķidruma caurbraukšanas ceļa, kanāla vai caurules aprēķins cilvēkam izvirza primāro uzdevumu - intensificēt siltuma pārneses procesu šajā zonā. Tas ir, vienai videi ir jāpārnes, bet otrai jāsaņem pēc iespējas vairāk siltuma minimālajā plūsmas periodā. Šim nolūkam bieži tiek izmantota papildu siltuma apmaiņas virsma izstrādātas virsmas rievojumu veidā (lai atdalītu robežu lamināro apakšslāni un uzlabotu plūsmas turbulenci). Optimālā līdzsvara attiecība starp hidrauliskajiem zudumiem, siltuma apmaiņas virsmas laukumu, svara un izmēra raksturlielumiem un noņemto siltuma jaudu ir TOA termiskā, hidrauliskā un strukturālā aprēķina kombinācijas rezultāts.
Pārbaudiet aprēķinu
Siltummaiņa verifikācijas aprēķins tiek veikts gadījumā, ja nepieciešams uzlikt rezervi jaudas vai siltummaiņas virsmas laukuma izteiksmē. Virsma tiek rezervēta dažādu iemeslu dēļ un dažādās situācijās: ja to pieprasa darba uzdevums, ja ražotājs nolemj veikt papildu rezervi, lai pārliecinātos, ka šāds siltummainis sasniegs režīmu un samazinātu pieļautās kļūdas. aprēķinus. Dažos gadījumos ir nepieciešama atlaišana, lai noapaļotu konstruktīvo izmēru rezultātus, savukārt citos gadījumos (iztvaicētāji, ekonomaizeri) siltummaiņa jaudas aprēķinā tiek īpaši ieviesta virsmas rezerve, lai novērstu piesārņojumu ar kompresora eļļu, kas atrodas dzesēšanas kontūrā.. Un slikta ūdens kvalitātejāņem vērā. Pēc kāda laika nepārtrauktas siltummaiņu darbības, īpaši augstā temperatūrā, uz aparāta siltuma apmaiņas virsmas nogulsnējas katlakmens, samazinot siltuma pārneses koeficientu un neizbēgami izraisot parazitāras siltuma atdalīšanas samazināšanos. Tāpēc kompetents inženieris, aprēķinot ūdens-ūdens siltummaini, īpašu uzmanību pievērš siltuma apmaiņas virsmas papildu dublēšanai. Tiek veikts arī verifikācijas aprēķins, lai redzētu, kā izvēlētais aprīkojums darbosies citos, sekundārajos režīmos. Piemēram, centrālajos gaisa kondicionieros (padeves blokos) pirmais un otrais apkures sildītājs, kas tiek izmantots aukstajā sezonā, bieži tiek izmantots vasarā, lai atdzesētu ienākošo gaisu, piegādājot aukstu ūdeni gaisa siltummaiņa caurulēm. Kā tās darbosies un kādus parametrus izdos, ļauj novērtēt verifikācijas aprēķinu.
Izpētes aprēķini
TOA pētnieciskie aprēķini tiek veikti, pamatojoties uz iegūtajiem termisko un verifikācijas aprēķinu rezultātiem. Tie parasti ir nepieciešami, lai veiktu pēdējos grozījumus projektētā aparāta dizainā. Tie tiek veikti arī, lai labotu visus vienādojumus, kas iekļauti TOA realizētajā aprēķina modelī, kas iegūts empīriski (pēc eksperimentālajiem datiem). Izpētes aprēķinu veikšana ietver desmitiem un reizēm simtiem aprēķinu pēc speciāla plāna, kas izstrādāts un ieviests ražošanā saskaņā arplānošanas eksperimentu matemātiskā teorija. Balstoties uz rezultātiem, tiek atklāta dažādu apstākļu un fizisko lielumu ietekme uz TOA efektivitātes rādītājiem.
Citi aprēķini
Aprēķinot siltummaiņa laukumu, neaizmirstiet par materiālu pretestību. TOA stiprības aprēķinos ietilpst projektētā agregāta sprieguma, vērpes, maksimāli pieļaujamo darba momentu pielietojuma pārbaude topošā siltummaiņa daļām un mezgliem. Ar minimālajiem izmēriem izstrādājumam jābūt izturīgam, stabilam un jāgarantē droša darbība dažādos, pat visprasīgākajos ekspluatācijas apstākļos.
Dinamisks aprēķins tiek veikts, lai noteiktu siltummaiņa dažādus raksturlielumus mainīgos darbības režīmos.
Siltummaiņa konstrukcijas veidi
Rekuperatīvo TOA pēc dizaina var iedalīt diezgan daudzās grupās. Slavenākie un plaši izmantotie ir plākšņu siltummaiņi, gaisa (cauruļspuru), apvalks un caurule, caurule-caurulē siltummaiņi, apvalks un plāksne un citi. Ir arī eksotiskāki un ļoti specializēti veidi, piemēram, spirālveida (spoles siltummainis) vai skrāpētais tips, kas darbojas ar viskoziem vai neņūtona šķidrumiem, kā arī daudziem citiem veidiem.
Caurule-caurulē siltummaiņi
Apskatīsim vienkāršāko siltummaiņa "caurule caurulē" aprēķinu. Strukturāli šāda veida TOA ir maksimāli vienkāršota. Parasti tie iekļūst aparāta iekšējā caurulēkarstu dzesēšanas šķidrumu, lai samazinātu zudumus, un dzesēšanas dzesēšanas šķidrums tiek palaists korpusā vai ārējā caurulē. Inženiera uzdevums šajā gadījumā ir samazināts līdz šāda siltummaiņa garuma noteikšanai, pamatojoties uz aprēķināto siltummaiņas virsmas laukumu un dotajiem diametriem.
Šeit ir vērts piebilst, ka termodinamikā tiek ieviests ideālā siltummaiņa jēdziens, tas ir, bezgalīga garuma aparāts, kurā siltumnesēji darbojas pretstrāvā, un temperatūras starpība starp tiem ir pilnībā izstrādāta.. Caurules caurulē dizains ir vistuvākais šo prasību izpildei. Un, ja jūs darbināt dzesēšanas šķidrumus ar pretstrāvu, tad tā būs tā sauktā "īstā pretplūsma" (nevis šķērsām, kā plāksnēs TOA). Temperatūras galva visefektīvāk tiek izstrādāta ar šādu kustības organizāciju. Taču, aprēķinot siltummaini “caurulē caurulē”, jābūt reālistiskam un neaizmirst par loģistikas komponenti, kā arī uzstādīšanas vienkāršību. Eurotruck garums ir 13,5 metri, un ne visas tehniskās telpas ir pielāgotas šāda garuma slīdēšanai un aprīkojuma uzstādīšanai.
Apvalka un cauruļu siltummaiņi
Tāpēc ļoti bieži šāda aparāta aprēķins vienmērīgi ieplūst korpusa un cauruļu siltummaiņa aprēķinā. Šis ir aparāts, kurā cauruļu saišķis atrodas vienā korpusā (korpusā), ko mazgā ar dažādiem dzesēšanas šķidrumiem atkarībā no iekārtas mērķa. Piemēram, kondensatoros aukstumaģents tiek iepludināts korpusā, bet ūdens tiek iepludināts caurulēs. Izmantojot šo mediju kustības metodi, to ir ērtāk un efektīvāk kontrolētaparāta darbība. Gluži pretēji, iztvaicētājos aukstumaģents vārās caurulēs, kamēr tās mazgā atdzesētais šķidrums (ūdens, sālījumi, glikoli utt.). Tāpēc apvalka un cauruļu siltummaiņa aprēķins tiek samazināts līdz aprīkojuma izmēru samazināšanai. Spēlējot ar korpusa diametru, iekšējo cauruļu diametru un skaitu un aparāta garumu, inženieris sasniedz aprēķināto siltuma apmaiņas virsmas laukuma vērtību.
Gaisa siltummaiņi
Viens no mūsdienās izplatītākajiem siltummaiņiem ir cauruļveida siltummaiņi. Tos sauc arī par čūskām. Kur tie ir ne tikai uzstādīti, sākot no fan coil blokiem (no angļu valodas fan + coil, t.i. "fan" + "coil") dalīto sistēmu iekštelpu blokos un beidzot ar milzu dūmgāzu rekuperatoriem (siltuma atsūkšana no karstajām dūmgāzēm un pārvade apkures vajadzībām) koģenerācijas katlu stacijās. Tāpēc spoles siltummaiņa aprēķins ir atkarīgs no pielietojuma, kurā šis siltummainis sāks darboties. Rūpnieciskajiem gaisa dzesētājiem (HOP), kas uzstādīti gaļas ātrās sasaldēšanas kamerās, zemas temperatūras saldētavās un citās pārtikas saldēšanas iekārtās, ir nepieciešamas noteiktas konstrukcijas iezīmes. Attālumam starp lamelēm (spurām) jābūt pēc iespējas lielākam, lai palielinātu nepārtrauktas darbības laiku starp atkausēšanas cikliem. Gluži pretēji, iztvaicētāji datu centriem (datu apstrādes centriem) ir izgatavoti pēc iespējas kompaktāki, saspiežot starpslāņos.minimālais attālums. Šādi siltummaiņi darbojas “tīrajās zonās”, ko ieskauj smalki filtri (līdz HEPA klasei), tāpēc šāds cauruļveida siltummaiņa aprēķins tiek veikts ar uzsvaru uz izmēru samazināšanu.
Plākšņu siltummaiņi
Šobrīd plākšņu siltummaiņi ir stabili pieprasīti. Pēc konstrukcijas tie ir pilnībā saliekami un daļēji metināti, lodēti ar varu un niķeli, metināti un lodēti ar difūziju (bez lodēšanas). Plākšņu siltummaiņa termiskais aprēķins ir diezgan elastīgs un inženierim nesagādā īpašas grūtības. Atlases procesā var spēlēties ar plākšņu tipu, kalšanas kanālu dziļumu, spuru veidu, tērauda biezumu, dažādiem materiāliem un, pats galvenais, daudziem dažāda izmēra ierīču standarta izmēra modeļiem. Šādi siltummaiņi ir zemi un plati (ūdens sildīšanai ar tvaiku) vai augsti un šauri (atdalošie siltummaiņi gaisa kondicionēšanas sistēmām). Tos bieži izmanto arī fāzes maiņas vidēm, t.i., kā kondensatoriem, iztvaicētājiem, atkausētājiem, priekškondensatoriem utt. Divfāzu siltummaiņa termiskais aprēķins ir nedaudz sarežģītāks nekā šķidruma-šķidruma siltummainim, tomēr pieredzējušam inženierim, šis uzdevums ir atrisināms un nerada īpašas grūtības. Lai atvieglotu šādus aprēķinus, mūsdienu dizaineri izmanto inženiertehniskās datoru datu bāzes, kurās var atrast daudz nepieciešamās informācijas, tostarp jebkura aukstumaģenta stāvokļa diagrammas jebkurā slaucīšanas laikā, piemēram, programmā. CoolPack.
Siltummaiņa aprēķina piemērs
Aprēķina galvenais mērķis ir aprēķināt nepieciešamo siltuma apmaiņas virsmas laukumu. Termiskā (saldēšanas) jauda parasti ir norādīta darba uzdevumā, tomēr mūsu piemērā mēs to aprēķināsim, tā teikt, lai pārbaudītu pašu darba uzdevumu. Dažkārt gadās arī tā, ka avota datos var iezagties kļūda. Viens no kompetenta inženiera uzdevumiem ir atrast un labot šo kļūdu. Kā piemēru aprēķināsim "šķidrums-šķidrums" tipa plākšņu siltummaini. Lai tas būtu spiediena devējs augstā ēkā. Lai izkrautu aprīkojumu ar spiedienu, šī pieeja ļoti bieži tiek izmantota debesskrāpju būvē. Vienā siltummaiņa pusē mums ir ūdens ar ieplūdes temperatūru Tin1=14 ᵒС un izplūdes temperatūru Тout1=9 ᵒС un ar plūsmas ātrumu G1=14 500 kg / h, bet otrā - arī ūdens, bet tikai ar šādiem parametriem: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Nepieciešamo jaudu (Q0) aprēķinām, izmantojot siltuma bilances formulu (skat. attēlu augstāk, formula 7.1), kur Ср ir īpatnējā siltumietilpība (tabulas vērtība). Aprēķinu vienkāršības labad ņemam siltumietilpības samazināto vērtību Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Skaitīšana:
Q1=14 500(14–9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - pirmajā pusē un
Q2=18 125(12–8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - otrajā pusē.
Ņemiet vērā, ka saskaņā ar formulu (7.1) Q0=Q1=Q2 neatkarīgi nokurā pusē tika veikts aprēķins.
Turpmāk, izmantojot galveno siltuma pārneses vienādojumu (7.2.), atrodam nepieciešamo virsmas laukumu (7.2.1.), kur k ir siltuma pārneses koeficients (ņemts vienāds ar 6350 [W/m 2]), un ΔТav.log. - vidējā logaritmiskā temperatūras starpība, kas aprēķināta pēc formulas (7.3):
ΔT vidējais žurnāls.=(2–1) / ln (2/1)=1 / ln2=1/0, 6931=1, 4428;
F, tad=84321/63501, 4428=9,2 m2.
Ja siltuma pārneses koeficients nav zināms, plākšņu siltummaiņa aprēķins ir nedaudz sarežģītāks. Saskaņā ar formulu (7.4) mēs aprēķinām Reinoldsa kritēriju, kur ρ ir blīvums, [kg/m3], η ir dinamiskā viskozitāte, [Ns/m 2], v ir vides ātrums kanālā, [m/s], d cm ir kanāla mitrinātais diametrs [m].
Saskaņā ar tabulu meklējam mums nepieciešamo Prandtla kritērija vērtību [Pr] un, izmantojot formulu (7.5), iegūstam Nuselta kritēriju, kur n=0.4 - šķidruma sildīšanas apstākļos un n=0,3 - šķidruma dzesēšanas apstākļos.
Tālāk, izmantojot formulu (7.6), mēs aprēķinām siltuma pārneses koeficientu no katra dzesēšanas šķidruma uz sienu, un, izmantojot formulu (7.7), mēs aprēķinām siltuma pārneses koeficientu, ko aizstājam formulā (7.2.1) lai aprēķinātu siltuma apmaiņas virsmas laukumu.
Norādītajās formulās λ ir siltumvadītspējas koeficients, ϭ ir kanāla sienas biezums, α1 un α2 ir siltuma pārneses koeficienti no katra siltumnesēja uz sienu.
