Il calcolo dello scambiatore di calore attualmente non richiede più di cinque minuti. Qualsiasi organizzazione che produce e vende tali apparecchiature, di norma, fornisce a tutti il proprio programma di selezione. Può essere scaricato gratuitamente dal sito Web dell'azienda, oppure il loro tecnico verrà nel tuo ufficio e lo installerà gratuitamente. Tuttavia, quanto è corretto il risultato di tali calcoli, ci si può fidare e il produttore non è astuto quando combatte in una gara d'app alto con i suoi concorrenti? Il controllo di un calcolatore elettronico richiede la conoscenza o almeno la comprensione della metodologia per il calcolo dei moderni scambiatori di calore. Proviamo a capire i dettagli.
Cos'è uno scambiatore di calore
Prima di eseguire il calcolo dello scambiatore, ricordiamoci di che tipo di dispositivo si tratta? Un apparato di trasferimento di calore e massa (noto anche come scambiatore di calore, noto anche come scambiatore di calore o TOA).un dispositivo per trasferire il calore da un liquido di raffreddamento all' altro. Nel processo di modifica delle temperature dei vettori di calore, cambiano anche le loro densità e, di conseguenza, gli indicatori di massa delle sostanze. Ecco perché tali processi sono chiamati trasferimento di calore e di massa.
Tipi di trasferimento di calore
Ora parliamo dei tipi di trasferimento di calore: ce ne sono solo tre. Radiativo - trasferimento di calore dovuto all'irraggiamento. Ad esempio, prendi il sole sulla spiaggia in una calda giornata estiva. E tali scambiatori di calore si possono trovare anche sul mercato (riscaldatori d'aria a tubi). Tuttavia, molto spesso per il riscaldamento di locali residenziali, stanze di un appartamento, acquistiamo radiatori a olio o elettrici. Questo è un esempio di un altro tipo di trasferimento di calore: la convezione. La convezione può essere naturale, forzata (cappa e nella cassetta è presente uno scambiatore di calore) o azionata meccanicamente (con un ventilatore, ad esempio). Quest'ultimo tipo è molto più efficiente.
Tuttavia, il modo più efficiente per trasferire il calore è la conduzione, o, come viene anche chiamata, conduzione (dall'inglese. conduzione - "conduzione"). Qualsiasi ingegnere che eseguirà un calcolo termico di uno scambiatore di calore, prima di tutto, pensa a come selezionare un'apparecchiatura efficiente con dimensioni minime. Ed è possibile ottenere questo proprio grazie alla conducibilità termica. Un esempio di questo è il TOA più efficiente oggi: gli scambiatori di calore a piastre. Uno scambiatore di calore a piastre, secondo la definizione, è uno scambiatore di calore che trasferisce il calore da un refrigerante all' altro attraverso una parete che li separa. Massimol'eventuale area di contatto tra i due supporti, unitamente a materiali, profilo e spessore della lastra opportunamente selezionati, consente di ridurre al minimo le dimensioni dell'attrezzatura selezionata mantenendo le caratteristiche tecniche originali richieste nel processo tecnologico.
Tipi di scambiatori di calore
Prima di calcolare lo scambiatore di calore, viene determinato con il suo tipo. Tutti i TOA possono essere suddivisi in due grandi gruppi: scambiatori di calore recuperativi e rigenerativi. La principale differenza tra loro è la seguente: nei TOA rigenerativi lo scambio di calore avviene attraverso una parete che separa due refrigeranti, mentre in quelli rigenerativi due fluidi hanno un contatto diretto tra loro, spesso mescolandosi e richiedendo la successiva separazione in appositi separatori. Gli scambiatori di calore rigenerativi si dividono in miscelatori e scambiatori di calore con imballaggio (stazionario, cadente o intermedio). In parole povere, un secchio di acqua calda, esposto al gelo, o un bicchiere di tè caldo, messo a raffreddare in frigorifero (non farlo mai!) - questo è un esempio di tale miscela di TOA. E versando il tè in un piattino e raffreddandolo in questo modo, otteniamo un esempio di scambiatore di calore rigenerativo con un ugello (il piattino in questo esempio svolge il ruolo di un ugello), che prima contatta l'aria circostante e ne rileva la temperatura, e poi sottrae parte del calore al tè caldo versato al suo interno, cercando di portare entrambi i mezzi in equilibrio termico. Tuttavia, come abbiamo già scoperto in precedenza, è più efficiente utilizzare la conducibilità termica per trasferire il calore da un mezzo all' altro, quindiI TOA più utili per il trasferimento di calore (e ampiamente utilizzati) di oggi sono, ovviamente, quelli rigenerativi.
Progettazione termica e strutturale
Qualsiasi calcolo di uno scambiatore di calore recuperativo può essere effettuato sulla base dei risultati di calcoli termici, idraulici e di resistenza. Sono fondamentali, obbligatori nella progettazione di nuove apparecchiature e costituiscono la base della metodologia per il calcolo dei modelli successivi di una linea di dispositivi simili. Il compito principale del calcolo termico del TOA è determinare l'area richiesta della superficie di scambio termico per il funzionamento stabile dello scambiatore di calore e il mantenimento dei parametri richiesti del fluido all'uscita. Abbastanza spesso, in tali calcoli, agli ingegneri vengono forniti valori arbitrari delle caratteristiche di peso e dimensioni dell'attrezzatura futura (materiale, diametro del tubo, dimensioni della piastra, geometria del fascio, tipo e materiale delle alette, ecc.), Pertanto, dopo il calcolo termico, di solito effettuano un calcolo costruttivo dello scambiatore di calore. Dopotutto, se nella prima fase l'ingegnere calcolasse la superficie richiesta per un determinato diametro del tubo, ad esempio 60 mm, e la lunghezza dello scambiatore di calore risultasse di circa sessanta metri, sarebbe più logico ipotizzare una transizione ad uno scambiatore di calore multipasso, oa fascio tubiero, o per aumentare il diametro dei tubi.
Calcolo idraulico
I calcoli idraulici o idromeccanici e aerodinamici vengono eseguiti per determinare e ottimizzare l'idraulicaperdite di carico (aerodinamiche) nello scambiatore di calore, nonché calcolare i costi energetici per superarle. Il calcolo di qualsiasi percorso, canale o tubo per il passaggio del liquido di raffreddamento rappresenta un compito primario per una persona: intensificare il processo di trasferimento del calore in quest'area. Cioè, un mezzo deve trasferire e l' altro ricevere quanto più calore possibile nel periodo minimo del suo flusso. Per questo, viene spesso utilizzata una superficie di scambio termico aggiuntiva, sotto forma di una nervatura superficiale sviluppata (per separare il sottostrato laminare limite e migliorare la turbolenza del flusso). Il rapporto di equilibrio ottimale tra perdite idrauliche, superficie di scambio termico, caratteristiche di peso e dimensioni e potenza termica rimossa è il risultato di una combinazione di calcolo termico, idraulico e strutturale del TOA.
Controlla il calcolo
Il calcolo di verifica dello scambiatore di calore viene effettuato nel caso in cui sia necessario porre un margine in termini di potenza o in termini di area della superficie di scambio termico. La superficie è riservata per vari motivi e in diverse situazioni: se previsto dal capitolato, se il costruttore decide di fare un ulteriore margine per essere sicuro che tale scambiatore raggiunga il regime e minimizzi gli errori commessi in i calcoli. In alcuni casi è richiesta la ridondanza per arrotondare i risultati delle dimensioni costruttive, mentre in altri (evaporatori, economizzatori) viene appositamente introdotto un margine di superficie nel calcolo della potenza dello scambiatore di calore, per la contaminazione da olio del compressore presente nel circuito frigorifero. E scarsa qualità dell'acquadeve essere preso in considerazione. Dopo un certo periodo di funzionamento ininterrotto degli scambiatori di calore, soprattutto ad alte temperature, le incrostazioni si depositano sulla superficie di scambio termico dell'apparato, riducendo il coefficiente di scambio termico e portando inevitabilmente ad una parassitaria diminuzione della dissipazione del calore. Pertanto, un ingegnere competente, quando calcola uno scambiatore di calore acqua-acqua, presta particolare attenzione all'ulteriore ridondanza della superficie di scambio termico. Viene inoltre eseguito un calcolo di verifica per vedere come funzionerà l'attrezzatura selezionata in altre modalità secondarie. Ad esempio, nei condizionatori centrali (unità di alimentazione), il primo e il secondo riscaldatore, utilizzati nella stagione fredda, sono spesso utilizzati in estate per raffreddare l'aria in ingresso, fornendo acqua fredda ai tubi dello scambiatore di calore dell'aria. Come funzioneranno e quali parametri forniranno, ti consente di valutare il calcolo della verifica.
Calcoli esplorativi
I calcoli di ricerca del TOA vengono eseguiti sulla base dei risultati ottenuti dai calcoli termici e di verifica. Sono necessari, di regola, per apportare le ultime modifiche alla progettazione dell'apparato progettato. Vengono inoltre effettuati al fine di correggere eventuali equazioni che sono incorporate nel modello di calcolo implementato del TOA, ottenuto empiricamente (secondo dati sperimentali). L'esecuzione di calcoli di ricerca comporta decine e talvolta centinaia di calcoli secondo un piano speciale sviluppato e implementato in produzione in conformità conteoria matematica degli esperimenti di pianificazione. Sulla base dei risultati, viene rilevata l'influenza di varie condizioni e grandezze fisiche sugli indicatori di efficienza TOA.
Altri calcoli
Quando si calcola l'area dello scambiatore di calore, non dimenticare la resistenza dei materiali. I calcoli della resistenza TOA includono il controllo dell'unità progettata per sollecitazione, torsione, per applicare i momenti di lavoro massimi consentiti alle parti e agli assiemi del futuro scambiatore di calore. Con dimensioni minime, il prodotto deve essere robusto, stabile e garantire un funzionamento sicuro in diverse condizioni operative, anche le più impegnative.
Il calcolo dinamico viene effettuato per determinare le varie caratteristiche dello scambiatore di calore in modalità di funzionamento variabili.
Tipi di design dello scambiatore di calore
I TOA di recupero possono essere suddivisi in base alla progettazione in un numero abbastanza elevato di gruppi. I più famosi e ampiamente utilizzati sono scambiatori di calore a piastre, scambiatori di calore ad aria (tubolare alettata), a fascio tubiero, a fascio tubiero, a fascio tubiero e altri. Esistono anche tipi più esotici e altamente specializzati, come il tipo a spirale (scambiatore di calore a serpentina) o il tipo raschiato, che funzionano con fluidi viscosi o non newtoniani, oltre a molti altri tipi.
Scambiatori di calore tubo nel tubo
Consideriamo il calcolo più semplice dello scambiatore di calore "tubo in tubo". Strutturalmente, questo tipo di TOA è semplificato al massimo. Di norma, entrano nella camera d'aria dell'apparatoliquido di raffreddamento caldo, per ridurre al minimo le perdite, e un liquido di raffreddamento viene lanciato nell'involucro o nel tubo esterno. Il compito dell'ingegnere in questo caso si riduce a determinare la lunghezza di un tale scambiatore di calore in base all'area calcolata della superficie di scambio termico e ai diametri indicati.
Qui vale la pena aggiungere che in termodinamica si introduce il concetto di scambiatore di calore ideale, ovvero un apparato di lunghezza infinita, dove i vettori di calore lavorano in controcorrente, e si calcola completamente la differenza di temperatura tra loro. Il design pipe-in-pipe è il più vicino a soddisfare questi requisiti. E se fai funzionare i refrigeranti in controcorrente, allora sarà il cosiddetto "controcorrente reale" (e non incrociato, come nei TOA a piastra). La prevalenza della temperatura viene elaborata in modo più efficace con una tale organizzazione del movimento. Tuttavia, quando si calcola lo scambiatore di calore "tubo nel tubo", si dovrebbe essere realistici e non dimenticare la componente logistica e la facilità di installazione. La lunghezza dell'eurotruck è di 13,5 metri e non tutti i locali tecnici sono adatti allo slittamento e all'installazione di attrezzature di questa lunghezza.
Scambiatori di calore a fascio tubiero
Pertanto, molto spesso il calcolo di un tale apparato confluisce senza problemi nel calcolo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Questo è un apparato in cui un fascio di tubi si trova in un unico alloggiamento (involucro), lavato da vari refrigeranti, a seconda dello scopo dell'apparecchiatura. Nei condensatori, ad esempio, il refrigerante viene fatto scorrere nel guscio e l'acqua viene fatta scorrere nei tubi. Con questo metodo di movimento dei media, è più conveniente ed efficiente da controllarefunzionamento dell'apparato. Negli evaporatori, invece, il refrigerante bolle nei tubi, mentre questi vengono lavati dal liquido raffreddato (acqua, salamoia, glicoli, ecc.). Pertanto, il calcolo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero si riduce a ridurre al minimo le dimensioni dell'apparecchiatura. Giocando con il diametro del mantello, il diametro e il numero dei tubi interni e la lunghezza dell'apparato, l'ingegnere raggiunge il valore calcolato della superficie di scambio termico.
Scambiatori di calore ad aria
Uno degli scambiatori di calore più comuni oggi sono gli scambiatori di calore tubolari alettati. Sono anche chiamati serpenti. Dove non sono solo installati, a partire dai ventilconvettori (dall'inglese fan + coil, ovvero "fan" + "coil") nelle unità interne degli impianti split e terminando con i giganteschi recuperatori di fumi (estrazione di calore dai fumi caldi e trasmissione per il fabbisogno di riscaldamento) negli impianti di caldaie a CHP. Ecco perché il calcolo di uno scambiatore di calore a serpentina dipende dall'applicazione in cui entrerà in funzione questo scambiatore di calore. I refrigeratori d'aria industriali (HOP) installati in camere di congelamento rapido della carne, congelatori a bassa temperatura e altri impianti di refrigerazione degli alimenti richiedono alcune caratteristiche di progettazione nel loro design. La distanza tra le lamelle (alette) deve essere la più ampia possibile per aumentare il tempo di funzionamento continuo tra i cicli di sbrinamento. Gli evaporatori per data center (centri di elaborazione dati), invece, sono resi il più compatti possibile bloccando l'interlamellaredistanza minima. Tali scambiatori di calore operano in "zone pulite", circondate da filtri fini (fino alla classe HEPA), pertanto tale calcolo di uno scambiatore di calore tubolare viene effettuato con l'accento sulla riduzione al minimo delle dimensioni.
Scambiatori di calore a piastre
Attualmente, gli scambiatori di calore a piastre hanno una domanda stabile. Secondo il loro design, sono completamente pieghevoli e semisaldati, saldati con rame e nichel, saldati e saldati per diffusione (senza saldatura). Il calcolo termico di uno scambiatore di calore a piastre è abbastanza flessibile e non presenta particolari difficoltà per un ingegnere. Nel processo di selezione, puoi giocare con il tipo di piastre, la profondità dei canali di forgiatura, il tipo di alette, lo spessore dell'acciaio, i diversi materiali e, soprattutto, numerosi modelli di dispositivi di dimensioni standard di diverse dimensioni. Tali scambiatori di calore sono bassi e larghi (per il riscaldamento dell'acqua a vapore) o alti e stretti (scambiatori di calore separati per sistemi di condizionamento dell'aria). Sono spesso utilizzati anche per fluidi a cambiamento di fase, ad es. come condensatori, evaporatori, desurriscaldatori, precondensatori, ecc. Il calcolo termico di uno scambiatore di calore bifase è leggermente più complicato di uno scambiatore di calore liquido-liquido, tuttavia, per un ingegnere esperto, questo compito è risolvibile e non presenta particolari difficoltà. Per facilitare tali calcoli, i progettisti moderni utilizzano database informatici di ingegneria, dove è possibile trovare molte informazioni necessarie, inclusi i diagrammi di stato di qualsiasi refrigerante in qualsiasi scansione, ad esempio un programmaCoolPack.
Esempio di calcolo dello scambiatore di calore
Lo scopo principale del calcolo è calcolare l'area richiesta della superficie di scambio termico. La potenza termica (di refrigerazione) è solitamente specificata nei termini di riferimento, tuttavia, nel nostro esempio, la calcoleremo, per così dire, per verificare i termini di riferimento stessi. A volte capita anche che un errore possa insinuarsi nei dati di origine. Uno dei compiti di un ingegnere competente è trovare e correggere questo errore. A titolo di esempio, calcoliamo uno scambiatore di calore a piastre del tipo "liquido-liquido". Lascia che questo sia un interruttore di pressione in un edificio alto. Per scaricare le apparecchiature a pressione, questo approccio è molto spesso utilizzato nella costruzione di grattacieli. Da un lato dello scambiatore di calore abbiamo acqua con una temperatura di ingresso Tin1=14 ᵒС e una temperatura di uscita Тout1=9 ᵒС, e con una portata G1=14.500 kg / h, e dall' altro - anche acqua, ma solo con i seguenti parametri: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Calcoliamo la potenza richiesta (Q0) utilizzando la formula del bilancio termico (vedi figura sopra, formula 7.1), dove Ср è la capacità termica specifica (valore della tabella). Per semplicità di calcolo, prendiamo il valore ridotto della capacità termica Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Conteggio:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - sul primo lato e
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - sul secondo lato.
Si noti che, secondo la formula (7.1), Q0=Q1=Q2, indipendentemente dada che parte è stato effettuato il calcolo.
Inoltre, utilizzando l'equazione di scambio termico principale (7.2), troviamo la superficie richiesta (7.2.1), dove k è il coefficiente di scambio termico (preso pari a 6350 [W/m) 2]), e ΔТav.log. - differenza di temperatura media logaritmica, calcolata secondo la formula (7.3):
ΔT registro medio.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F allora=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Quando il coefficiente di scambio termico è sconosciuto, il calcolo dello scambiatore di calore a piastre è un po' più complicato. Secondo la formula (7.4), calcoliamo il criterio di Reynolds, dove ρ è la densità, [kg/m3], η è la viscosità dinamica, [Ns/m 2], v è la velocità del mezzo nel canale, [m/s], d cm è il diametro bagnato del canale [m].
Secondo la tabella, cerchiamo il valore del criterio di Prandtl [Pr] di cui abbiamo bisogno e, usando la formula (7.5), otteniamo il criterio di Nusselt, dove n=0.4 - in condizioni di riscaldamento del liquido, e n=0,3 - in condizioni di raffreddamento a liquido
Successivamente, usando la formula (7.6), calcoliamo il coefficiente di scambio termico da ciascun liquido di raffreddamento alla parete, e usando la formula (7.7), calcoliamo il coefficiente di scambio termico, che sostituiamo nella formula (7.2.1) per calcolare l'area della superficie di scambio termico.
Nelle formule indicate, λ è il coefficiente di conducibilità termica, ϭ è lo spessore della parete del canale, α1 e α2 sono i coefficienti di trasmissione del calore da ciascuno dei vettori di calore alla parete.
