Ang pagkalkula ng heat exchanger ay kasalukuyang tumatagal ng hindi hihigit sa limang minuto. Anumang organisasyon na gumagawa at nagbebenta ng naturang kagamitan, bilang panuntunan, ay nagbibigay sa lahat ng kanilang sariling programa sa pagpili. Maaari itong i-download nang libre mula sa website ng kumpanya, o ang kanilang technician ay pupunta sa iyong opisina at i-install ito nang libre. Gayunpaman, gaano katama ang resulta ng naturang mga kalkulasyon, mapagkakatiwalaan ba ito at hindi ba tuso ang tagagawa kapag nakikipaglaban sa isang malambot sa kanyang mga kakumpitensya? Ang pagsuri sa isang elektronikong calculator ay nangangailangan ng kaalaman o hindi bababa sa isang pag-unawa sa pamamaraan para sa pagkalkula ng mga modernong heat exchanger. Subukan nating unawain ang mga detalye.
Ano ang heat exchanger
Bago isagawa ang pagkalkula ng heat exchanger, tandaan natin kung anong uri ng device ito? Ang isang heat and mass transfer apparatus (aka isang heat exchanger, aka isang heat exchanger, o TOA) ayisang aparato para sa paglilipat ng init mula sa isang coolant patungo sa isa pa. Sa proseso ng pagbabago ng mga temperatura ng mga carrier ng init, ang kanilang mga densidad at, nang naaayon, ang mga tagapagpahiwatig ng masa ng mga sangkap ay nagbabago din. Kaya naman ang mga ganitong proseso ay tinatawag na init at mass transfer.
Mga uri ng heat transfer
Ngayon pag-usapan natin ang mga uri ng heat transfer - tatlo lang sila. Radiative - paglipat ng init dahil sa radiation. Bilang halimbawa, isaalang-alang ang sunbathing sa beach sa isang mainit na araw ng tag-araw. At ang mga naturang heat exchanger ay matatagpuan pa sa merkado (mga tube air heaters). Gayunpaman, kadalasan para sa pagpainit ng mga lugar ng tirahan, mga silid sa isang apartment, bumili kami ng langis o electric radiator. Ito ay isang halimbawa ng isa pang uri ng heat transfer - convection. Ang kombeksyon ay maaaring natural, sapilitang (hood, at mayroong isang heat exchanger sa kahon) o mechanically driven (na may fan, halimbawa). Ang huling uri ay mas mahusay.
Gayunpaman, ang pinakamabisang paraan ng paglipat ng init ay ang pagpapadaloy, o, kung tawagin din ito, pagpapadaloy (mula sa Ingles. pagpapadaloy - "pagpadaloy"). Ang sinumang inhinyero na magsasagawa ng pagkalkula ng thermal ng isang heat exchanger, una sa lahat, ay nag-iisip tungkol sa kung paano pumili ng mahusay na kagamitan sa pinakamababang sukat. At posible na makamit ito nang tumpak dahil sa thermal conductivity. Ang isang halimbawa nito ay ang pinakamabisang TOA ngayon - mga plate heat exchanger. Ang isang plate heat exchanger, ayon sa kahulugan, ay isang heat exchanger na naglilipat ng init mula sa isang coolant patungo sa isa pa sa pamamagitan ng isang pader na naghihiwalay sa kanila. Pinakamataasang posibleng contact area sa pagitan ng dalawang media, kasama ang mga tamang napiling materyales, plate profile at kapal, ay nagbibigay-daan sa pagliit ng laki ng napiling kagamitan habang pinapanatili ang orihinal na teknikal na katangian na kinakailangan sa teknolohikal na proseso.
Mga uri ng heat exchanger
Bago kalkulahin ang heat exchanger, tinutukoy ito kasama ang uri nito. Ang lahat ng TOA ay maaaring hatiin sa dalawang malalaking grupo: recuperative at regenerative heat exchangers. Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga ito ay ang mga sumusunod: sa regenerative TOA, ang palitan ng init ay nangyayari sa pamamagitan ng isang pader na naghihiwalay sa dalawang coolant, habang sa mga regenerative, dalawang media ay may direktang pakikipag-ugnayan sa isa't isa, kadalasang naghahalo at nangangailangan ng kasunod na paghihiwalay sa mga espesyal na separator. Ang mga regenerative heat exchanger ay nahahati sa paghahalo at mga heat exchanger na may packing (nakatigil, bumabagsak o intermediate). Sa halos pagsasalita, isang balde ng mainit na tubig, nakalantad sa hamog na nagyelo, o isang baso ng mainit na tsaa, na nakatakdang palamig sa refrigerator (huwag gawin ito!) - ito ay isang halimbawa ng naturang paghahalo ng TOA. At ang pagbuhos ng tsaa sa isang platito at pinalamig ito sa ganitong paraan, nakakakuha tayo ng isang halimbawa ng isang regenerative heat exchanger na may nozzle (ang platito sa halimbawang ito ay gumaganap ng papel ng isang nozzle), na unang nakikipag-ugnay sa nakapaligid na hangin at kumukuha ng temperatura nito, at pagkatapos ay inaalis ang bahagi ng init mula sa mainit na tsaa na ibinuhos dito, na naglalayong dalhin ang parehong media sa thermal equilibrium. Gayunpaman, tulad ng nalaman na natin kanina, mas mahusay na gumamit ng thermal conductivity upang ilipat ang init mula sa isang daluyan patungo sa isa pa, samakatuwidAng mas maraming heat transfer na kapaki-pakinabang (at malawakang ginagamit) na TOA sa ngayon ay, siyempre, mga regenerative.
Thermal at structural design
Anumang pagkalkula ng isang recuperative heat exchanger ay maaaring isagawa batay sa mga resulta ng thermal, hydraulic at strength calculations. Ang mga ito ay pangunahing, obligado sa disenyo ng mga bagong kagamitan at bumubuo ng batayan ng pamamaraan para sa pagkalkula ng kasunod na mga modelo ng isang linya ng mga katulad na aparato. Ang pangunahing gawain ng pagkalkula ng thermal ng TOA ay upang matukoy ang kinakailangang lugar ng ibabaw ng heat exchange para sa matatag na operasyon ng heat exchanger at pagpapanatili ng mga kinakailangang parameter ng media sa outlet. Kadalasan, sa gayong mga kalkulasyon, ang mga inhinyero ay binibigyan ng mga di-makatwirang halaga ng mga katangian ng bigat at laki ng kagamitan sa hinaharap (materyal, diameter ng pipe, mga sukat ng plato, geometry ng bundle, uri at materyal ng mga palikpik, atbp.), samakatuwid, pagkatapos ng pagkalkula ng thermal, kadalasang nagsasagawa sila ng isang nakabubuo na pagkalkula ng heat exchanger. Pagkatapos ng lahat, kung sa unang yugto ay kinakalkula ng inhinyero ang kinakailangang lugar sa ibabaw para sa isang naibigay na diameter ng tubo, halimbawa, 60 mm, at ang haba ng exchanger ng init ay naging mga animnapung metro, kung gayon magiging mas lohikal na ipalagay ang isang paglipat sa isang multi-pass heat exchanger, o sa isang shell-and-tube na uri, o para taasan ang diameter ng mga tubo.
Hydraulic na pagkalkula
Hydraulic o hydromechanical, gayundin ang mga aerodynamic na kalkulasyon ay isinasagawa upang matukoy at ma-optimize ang hydraulic(aerodynamic) pagkalugi ng presyon sa heat exchanger, pati na rin kalkulahin ang mga gastos sa enerhiya upang mapagtagumpayan ang mga ito. Ang pagkalkula ng anumang landas, channel o pipe para sa pagpasa ng coolant ay nagdudulot ng isang pangunahing gawain para sa isang tao - upang patindihin ang proseso ng paglipat ng init sa lugar na ito. Iyon ay, ang isang daluyan ay dapat ilipat, at ang isa ay tumatanggap ng mas maraming init hangga't maaari sa pinakamababang panahon ng daloy nito. Para sa mga ito, ang isang karagdagang init exchange ibabaw ay madalas na ginagamit, sa anyo ng isang binuo ibabaw ribbing (upang paghiwalayin ang hangganan laminar sublayer at mapahusay ang daloy ng kaguluhan). Ang pinakamainam na ratio ng balanse ng hydraulic losses, heat exchange surface area, mga katangian ng timbang at laki at inalis na thermal power ay resulta ng kumbinasyon ng thermal, hydraulic at structural na pagkalkula ng TOA.
Suriin ang pagkalkula
Ang pagkalkula ng pag-verify ng heat exchanger ay isinasagawa sa kaso kung kailan kinakailangan na maglagay ng margin sa mga tuntunin ng kapangyarihan o sa mga tuntunin ng lugar ng ibabaw ng heat exchange. Ang ibabaw ay nakalaan para sa iba't ibang mga kadahilanan at sa iba't ibang mga sitwasyon: kung ito ay kinakailangan ng mga tuntunin ng sanggunian, kung ang tagagawa ay nagpasya na gumawa ng isang karagdagang margin upang matiyak na ang naturang heat exchanger ay makakarating sa rehimen at mabawasan ang mga pagkakamali na ginawa sa ang mga kalkulasyon. Sa ilang mga kaso, ang redundancy ay kinakailangan upang i-round off ang mga resulta ng mga nakabubuo na sukat, habang sa iba (evaporators, economizers), isang surface margin ay espesyal na ipinakilala sa pagkalkula ng kapangyarihan ng heat exchanger, para sa kontaminasyon ng compressor oil na nasa refrigeration circuit.. At mahinang kalidad ng tubigdapat isaalang-alang. Pagkatapos ng ilang oras ng walang patid na operasyon ng mga heat exchanger, lalo na sa mataas na temperatura, ang sukat ay naninirahan sa ibabaw ng heat exchange ng apparatus, na binabawasan ang koepisyent ng paglipat ng init at hindi maaaring hindi humahantong sa isang pagbabawas ng parasitiko sa pag-alis ng init. Samakatuwid, ang isang karampatang inhinyero, kapag kinakalkula ang isang water-to-water heat exchanger, ay nagbabayad ng espesyal na pansin sa karagdagang redundancy ng ibabaw ng init exchange. Isinasagawa din ang pagkalkula ng pag-verify upang makita kung paano gagana ang napiling kagamitan sa iba pang pangalawang mode. Halimbawa, sa mga sentral na air conditioner (mga yunit ng supply), ang una at pangalawang heating heater, na ginagamit sa malamig na panahon, ay kadalasang ginagamit sa tag-araw upang palamig ang papasok na hangin, na nagbibigay ng malamig na tubig sa mga tubo ng air heat exchanger. Paano gagana ang mga ito at kung anong mga parameter ang ibibigay, nagbibigay-daan sa iyong suriin ang pagkalkula ng pag-verify.
Mga pagkalkula ng pagtuklas
Isinasagawa ang mga kalkulasyon ng pananaliksik ng TOA batay sa mga nakuhang resulta ng mga kalkulasyon ng thermal at pag-verify. Kinakailangan ang mga ito, bilang panuntunan, upang gawin ang mga huling susog sa disenyo ng dinisenyo na kagamitan. Isinasagawa din ang mga ito upang itama ang anumang mga equation na isinama sa ipinatupad na modelo ng pagkalkula ng TOA, na nakuha sa empirically (ayon sa eksperimentong data). Ang pagsasagawa ng mga kalkulasyon ng pananaliksik ay nagsasangkot ng sampu at kung minsan ay daan-daang mga kalkulasyon ayon sa isang espesyal na plano na binuo at ipinatupad sa produksyon alinsunod samatematikal na teorya ng pagpaplano ng mga eksperimento. Batay sa mga resulta, ang impluwensya ng iba't ibang kundisyon at pisikal na dami sa mga indicator ng kahusayan ng TOA ay ipinapakita.
Iba pang mga kalkulasyon
Kapag kinakalkula ang lugar ng heat exchanger, huwag kalimutan ang tungkol sa paglaban ng mga materyales. Kasama sa mga kalkulasyon ng lakas ng TOA ang pagsuri sa idinisenyong yunit para sa stress, para sa pamamaluktot, para sa paglalapat ng pinakamataas na pinapahintulutang mga sandali ng pagtatrabaho sa mga bahagi at pagtitipon ng hinaharap na heat exchanger. Sa pinakamababang sukat, ang produkto ay dapat na malakas, matatag at ginagarantiyahan ang ligtas na operasyon sa iba't ibang, kahit na ang pinaka-hinihingi na mga kondisyon sa pagpapatakbo.
Isinasagawa ang dinamikong pagkalkula upang matukoy ang iba't ibang katangian ng heat exchanger sa mga variable na operating mode.
Mga uri ng disenyo ng heat exchanger
Ang
Recuperative TOA ayon sa disenyo ay maaaring hatiin sa medyo malaking bilang ng mga grupo. Ang pinakasikat at malawakang ginagamit ay ang mga plate heat exchanger, hangin (tubular finned), shell-and-tube, tube-in-pipe heat exchangers, shell-and-plate at iba pa. Mayroon ding mga mas kakaiba at napaka-espesyalisadong mga uri, gaya ng spiral (coil heat exchanger) o scraped type, na gumagana sa malapot o hindi Newtonian na likido, gayundin sa maraming iba pang uri.
Pipe-in-pipe heat exchanger
Isaalang-alang natin ang pinakasimpleng pagkalkula ng "pipe in pipe" na heat exchanger. Sa istruktura, ang ganitong uri ng TOA ay lubos na pinasimple. Bilang isang patakaran, pinapasok nila ang panloob na tubo ng aparatomainit na coolant, upang mabawasan ang mga pagkalugi, at ang isang cooling coolant ay inilunsad sa pambalot, o sa panlabas na tubo. Ang gawain ng inhinyero sa kasong ito ay binabawasan sa pagtukoy sa haba ng naturang heat exchanger batay sa kinakalkula na lugar ng ibabaw ng heat exchange at ang ibinigay na mga diameter.
Narito, sulit na idagdag na sa thermodynamics ang konsepto ng isang perpektong heat exchanger ay ipinakilala, iyon ay, isang apparatus na walang hanggan ang haba, kung saan gumagana ang mga heat carrier sa countercurrent, at ang pagkakaiba ng temperatura ay ganap na naisagawa sa pagitan nila.. Ang disenyo ng pipe-in-pipe ay pinakamalapit sa pagtugon sa mga kinakailangang ito. At kung patakbuhin mo ang mga coolant sa countercurrent, pagkatapos ito ay ang tinatawag na "real counterflow" (at hindi cross, tulad ng sa plate TOAs). Ang ulo ng temperatura ay pinaka-epektibong gumagana sa gayong organisasyon ng paggalaw. Gayunpaman, kapag kinakalkula ang "pipe in pipe" na heat exchanger, dapat maging makatotohanan ang isa at huwag kalimutan ang tungkol sa bahagi ng logistik, pati na rin ang kadalian ng pag-install. Ang haba ng eurotruck ay 13.5 metro, at hindi lahat ng teknikal na lugar ay iniangkop sa skidding at pag-install ng mga kagamitan na ganito ang haba.
Mga shell at tube heat exchanger
Samakatuwid, napakadalas ang pagkalkula ng naturang apparatus ay maayos na dumadaloy sa pagkalkula ng isang shell-and-tube heat exchanger. Ito ay isang apparatus kung saan ang isang bundle ng mga tubo ay matatagpuan sa isang solong pabahay (casing), hugasan ng iba't ibang mga coolant, depende sa layunin ng kagamitan. Sa mga condenser, halimbawa, ang nagpapalamig ay tinatakbuhan sa shell, at ang tubig ay pinapatakbo sa mga tubo. Sa ganitong paraan ng paggalaw ng media, ito ay mas maginhawa at mas mahusay na kontrolinpagpapatakbo ng apparatus. Sa mga evaporator, sa kabaligtaran, ang nagpapalamig ay kumukulo sa mga tubo, habang sila ay hinuhugasan ng pinalamig na likido (tubig, brines, glycols, atbp.). Samakatuwid, ang pagkalkula ng isang shell-and-tube heat exchanger ay binabawasan upang mabawasan ang mga sukat ng kagamitan. Sa paglalaro ng diameter ng shell, ang diameter at bilang ng mga panloob na tubo at ang haba ng apparatus, naaabot ng engineer ang kinakalkula na halaga ng lugar ng ibabaw ng init exchange.
Mga air heat exchanger
Ang isa sa mga pinakakaraniwang heat exchanger ngayon ay tubular finned heat exchanger. Ang mga ito ay tinatawag ding ahas. Kung saan hindi lamang sila naka-install, simula sa mga unit ng fan coil (mula sa English fan + coil, i.e. "fan" + "coil") sa mga panloob na unit ng split system at nagtatapos sa mga higanteng flue gas recuperator (pagkuha ng init mula sa hot flue gas at paghahatid para sa mga pangangailangan sa pag-init) sa mga halaman ng boiler sa CHP. Iyon ang dahilan kung bakit ang pagkalkula ng isang coil heat exchanger ay nakasalalay sa aplikasyon kung saan papasok ang heat exchanger na ito. Ang mga pang-industriya na air cooler (HOP) na naka-install sa mga meat blast freezing chamber, low-temperature freezer at iba pang mga food refrigeration facility ay nangangailangan ng ilang partikular na feature ng disenyo sa kanilang disenyo. Ang puwang sa pagitan ng mga lamellas (fins) ay dapat kasing laki hangga't maaari upang mapataas ang oras ng tuluy-tuloy na operasyon sa pagitan ng mga defrost cycle. Ang mga evaporator para sa mga sentro ng data (mga sentro ng pagpoproseso ng data), sa kabaligtaran, ay ginagawang kasing siksik hangga't maaari sa pamamagitan ng pag-clamping sa interlamellarpinakamababang distansya. Ang ganitong mga heat exchanger ay gumagana sa "malinis na mga zone", na napapalibutan ng mga pinong filter (hanggang sa klase ng HEPA), samakatuwid, ang naturang pagkalkula ng isang tubular heat exchanger ay isinasagawa nang may diin sa pagliit ng mga sukat.
Mga plate heat exchanger
Sa kasalukuyan, ang mga plate heat exchanger ay nasa matatag na pangangailangan. Ayon sa kanilang disenyo, ang mga ito ay ganap na collapsible at semi-welded, tanso-soldered at nickel-soldered, welded at soldered sa pamamagitan ng pagsasabog (nang walang solder). Ang thermal kalkulasyon ng isang plate heat exchanger ay medyo nababaluktot at hindi nagpapakita ng anumang partikular na kahirapan para sa isang engineer. Sa proseso ng pagpili, maaari mong paglaruan ang uri ng mga plato, ang lalim ng pag-forging ng mga channel, ang uri ng mga palikpik, ang kapal ng bakal, iba't ibang materyales, at higit sa lahat, maraming karaniwang laki ng mga modelo ng mga device na may iba't ibang laki. Ang ganitong mga heat exchanger ay mababa at malawak (para sa pag-init ng singaw ng tubig) o mataas at makitid (naghihiwalay sa mga heat exchanger para sa mga air conditioning system). Madalas ding ginagamit ang mga ito para sa phase change media, i.e. bilang condensers, evaporators, desuperheaters, precondensers, atbp. Ang thermal kalkulasyon ng two-phase heat exchanger ay bahagyang mas kumplikado kaysa sa liquid-liquid heat exchanger, gayunpaman, para sa may karanasang engineer, ang gawaing ito ay malulutas at hindi nagpapakita ng anumang partikular na kahirapan. Upang mapadali ang gayong mga kalkulasyon, ang mga modernong taga-disenyo ay gumagamit ng mga database ng computer sa engineering, kung saan makakahanap ka ng maraming kinakailangang impormasyon, kabilang ang mga diagram ng estado ng anumang nagpapalamig sa anumang sweep, halimbawa, isang programa. CoolPack.
Halimbawa ng pagkalkula ng heat exchanger
Ang pangunahing layunin ng pagkalkula ay upang kalkulahin ang kinakailangang lugar ng ibabaw ng heat exchange. Ang thermal (pagpapalamig) na kapangyarihan ay kadalasang tinukoy sa mga tuntunin ng sanggunian, gayunpaman, sa aming halimbawa, kakalkulahin namin ito, wika nga, upang suriin ang mga tuntunin ng sanggunian mismo. Minsan nangyayari rin na ang isang error ay maaaring gumapang sa source data. Isa sa mga gawain ng isang karampatang inhinyero ay hanapin at itama ang error na ito. Bilang halimbawa, kalkulahin natin ang isang plate heat exchanger ng uri ng "liquid-liquid". Hayaan itong maging pressure breaker sa isang mataas na gusali. Upang i-unload ang mga kagamitan sa pamamagitan ng presyon, ang diskarte na ito ay madalas na ginagamit sa pagtatayo ng mga skyscraper. Sa isang bahagi ng heat exchanger, mayroon kaming tubig na may temperatura ng pumapasok na Tin1=14 ᵒС at temperatura ng labasan Тout1=9 ᵒС, at may rate ng daloy G1=14,500 kg / h, at sa kabilang banda - tubig din, ngunit lamang na may mga sumusunod na parameter: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Kinakalkula namin ang kinakailangang power (Q0) gamit ang heat balance formula (tingnan ang figure sa itaas, formula 7.1), kung saan ang Ср ay ang tiyak na kapasidad ng init (table value). Para sa pagiging simple ng mga kalkulasyon, kinukuha namin ang pinababang halaga ng kapasidad ng init Срв=4.187 [kJ/kgᵒС]. Nagbibilang:
Q1=14,500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - sa unang bahagi at
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - sa pangalawang bahagi.
Tandaan na, ayon sa formula (7.1), Q0=Q1=Q2, anuman angsaang bahagi ginawa ang pagkalkula.
Dagdag pa, gamit ang pangunahing heat transfer equation (7.2), makikita natin ang kinakailangang surface area (7.2.1), kung saan ang k ay ang heat transfer coefficient (kinuha katumbas ng 6350 [W/m 2]), at ΔТav.log. - average na pagkakaiba sa temperatura ng logarithmic, kinakalkula ayon sa formula (7.3):
ΔT average na log.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F pagkatapos=84321 / 63501, 4428=9.2 m2.
Kapag hindi alam ang heat transfer coefficient, medyo mas kumplikado ang pagkalkula ng plate heat exchanger. Ayon sa formula (7.4), kinakalkula namin ang Reynolds criterion, kung saan ang ρ ay ang density, [kg/m3], ang η ay ang dynamic na lagkit, [Ns/m 2], ang v ay ang bilis ng medium sa channel, [m/s], ang d cm ay ang basang diameter ng channel [m].
Ayon sa talahanayan, hinahanap namin ang halaga ng Prandtl criterion [Pr] na kailangan namin at, gamit ang formula (7.5), nakuha namin ang Nusselt criterion, kung saan n=0.4 - sa ilalim ng mga kondisyon ng pag-init ng likido, at n=0.3 - sa ilalim ng mga kondisyon ng paglamig ng likido.
Susunod, gamit ang formula (7.6), kinakalkula namin ang koepisyent ng paglipat ng init mula sa bawat coolant patungo sa dingding, at gamit ang formula (7.7), kinakalkula namin ang koepisyent ng paglipat ng init, na pinapalitan namin sa formula (7.2.1) upang kalkulahin ang lugar ng ibabaw ng init exchange.
Sa ipinahiwatig na mga formula, ang λ ay ang thermal conductivity coefficient, ang ϭ ay ang kapal ng pader ng channel, ang α1 at α2 ay ang mga koepisyent ng paglipat ng init mula sa bawat isa sa mga heat carrier patungo sa dingding.
