Die Berechnung des Wärmetauschers dauert derzeit nicht länger als fünf Minuten. Jede Organisation, die solche Geräte herstellt und verkauft, stellt in der Regel jedem ein eigenes Auswahlprogramm zur Verfügung. Es kann kostenlos von der Website des Unternehmens heruntergeladen werden, oder ein Techniker kommt zu Ihnen ins Büro und installiert es kostenlos. Doch wie richtig ist das Ergebnis solcher Berechnungen, ist ihm zu trauen und ist der Hersteller nicht schlau, wenn er sich bei Ausschreibungen mit seinen Konkurrenten prügelt? Die Überprüfung eines elektronischen Rechners erfordert Kenntnisse oder zumindest ein Verständnis der Methodik zur Berechnung moderner Wärmetauscher. Versuchen wir, die Details zu verstehen.
Was ist ein Wärmetauscher
Bevor wir die Berechnung des Wärmetauschers durchführen, erinnern wir uns, um was für ein Gerät es sich handelt? Ein Wärme- und Stoffübertragungsapparat (auch bekannt als Wärmetauscher, auch bekannt als Wärmetauscher oder TOA) isteine Vorrichtung zum Übertragen von Wärme von einem Kühlmittel auf ein anderes. Bei der Änderung der Temperaturen von Wärmeträgern ändern sich auch ihre Dichten und dementsprechend die Massenindikatoren von Substanzen. Deshalb nennt man solche Prozesse Wärme- und Stofftransport.
Arten der Wärmeübertragung
Lassen Sie uns nun über die Arten der Wärmeübertragung sprechen - es gibt nur drei davon. Strahlung - Wärmeübertragung aufgrund von Strahlung. Betrachten Sie zum Beispiel ein Sonnenbad an einem warmen Sommertag am Strand. Und solche Wärmetauscher sind sogar auf dem Markt zu finden (Rohrlufterhitzer). Meistens kaufen wir jedoch zum Heizen von Wohnräumen, Räumen in einer Wohnung Öl- oder Elektroheizkörper. Dies ist ein Beispiel für eine andere Art der Wärmeübertragung - Konvektion. Die Konvektion kann natürlich, erzwungen (Haube und Wärmetauscher in der Box) oder mechanisch (z. B. mit einem Ventilator) erfolgen. Der letztere Typ ist viel effizienter.
Die effizienteste Art der Wärmeübertragung ist jedoch die Wärmeleitung, oder, wie sie auch genannt wird, Leitung (von engl. conduction – „Leitung“). Jeder Ingenieur, der eine thermische Berechnung eines Wärmetauschers durchführt, denkt zunächst darüber nach, wie er effiziente Geräte in minimalen Abmessungen auswählen kann. Und genau das ist aufgrund der Wärmeleitfähigkeit möglich. Ein Beispiel dafür sind die heute effizientesten TOA – Plattenwärmetauscher. Ein Plattenwärmetauscher ist laut Definition ein Wärmetauscher, der Wärme von einem Kühlmittel auf ein anderes durch eine sie trennende Wand überträgt. MaximalDie mögliche Kontaktfläche zwischen den beiden Medien ermöglicht zusammen mit richtig ausgewählten Materialien, Plattenprofil und Dicke die Minimierung der Größe der ausgewählten Ausrüstung unter Beibeh altung der ursprünglichen technischen Eigenschaften, die im technologischen Prozess erforderlich sind.
Arten von Wärmetauschern
Vor der Berechnung des Wärmetauschers wird dieser mit seinem Typ bestimmt. Alle TOA können in zwei große Gruppen eingeteilt werden: rekuperative und regenerative Wärmetauscher. Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist folgender: Bei regenerativen TOAs erfolgt der Wärmeaustausch durch eine Wand, die zwei Kühlmittel trennt, während bei regenerativen TOAs zwei Medien in direktem Kontakt miteinander stehen, sich häufig vermischen und anschließend in speziellen Separatoren getrennt werden müssen. Regenerative Wärmetauscher werden in Misch- und Wärmetauscher mit Packung (stationär, fallend oder zwischengesch altet) unterteilt. Grob gesagt ein Eimer heißes Wasser, dem Frost ausgesetzt, oder ein Glas heißen Tee, zum Abkühlen in den Kühlschrank gestellt (niemals tun!) – dies ist ein Beispiel für einen solchen Misch-TOA. Und wenn wir Tee in eine Untertasse gießen und auf diese Weise kühlen, erh alten wir ein Beispiel für einen regenerativen Wärmetauscher mit einer Düse (die Untertasse spielt in diesem Beispiel die Rolle einer Düse), die zuerst mit der Umgebungsluft in Kontakt kommt und ihre Temperatur misst, und entzieht dann dem eingegossenen heißen Tee einen Teil der Wärme, um beide Medien in ein thermisches Gleichgewicht zu bringen. Wie wir jedoch bereits früher herausgefunden haben, ist es daher effizienter, die Wärmeleitfähigkeit zu nutzen, um Wärme von einem Medium auf ein anderes zu übertragenDie für die Wärmeübertragung nützlicheren (und weit verbreiteten) TOAs von heute sind natürlich regenerative.
Thermische und strukturelle Bemessung
Jede Berechnung eines rekuperativen Wärmetauschers kann auf der Grundlage der Ergebnisse von thermischen, hydraulischen und Festigkeitsberechnungen durchgeführt werden. Sie sind grundlegend, obligatorisch bei der Konstruktion neuer Geräte und bilden die Grundlage der Methodik zur Berechnung nachfolgender Modelle einer Reihe ähnlicher Geräte. Die Hauptaufgabe der thermischen Berechnung von TOA besteht darin, die erforderliche Fläche der Wärmetauscherfläche für den stabilen Betrieb des Wärmetauschers zu bestimmen und die erforderlichen Parameter der Medien am Auslass aufrechtzuerh alten. Sehr oft erh alten Ingenieure bei solchen Berechnungen willkürliche Werte für die Gewichts- und Größenmerkmale der zukünftigen Ausrüstung (Material, Rohrdurchmesser, Plattenabmessungen, Bündelgeometrie, Art und Material der Lamellen usw.), daher nach dem thermische Berechnung führen sie in der Regel eine konstruktive Berechnung des Wärmetauschers durch. Wenn der Ingenieur in der ersten Phase die erforderliche Oberfläche für einen bestimmten Rohrdurchmesser von beispielsweise 60 mm berechnet und sich herausstellt, dass die Länge des Wärmetauschers etwa sechzig Meter beträgt, wäre es logischer, von einem Übergang auszugehen zu einem Wärmetauscher mit mehreren Durchgängen oder zu einem Rohrbündelwärmetauscher oder um den Durchmesser der Rohre zu vergrößern.
Hydraulische Berechnung
Hydraulische oder hydromechanische, sowie aerodynamische Berechnungen werden durchgeführt, um die Hydraulik zu ermitteln und zu optimieren(aerodynamische) Druckverluste im Wärmetauscher, sowie die Energiekosten zu ihrer Überwindung berechnen. Die Berechnung eines Pfades, Kanals oder Rohrs für den Durchgang des Kühlmittels stellt eine Hauptaufgabe für eine Person dar - den Wärmeübertragungsprozess in diesem Bereich zu intensivieren. Das heißt, ein Medium muss in der Mindestzeit seines Flusses so viel Wärme wie möglich übertragen und das andere aufnehmen. Hierfür wird häufig eine zusätzliche Wärmeaustauschfläche in Form einer ausgebildeten Oberflächenverrippung (zur Trennung der laminaren Grenzunterschicht und Verstärkung der Strömungsturbulenz) verwendet. Das optimale Bilanzverhältnis aus hydraulischen Verlusten, Wärmetauscherfläche, Gewichts- und Größeneigenschaften und abgeführter Wärmeleistung ist das Ergebnis einer Kombination aus thermischer, hydraulischer und statischer Berechnung von TOA.
Rechnung prüfen
Die Überprüfungsberechnung des Wärmetauschers wird in dem Fall durchgeführt, in dem es notwendig ist, einen Spielraum in Bezug auf die Leistung oder in Bezug auf die Fläche der Wärmetauscherfläche zu legen. Die Oberfläche wird aus verschiedenen Gründen und in verschiedenen Situationen reserviert: wenn es die Leistungsbeschreibung erfordert, wenn der Hersteller beschließt, einen zusätzlichen Spielraum zu machen, um sicherzustellen, dass ein solcher Wärmetauscher das Regime erreicht und Fehler darin minimiert die Berechnungen. In manchen Fällen ist eine Redundanz zur Abrundung der konstruktiven Dimensionierungsergebnisse erforderlich, in anderen (Verdampfer, Economizer) wird extra ein Flächenzuschlag in die Berechnung der Wärmetauscherleistung eingebracht, für Verschmutzungen durch im Kältekreislauf vorhandenes Verdichteröl. Und schlechte Wasserqualitätmüssen berücksichtigt werden. Nach einiger Zeit ununterbrochenen Betriebs von Wärmetauschern, insbesondere bei hohen Temperaturen, setzt sich Kesselstein auf der Wärmetauscheroberfläche der Vorrichtung ab, was den Wärmeübertragungskoeffizienten verringert und unvermeidlich zu einer parasitären Abnahme der Wärmeabfuhr führt. Daher achtet ein kompetenter Ingenieur bei der Berechnung eines Wasser-Wasser-Wärmetauschers besonders auf eine zusätzliche Redundanz der Wärmetauscherfläche. Es wird auch eine Überprüfungsberechnung durchgeführt, um zu sehen, wie die ausgewählte Ausrüstung in anderen sekundären Modi funktioniert. Beispielsweise werden in zentralen Klimaanlagen (Versorgungseinheiten) die in der k alten Jahreszeit eingesetzten ersten und zweiten Heizungserhitzer im Sommer häufig zur Kühlung der einströmenden Luft eingesetzt, indem sie den Luftwärmetauscherrohren k altes Wasser zuführen. Wie sie funktionieren und welche Parameter ausgegeben werden, ermöglicht es Ihnen, die Überprüfungsberechnung auszuwerten.
Explorative Berechnungen
Forschungsberechnungen von TOA werden auf der Grundlage der erh altenen Ergebnisse von Wärme- und Überprüfungsberechnungen durchgeführt. Sie sind in der Regel notwendig, um die letzten Änderungen am Design des entworfenen Geräts vorzunehmen. Sie werden auch durchgeführt, um alle Gleichungen zu korrigieren, die in dem implementierten Berechnungsmodell von TOA enth alten sind, das empirisch (gemäß experimentellen Daten) erh alten wurde. Die Durchführung von Forschungsberechnungen umfasst Dutzende und manchmal Hunderte von Berechnungen nach einem speziellen Plan, der in Übereinstimmung mit entwickelt und in der Produktion umgesetzt wirdMathematische Theorie der Planung von Experimenten. Basierend auf den Ergebnissen wird der Einfluss verschiedener Bedingungen und physikalischer Größen auf die TOA-Effizienzindikatoren aufgezeigt.
Andere Berechnungen
Beachten Sie bei der Berechnung der Wärmetauscherfläche die Beständigkeit der Materialien. TOA-Festigkeitsberechnungen umfassen die Überprüfung der konstruierten Einheit auf Belastung, Torsion und das Aufbringen der maximal zulässigen Arbeitsmomente auf die Teile und Baugruppen des zukünftigen Wärmetauschers. Bei minimalen Abmessungen muss das Produkt stark und stabil sein und einen sicheren Betrieb unter verschiedenen, selbst den anspruchsvollsten Betriebsbedingungen gewährleisten.
Um die verschiedenen Eigenschaften des Wärmetauschers in variablen Betriebsmodi zu ermitteln, wird eine dynamische Berechnung durchgeführt.
Bauformen Wärmetauscher
Rekuperativer TOA kann per Design in eine ziemlich große Anzahl von Gruppen eingeteilt werden. Die bekanntesten und am weitesten verbreiteten sind Plattenwärmetauscher, Luft (Rohrrippen), Rohrbündelwärmetauscher, Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher und andere. Es gibt auch exotischere und hochspezialisierte Typen, wie z. B. Spiral- (Spulenwärmetauscher) oder Kratztypen, die mit viskosen oder nicht-newtonschen Flüssigkeiten arbeiten, sowie viele andere Typen.
Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher
Betrachten wir die einfachste Berechnung des „Rohr-in-Rohr“-Wärmetauschers. Strukturell ist diese Art von TOA maximal vereinfacht. Sie münden in der Regel in das Innenrohr der Apparaturheißes Kühlmittel, um Verluste zu minimieren, und ein Kühlmittel wird in das Gehäuse oder in das Außenrohr eingeleitet. Die Aufgabe des Ingenieurs reduziert sich in diesem Fall darauf, die Länge eines solchen Wärmetauschers anhand der berechneten Fläche der Wärmetauscherfläche und der gegebenen Durchmesser zu bestimmen.
Hier muss hinzugefügt werden, dass in der Thermodynamik das Konzept eines idealen Wärmetauschers eingeführt wird, dh eines Apparats von unendlicher Länge, bei dem die Wärmeträger im Gegenstrom arbeiten und der Temperaturunterschied zwischen ihnen vollständig ausgearbeitet wird. Die Rohr-in-Rohr-Bauweise kommt diesen Anforderungen am nächsten. Und wenn Sie die Kühlmittel im Gegenstrom laufen lassen, dann wird es der sogenannte "echte Gegenstrom" sein (und nicht kreuzen, wie bei Platten-TOAs). Mit einer solchen Bewegungsorganisation wird der Temperaturkopf am effektivsten herausgearbeitet. Allerdings sollte man bei der Berechnung des „Rohr-in-Rohr“-Wärmetauschers realistisch bleiben und die Logistikkomponente sowie die Montagefreundlichkeit nicht außer Acht lassen. Die Länge des Eurotrucks beträgt 13,5 Meter, und nicht alle technischen Räumlichkeiten sind für den Transport und die Installation von Geräten dieser Länge geeignet.
Rohrbündelwärmetauscher
Deshalb geht die Berechnung eines solchen Apparates sehr oft nahtlos in die Berechnung eines Rohrbündelwärmetauschers über. Dies ist eine Vorrichtung, bei der sich ein Rohrbündel in einem einzigen Gehäuse (Gehäuse) befindet und je nach Zweck der Ausrüstung von verschiedenen Kühlmitteln gewaschen wird. Bei Kondensatoren beispielsweise wird das Kältemittel in den Mantel und das Wasser in die Rohre geleitet. Mit dieser Methode der Medienbewegung ist es bequemer und effizienter zu steuernBedienung des Gerätes. Bei Verdampfern hingegen siedet das Kältemittel in den Rohren, während diese von der gekühlten Flüssigkeit (Wasser, Sole, Glykole usw.) umspült werden. Daher reduziert sich die Berechnung eines Rohrbündelwärmetauschers auf die Minimierung der Geräteabmessungen. Durch das Spiel mit dem Manteldurchmesser, dem Durchmesser und der Anzahl der Innenrohre und der Länge des Apparates gelangt der Ingenieur zum errechneten Wert der Wärmeaustauschfläche.
Luftwärmetauscher
Einer der heute gebräuchlichsten Wärmetauscher sind röhrenförmige Rippenwärmetauscher. Sie werden auch Schlangen genannt. Wo sie nicht nur verbaut werden, angefangen bei Fan Coil Units (von engl. fan + coil, also „fan“+ „coil“) in den Innengeräten von Split-Systemen bis hin zu riesigen Rauchgasrekuperatoren (Wärmeentzug aus heißem Rauchgas). und Übertragung für den Wärmebedarf) in Kesselanlagen bei KWK. Deshalb hängt die Berechnung eines Schlangenwärmetauschers davon ab, in welcher Anwendung dieser Wärmetauscher zum Einsatz kommen soll. Industrielle Luftkühler (HOPs), die in Schockfrostkammern für Fleisch, Tiefkühlschränken und anderen Lebensmittelkühlanlagen installiert sind, erfordern bestimmte Konstruktionsmerkmale in ihrer Konstruktion. Der Abstand zwischen den Lamellen (Lamellen) sollte so groß wie möglich sein, um die Dauer des Dauerbetriebs zwischen den Abtauzyklen zu verlängern. Verdampfer für Rechenzentren (Rechenzentren) hingegen werden durch Einklemmen der Lamellen so kompakt wie möglich gemachtMindestabstand. Solche Wärmetauscher arbeiten in „sauberen Zonen“, umgeben von Feinfiltern (bis zur HEPA-Klasse), daher wird eine solche Berechnung eines Röhrenwärmetauschers mit Schwerpunkt auf Minimierung der Abmessungen durchgeführt.
Plattenwärmetauscher
Derzeit sind Plattenwärmetauscher stabil gefragt. Sie sind je nach Ausführung komplett kollabierbar und halbverschweißt, kupfergelötet und nickelgelötet, geschweißt und durch Diffusion (ohne Lot) gelötet. Die thermische Berechnung eines Plattenwärmetauschers ist recht flexibel und bereitet dem Ingenieur keine besonderen Schwierigkeiten. Bei der Auswahl können Sie mit der Art der Platten, der Tiefe der Schmiedekanäle, der Art der Rippen, der Dicke des Stahls, verschiedenen Materialien und vor allem zahlreichen Modellen in Standardgröße von Geräten unterschiedlicher Größe spielen. Solche Wärmetauscher sind niedrig und breit (zur Dampferwärmung von Wasser) oder hoch und schmal (Trennwärmetauscher für Klimaanlagen). Sie werden auch oft für Phasenwechselmedien verwendet, also als Kondensatoren, Verdampfer, Heißdampfkühler, Vorkondensatoren usw. Die thermische Berechnung eines Zweiphasen-Wärmetauschers ist etwas komplizierter als bei einem Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher, jedoch für erfahrene Ingenieure, diese Aufgabe ist lösbar und bereitet keine besonderen Schwierigkeiten. Um solche Berechnungen zu erleichtern, verwenden moderne Designer technische Computerdatenbanken, in denen Sie viele notwendige Informationen finden können, einschließlich Zustandsdiagrammen aller Kältemittel in jedem Sweep, beispielsweise einem ProgrammCoolPack.
Beispiel Wärmetauscherberechnung
Der Hauptzweck der Berechnung besteht darin, die erforderliche Fläche der Wärmeaustauschfläche zu berechnen. Die thermische (Kälte-) Leistung wird normalerweise in der Leistungsbeschreibung angegeben, in unserem Beispiel berechnen wir sie jedoch sozusagen, um die Leistungsbeschreibung selbst zu überprüfen. Manchmal kommt es auch vor, dass sich ein Fehler in die Quelldaten einschleichen kann. Eine der Aufgaben eines kompetenten Ingenieurs ist es, diesen Fehler zu finden und zu beheben. Als Beispiel berechnen wir einen Plattenwärmetauscher vom Typ „Flüssig-Flüssig“. Lassen Sie dies ein Druckunterbrecher in einem hohen Gebäude sein. Um Geräte durch Druck zu entladen, wird dieser Ansatz sehr häufig beim Bau von Wolkenkratzern verwendet. Auf der einen Seite des Wärmetauschers haben wir Wasser mit einer Einlasstemperatur Tin1=14 ᵒС und einer Auslasstemperatur Тout1=9 ᵒС und mit einer Durchflussrate G1=14.500 kg / h und auf der anderen Seite - auch Wasser, aber nur mit folgenden Parametern: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Wir berechnen die benötigte Leistung (Q0) mit der Wärmebilanzformel (siehe Abbildung oben, Formel 7.1), wobei Ср die spezifische Wärmekapazität (Tabellenwert) ist. Zur Vereinfachung der Berechnung nehmen wir den reduzierten Wert der Wärmekapazität Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Zählen:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557,5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - auf der ersten Seite und
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557,5 [kJ/h]=84321, 53 W=84,3 kW - auf der zweiten Seite
Beachten Sie, dass gemäß Formel (7.1) Q0=Q1=Q2 ist, unabhängig davonauf welcher Seite gerechnet wurde.
Weiter finden wir unter Verwendung der Hauptwärmeübertragungsgleichung (7.2) die erforderliche Oberfläche (7.2.1), wobei k der Wärmeübertragungskoeffizient ist (angenommen gleich 6350 [W/m 2]) und ΔТav.log. - mittlere logarithmische Temperaturdifferenz, berechnet nach Formel (7.3):
ΔT durchschnittliches Protokoll.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F dann=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Wenn der Wärmedurchgangskoeffizient unbekannt ist, ist die Berechnung des Plattenwärmetauschers etwas komplizierter. Nach Formel (7.4) berechnen wir das Reynolds-Kriterium, wobei ρ die Dichte, [kg/m3], η die dynamische Viskosität, [Ns/m 2], v ist die Geschwindigkeit des Mediums im Kanal, [m/s], d cm ist der benetzte Durchmesser des Kanals [m].
Nach der Tabelle suchen wir den Wert des Prandtl-Kriteriums [Pr], den wir brauchen, und erh alten unter Verwendung der Formel (7.5) das Nusselt-Kriterium, wobei n=0,4 - unter Bedingungen der Flüssigkeitserhitzung, und n=0,3 - bei Flüssigkeitskühlung
Als nächstes berechnen wir mit Formel (7.6) den Wärmeübergangskoeffizienten von jedem Kühlmittel zur Wand, und mit Formel (7.7) berechnen wir den Wärmeübergangskoeffizienten, den wir in Formel (7.2.1) einsetzen. um die Fläche der Wärmeaustauschfläche zu berechnen.
In den angegebenen Formeln ist λ der Wärmeleitkoeffizient, ϭ die Kanalwandstärke, α1 und α2 die Wärmeübergangskoeffizienten der jeweiligen Wärmeträger zur Wand.
