Výpočet tepelného výměníku aktuálně netrvá déle než pět minut. Každá organizace, která vyrábí a prodává takové zařízení, zpravidla poskytuje každému svůj vlastní program výběru. Dá se zdarma stáhnout z webu firmy nebo k vám do kanceláře přijede jejich technik a zdarma vám nainstaluje. Jak správný je ale výsledek takových výpočtů, dá se mu věřit a není výrobce mazaný, když bojuje ve výběrovém řízení s konkurencí? Kontrola elektronické kalkulačky vyžaduje znalosti nebo alespoň porozumění metodice výpočtu moderních výměníků tepla. Zkusme porozumět detailům.
Co je tepelný výměník
Než provedeme výpočet tepelného výměníku, připomeňme si, o jaké zařízení se jedná? Zařízení pro přenos tepla a hmoty (aka tepelný výměník, aka tepelný výměník nebo TOA) jezařízení pro přenos tepla z jednoho chladiva do druhého. V procesu změny teplot nosičů tepla se mění také jejich hustoty, a tedy i hmotnostní ukazatele látek. Proto se takové procesy nazývají přenos tepla a hmoty.
Typy přenosu tepla
Nyní si promluvme o typech přenosu tepla – jsou pouze tři. Radiační - přenos tepla sáláním. Jako příklad zvažte opalování na pláži za teplého letního dne. A takové výměníky tepla lze dokonce najít na trhu (trubkové ohřívače vzduchu). Nejčastěji však pro vytápění bytových prostor, místností v bytě kupujeme olejové nebo elektrické radiátory. Toto je příklad jiného typu přenosu tepla - konvekce. Konvekce může být přirozená, nucená (digestoř a v boxu je výměník) nebo mechanicky poháněná (např. ventilátorem). Druhý typ je mnohem efektivnější.
Nejúčinnějším způsobem přenosu tepla je však vedení, nebo, jak se tomu také říká, vedení (z angl. vedení - "vedení"). Každý inženýr, který bude provádět tepelný výpočet výměníku tepla, nejprve přemýšlí o tom, jak vybrat efektivní zařízení v minimálních rozměrech. A toho je možné dosáhnout právě díky tepelné vodivosti. Příkladem toho je dnes nejúčinnější TOA – deskové výměníky tepla. Deskový výměník tepla podle definice je výměník tepla, který přenáší teplo z jednoho chladiva do druhého přes stěnu, která je odděluje. Maximummožná kontaktní plocha mezi oběma médii spolu se správně zvolenými materiály, profilem desky a tloušťkou umožňuje minimalizovat velikost zvoleného zařízení při zachování původních technických vlastností požadovaných v technologickém procesu.
Typy výměníků tepla
Před výpočtem výměníku tepla je určen jeho typ. Všechny TOA lze rozdělit do dvou velkých skupin: rekuperační a regenerační výměníky tepla. Hlavní rozdíl mezi nimi je následující: u regenerativních TOA dochází k výměně tepla přes stěnu oddělující dvě chladiva, zatímco u regeneračních mají dvě média přímý vzájemný kontakt, často se mísí a vyžadují následné oddělení ve speciálních odlučovačích. Regenerační výměníky tepla se dělí na směšovací a výměníky s ucpávkou (stacionární, spádové nebo mezilehlé). Zhruba řečeno, kbelík horké vody, vystavený mrazu, nebo sklenice horkého čaje, nastavená k vychladnutí v lednici (nikdy to nedělejte!) - to je příklad takového míchání TOA. A nalitím čaje do podšálku a ochlazením tímto způsobem získáme příklad regeneračního výměníku s tryskou (talíř v tomto příkladu hraje roli trysky), která se nejprve dotýká okolního vzduchu a měří jeho teplotu, a poté odebírá část tepla horkému čaji, který je do něj nalit, a snaží se obě média uvést do tepelné rovnováhy. Jak jsme však již dříve zjistili, je efektivnější použít k přenosu tepla z jednoho média do druhého tepelnou vodivost, protoNejužitečnější (a široce používané) TOA jsou dnes samozřejmě regenerační.
Tepelný a konstrukční návrh
Jakýkoli výpočet rekuperačního výměníku tepla lze provést na základě výsledků tepelných, hydraulických a pevnostních výpočtů. Jsou zásadní, povinné při návrhu nového zařízení a tvoří základ metodiky pro výpočet následných modelů řady podobných zařízení. Hlavním úkolem tepelného výpočtu TOA je stanovení požadované plochy teplosměnné plochy pro stabilní provoz výměníku tepla a udržení požadovaných parametrů média na výstupu. Poměrně často jsou v takových výpočtech inženýrům uvedeny libovolné hodnoty hmotnostních a rozměrových charakteristik budoucího zařízení (materiál, průměr trubky, rozměry desky, geometrie svazku, typ a materiál žeber atd.), Proto po tepelný výpočet, obvykle provádějí konstrukční výpočet výměníku tepla. Koneckonců, pokud inženýr v první fázi vypočítal požadovanou povrchovou plochu pro daný průměr potrubí, například 60 mm, a délka výměníku tepla se ukázala být asi šedesát metrů, pak by bylo logičtější předpokládat přechod do víceprůchodového výměníku tepla nebo do trubkového typu nebo ke zvětšení průměru trubek.
Hydraulický výpočet
Hydraulické nebo hydromechanické, stejně jako aerodynamické výpočty se provádějí za účelem stanovení a optimalizace hydraulického(aerodynamické) tlakové ztráty ve výměníku tepla, jakož i výpočet energetických nákladů na jejich překonání. Výpočet jakékoli cesty, kanálu nebo potrubí pro průchod chladicí kapaliny představuje pro člověka primární úkol - zintenzivnit proces přenosu tepla v této oblasti. To znamená, že jedno médium musí přenášet a druhé přijímat co nejvíce tepla za minimální dobu svého proudění. K tomu se často používá přídavná teplosměnná plocha ve formě vyvinutého povrchového žebrování (pro oddělení hraniční laminární podvrstvy a zvýšení turbulence proudění). Optimální bilanční poměr hydraulických ztrát, teplosměnné plochy, hmotnostních a rozměrových charakteristik a odebraného tepelného výkonu je výsledkem kombinace tepelného, hydraulického a strukturálního výpočtu TOA.
Zkontrolovat výpočet
Ověřovací výpočet výměníku tepla se provádí v případě, kdy je nutné položit rezervu z hlediska výkonu nebo z hlediska plochy teplosměnné plochy. Povrch je vyhrazen z různých důvodů a v různých situacích: pokud to vyžaduje zadání, pokud se výrobce rozhodne udělat dodatečnou rezervu, aby měl jistotu, že takový výměník tepla dosáhne režimu a minimalizuje chyby vzniklé v výpočty. V některých případech je nutná redundance pro zaokrouhlení výsledků konstrukčních rozměrů, zatímco v jiných (výparníky, ekonomizéry) je do výpočtu výkonu výměníku tepla speciálně zavedena povrchová rezerva pro kontaminaci kompresorovým olejem přítomným v chladicím okruhu.. A špatná kvalita vodyje třeba vzít v úvahu. Po určité době nepřetržitého provozu výměníků tepla, zejména při vysokých teplotách, se na teplosměnné ploše zařízení usazuje vodní kámen, který snižuje součinitel prostupu tepla a nevyhnutelně vede k parazitnímu snížení odvodu tepla. Proto kompetentní inženýr při výpočtu výměníku tepla voda-voda věnuje zvláštní pozornost dodatečné redundanci teplosměnné plochy. Provádí se také ověřovací výpočet, aby se zjistilo, jak bude vybrané zařízení fungovat v jiných, sekundárních režimech. Například v centrálních klimatizačních jednotkách (zásobovacích jednotkách) se první a druhý topný článek, které se používají v chladném období, často používají v létě k chlazení přiváděného vzduchu a přivádějí studenou vodu do trubek vzduchového výměníku tepla. Jak budou fungovat a jaké parametry budou vydávat, umožňuje vyhodnotit ověřovací výpočet.
Průzkumné výpočty
Výzkumné výpočty TOA jsou prováděny na základě získaných výsledků tepelných a ověřovacích výpočtů. Zpravidla je nutné provést poslední úpravy konstrukce navrženého zařízení. Provádějí se také za účelem opravy jakýchkoli rovnic, které jsou začleněny do implementovaného výpočtového modelu TOA, získaného empiricky (podle experimentálních dat). Provádění výzkumných výpočtů zahrnuje desítky a někdy i stovky výpočtů podle speciálního plánu vyvinutého a implementovaného ve výrobě v souladu smatematická teorie plánování experimentů. Na základě výsledků je odhalen vliv různých podmínek a fyzikálních veličin na ukazatele účinnosti TOA.
Další výpočty
Při výpočtu plochy výměníku nezapomínejte na odolnost materiálů. Pevnostní výpočty TOA zahrnují kontrolu navržené jednotky na namáhání, na kroucení, pro aplikaci maximálních přípustných pracovních momentů na díly a sestavy budoucího výměníku tepla. Při minimálních rozměrech musí být výrobek pevný, stabilní a zaručovat bezpečný provoz v různých, i těch nejnáročnějších provozních podmínkách.
Dynamický výpočet se provádí za účelem stanovení různých charakteristik výměníku tepla v proměnných provozních režimech.
Konstrukční typy výměníků tepla
Rekuperační TOA lze podle návrhu rozdělit do poměrně velkého počtu skupin. Nejznámější a nejrozšířenější jsou výměníky tepla deskové, vzduchové (trubkové žebrované), trubkové, trubkové, deskové a další. Existují také exotičtější a vysoce specializované typy, jako je spirálový (spirálový výměník tepla) nebo škrabaný typ, které pracují s viskózními nebo nenewtonskými kapalinami, stejně jako mnoho dalších typů.
Trubkové výměníky tepla
Podívejme se na nejjednodušší výpočet výměníku tepla „potrubí v potrubí“. Strukturálně je tento typ TOA maximálně zjednodušen. Zpravidla se propouštějí do vnitřní trubky přístrojehorké chladicí kapaliny, aby se minimalizovaly ztráty, a chladicí chladicí kapalina je vypouštěna do pláště nebo do vnější trubky. Úkol inženýra se v tomto případě redukuje na určení délky takového výměníku tepla na základě vypočtené plochy teplosměnné plochy a daných průměrů.
Zde se sluší dodat, že v termodynamice se zavádí koncept ideálního výměníku tepla, tedy aparátu nekonečné délky, kde nosiče tepla pracují v protiproudu a teplotní rozdíl je mezi nimi kompletně zpracován.. Těmto požadavkům se nejvíce blíží provedení potrubí v potrubí. A pokud poběžíte chladící kapaliny v protiproudu, tak to bude tzv. "skutečný protiproud" (a ne křížový, jako u deskových TOA). Teplotní hlava je nejúčinněji vypracována s takovou organizací pohybu. Při výpočtu výměníku tepla „potrubí v potrubí“byste však měli být realističtí a nezapomínat na logistickou složku a také na snadnou instalaci. Délka eurokamionu je 13,5 metru a ne všechny technické prostory jsou uzpůsobeny pro smykování a montáž zařízení této délky.
Plášťové a trubkové výměníky tepla
Výpočet takového zařízení proto velmi často plynule přechází do výpočtu trubkového výměníku tepla. Jedná se o zařízení, ve kterém je svazek trubek umístěn v jediném pouzdře (pouzdro), omývaný různými chladicími kapalinami v závislosti na účelu zařízení. Například v kondenzátorech se chladivo spouští do pláště a voda do trubek. S tímto způsobem pohybu média je ovládání pohodlnější a efektivnějšíprovoz zařízení. Naopak ve výparnících dochází k varu chladiva v trubkách, přičemž jsou promývány chlazenou kapalinou (voda, solanky, glykoly atd.). Proto se výpočet trubkového výměníku tepla redukuje na minimalizaci rozměrů zařízení. Při hře s průměrem pláště, průměrem a počtem vnitřních trubek a délkou zařízení technik dosáhne vypočítané hodnoty teplosměnné plochy.
Vzduchové tepelné výměníky
Jedním z nejběžnějších výměníků tepla jsou dnes trubkové žebrované výměníky tepla. Říká se jim také hadi. Kde se nejen instalují, počínaje fancoilovými jednotkami (z anglického fan + coil, tedy "fan" + "coil") ve vnitřních jednotkách splitových systémů a konče obřími rekuperátory spalin (odběr tepla z horkých spalin a přenos pro potřeby vytápění) v kotelnách na KVET. Proto výpočet spirálového výměníku závisí na aplikaci, kde bude tento výměník tepla uveden do provozu. Průmyslové chladiče vzduchu (HOP) instalované v mrazicích komorách na maso, nízkoteplotních mrazničkách a dalších zařízeních pro chlazení potravin vyžadují určité konstrukční prvky ve svém návrhu. Vzdálenost mezi lamelami (žebry) by měla být co největší, aby se prodloužila doba nepřetržitého provozu mezi odmrazovacími cykly. Výparníky pro datová centra (centra na zpracování dat) jsou naopak vyrobeny co nejkompaktnější upnutím mezilamelárníhominimální vzdálenost. Tyto výměníky pracují v „čistých zónách“, obklopených jemnými filtry (až do třídy HEPA), proto je takový výpočet trubkového výměníku prováděn s důrazem na minimalizaci rozměrů.
Deskové výměníky tepla
V současné době je poptávka po deskových výměnících tepla stabilní. Podle provedení jsou zcela skládací a polosvařované, pájené mědí a niklem, svařované a pájené difuzí (bez pájky). Tepelný výpočet deskového výměníku tepla je poměrně flexibilní a pro inženýra nepředstavuje žádné zvláštní potíže. V procesu výběru si můžete pohrát s typem plechů, hloubkou kovacích kanálů, typem žeber, tloušťkou oceli, různými materiály, a co je nejdůležitější, s mnoha standardními modely zařízení různých velikostí. Takové výměníky tepla jsou nízké a široké (pro parní ohřev vody) nebo vysoké a úzké (oddělovací výměníky tepla pro klimatizační systémy). Často se také používají pro média s fázovou změnou, tj. jako kondenzátory, výparníky, chladiče přehřáté páry, předkondenzátory atd. Tepelný výpočet dvoufázového výměníku tepla je o něco složitější než výměníku kapalina-kapalina, nicméně pro zkušeného inženýra, tento úkol je řešitelný a nepředstavuje žádné zvláštní potíže. Pro usnadnění takových výpočtů používají moderní návrháři databáze inženýrských počítačů, kde najdete mnoho potřebných informací, včetně stavových diagramů jakéhokoli chladiva v libovolném cyklu, například programuCoolPack.
Příklad výpočtu tepelného výměníku
Hlavním účelem výpočtu je vypočítat požadovanou plochu teplosměnné plochy. Tepelný (chladicí) výkon je obvykle uveden v zadání, nicméně v našem příkladu jej spočítáme takříkajíc pro kontrolu samotného zadání. Občas se také stane, že se do zdrojových dat může vloudit chyba. Jedním z úkolů kompetentního inženýra je najít a opravit tuto chybu. Jako příklad si spočítejme deskový výměník tepla typu "kapalina-kapalina". Ať je to tlakový jistič ve vysoké budově. Za účelem vyložení zařízení tlakem se tento přístup velmi často používá při stavbě mrakodrapů. Na jedné straně výměníku máme vodu se vstupní teplotou Tin1=14 ᵒС a výstupní teplotou Тout1=9 ᵒС a s průtokem G1=14 500 kg / h a na druhé straně - také voda, ale pouze s následujícími parametry: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Potřebný výkon (Q0) vypočítáme pomocí vzorce tepelné bilance (viz obrázek výše, vzorec 7.1), kde Ср je měrná tepelná kapacita (tabulková hodnota). Pro jednoduchost výpočtů bereme redukovanou hodnotu tepelné kapacity Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Počítání:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW – na první straně a
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW – na druhé straně.
Všimněte si, že podle vzorce (7.1) Q0=Q1=Q2, bez ohledu nana které straně byl výpočet proveden.
Dále pomocí hlavní rovnice prostupu tepla (7.2) najdeme požadovanou plochu povrchu (7.2.1), kde k je koeficient prostupu tepla (bráno 6350 [W/m 2]) a ΔТav.log. - průměrný logaritmický teplotní rozdíl, vypočtený podle vzorce (7.3):
ΔT průměrný log.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F pak=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Když není znám koeficient prostupu tepla, je výpočet deskového výměníku trochu složitější. Podle vzorce (7.4) vypočítáme Reynoldsovo kritérium, kde ρ je hustota, [kg/m3], η je dynamická viskozita, [Ns/m 2], v je rychlost média v kanálu, [m/s], d cm je smáčený průměr kanálu [m].
Podle tabulky hledáme hodnotu Prandtlova kritéria [Pr], kterou potřebujeme, a pomocí vzorce (7.5) získáme Nusseltovo kritérium, kde n=0,4 - za podmínek ohřevu kapaliny a n=0,3 - za podmínek kapalinového chlazení.
Dále pomocí vzorce (7.6) vypočítáme koeficient prostupu tepla z každého chladiva do stěny a pomocí vzorce (7.7) vypočítáme koeficient prostupu tepla, který dosadíme do vzorce (7.2.1) pro výpočet plochy teplosměnné plochy.
V uvedených vzorcích je λ součinitel tepelné vodivosti, ϭ je tloušťka stěny kanálu, α1 a α2 jsou součinitele prostupu tepla z každého z tepelných nosičů na stěnu.
