Concepte de bază ale transferului de căldură pentru calcularea schimbătorilor de căldură

Calculul schimbătorului de căldură nu durează în prezent mai mult de cinci minute. Orice organizație care produce și vinde astfel de echipamente, de regulă, pune la dispoziția tuturor propriul program de selecție. Puteți să-l descărcați gratuit de pe site-ul companiei sau tehnicianul acestora va veni la biroul dvs. și îl va instala gratuit. Cu toate acestea, cât de corect este rezultatul unor astfel de calcule, este posibil să aveți încredere în el și producătorul nu este viclean când luptă într-o ofertă cu concurenții săi? Verificarea unui calculator electronic necesită cunoștințe sau cel puțin o înțelegere a metodologiei de calcul pentru schimbătoarele moderne de căldură. Să încercăm să ne dăm seama de detalii.

Ce este un schimbător de căldură

Înainte de a calcula schimbătorul de căldură, să ne amintim, ce fel de dispozitiv este? Un aparat de schimb de căldură și masă (alias schimbător de căldură, alias schimbător de căldură sau TOA) este un dispozitiv pentru transferul căldurii de la un purtător de căldură la altul. În procesul de modificare a temperaturilor lichidelor de răcire, se schimbă și densitatea acestora și, în consecință, indicatorii de masă ai substanțelor. De aceea astfel de procese se numesc transfer de căldură și masă.

Meniu principal

Buna! Un schimbător de căldură este un dispozitiv în care schimbul de căldură se efectuează între doi sau mai mulți purtători de căldură sau între purtători de căldură și solide (duză, perete). Rolul agentului de răcire poate fi jucat și de mediul din jurul aparatului. În funcție de scopul și designul lor, schimbătoarele de căldură pot fi foarte diferite, variind de la cel mai simplu (radiator) până la cel mai avansat (cazan). Conform principiului de funcționare, schimbătoarele de căldură sunt împărțite în recuperare, regenerare și amestecare.

Dispozitivele recuperative se numesc dispozitive în care purtătorii de căldură caldă și rece curg simultan, separați de un perete solid. Aceste dispozitive includ încălzitoare, cazane, condensatoare, evaporatoare etc.

Aparatele în care aceeași suprafață de încălzire este alternativ spălată de lichid cald și rece se numesc regenerative. În acest caz, căldura acumulată de pereții aparatului în timpul interacțiunii lor cu lichidul fierbinte este cedată lichidului rece. Un exemplu de aparate regenerative sunt încălzitoarele de aer ale cuptoarelor cu focar deschis și furnalelor, cuptoarelor de încălzire etc. În regeneratoare, schimbul de căldură are loc întotdeauna în condiții non-staționare, în timp ce aparatele recuperatoare funcționează mai ales într-un mod staționar.

Dispozitivele recuperative și regenerative sunt, de asemenea, numite suprafață, deoarece procesul de transfer al căldurii în ele este inevitabil asociat cu suprafața unui solid.

Mixerele sunt dispozitive în care transferul de căldură se realizează prin amestecarea directă a lichidelor calde și reci.

Mișcarea reciprocă a purtătorilor de căldură în schimbătoarele de căldură poate fi diferită (Fig. 1.).

În funcție de acest lucru, se face distincția între dispozitivele cu flux direct, contracurent, debit transversal și cu o direcție complexă de mișcare a purtătorilor de căldură (curent mixt). Dacă lichidele de răcire curg în paralel într-o direcție, atunci un astfel de model de mișcare se numește flux înainte (Fig. 1.). Cu contracurent, lichidele de răcire se deplasează în paralel, dar unul spre celălalt. Dacă direcțiile de mișcare ale fluidelor se intersectează, atunci modelul de mișcare se numește flux transversal. În plus față de schemele denumite, în practică sunt utilizate și mai complexe: flux simultan înainte și contracurent, curent transversal multiplu etc.

În funcție de scopul tehnologic și de caracteristicile de proiectare, schimbătoarele de căldură sunt împărțite în încălzitoare de apă, condensatoare, cazane, evaporatoare etc. Dar lucrul obișnuit este că toate servesc la transferul căldurii de la un purtător de căldură la altul, prin urmare, dispozițiile de bază de calcul termic sunt aceleași pentru ei ... Diferența poate fi doar scopul final al decontării. La proiectarea unui nou schimbător de căldură, sarcina de calcul este de a determina suprafața de încălzire; în calculul termic de verificare a schimbătorului de căldură existent, este necesar să se găsească cantitatea de căldură transferată și temperaturile finale ale fluidelor de lucru.

Calculul căldurii în ambele cazuri se bazează pe ecuațiile echilibrului de căldură și ecuația transferului de căldură.

Ecuația echilibrului de căldură al schimbătorului de căldură are forma:

unde M este debitul masic al lichidului de răcire, kg / s; cpm - masă specifică capacitatea termică izobarică medie a lichidului de răcire, J / (kg * ° С).

În continuare, indicele "1" indică valorile legate de lichidul fierbinte (purtător de căldură primar), iar indicele "2" - la lichidul rece (purtător de căldură secundar); linia corespunde temperaturii lichidului la intrarea în aparat și două linii - la ieșire.

La calcularea schimbătorilor de căldură, se utilizează deseori conceptul capacității totale de căldură a debitului masic al purtătorului de căldură (echivalent cu apă), egal cu C = Mav W / ° C. Din expresia (1) rezultă că

adică, raportul schimbărilor de temperatură ale fluidelor monofazate de transfer de căldură este invers proporțional cu raportul dintre capacitățile lor totale de căldură consumate (echivalenți de apă).

Ecuația transferului de căldură este scrisă astfel: Q = k * F * (t1 - t2), unde t1, t2 sunt temperaturile purtătorilor de căldură primare și secundare; F este suprafața de transfer a căldurii.

În timpul schimbului de căldură, în majoritatea cazurilor, temperaturile ambilor purtători de căldură se schimbă și, prin urmare, se modifică capul de temperatură Δt = t1 - t2. Coeficientul de transfer de căldură pe suprafața schimbului de căldură va avea, de asemenea, o valoare variabilă, prin urmare, valorile medii ale diferenței de temperatură Δtav și coeficientul de transfer de căldură kcp ar trebui înlocuit în ecuația de transfer de căldură, adică

Q = kсp * F * Δtcp (3)

Zona de schimb de căldură F este calculată prin formula (3), în timp ce performanța termică Q este specificată. Pentru a rezolva problema, este necesar să se calculeze media coeficientului de transfer de căldură pe întreaga suprafață kсp și temperatura capului headtav.

La calcularea diferenței medii de temperatură, este necesar să se țină seama de natura modificării temperaturilor purtătorilor de căldură de-a lungul suprafeței de schimb de căldură. Din teoria conductivității termice se știe că într-o placă sau o tijă cilindrică în prezența unei diferențe de temperatură la capete (suprafețele laterale sunt izolate), distribuția temperaturii de-a lungul lungimii este liniară. Dacă schimbul de căldură are loc pe suprafața laterală sau sistemul are surse interne de căldură, atunci distribuția temperaturii este curbiliniară. Cu o distribuție uniformă a surselor de căldură, schimbarea temperaturii de-a lungul lungimii va fi parabolică.

Astfel, la schimbătoarele de căldură, natura schimbării temperaturilor purtătorilor de căldură diferă de cea liniară și este determinată de capacitățile totale de căldură C1 și C2 ale debitelor de masă ale purtătorilor de căldură și de direcția mișcării reciproce a acestora. (Fig. 2).

Se poate observa din grafice că modificarea temperaturii de-a lungul suprafeței F nu este aceeași. În conformitate cu ecuația (2), cu atât schimbarea temperaturii va fi mai mare pentru purtătorul de căldură cu capacitatea de căldură mai mică a debitului masic. Dacă lichidele de răcire sunt aceleași, de exemplu, într-un schimbător de căldură apă-apă, atunci natura modificării temperaturilor lichidelor de răcire va fi în întregime determinată de debitele lor și la un debit mai mic, temperatura schimbarea va fi mare.Cu debitul de curent, temperatura finală t "2 a mediului încălzit este întotdeauna mai mică decât temperatura t" 1 a mediului de încălzire la ieșirea aparatului și, cu contracurent, temperatura finală t "2 poate fi mai mare decât temperatura t "1 (vezi pentru contracurent cazul când C1> C2). În consecință, la aceeași temperatură inițială, mediul care urmează să fie încălzit cu flux de contracurent poate fi încălzit la o temperatură mai mare decât cu flux de cocurrent.

La debitul de cocurent, temperatura de-a lungul suprafeței de încălzire se schimbă într-o măsură mai mare decât la contracurent. În același timp, valoarea sa medie în acest din urmă caz ​​este mai mare, drept urmare suprafața de încălzire a aparatului cu contracurent va fi mai mică. Astfel, în condiții egale, în acest caz, va fi transferată mai multă căldură. Pe baza acestui fapt, ar trebui să se acorde preferință dispozitivelor cu contracurent.

Ca rezultat al unui studiu analitic al unui schimbător de căldură care funcționează conform schemei de curgere directă, s-a constatat că temperatura temperaturii de-a lungul suprafeței schimbului de căldură se schimbă exponențial, astfel încât temperatura medie a temperaturii poate fi calculată prin formula:

unde Δtb este diferența mare de temperatură dintre purtătorul de căldură cald și rece (de la un capăt al schimbătorului de căldură); Δtm - diferență de temperatură mai mică (de la celălalt capăt al schimbătorului de căldură).

Cu un flux înainte, Δtb = t'1 - t'2 și Δtm = t "1 - t" 2 (Fig. 2.). Această formulă este valabilă și pentru contracurent, cu singura diferență ca în cazul în care C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 și Δtm = t'1 - t "2.

Diferența medie de temperatură dintre două medii, calculată prin formula (4), se numește logaritmică medie. capul temperaturii. Forma expresiei se datorează naturii schimbării temperaturii de-a lungul suprafeței de încălzire (dependență curbiliniară). Dacă dependența ar fi liniară, atunci temperatura capului ar trebui determinată ca o medie aritmetică (Fig. 3.). Valoarea capului mediu aritmetic Δtа.av este întotdeauna mai mare decât media logaritmică Δtl.av. Cu toate acestea, în cazurile în care capul de temperatură de-a lungul lungimii schimbătorului de căldură se modifică nesemnificativ, adică condiția Δtb / Δtm <2 este îndeplinită, diferența medie de temperatură poate fi calculată ca medie aritmetică:

Media diferenței de temperatură pentru dispozitivele cu curenți încrucișați și amestecați se distinge prin complexitatea calculelor, prin urmare, pentru o serie de scheme cele mai comune, rezultatele soluțiilor sunt de obicei date sub formă de grafice. Isp. Literatură: 1) Bazele ingineriei energiei termice, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, ed. 2, „Școala superioară”, 1976. 3) Ingineria termică, ed. 2, sub redacția generală a. LA Sushkina, Moscova „Metalurgie”, 1973.

Tipuri de transfer de căldură

Acum să vorbim despre tipurile de transfer de căldură - există doar trei dintre ele. Radiații - transferul de căldură prin radiații. De exemplu, vă puteți gândi să faceți plajă pe plajă într-o zi caldă de vară. Și astfel de schimbătoare de căldură pot fi găsite chiar pe piață (încălzitoare de aer cu lampă). Cu toate acestea, cel mai adesea pentru încălzirea locuințelor, a camerelor dintr-un apartament, cumpărăm radiatoare electrice sau cu ulei. Acesta este un exemplu de alt tip de transfer de căldură - convecție. Convecția poate fi naturală, forțată (capota de evacuare și există un recuperator în cutie) sau indusă mecanic (cu un ventilator, de exemplu). Ultimul tip este mult mai eficient.

Cu toate acestea, cel mai eficient mod de a transfera căldura este conductivitatea termică sau, așa cum se mai numește și conducția (din engleza conduction - „conduction”). Orice inginer care urmează să efectueze un calcul termic al unui schimbător de căldură, în primul rând, se gândește să aleagă echipamente eficiente în cele mai mici dimensiuni posibile. Și acest lucru se realizează tocmai datorită conductivității termice. Un exemplu în acest sens este cel mai eficient TOA de astăzi - schimbătoare de căldură cu plăci. Placa TOA, prin definiție, este un schimbător de căldură care transferă căldura de la un agent de răcire la altul prin peretele care le separă. Suprafața maximă posibilă de contact dintre două medii, împreună cu materialele selectate corect, profilul plăcilor și grosimea acestora, vă permite să minimizați dimensiunea echipamentului selectat, menținând în același timp caracteristicile tehnice originale necesare procesului tehnologic.

Tipuri de schimbătoare de căldură

Înainte de a calcula schimbătorul de căldură, acestea sunt determinate cu tipul acestuia. Toate TOA pot fi împărțite în două grupuri mari: schimbătoare de căldură recuperatoare și regenerative. Principala diferență dintre ele este următoarea: în TOA recuperator, schimbul de căldură are loc printr-un perete care separă doi agenți de răcire, iar în TOA regenerativ, cele două medii au contact direct unul cu celălalt, adesea amestecându-se și necesitând separarea ulterioară în separatoare speciale. Schimbătoarele de căldură regenerative sunt împărțite în amestecătoare și schimbătoare de căldură cu garnituri (staționare, în cădere sau intermediare). Aproximativ vorbind, o găleată de apă fierbinte expusă la îngheț sau un pahar de ceai fierbinte plasat în frigider pentru a se răci (nu faceți asta niciodată!) Este un exemplu de astfel de amestecuri TOA. Și turnând ceaiul într-o farfurie și răcindu-l în acest fel, obținem un exemplu de schimbător de căldură regenerativ cu duză (farfuria din acest exemplu joacă rolul unei duze), care contactează mai întâi aerul ambiant și își ia temperatura , și apoi ia o parte din căldura din ceaiul fierbinte turnat în el, căutând să aducă ambele medii în echilibru termic. Cu toate acestea, așa cum am aflat deja mai devreme, este mai eficient să folosiți conductivitatea termică pentru a transfera căldura de la un mediu la altul, prin urmare, TOA care sunt mai utile în ceea ce privește transferul de căldură (și utilizate pe scară largă) astăzi sunt, desigur, recuperator.

Determinarea cantității de căldură

Ecuația de transfer de căldură utilizată pentru unitățile de timp și procesele în stare staționară este după cum urmează:

Q = KFtcp (W)

În această ecuație:

• K este valoarea coeficientului de transfer de căldură (exprimat în W / (m2 / K));
• tav - diferența medie a indicatorilor de temperatură între diferiți purtători de căldură (valoarea poate fi dată atât în ​​grade Celsius (0С), cât și în kelvin (K));
• F este valoarea suprafeței pentru care are loc transferul de căldură (valoarea este dată în m2).

Ecuația vă permite să descrieți procesul în care căldura este transferată între purtătorii de căldură (de la cald la rece). Ecuația ia în considerare:

• transfer de căldură de la agentul de răcire (fierbinte) la perete;
• parametrii conductivității termice ale pereților;
• transferul de căldură de la perete la agentul de răcire (rece).

Calculul termic și structural

Orice calcul al unui schimbător de căldură recuperator poate fi făcut pe baza rezultatelor calculelor termice, hidraulice și de rezistență. Acestea sunt fundamentale, obligatorii în proiectarea de echipamente noi și formează baza metodei de calcul pentru modelele ulterioare ale liniei aceluiași tip de aparat. Sarcina principală a calculului termic al TOA este de a determina aria necesară a suprafeței de schimb de căldură pentru o funcționare stabilă a schimbătorului de căldură și menținerea parametrilor necesari ai mediului la ieșire. Destul de des, în astfel de calcule, inginerilor li se oferă valori arbitrare ale caracteristicilor de masă și dimensiune ale echipamentelor viitoare (material, diametrul țevii, dimensiunile plăcilor, geometria grinzii, tipul și materialul de aripi etc.), prin urmare, după termic, se efectuează de obicei un calcul constructiv al schimbătorului de căldură. Într-adevăr, dacă la prima etapă inginerul a calculat suprafața necesară pentru un anumit diametru al țevii, de exemplu, 60 mm, iar lungimea schimbătorului de căldură s-a dovedit a fi de aproximativ șaizeci de metri, atunci este mai logic să presupunem că tranziția la un schimbător de căldură cu mai multe treceri sau la un tip de tip shell-and-tube sau pentru a crește diametrul tuburilor.

Mecanisme de transfer de căldură în calculul schimbătorilor de căldură

Cele trei tipuri principale de transfer de căldură sunt convecția, conducerea căldurii și radiațiile.

În procesele de schimb de căldură care procedează în conformitate cu principiile mecanismului de conducere a căldurii, energia termică este transferată sub forma transferului de energie a vibrațiilor elastice atomice și moleculare. Transferul acestei energii între diferiți atomi este în direcția scăderii.

Calculul caracteristicilor transferului de energie termică conform principiului conductivității termice se efectuează conform legii Fourier

Datele privind suprafața, conductivitatea termică, gradientul de temperatură, perioada de curgere sunt utilizate pentru a calcula cantitatea de energie termică.Conceptul de gradient de temperatură este definit ca schimbarea temperaturii în direcția transferului de căldură cu una sau alta unitate de lungime.

Conductivitatea termică este rata procesului de schimb de căldură, adică cantitatea de energie termică care trece prin orice unitate de suprafață pe unitate de timp.

După cum știți, metalele se caracterizează prin cel mai mare coeficient de conductivitate termică față de alte materiale, care trebuie luat în considerare în orice calcul al proceselor de schimb de căldură. În ceea ce privește lichidele, acestea au, de regulă, un coeficient de conductivitate termică relativ mai mic în comparație cu corpurile aflate într-o stare solidă de agregare.

Este posibil să se calculeze cantitatea de energie termică transferată pentru calcularea schimbătorilor de căldură, în care energia termică este transferată între diferite medii prin perete, utilizând ecuația Fourier. Este definită ca cantitatea de energie termică care trece printr-un plan care se caracterizează printr-o grosime foarte mică:

După efectuarea unor operații matematice, obținem următoarea formulă

Se poate concluziona că scăderea temperaturii în interiorul peretelui se realizează în conformitate cu legea unei linii drepte.

Calcul hidraulic

Calculele hidraulice sau hidromecanice, precum și cele aerodinamice sunt efectuate pentru a determina și optimiza pierderile de presiune hidraulice (aerodinamice) în schimbătorul de căldură, precum și pentru a calcula costurile energetice pentru a le depăși. Calculul oricărei căi, canale sau conducte pentru trecerea lichidului de răcire reprezintă o sarcină principală pentru o persoană - intensificarea procesului de transfer de căldură în această zonă. Adică, un mediu ar trebui să se transfere, iar celălalt ar trebui să primească cât mai multă căldură posibil la intervalul minim al debitului său. Pentru aceasta, se folosește adesea o suprafață suplimentară de schimb de căldură, sub forma unei nervuri de suprafață dezvoltate (pentru a separa substratul laminar limită și pentru a spori turbulizarea fluxului). Raportul optim de echilibru dintre pierderile hidraulice, suprafața schimbătoare de căldură, caracteristicile de greutate și dimensiune și puterea termică eliminată este rezultatul unei combinații de calcul termic, hidraulic și constructiv al TOA.

Calculul verificării

Calculul schimbătorului de căldură se efectuează în cazul în care este necesar să se stabilească o marjă pentru putere sau pentru suprafața schimbului de căldură. Suprafața este rezervată din diverse motive și în situații diferite: dacă acest lucru este necesar conform termenilor de referință, dacă producătorul decide să adauge o marjă suplimentară pentru a fi sigur că un astfel de schimbător de căldură va intra în funcțiune și pentru a minimiza erorile făcute în calcule. În unele cazuri, redundanța este necesară pentru a rotunji rezultatele dimensiunilor de proiectare, în altele (evaporatoare, economizoare), o marjă de suprafață este introdusă special în calculul capacității schimbătorului de căldură pentru contaminarea cu ulei de compresor prezent în circuitul frigorific. Și calitatea scăzută a apei trebuie luată în considerare. După un timp de funcționare neîntreruptă a schimbătoarelor de căldură, în special la temperaturi ridicate, scara se așează pe suprafața de schimb de căldură a aparatului, reducând coeficientul de transfer de căldură și ducând inevitabil la o scădere parazitară a eliminării căldurii. Prin urmare, un inginer competent, atunci când calculează schimbătorul de căldură apă-apă, acordă o atenție specială redundanței suplimentare a suprafeței schimbătorului de căldură. Calculul de verificare se efectuează, de asemenea, pentru a vedea cum va funcționa echipamentul selectat în alte moduri secundare. De exemplu, în aparatele de aer condiționat centrale (unitățile de alimentare cu aer), primul și al doilea încălzitor de încălzire, utilizat în sezonul rece, sunt adesea folosite vara pentru a răci aerul care intră prin furnizarea de apă rece tuburilor schimbătorului de căldură de aer.Cum vor funcționa și ce parametri vor oferi vă permite să evaluați calculul verificării.

Dispozitivul și principiul de funcționare

Echipamentele de schimb de căldură de pe piața modernă sunt prezentate într-o mare varietate.

Întreaga gamă disponibilă de produse din această linie poate fi împărțită în două tipuri, cum ar fi:

• agregate de plăci;
• dispozitive de tip shell-and-tube.

Ultimul soi, datorită ratei reduse de eficiență, precum și dimensiunilor sale mari, aproape că nu este vândut astăzi pe piață. Schimbătorul de căldură cu plăci este format din plăci ondulate identice, care sunt fixate pe un cadru metalic robust. Elementele sunt situate într-o imagine în oglindă una față de cealaltă și între ele există garnituri de oțel și cauciuc. Suprafața utilă de schimb de căldură depinde direct de dimensiunea și numărul de plăci.

Dispozitivele cu plăci pot fi împărțite în două subspecii bazate pe configurație, cum ar fi:

• unități brazate;
• schimbătoare de căldură cu garnituri.

Dispozitivele pliabile diferă de produsele de tip asamblat lipit prin faptul că, de îndată ce este necesar, dispozitivul poate fi actualizat și adaptat la nevoile personale, de exemplu, adăugarea sau eliminarea unui anumit număr de plăci. Schimbătoarele de căldură cu garnitură sunt solicitate în zonele în care apa dură este utilizată pentru nevoile casnice, datorită caracteristicilor cărora se acumulează băuturi și diferiți contaminanți pe elementele unității. Aceste neoplasme afectează negativ eficiența dispozitivului, prin urmare, trebuie să fie curățate în mod regulat și, datorită configurației lor, acest lucru este întotdeauna posibil.

Dispozitivele care nu pot fi demontate se disting prin următoarele caracteristici:

• nivel ridicat de rezistență la presiuni ridicate și fluctuații de temperatură;
• durată lungă de viață;
• greutate redusă.

Ansamblurile brazate sunt curățate fără a demonta întreaga structură.

Pe baza calculului tipului și a opțiunii de instalare a unității, ar trebui să se distingă două tipuri de schimbătoare de căldură pentru apă caldă de la încălzire.

• Schimbătoarele de căldură interne sunt amplasate în dispozitivele de încălzire - cuptoare, cazane și altele. Instalarea de acest tip vă permite să obțineți o eficiență maximă în timpul funcționării produselor, deoarece pierderea de căldură pentru încălzirea carcasei va fi minimă. De regulă, astfel de dispozitive sunt deja încorporate în cazan în etapa de fabricație a cazanelor. Acest lucru facilitează foarte mult instalarea și punerea în funcțiune, deoarece trebuie doar să reglați modul de funcționare necesar al schimbătorului de căldură.

• Schimbătoarele de căldură externe trebuie conectate separat de sursa de căldură. Astfel de dispozitive sunt relevante pentru utilizare în cazurile în care funcționarea dispozitivului depinde de o sursă de încălzire la distanță. Casele cu încălzire centralizată sunt un exemplu. În acest exemplu de realizare, unitatea de uz casnic care încălzește apa acționează ca un dispozitiv extern.

Luând în considerare tipul de material din care sunt realizate despărțirile, merită subliniat următoarele modele:

• schimbătoare de căldură din oțel;
• dispozitive din fontă.

În plus, se remarcă sistemele de cupru brazat. Sunt folosite pentru încălzirea centralizată a clădirilor de apartamente.

Următoarele caracteristici trebuie considerate caracteristicile echipamentelor din fontă:

• materia primă se răcește destul de încet, ceea ce economisește funcționarea întregului sistem de încălzire;
• materialul are o conductivitate termică ridicată, toate produsele din fontă au proprietăți inerente în care se încălzește foarte repede și degajă căldură altor elemente;
• materia primă este rezistentă la formarea scării pe bază, în plus, este mai rezistentă la coroziune;
• instalând secțiuni suplimentare, puteți crește puterea și funcționalitatea unității în ansamblu;
• produsele din acest material pot fi transportate în părți, împărțindu-l în secțiuni, ceea ce facilitează procesul de livrare, precum și instalarea și întreținerea schimbătorului de căldură.

Vă sugerăm să vă familiarizați cu: De ce parte să puneți bariera de vapori a - DOLGOSTROI.PRO
Ca orice alt produs, un astfel de dispozitiv dependent are următoarele dezavantaje:

• fonta se remarcă prin rezistența sa scăzută la fluctuații puternice de temperatură, astfel de fenomene pot fi pline de formarea de fisuri pe dispozitiv, care vor afecta negativ performanța schimbătorului de căldură;
• chiar și având dimensiuni mari, unitățile din fontă sunt foarte fragile, prin urmare deteriorarea mecanică, în special în timpul transportului produselor, o poate deteriora grav;
• materialul este predispus la coroziune uscată;
• masa și dimensiunile mari ale dispozitivului complică uneori dezvoltarea și instalarea sistemului.

Schimbătoarele de căldură din oțel pentru alimentarea cu apă caldă se remarcă prin următoarele avantaje:

• conductivitate termică ridicată;
• mică masă de produse. Oțelul nu face sistemul mai greu, prin urmare astfel de dispozitive sunt cea mai bună opțiune atunci când este nevoie de un schimbător de căldură, a cărui sarcină este de a deservi o zonă mare;
• unitățile de oțel sunt rezistente la solicitări mecanice;
• schimbătorul de căldură din oțel nu reacționează la fluctuațiile de temperatură din interiorul structurii;
• materialul are caracteristici bune de elasticitate, totuși, contactul prelungit cu un mediu foarte încălzit sau răcit poate duce la formarea de fisuri în zona sudurilor.

Dezavantajele dispozitivelor includ următoarele caracteristici:

• susceptibilitate la coroziune electrochimică. Prin urmare, cu contactul constant cu un mediu agresiv, durata de viață a dispozitivului va fi redusă semnificativ;
• dispozitivele nu au capacitatea de a crește eficiența muncii;
• unitatea de oțel pierde foarte repede căldura, care este plină de un consum crescut de combustibil pentru o funcționare productivă;
• nivel scăzut de întreținere. Este aproape imposibil să reparați dispozitivul cu propriile mâini;
• asamblarea finală a schimbătorului de căldură din oțel se efectuează în condițiile atelierului în care a fost fabricat. Unitățile sunt blocuri monolitice de dimensiuni mari, din cauza cărora există dificultăți în livrarea lor.

Unii producători, pentru a crește calitatea schimbătorilor de căldură din oțel, își acoperă pereții interiori cu fontă, sporind astfel fiabilitatea structurii.

Schimbătoarele moderne de căldură sunt unități a căror funcționare se bazează pe diferite principii:

• irigare;
• submersibil;
• brazat;
• superficial;
• pliabil;
• lamelar cu nervuri;
• amestecarea;
• shell-and-tube și altele.

Dar schimbătoarele de căldură cu plăci pentru alimentarea cu apă caldă și încălzire diferă favorabil de o serie de altele. Acestea sunt încălzitoare cu flux. Instalațiile sunt o serie de plăci, între care se formează două canale: cald și rece. Acestea sunt separate de o garnitură de oțel și cauciuc, astfel încât amestecul de medii este eliminat.

Plăcile sunt asamblate într-un bloc. Acest factor determină funcționalitatea dispozitivului. Plăcile au dimensiuni identice, dar sunt situate la o rotație de 180 de grade, motiv pentru care se formează cavități prin care sunt transportate lichide. Astfel se formează alternanța canalelor reci și calde și se formează un proces de schimb de căldură.

Recircularea în acest tip de echipament este intensă. Condițiile în care va fi utilizat schimbătorul de căldură pentru sistemele de alimentare cu apă caldă depinde de materialul garniturilor, de numărul de plăci, de dimensiunea și tipul acestora. Instalațiile care pregătesc apa caldă sunt echipate cu două circuite: unul pentru ACM, celălalt pentru încălzirea spațiului. Mașinile cu plăci sunt sigure, productive și utilizate în următoarele domenii:

• pregătirea unui purtător de căldură în sistemele de alimentare cu apă caldă, ventilație și încălzire;
• răcirea produselor alimentare și a uleiurilor industriale;
• alimentare cu apă caldă pentru dușuri la întreprinderi;
• pentru pregătirea purtătorului de căldură în sistemele de încălzire prin pardoseală;
• pentru pregătirea unui purtător de căldură în industria alimentară, chimică și farmaceutică;
• încălzirea apei din piscină și alte procese de schimb de căldură.

Calcule de cercetare

Calculele de cercetare ale TOA sunt efectuate pe baza rezultatelor obținute ale calculelor termice și de verificare. De regulă, acestea sunt necesare pentru efectuarea celor mai recente modificări la proiectarea aparatului proiectat. Acestea sunt, de asemenea, efectuate pentru a corecta orice ecuații stabilite în modelul de calcul implementat TOA, obținut empiric (conform datelor experimentale). Efectuarea calculelor de cercetare implică zeci și uneori sute de calcule conform unui plan special elaborat și implementat în producție conform teoriei matematice a planificării experimentelor. Conform rezultatelor, se relevă influența diferitelor condiții și cantități fizice asupra indicatorilor de performanță ai TOA.

Alte calcule

Când calculați aria schimbătorului de căldură, nu uitați de rezistența materialelor. Calculele de rezistență TOA includ verificarea unității proiectate pentru tensiune, torsiune, pentru aplicarea momentelor maxime de funcționare admise la piesele și ansamblurile viitorului schimbător de căldură. Cu dimensiuni minime, produsul trebuie să fie durabil, stabil și să garanteze o funcționare sigură în diverse, chiar și în cele mai stresante condiții de operare.

Calculul dinamic se efectuează pentru a determina diferitele caracteristici ale schimbătorului de căldură la moduri variabile de funcționare a acestuia.

Schimbătoare de căldură tub-în-tub

Să luăm în considerare cel mai simplu calcul al unui schimbător de căldură țeavă în țeavă. Structural, acest tip de TOA este simplificat pe cât posibil. De regulă, un agent de răcire fierbinte este introdus în conducta interioară a aparatului pentru a minimiza pierderile și un lichid de răcire este lansat în carcasă sau în conducta exterioară. Sarcina inginerului în acest caz se reduce la determinarea lungimii unui astfel de schimbător de căldură pe baza suprafeței calculate a suprafeței de schimb de căldură și a diametrelor date.

Ar trebui adăugat aici că conceptul de schimbător de căldură ideal este introdus în termodinamică, adică un aparat de lungime infinită, în care lichidele de răcire funcționează într-un contracurent, iar diferența de temperatură este declanșată complet între ele. Designul tub-în-tub se apropie cel mai mult de îndeplinirea acestor cerințe. Și dacă rulați lichidele de răcire într-un contracurent, atunci acesta va fi așa-numitul „contracurent real” (și nu fluxul încrucișat, ca în placa TOA). Capul de temperatură este cel mai eficient declanșat cu o astfel de organizare a mișcării. Cu toate acestea, atunci când calculați un schimbător de căldură țeavă în țeavă, ar trebui să fie realist și să nu uitați de componenta logistică, precum și de ușurința instalării. Lungimea autotransportului este de 13,5 metri și nu toate încăperile tehnice sunt adaptate la deraparea și instalarea echipamentelor de această lungime.

Cum se calculează schimbătorul de căldură

Este imperativ să calculați schimbătorul de căldură cu bobină, altfel puterea termică a acestuia poate să nu fie suficientă pentru a încălzi camera. Sistemul de încălzire este conceput pentru a compensa pierderile de căldură. În consecință, putem afla doar cantitatea exactă de energie termică necesară pe baza pierderii de căldură a clădirii. Este destul de dificil să se facă un calcul, prin urmare, în medie, iau 100 W pe 1 metru pătrat cu o înălțime a tavanului de 2,7 m.

Trebuie să existe un decalaj între viraje.

De asemenea, următoarele valori sunt necesare pentru calcul:

• Pi;
• diametrul țevii disponibile (luați 10 mm);
• conductivitate termică lambda a metalului (pentru cupru 401 W / m * K);
• delta temperaturii de alimentare și de retur a lichidului de răcire (20 de grade).

Pentru a determina lungimea conductei, trebuie să împărțiți puterea termică totală în W la produsul factorilor de mai sus.Să luăm în considerare utilizarea exemplului unui schimbător de căldură din cupru cu o putere termică necesară de 3 kW - aceasta este de 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (conductivitate termică lambda) * 20 (temperatura delta) * 0,01 (diametrul țevii în metri)

Din acest calcul, se dovedește că aveți nevoie de 11,91 m de țeavă de cupru cu un diametru de 10 mm pentru ca puterea termică a bobinei să fie de 3 kW.

Schimbătoare de căldură cu coajă și tuburi

Prin urmare, foarte des calculul unui astfel de aparat se scurge ușor în calculul unui schimbător de căldură cu coajă și tub. Acesta este un aparat în care un pachet de țevi este situat într-o singură carcasă (carcasă), spălată de diferiți agenți de răcire, în funcție de scopul echipamentului. De exemplu, în condensatoare, agentul frigorific este introdus în mantaua și apa în țevi. Cu această metodă de mișcare a mediilor, este mai convenabil și mai eficient să controlați funcționarea aparatului. În evaporatoare, dimpotrivă, agentul frigorific fierbe în tuburi și, în același timp, acestea sunt spălate de lichidul răcit (apă, saramură, glicoli etc.). Prin urmare, calculul unui schimbător de căldură cu coajă și tub este redus la minimizarea dimensiunii echipamentului. În timp ce se joacă cu diametrul carcasei, diametrul și numărul țevilor interioare și lungimea aparatului, inginerul atinge valoarea calculată a suprafeței schimbului de căldură.

Schimbătoare de căldură cu aer

Unul dintre cele mai comune schimbătoare de căldură de astăzi sunt schimbătoarele de căldură tubulare cu aripioare. Se mai numesc și bobine. Oriunde nu sunt instalate, începând de la unitățile fan coil (de la engleza fan + coil, adică „fan” + „coil”) în blocurile interne ale sistemelor split și se termină cu recuperatoare gigant de gaze arse (extracția căldurii din gazele arse fierbinți și transferați-l pentru necesități de încălzire) în centrale termice la CET. De aceea, proiectarea unui schimbător de căldură cu bobină depinde de aplicația în care schimbătorul de căldură va intra în funcțiune. Răcitoarele de aer industriale (VOP), instalate în camere de congelare a cărnii, în congelatoare cu temperaturi scăzute și la alte obiecte de refrigerare a alimentelor, necesită anumite caracteristici de proiectare în performanța lor. Distanța dintre lamele (aripioarele) ar trebui să fie cât mai mare posibil pentru a crește timpul de funcționare continuă între ciclurile de dezghețare. Evaporatoarele pentru centrele de date (centre de procesare a datelor), dimpotrivă, sunt făcute cât mai compacte posibil, reducând spațiul la minimum. Astfel de schimbătoare de căldură funcționează în „zone curate” înconjurate de filtre fine (până la clasa HEPA), prin urmare, un astfel de calcul al schimbătorului de căldură tubular se efectuează cu accent pe reducerea dimensiunii.

Tipuri de schimbătoare de căldură în bobină

Un suport pentru prosoape încălzit este, de asemenea, un schimbător de căldură cu bobină.

Puteți face o bobină cu propriile mâini de diferite modele și din mai multe tipuri de metal (oțel, cupru, aluminiu, fontă). Produsele din aluminiu și fontă sunt ștampilate în fabrici, deoarece condițiile necesare pentru lucrul cu aceste metale pot fi realizate numai în condiții de producție. Fără aceasta, va fi posibil să lucrați numai cu oțel sau cupru. Cel mai bine este să folosiți cuprul, deoarece este maleabil și are un grad ridicat de conductivitate termică. Există două scheme pentru realizarea unei bobine:

• şurub;
• paralel.

Schema elicoidală implică localizarea întoarcerii spiralei de-a lungul unei linii elicoidale. Lichidul de răcire din astfel de schimbătoare de căldură se deplasează într-o direcție. Dacă este necesar, pentru a crește puterea de căldură, mai multe spirale pot fi combinate conform principiului „țeavă în țeavă”.

Pentru a minimiza cât mai mult pierderile de căldură, trebuie să alegeți ce tip de izolație este cel mai bun pentru a izola casa din exterior. Depinde și de materialul pereților.

Este necesar să faceți o alegere a izolației pentru o casă din lemn pe baza permeabilității la vapori a izolației termice.

Într-un circuit paralel, lichidul de răcire își schimbă constant direcția de mișcare. Un astfel de schimbător de căldură este realizat din țevi drepte conectate printr-un cot de 180 de grade.În unele cazuri, de exemplu, pentru fabricarea unui registru de încălzire, genunchii pivotanți nu pot fi folosiți. În locul lor, este instalat un bypass direct, care poate fi localizat atât la unul, cât și la ambele capete ale conductei.

Metode de transfer termic

Principiul de funcționare al unui schimbător de căldură cu bobină este de a încălzi o substanță în detrimentul căldurii alteia. Astfel, apa din schimbătorul de căldură poate fi încălzită cu o flacără deschisă. În acest caz, va acționa ca un radiator. Dar, de asemenea, bobina în sine poate acționa ca o sursă de căldură. De exemplu, atunci când un lichid de răcire curge prin tuburi, încălzit într-un cazan sau prin intermediul unui element de încălzire electric încorporat, iar căldura acestuia este transferată în apă din sistemul de încălzire. Practic, scopul final al transferului de căldură este încălzirea aerului interior.

Schimbătoare de căldură cu plăci

În prezent, schimbătoarele de căldură cu plăci au o cerere stabilă. Conform designului lor, acestea sunt complet pliabile și semi-sudate, cuprate și nichelate, sudate și lipite prin metoda de difuzie (fără lipire). Designul termic al unui schimbător de căldură cu plăci este suficient de flexibil și nu este deosebit de dificil pentru un inginer. În procesul de selecție, puteți juca cu tipul de plăci, adâncimea de perforare a canalelor, tipul de nervuri, grosimea oțelului, diferite materiale și, cel mai important - numeroase modele standard de dispozitive de dimensiuni diferite. Astfel de schimbătoare de căldură sunt scăzute și late (pentru încălzirea cu abur a apei) sau ridicate și înguste (schimbătoare de căldură de separare pentru sistemele de climatizare). Sunt adesea folosite pentru medii de schimbare de fază, adică ca condensatoare, evaporatoare, supraîncălzitoare, precondensatoare etc. Este puțin mai dificil să se efectueze calculul termic al unui schimbător de căldură care funcționează conform unei scheme bifazice decât un lichid - schimbător de căldură lichid, dar pentru un inginer cu experiență, această sarcină este rezolvabilă și nu deosebit de dificilă. Pentru a facilita astfel de calcule, proiectanții moderni folosesc baze de calculatoare inginerești, unde puteți găsi o mulțime de informații necesare, inclusiv diagrame ale stării oricărui agent frigorific în orice scanare, de exemplu, programul CoolPack.