Soojusvaheti arvutamine ei kesta praegu rohkem kui viis minutit. Iga organisatsioon, mis selliseid seadmeid toodab ja müüb, pakub reeglina igaühele oma valikuprogrammi. Selle saab tasuta alla laadida ettevõtte veebisaidilt või tuleb nende tehnik teie kontorisse ja installib selle tasuta. Kui õige on aga selliste arvutuste tulemus, kas seda saab usaldada ja kas tootja pole konkurentidega hankes võideldes kaval? Elektroonilise kalkulaatori kontrollimiseks on vaja teadmisi või vähem alt arusaamist tänapäevaste soojusvahetite arvutamise metoodikast. Proovime üksikasjadest aru saada.
Mis on soojusvaheti
Enne soojusvaheti arvutamist pidagem meeles, mis seadmega see on? Soojus- ja massiülekandeseade (teise nimega soojusvaheti, aka soojusvaheti või TOA) onseade soojuse ülekandmiseks ühelt jahutusvedelikult teisele. Soojuskandjate temperatuuride muutumise käigus muutuvad ka nende tihedused ja vastav alt ka ainete massinäitajad. Seetõttu nimetatakse selliseid protsesse soojus- ja massiülekandeks.
Soojusülekande tüübid
Räägime nüüd soojusülekande tüüpidest – neid on ainult kolm. Kiirgus - kiirgusest tingitud soojusülekanne. Näiteks kaaluge soojal suvepäeval rannas päevitamist. Ja selliseid soojusvahetiid võib isegi turult leida (toruõhusoojendid). Kõige sagedamini aga eluruumide, korteri tubade kütmiseks ostame õli- või elektriradiaatoreid. See on näide teist tüüpi soojusülekandest - konvektsioonist. Konvektsioon võib olla loomulik, sunnitud (kubu ja karbis on soojusvaheti) või mehaaniliselt käitatav (näiteks ventilaatoriga). Viimane tüüp on palju tõhusam.
Kõige tõhusam viis soojuse ülekandmiseks on aga juhtivus või, nagu seda ka nimetatakse, juhtivus (inglise keelest juhtivus - "juhtimine"). Iga insener, kes hakkab soojusvaheti soojusarvutust läbi viima, mõtleb kõigepe alt sellele, kuidas valida minimaalsete mõõtmetega tõhusaid seadmeid. Ja seda on võimalik saavutada just tänu soojusjuhtivusele. Selle näiteks on tänapäeval kõige tõhusam TOA – plaatsoojusvahetid. Plaatsoojusvaheti on definitsiooni järgi soojusvaheti, mis kannab soojust ühelt jahutusvedelikult teisele läbi neid eraldava seina. Maksimaalnevõimalik kontaktpind kahe kandja vahel koos õigesti valitud materjalide, plaadi profiili ja paksusega võimaldab minimeerida valitud seadmete suurust, säilitades samal ajal tehnoloogilises protsessis nõutavad esialgsed tehnilised omadused.
Soojusvahetite tüübid
Enne soojusvaheti arvutamist määratakse see selle tüübi järgi. Kõik TOA-d võib jagada kahte suurde rühma: rekuperatiivsed ja regeneratiivsed soojusvahetid. Peamine erinevus nende vahel on järgmine: regeneratiivsetes TOA-des toimub soojusvahetus kahte jahutusvedelikku eraldava seina kaudu, samas kui regeneratiivsetes on kaks keskkonda üksteisega otsekontaktis, sageli segunedes ja vajades järgnevat eraldamist spetsiaalsetes separaatorites. Regeneratiivsed soojusvahetid jagunevad segamis- ja tihendiga soojusvahetiteks (statsionaarsed, langevad või vahepealsed). Laias laastus võib öelda, et külmikusse jahtuma pandud ämber kuuma vett või klaas kuuma teed (ärge kunagi tehke seda!) – see on sellise segamise TOA näide. Ja tee alustassi valades ja sel viisil jahutades saame näite düüsiga regeneratiivsest soojusvahetist (selles näites mängib alustass otsiku rolli), mis esm alt puutub kokku ümbritseva õhuga ja võtab selle temperatuuri, ja seejärel võtab osa sellesse valatud kuuma tee soojusest ära, püüdes viia mõlemad kandjad termilist tasakaalu. Kuid nagu me juba varem teada saime, on tõhusam kasutada soojusjuhtivust soojuse ülekandmiseks ühest keskkonnast teise, mistõttuTänapäevased soojusülekande kasulikumad (ja laialdasem alt kasutatavad) TOA-d on loomulikult taastavad.
Soojus- ja konstruktsioonikujundus
Igasuguseid rekuperatiivse soojusvaheti arvutusi saab teha termiliste, hüdrauliliste ja tugevusarvutuste tulemuste põhjal. Need on põhilised, kohustuslikud uute seadmete projekteerimisel ja moodustavad sarnaste seadmete rea järgmiste mudelite arvutamise metoodika aluse. TOA termilise arvutuse põhiülesanne on määrata soojusvahetuspinna vajalik pindala soojusvaheti stabiilseks tööks ja väljalaskeavas olevate kandja parameetrite säilitamiseks. Üsna sageli antakse sellistes arvutustes inseneridele tulevaste seadmete kaalu- ja suurusomaduste (materjal, toru läbimõõt, plaadi mõõtmed, kimbu geomeetria, ribide tüüp ja materjal jne) suvalised väärtused, mistõttu pärast soojusarvutus, teevad nad tavaliselt soojusvaheti konstruktiivse arvutuse. Lõppude lõpuks, kui insener arvutas esimeses etapis vajaliku pinna pindala antud toru läbimõõdu jaoks, näiteks 60 mm, ja soojusvaheti pikkuseks osutus umbes kuuskümmend meetrit, siis oleks loogilisem eeldada üleminekut. mitmekäigulisele soojusvahetile või korpuse ja toruga tüüpile või torude läbimõõdu suurendamiseks.
Hüdrauliline arvutus
Hüdraulilised või hüdromehaanilised, samuti aerodünaamilised arvutused tehakse selleks, et määrata ja optimeerida hüdraulika(aerodünaamilised) rõhukadud soojusvahetis, samuti arvutada energiakulud nende ületamiseks. Jahutusvedeliku läbipääsu mis tahes tee, kanali või toru arvutamine seab inimesele esmase ülesande - soojusülekande protsessi intensiivistamiseks selles piirkonnas. See tähendab, et üks keskkond peab üle kandma ja teine saama minimaalse vooluperioodi jooksul võimalikult palju soojust. Selleks kasutatakse sageli täiendavat soojusvahetuspinda, mis on välja töötatud pinnaribi kujul (piirava laminaarse alamkihi eraldamiseks ja voolu turbulentsi suurendamiseks). Hüdrauliliste kadude, soojusvahetuse pindala, kaalu- ja suurusomaduste ning eemaldatud soojusvõimsuse optimaalne tasakaalusuhe on TOA soojusliku, hüdraulilise ja konstruktsiooniarvutuse kombinatsiooni tulemus.
Kontrollige arvutust
Soojusvaheti kontrollarvutus tehakse juhul, kui on vaja varuda võimsuse või soojusvahetuspinna pindalaga. Pinda reserveeritakse erinevatel põhjustel ja erinevates olukordades: kui seda nõuab lähteülesanne, kui tootja otsustab teha lisavaru, et olla kindel, et selline soojusvaheti saavutab režiimi ja minimeerib tehtavaid vigu. arvutused. Mõnel juhul on konstruktiivsete mõõtmete tulemuste ümardamiseks vajalik koondamine, samas kui teistel juhtudel (aurustid, ökonomaiserid) lisatakse soojusvaheti võimsuse arvutamisel spetsiaalselt pinnavaru külmutuskontuuris oleva kompressoriõliga saastumise jaoks.. Ja vee halb kvaliteettuleb arvestada. Pärast soojusvahetite teatud aja katkematut töötamist, eriti kõrgetel temperatuuridel, ladestub katlakivi seadme soojusvahetuspinnale, vähendades soojusülekandetegurit ja põhjustades paratamatult soojuse eemaldamise parasiitide vähenemist. Seetõttu pöörab pädev insener vesi-vesi soojusvaheti arvutamisel erilist tähelepanu soojusvahetuspinna täiendavale koondamisele. Samuti tehakse kontrollarvutus, et näha, kuidas valitud seadmed töötavad teistes sekundaarsetes režiimides. Näiteks keskkliimaseadmetes (toitesõlmedes) kasutatakse esimest ja teist küttekeha, mida kasutatakse külmal aastaajal, sageli suvel sissetuleva õhu jahutamiseks, varustades õhusoojusvaheti torusid külma veega. Kuidas need toimivad ja millised parameetrid välja annavad, võimaldab teil hinnata kinnitusarvutust.
Uurimislikud arvutused
TOA uurimisarvutused tehakse soojus- ja kontrollarvutuste saadud tulemuste põhjal. Need on reeglina vajalikud kavandatud aparaadi konstruktsiooni viimaste muudatuste tegemiseks. Neid viiakse läbi ka empiiriliselt (vastav alt eksperimentaalsetele andmetele) saadud võrrandite parandamiseks, mis sisalduvad TOA rakendatud arvutusmudelis. Uurimisarvutuste teostamine hõlmab kümneid ja mõnikord sadu arvutusi eriplaani järgi, mis on välja töötatud ja tootmises rakendatud vastav alt määrusele.planeerimiskatsete matemaatiline teooria. Tulemuste põhjal selgub erinevate tingimuste ja füüsikaliste suuruste mõju TOA efektiivsusnäitajatele.
Muud arvutused
Soojusvaheti pindala arvutamisel ärge unustage materjalide vastupidavust. TOA tugevusarvutused hõlmavad projekteeritud seadme pinge, väände ja tulevase soojusvaheti osadele ja sõlmedele maksimaalsete lubatud töömomentide rakendamise kontrollimist. Minimaalsete mõõtmetega toode peab olema tugev, stabiilne ja tagama ohutu töö erinevates, isegi kõige nõudlikumates töötingimustes.
Dünaamiline arvutus tehakse selleks, et määrata soojusvaheti erinevad omadused muutuvatel töörežiimidel.
Soojusvaheti konstruktsioonitüübid
Rekuperatiivse TOA disainilahenduse järgi saab jagada üsna suureks arvuks rühmadeks. Kõige kuulsamad ja laialdasem alt kasutatavad on plaatsoojusvahetid, õhk (torukujulised ribidega), kest-toru-, toru-toru-soojusvahetid, kest-plaat jt. On ka eksootilisemaid ja spetsiifilisemaid tüüpe, nagu spiraal (spiraalsoojusvaheti) või kraapitud tüüp, mis töötavad viskoossete või mitte-Newtoni vedelikega, aga ka palju muid tüüpe.
Toru-toru-soojusvahetid
Vaatleme soojusvaheti "toru torus" lihtsaimat arvutust. Struktuuriliselt on seda tüüpi TOA maksimaalselt lihtsustatud. Reeglina lasevad need aparaadi sisetorussekuum jahutusvedelik, et minimeerida kadusid, ja jahutusvedelik lastakse korpusesse või välistorusse. Inseneri ülesanne on sel juhul taandatud sellise soojusvaheti pikkuse määramisele soojusvahetuspinna arvestusliku pindala ja etteantud läbimõõtude põhjal.
Siia tasub lisada, et termodünaamikas on kasutusele võetud ideaalse soojusvaheti kontseptsioon ehk lõpmatu pikkusega aparaat, kus soojuskandjad töötavad vastuvoolus ja nendevaheline temperatuurierinevus on täielikult välja töötatud. Toru torus konstruktsioon on nende nõuete täitmisele kõige lähemal. Ja kui käivitate jahutusvedelikud vastuvooluga, siis on see nn "tõeline vastuvool" (ja mitte risti, nagu plaatide TOA-de puhul). Temperatuuripea on sellise liikumiskorraldusega kõige tõhusam alt välja töötatud. Soojusvaheti "toru torus" arvutamisel tuleks aga olla realistlik ja mitte unustada logistikakomponenti, aga ka paigaldamise lihtsust. Euroveoki pikkus on 13,5 meetrit ning kõik tehnilised ruumid ei ole kohandatud sellise pikkusega libisemiseks ja seadmete paigaldamiseks.
Kesta- ja torusoojusvahetid
Seetõttu läheb sellise seadme arvutamine väga sageli sujuv alt üle kesta ja toruga soojusvaheti arvutamisse. See on seade, milles torude kimp asub ühes korpuses (korpuses), mida pestakse sõltuv alt seadme otstarbest erinevate jahutusvedelikega. Näiteks kondensaatorites lastakse külmutusagens kesta ja vesi torudesse. Selle meedia liikumise meetodi abil on seda mugavam ja tõhusam juhtidaaparaadi töö. Seevastu aurustites keeb külmutusagens torudes, samal ajal kui jahutatud vedelik (vesi, soolveed, glükoolid jne) peseb neid. Seetõttu vähendatakse kesta ja toruga soojusvaheti arvutamist seadmete mõõtmete minimeerimiseks. Korpuse läbimõõdu, sisemiste torude läbimõõdu ja arvu ning seadme pikkusega mängides jõuab insener soojusvahetuspinna arvutatud väärtuseni.
Õhksoojusvahetid
Üks tänapäeval levinumaid soojusvahetiid on torukujulised ribidega soojusvahetid. Neid nimetatakse ka madudeks. Seal, kus neid ei paigaldata ainult, alustades fancoil-seadmetest (inglise keelest fan + coil, st "ventilaator" + "coil") split-süsteemide siseseadmetes ja lõpetades hiiglaslike suitsugaaside rekuperaatoritega (soojuse eemaldamine kuumast suitsugaasist ja ülekanne küttevajadusteks) koostootmisjaama katlamajades. Seetõttu sõltub spiraalsoojusvaheti arvutus rakendusest, kus see soojusvaheti tööle hakkab. Liha kiirkülmutuskambritesse, madala temperatuuriga sügavkülmikutesse ja muudesse toiduainete külmutusseadmetesse paigaldatud tööstuslikud õhujahutid (HOP) nõuavad oma konstruktsioonis teatud konstruktsioonielemente. Lamellide (ribide) vaheline kaugus peaks olema võimalikult suur, et pikendada sulatustsüklite vahelist pidevat tööaega. Vastupidi, andmekeskuste aurustid (andmetöötluskeskused) muudetakse võimalikult kompaktseks kihtidevahelise klambriga.minimaalne vahemaa. Sellised soojusvahetid töötavad "puhastes tsoonides", mida ümbritsevad peened filtrid (kuni HEPA klassini), seetõttu tehakse selline torukujulise soojusvaheti arvutus rõhuasetusega mõõtmete minimeerimisele.
Plaadisoojusvahetid
Praegu on plaatsoojusvahetite järele stabiilne nõudlus. Disaini järgi on need täielikult kokkupandavad ja poolkeevitatud, vask- ja niklijoodised, keevitatud ja hajutatud (ilma jooteta). Plaatsoojusvaheti soojusarvutus on üsna paindlik ega valmista insenerile erilisi raskusi. Valikuprotsessis saab mängida plaatide tüübi, sepistamiskanalite sügavuse, ribide tüübi, terase paksuse, erinevate materjalidega ja mis kõige tähtsam, arvukate erineva suurusega seadmete standardsuuruses mudelitega. Sellised soojusvahetid on madalad ja laiad (vee auruga soojendamiseks) või kõrged ja kitsad (eraldussoojusvahetid kliimaseadmete jaoks). Neid kasutatakse sageli ka faasimuutuskeskkonnas, st kondensaatoritena, aurustitena, aurutitena, eelkondensaatoritena jne. Kahefaasilise soojusvaheti soojusarvutus on veidi keerulisem kui vedelik-vedelik soojusvaheti puhul, kuid kogenud insenerile, see ülesanne on lahendatav ega tekita erilisi raskusi. Selliste arvutuste hõlbustamiseks kasutavad kaasaegsed disainerid tehnilisi arvutiandmebaase, kust leiate palju vajalikku teavet, sealhulgas mis tahes külmutusagensi olekuskeeme mis tahes pühkides, näiteks programmis. CoolPack.
Soojusvaheti arvutuse näide
Arvutuse põhieesmärk on arvutada välja soojusvahetuspinna vajalik pindala. Soojus(külmutus)võimsus on tavaliselt lähteülesandes märgitud, kuid meie näites arvutame selle nii-öelda lähteülesande enda kontrollimiseks. Mõnikord juhtub ka seda, et lähteandmetesse võib viga hiilida. Pädeva inseneri üks ülesandeid on selle vea leidmine ja parandamine. Näitena arvutame "vedelik-vedelik" tüüpi plaatsoojusvaheti. Olgu selleks kõrghoone rõhukatkestaja. Seadmete survega mahalaadimiseks kasutatakse seda lähenemist väga sageli pilvelõhkujate ehitamisel. Soojusvaheti ühel küljel on vesi sisselasketemperatuuriga Tin1=14 ᵒС ja väljalasketemperatuuriga Тout1=9 ᵒС ning voolukiirusega G1=14 500 kg / h ja teisel pool ka vesi, kuid ainult järgmiste parameetritega: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Arvutame vajaliku võimsuse (Q0) soojusbilansi valemi abil (vt ül altoodud joonist, valem 7.1), kus Ср on erisoojusvõimsus (tabeli väärtus). Arvutuste lihtsuse huvides võtame soojusmahtuvuse vähendatud väärtuse Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Loendamine:
Q1=14 500(14–9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW – esimesel küljel ja
Q2=18 125(12–8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW – teisel küljel.
Pange tähele, et valemi (7.1) kohaselt Q0=Q1=Q2, olenematakummal poolel arvutus tehti.
Lisaks, kasutades peamist soojusülekande võrrandit (7.2), leiame vajaliku pindala (7.2.1), kus k on soojusülekandetegur (võetuna 6350 [W/m 2]) ja ΔТav.log. - keskmine logaritmiline temperatuurierinevus, arvutatuna valemi (7.3) järgi:
ΔT keskmine logi.=(2–1) / ln (2/1)=1 / ln2=1/0, 6931=1, 4428;
F siis=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Kui soojusülekandetegur on teadmata, on plaatsoojusvaheti arvutamine veidi keerulisem. Valemi (7.4) järgi arvutame Reynoldsi kriteeriumi, kus ρ on tihedus, [kg/m3], η on dünaamiline viskoossus, [Ns/m 2], v on keskkonna kiirus kanalis, [m/s], d cm on kanali niisutatud läbimõõt [m].
Vastav alt tabelile otsime meile vajaliku Prandtli kriteeriumi [Pr] väärtuse ja saame valemi (7.5) abil Nusselti kriteeriumi, kus n=0,4 - vedeliku kuumutamise tingimustes ja n=0,3 – vedelikjahutuse tingimustes.
Järgmiseks arvutame valemiga (7.6) soojusülekandeteguri ig alt jahutusvedelikult seinale ja valemiga (7.7) arvutame soojusülekandeteguri, mille asendame valemiga (7.2.1) soojusvahetuspinna pindala arvutamiseks.
Näidatud valemites on λ soojusjuhtivuse koefitsient, ϭ on kanali seina paksus, α1 ja α2 on soojusülekandetegurid igast soojuskandjast seinale.
