Isı eşanjörünün hesaplanması şu anda beş dakikadan fazla sürmüyor. Bu tür ekipmanları üreten ve satan herhangi bir kuruluş, kural olarak, herkese kendi seçim programını sunar. Şirketin web sitesinden ücretsiz olarak indirilebilir veya teknisyenleri ofisinize gelip ücretsiz olarak kuracaktır. Ancak, bu tür hesaplamaların sonucu ne kadar doğru, güvenilir mi ve üretici rakipleriyle bir ihalede savaşırken kurnaz değil mi? Bir elektronik hesap makinesini kontrol etmek, modern ısı eşanjörlerini hesaplamak için bilgi veya en azından metodoloji hakkında bilgi gerektirir. Detayları anlamaya çalışalım.
Isı eşanjörü nedir
Isı eşanjörünün hesabını yapmadan önce bu nasıl bir cihaz bir hatırlayalım? Bir ısı ve kütle transfer aparatı (diğer adıyla bir ısı eşanjörü, diğer adıyla bir ısı eşanjörü veya TOA)ısıyı bir soğutucudan diğerine aktarmak için bir cihaz. Isı taşıyıcıların sıcaklıklarını değiştirme sürecinde yoğunlukları ve buna bağlı olarak maddelerin kütle göstergeleri de değişir. Bu nedenle bu tür işlemlere ısı ve kütle transferi denir.
Isı transferi türleri
Şimdi ısı transferi türleri hakkında konuşalım - bunlardan sadece üç tanesi var. Radyasyon - radyasyon nedeniyle ısı transferi. Örnek olarak, sıcak bir yaz gününde kumsalda güneşlenmeyi düşünün. Ve bu tür ısı eşanjörleri piyasada bile bulunabilir (borulu hava ısıtıcıları). Bununla birlikte, çoğu zaman konut binalarını ısıtmak için bir apartman dairesinde odalar, yağ veya elektrikli radyatörler satın alıyoruz. Bu, başka bir tür ısı transferi - konveksiyon örneğidir. Konveksiyon doğal, zorlamalı (davlumbaz ve kutuda bir ısı eşanjörü var) veya mekanik olarak tahrikli (örneğin bir fan ile) olabilir. İkinci tür çok daha verimlidir.
Ancak, ısıyı aktarmanın en etkili yolu iletimdir, veya diğer adıyla iletimdir (İngilizce'den. iletim - "iletim"). Bir ısı eşanjörünün ısıl hesabını yapacak her mühendis, öncelikle minimum boyutlarda verimli ekipmanın nasıl seçileceğini düşünür. Ve bunu tam olarak termal iletkenlik nedeniyle elde etmek mümkündür. Buna bir örnek, günümüzün en verimli TOA'sıdır - plakalı ısı eşanjörleri. Plakalı eşanjör, tanımına göre, ısıyı bir soğutucudan diğerine ayıran bir duvar aracılığıyla aktaran bir ısı eşanjörüdür. Maksimumdoğru seçilmiş malzemeler, plaka profili ve kalınlığı ile birlikte iki ortam arasındaki olası temas alanı, teknolojik süreçte gereken orijinal teknik özellikleri korurken seçilen ekipmanın boyutunun en aza indirilmesine olanak tanır.
Isı eşanjör çeşitleri
Isı eşanjörü hesaplanmadan önce tipi ile belirlenir. Tüm TOA iki büyük gruba ayrılabilir: reküperatif ve rejeneratif ısı eşanjörleri. Aralarındaki temel fark şudur: rejeneratif TOA'larda ısı değişimi, iki soğutucuyu ayıran bir duvar yoluyla gerçekleşirken, rejeneratif olanlarda, iki ortam birbiriyle doğrudan temas halindedir, genellikle karıştırır ve daha sonra özel ayırıcılarda ayırmayı gerektirir. Rejeneratif ısı eşanjörleri, karışımlı ve paketli (sabit, düşen veya ara) ısı eşanjörlerine ayrılır. Kabaca söylemek gerekirse, donmaya maruz kalmış bir kova sıcak su veya buzdolabında soğumaya ayarlanmış bir bardak sıcak çay (bunu asla yapmayın!) - bu, böyle bir karıştırma TOA'sının bir örneğidir. Ve bir tabağa çay dökerek ve bu şekilde soğutarak, ilk önce çevreleyen havayla temas eden ve sıcaklığını alan bir nozullu rejeneratif bir ısı eşanjörü (bu örnekteki tabak bir nozul görevi görür) örneğini elde ederiz, içine dökülen sıcak çayın ısısının bir kısmını alarak her iki ortamı da termal dengeye getirmeye çalışır. Bununla birlikte, daha önce öğrendiğimiz gibi, ısıyı bir ortamdan diğerine aktarmak için termal iletkenliği kullanmak daha verimlidir, bu nedenleGünümüzün daha kullanışlı (ve yaygın olarak kullanılan) TOA'ları elbette rejeneratif olanlardır.
Termal ve yapısal tasarım
Reküperatif ısı eşanjörünün herhangi bir hesaplaması, termal, hidrolik ve mukavemet hesaplamalarının sonuçları temelinde gerçekleştirilebilir. Bunlar temeldir, yeni ekipmanın tasarımında zorunludur ve benzer bir dizi cihazın sonraki modellerini hesaplamak için metodolojinin temelini oluştururlar. TOA'nın termal hesaplamasının ana görevi, ısı eşanjörünün kararlı çalışması için gerekli ısı değişim yüzeyi alanını belirlemek ve çıkışta ortamın gerekli parametrelerini korumaktır. Oldukça sık, bu tür hesaplamalarda, mühendislere gelecekteki ekipmanın ağırlık ve boyut özelliklerinin (malzeme, boru çapı, levha boyutları, demet geometrisi, kanatların tipi ve malzemesi vb.) keyfi değerleri verilir, bu nedenle, sonra, termal hesaplama, genellikle ısı eşanjörünün yapıcı bir hesaplamasını yaparlar. Sonuçta, ilk aşamada mühendis belirli bir boru çapı için gerekli yüzey alanını, örneğin 60 mm'yi hesapladıysa ve ısı eşanjörü uzunluğunun yaklaşık altmış metre olduğu ortaya çıktıysa, bir geçiş varsaymak daha mantıklı olacaktır. çok geçişli bir ısı eşanjörüne veya gövde-boru tipine veya boruların çapını artırmak için.
Hidrolik hesaplama
Hidrolik veya hidromekanik, ayrıca aerodinamik hesaplamalar, hidroliği belirlemek ve optimize etmek için yapılır.(aerodinamik) Eşanjördeki basınç kayıplarını ve bunların üstesinden gelmek için enerji maliyetlerini hesaplar. Soğutma sıvısının geçişi için herhangi bir yol, kanal veya borunun hesaplanması, bir kişi için birincil görevi oluşturur - bu alandaki ısı transfer sürecini yoğunlaştırmak. Yani, bir ortam transfer etmeli ve diğeri akışının minimum periyodunda mümkün olduğunca fazla ısı almalıdır. Bunun için, genellikle gelişmiş bir yüzey nervürü şeklinde ek bir ısı değişim yüzeyi kullanılır (sınır laminer alt tabakasını ayırmak ve akış türbülansını arttırmak için). Hidrolik kayıplar, ısı değişim yüzey alanı, ağırlık ve boyut özellikleri ve çıkarılan termal gücün optimal denge oranı, TOA'nın termal, hidrolik ve yapısal hesaplamasının bir kombinasyonunun sonucudur.
Hesaplamayı kontrol edin
Isı eşanjörünün doğrulama hesaplaması, güç veya ısı değişim yüzeyinin alanı açısından bir marj bırakılması gerektiğinde gerçekleştirilir. Yüzey çeşitli nedenlerle ve farklı durumlarda ayrılmıştır: eğer referans şartları gerektiriyorsa, üretici böyle bir ısı eşanjörünün rejime ulaşacağından ve yapılan hataları en aza indireceğinden emin olmak için ek bir marj yapmaya karar verirse. hesaplamalar. Bazı durumlarda, yapısal boyutların sonuçlarını tamamlamak için fazlalık gerekirken, diğerlerinde (evaporatörler, ekonomizörler), soğutma devresinde bulunan kompresör yağının neden olduğu kirlenme için ısı eşanjörü gücünün hesaplanmasına özel olarak bir yüzey marjı eklenir.. Ve kötü su kalitesidikkate alınmalıdır. Isı eşanjörlerinin, özellikle yüksek sıcaklıklarda, bir süre kesintisiz çalışmasından sonra, kireç, aparatın ısı değişim yüzeyine yerleşir ve ısı transfer katsayısını düşürür ve kaçınılmaz olarak ısı gidermede parazitik bir azalmaya yol açar. Bu nedenle, yetkin bir mühendis, sudan suya ısı eşanjörünü hesaplarken, ısı değişim yüzeyinin ek fazlalığına özellikle dikkat eder. Seçilen ekipmanın diğer ikincil modlarda nasıl çalışacağını görmek için bir doğrulama hesaplaması da yapılır. Örneğin merkezi klimalarda (besleme üniteleri), soğuk mevsimde kullanılan birinci ve ikinci ısıtıcı ısıtıcılar genellikle yazın gelen havayı soğutmak için kullanılır, hava ısı eşanjör borularına soğuk su sağlar. Nasıl çalışacakları ve hangi parametrelerin vereceği, doğrulama hesaplamasını değerlendirmenize olanak tanır.
Keşif hesaplamaları
TOA'nın araştırma hesaplamaları, termal ve doğrulama hesaplamalarının elde edilen sonuçları temelinde gerçekleştirilir. Kural olarak, tasarlanan aparatın tasarımında son değişiklikleri yapmak için gereklidirler. Ayrıca, deneysel olarak elde edilen (deneysel verilere göre) TOA'nın uygulanan hesaplama modeline dahil edilen herhangi bir denklemi düzeltmek için de yapılır. Araştırma hesaplarının yapılması, üretimde geliştirilen ve uygulanan özel bir plana göre onlarca, bazen yüzlerce hesaplamayı içerir.planlama deneylerinin matematiksel teorisi. Sonuçlara dayalı olarak, çeşitli koşulların ve fiziksel niceliklerin TOA verimlilik göstergeleri üzerindeki etkisi ortaya çıkar.
Diğer hesaplamalar
Isı eşanjörü alanını hesaplarken malzemelerin direncini unutmayınız. TOA mukavemet hesaplamaları, gelecekteki ısı eşanjörünün parçalarına ve tertibatlarına izin verilen maksimum çalışma momentlerini uygulamak için tasarlanan ünitenin stres, burulma için kontrol edilmesini içerir. Minimum boyutları ile ürün güçlü, dengeli olmalı ve çeşitli, hatta en zorlu çalışma koşullarında bile güvenli çalışmayı garanti etmelidir.
Değişken çalışma modlarında ısı eşanjörünün çeşitli özelliklerini belirlemek için dinamik hesaplama yapılır.
Isı eşanjörü tasarım türleri
Reküperatif TOA, tasarımı gereği oldukça fazla sayıda gruba ayrılabilir. En ünlü ve yaygın olarak kullanılanlar, plakalı ısı eşanjörleri, hava (borulu kanatlı), gövde-boru, boru-boru ısı eşanjörleri, gövde-plaka ve diğerleridir. Ayrıca, viskoz veya Newton tipi olmayan akışkanlarla çalışan spiral (bobin ısı eşanjörü) veya kazınmış tip gibi daha egzotik ve oldukça özel tipler ve diğer birçok tip vardır.
Boru içinde boru ısı eşanjörleri
"Boru içinde boru" ısı eşanjörünün en basit hesaplamasını ele alalım. Yapısal olarak, bu tip TOA maksimum düzeyde basitleştirilmiştir. Kural olarak, aparatın iç borusuna izin verirler.kayıpları en aza indirmek için sıcak soğutma sıvısı ve muhafazaya veya dış boruya bir soğutma soğutma sıvısı verilir. Bu durumda mühendisin görevi, ısı değişim yüzeyinin hesaplanan alanına ve verilen çaplara göre böyle bir ısı eşanjörünün uzunluğunu belirlemeye indirgenmiştir.
Burada, termodinamikte ideal bir ısı eşanjörü kavramının tanıtıldığını, yani ısı taşıyıcıların karşı akımda çalıştığı ve aralarındaki sıcaklık farkının tamamen çözüldüğü sonsuz uzunlukta bir aparat olduğunu eklemeye değer.. Boru içinde boru tasarımı, bu gereksinimleri karşılamaya en yakın olanıdır. Ve eğer soğutucuları karşı akımda çalıştırırsanız, bu "gerçek karşı akış" olarak adlandırılır (ve plaka TOA'larında olduğu gibi çapraz olmaz). Sıcaklık kafası, böyle bir hareket organizasyonu ile en etkili şekilde çalışır. Bununla birlikte, “borudaki boru” ısı eşanjörünü hesaplarken, gerçekçi olunmalı ve lojistik bileşenin yanı sıra kurulum kolaylığı da unutulmamalıdır. Eurotruck'ın uzunluğu 13,5 metredir ve tüm teknik tesisler bu uzunluktaki ekipmanın kayması ve kurulumuna uyarlanmamıştır.
Kabuk ve borulu ısı eşanjörleri
Bu nedenle, çoğu zaman böyle bir aparatın hesaplanması, bir borulu ısı eşanjörünün hesaplanmasına sorunsuzca geçer. Bu, ekipmanın amacına bağlı olarak çeşitli soğutucularla yıkanmış tek bir mahfaza (gövde) içine bir boru demetinin yerleştirildiği bir aparattır. Örneğin kondansatörlerde, soğutucu akışkan kabuğa, su ise borulara akar. Bu medya hareketi yöntemi ile kontrol etmek daha uygun ve daha verimlidir.aparatın çalışması. Evaporatörlerde ise, aksine, tüplerde soğutucu akışkan kaynar ve bunlar soğutulmuş sıvı (su, tuzlu su, glikoller vb.) ile yıkanır. Bu nedenle, bir gövde borulu ısı eşanjörünün hesaplanması, ekipmanın boyutlarının en aza indirilmesine indirgenmiştir. Kabuk çapı, iç boruların çapı ve sayısı ve aparatın uzunluğu ile oynayan mühendis, ısı değişim yüzey alanının hesaplanan değerine ulaşır.
Hava ısı eşanjörleri
Günümüzde en yaygın ısı eşanjörlerinden biri borulu kanatlı ısı eşanjörleridir. Bunlara yılan da denir. Sadece monte edilmedikleri yerlerde, split sistemlerin iç ünitelerinde fan coil ünitelerinden (İngilizce fan + coil, yani "fan" + "coil") başlayarak dev baca gazı reküperatörleri (sıcak baca gazından ısı tahliyesi) ile biten ve ısıtma ihtiyaçları için iletim) CHP'deki kazan tesislerinde. Bu nedenle serpantinli ısı eşanjörünün hesaplanması, bu eşanjörün devreye gireceği uygulamaya bağlıdır. Et üflemeli dondurma odalarına, düşük sıcaklıklı donduruculara ve diğer gıda soğutma tesislerine kurulan endüstriyel hava soğutucuları (HOP'lar), tasarımlarında belirli tasarım özellikleri gerektirir. Defrost döngüleri arasındaki sürekli çalışma süresini artırmak için lameller (kanatlar) arasındaki boşluk mümkün olduğunca geniş olmalıdır. Aksine, veri merkezleri (veri işleme merkezleri) için evaporatörler, interlamellar sıkıştırılarak mümkün olduğunca kompakt hale getirilir.minimum mesafe. Bu tür ısı eşanjörleri, ince filtrelerle (HEPA sınıfına kadar) çevrelenmiş "temiz bölgelerde" çalışır, bu nedenle, borulu bir ısı eşanjörünün böyle bir hesaplaması, boyutların en aza indirilmesine vurgu yapılarak gerçekleştirilir.
Plakalı ısı eşanjörleri
Şu anda, plakalı ısı eşanjörleri istikrarlı talep görmektedir. Tasarımlarına göre tamamen katlanabilir ve yarı kaynaklı, bakır lehimli ve nikel lehimli, difüzyonla kaynaklı ve lehimli (lehimsiz). Bir plakalı ısı eşanjörünün termal hesaplaması oldukça esnektir ve bir mühendis için herhangi bir zorluk teşkil etmez. Seçim sürecinde, plaka tipi, dövme kanallarının derinliği, kanat tipi, çeliğin kalınlığı, farklı malzemeler ve en önemlisi farklı boyutlardaki çok sayıda standart boyutlu cihaz modeli ile oynayabilirsiniz. Bu tür ısı eşanjörleri, alçak ve geniş (suyun buharla ısıtılması için) veya yüksek ve dardır (klima sistemleri için ayırıcı ısı eşanjörleri). Bunlar ayrıca sıklıkla faz değişim ortamı için, yani yoğunlaştırıcılar, buharlaştırıcılar, buhar soğutucular, ön yoğunlaştırıcılar, vb. olarak kullanılırlar. İki fazlı bir ısı eşanjörünün termal hesaplaması, sıvı-sıvı ısı eşanjöründen biraz daha karmaşıktır, ancak deneyimli mühendis için, bu görev çözülebilir ve herhangi bir özel zorluk göstermez. Bu tür hesaplamaları kolaylaştırmak için modern tasarımcılar, herhangi bir taramada herhangi bir soğutucu akışkanın durum diyagramları, örneğin bir program dahil olmak üzere birçok gerekli bilgiyi bulabileceğiniz mühendislik bilgisayar veritabanlarını kullanır. CoolPack.
Isı eşanjörü hesaplama örneği
Hesaplamanın temel amacı, ısı değişim yüzeyinin gerekli alanını hesaplamaktır. Termal (soğutma) gücü genellikle referans şartlarında belirtilir, ancak örneğimizde, tabiri caizse, referans şartlarını kontrol etmek için onu hesaplayacağız. Bazen, kaynak verilere bir hata sızabilir. Yetkin bir mühendisin görevlerinden biri de bu hatayı bulup düzeltmektir. Örnek olarak "sıvı-sıvı" tipinde bir plakalı ısı eşanjörü hesaplayalım. Bu, yüksek bir binada bir basınç kırıcı olsun. Ekipmanı basınçla boş altmak için, bu yaklaşım gökdelenlerin yapımında çok sık kullanılır. Isı eşanjörünün bir tarafında, Tin1=14 ᵒС giriş sıcaklığına ve Тout1=9 ᵒС çıkış sıcaklığına ve G1=14.500 kg / s akış hızına sahip suyumuz ve diğer tarafında - ayrıca su, ancak sadece aşağıdaki parametrelerle: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Gerekli gücü (Q0) ısı dengesi formülünü kullanarak hesaplıyoruz (yukarıdaki şekle bakın, formül 7.1), burada Ср özgül ısı kapasitesidir (tablo değeri). Hesaplamaların basitliği için, ısı kapasitesi Срв=4.187 [kJ/kgᵒС]'nin indirgenmiş değerini alıyoruz. Sayma:
Q1=14,500(14 - 9)4, 187=303557, 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - birinci tarafta ve
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557, 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - ikinci tarafta
Not (7.1) formülüne göre, Q0=Q1=Q2,hesaplama hangi tarafta yapıldı.
Ayrıca, ana ısı transferi denklemini (7.2) kullanarak, gerekli yüzey alanını (7.2.1) buluruz, burada k ısı transfer katsayısıdır (6350 [W/m'ye eşit alınır) 2]) ve ΔТav.log. - formül (7.3)'e göre hesaplanan ortalama logaritmik sıcaklık farkı:
ΔT ortalama günlüğü.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F o zaman=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Isı transfer katsayısı bilinmediğinde, plakalı ısı eşanjörünün hesaplanması biraz daha karmaşıktır. (7.4) formülüne göre, ρ yoğunluk, [kg/m3], η dinamik viskozite, [Ns/m olmak üzere Reynolds kriterini hesaplıyoruz. 2], v kanaldaki ortamın hızıdır, [m/s], d cm kanalın ıslak çapıdır [m].
Tabloya göre, ihtiyacımız olan Prandtl kriterinin [Pr] değerini ararız ve (7.5) formülünü kullanarak, sıvı ısıtma koşulları altında n=0.4 olan Nusselt kriterini elde ederiz ve n=0,3 - sıvı soğutma koşulları altında.
Ardından, (7.6) formülünü kullanarak, her bir soğutucudan duvara olan ısı transfer katsayısını hesaplıyoruz ve (7.7) formülünü kullanarak, (7.2.1) formülünün yerine koyduğumuz ısı transfer katsayısını hesaplıyoruz. ısı değişim yüzeyinin alanını hesaplamak için.
Belirtilen formüllerde, λ ısıl iletkenlik katsayısıdır, ϭ kanal duvar kalınlığıdır, α1 ve α2 her bir ısı taşıyıcıdan duvara olan ısı transfer katsayılarıdır.
