Podstawowe pojęcia wymiany ciepła do obliczania wymienników ciepła

Obliczenie wymiennika ciepła zajmuje obecnie nie więcej niż pięć minut. Każda organizacja, która produkuje i sprzedaje taki sprzęt, z reguły zapewnia każdemu własny program selekcji. Możesz go pobrać bezpłatnie ze strony internetowej firmy lub ich technik przyjdzie do Twojego biura i bezpłatnie go zainstaluje. Jednak na ile poprawny jest wynik takich obliczeń, czy można mu zaufać i czy producent nie jest przebiegły, walcząc w przetargu z konkurentami? Sprawdzenie kalkulatora elektronicznego wymaga znajomości lub przynajmniej zrozumienia metodologii obliczeń dla nowoczesnych wymienników ciepła. Spróbujmy dowiedzieć się szczegółów.

Co to jest wymiennik ciepła

Przed obliczeniem wymiennika ciepła pamiętajmy, jakie to urządzenie? Urządzenie do wymiany ciepła i masy (inaczej wymiennik ciepła, inaczej wymiennik ciepła lub TOA) to urządzenie do przenoszenia ciepła z jednego nośnika ciepła do drugiego. W procesie zmiany temperatur chłodziwa zmieniają się również ich gęstości i odpowiednio wskaźniki masy substancji. Dlatego takie procesy nazywane są wymianą ciepła i masy.

Menu główne

Witaj! Wymiennik ciepła to urządzenie, w którym wymiana ciepła odbywa się między dwoma lub więcej nośnikami ciepła lub między nośnikami ciepła a ciałami stałymi (dysza, ściana). Rolę chłodziwa może również odgrywać otoczenie otaczające aparat. W zależności od przeznaczenia i konstrukcji wymienniki ciepła mogą być bardzo różne, od najprostszych (grzejnik) do najbardziej zaawansowanych (kocioł). Zgodnie z zasadą działania wymienniki ciepła dzielimy na rekuperacyjne, regeneracyjne i mieszające.

Urządzenia rekuperacyjne nazywane są urządzeniami, w których jednocześnie przepływają gorące i zimne nośniki ciepła, oddzielone solidną ścianą. Do urządzeń tych zalicza się nagrzewnice, kotły, skraplacze, parowniki itp.

Aparaty, w których ta sama powierzchnia grzejna jest przemywana na przemian ciepłą i zimną cieczą, nazywane są regeneracyjnymi. W tym przypadku ciepło zgromadzone przez ścianki aparatu podczas ich interakcji z gorącą cieczą oddaje się zimnej cieczy. Przykładem aparatów regeneracyjnych są nagrzewnice powietrza otwartych i wielkich pieców, piece grzewcze itp. W regeneratorach wymiana ciepła zachodzi zawsze w warunkach niestacjonarnych, natomiast aparaty rekuperacyjne przeważnie pracują w trybie stacjonarnym.

Urządzenia rekuperacyjne i regeneracyjne nazywane są również powierzchniami, ponieważ proces wymiany ciepła w nich jest nieuchronnie związany z powierzchnią ciała stałego.

Mieszalniki to urządzenia, w których przenoszenie ciepła odbywa się poprzez bezpośrednie mieszanie gorących i zimnych cieczy.

Wzajemny ruch nośników ciepła w wymiennikach ciepła może być różny (rys. 1).

W zależności od tego rozróżnia się urządzenia z przepływem bezpośrednim, przeciwprądowym, krzyżowym oraz ze złożonym kierunkiem ruchu nośników ciepła (prąd mieszany). Jeżeli chłodziwa przepływają równolegle w jednym kierunku, wówczas taki wzorzec ruchu nazywany jest przepływem do przodu (rys.1). W przypadku przepływu przeciwprądowego chłodziwa poruszają się równolegle, ale do siebie. Jeśli kierunki ruchu płynów przecinają się, wówczas wzór ruchu nazywany jest przepływem krzyżowym. Oprócz wymienionych schematów w praktyce stosowane są również bardziej złożone schematy: jednoczesny przepływ do przodu i przeciwprąd, wielokrotny prąd krzyżowy itp.

W zależności od celu technologicznego i cech konstrukcyjnych wymienniki ciepła dzielą się na podgrzewacze wody, skraplacze, kotły, parowniki itp. Ale powszechną rzeczą jest to, że wszystkie służą do przenoszenia ciepła z jednego nośnika ciepła do drugiego, dlatego podstawowe przepisy obliczeń termicznych są dla nich takie same. ... Różnica może być tylko ostatecznym celem ugody. Projektując nowy wymiennik ciepła, zadaniem obliczeniowym jest określenie powierzchni grzewczej; przy weryfikacji obliczeń cieplnych istniejącego wymiennika ciepła wymagane jest określenie ilości przenoszonego ciepła i końcowych temperatur cieczy roboczych.

Obliczenie ciepła w obu przypadkach opiera się na równaniach bilansu cieplnego i równaniu wymiany ciepła.

Równanie bilansu cieplnego wymiennika ciepła ma postać:

gdzie M jest masowym natężeniem przepływu chłodziwa, w kg / s; cpm - masa właściwa izobaryczna średnia pojemność cieplna chłodziwa, J / (kg * ° С).

Odtąd indeks dolny „1” oznacza wartości odnoszące się do gorącej cieczy (pierwotny nośnik ciepła), a indeks dolny „2” - do zimnej cieczy (wtórny nośnik ciepła); linia odpowiada temperaturze cieczy na wlocie do aparatu, a dwie linie - na wylocie.

Przy obliczaniu wymienników ciepła często stosuje się pojęcie całkowitej pojemności cieplnej masowego natężenia przepływu nośnika ciepła (równoważnika wody), równej C = Mav W / ° C. Z wyrażenia (1) wynika to

to znaczy, stosunek zmian temperatury jednofazowych cieczy przenoszących ciepło jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku ich całkowitych pojemności cieplnych poboru (ekwiwalentów wody).

Równanie przenikania ciepła zapisujemy w następujący sposób: Q = k * F * (t1 - t2), gdzie t1, t2 to temperatury pierwotnych i wtórnych nośników ciepła; F to powierzchnia wymiany ciepła.

Podczas wymiany ciepła w większości przypadków zmieniają się temperatury obu nośników ciepła, a zatem zmienia się wysokość podnoszenia Δt = t1 - t2. Współczynnik przenikania ciepła po powierzchni wymiany ciepła będzie również miał zmienną wartość, dlatego do równania przenikania ciepła należy podstawić średnie wartości różnicy temperatur Δtav i współczynnika przenikania ciepła kcp, czyli

Q = kсp * F * Δtcp (3)

Powierzchnia wymiany ciepła F jest obliczana według wzoru (3), podczas gdy wydajność cieplna Q jest określona. Aby rozwiązać problem, konieczne jest obliczenie współczynnika przenikania ciepła uśrednionego na całej powierzchni kсp i wysokości podnoszenia Δtav.

Przy obliczaniu średniej różnicy temperatur należy wziąć pod uwagę charakter zmiany temperatur nośników ciepła wzdłuż powierzchni wymiany ciepła. Z teorii przewodnictwa cieplnego wiadomo, że w płytce lub cylindrycznym pręcie w obecności różnicy temperatur na końcach (powierzchnie boczne są izolowane), rozkład temperatury na całej długości jest liniowy. Jeżeli wymiana ciepła odbywa się na powierzchni bocznej lub układ ma wewnętrzne źródła ciepła, wówczas rozkład temperatury jest krzywoliniowy. Przy równomiernym rozłożeniu źródeł ciepła zmiana temperatury na całej długości będzie paraboliczna.

Tak więc w wymiennikach ciepła charakter zmiany temperatur nośników ciepła różni się od liniowego i jest określony przez sumaryczne pojemności cieplne C1 i C2 masowych natężeń przepływu nośników ciepła i kierunek ich wzajemnego ruchu. (Rys. 2).

Z wykresów widać, że zmiana temperatury wzdłuż powierzchni F nie jest taka sama. Zgodnie z równaniem (2), im większa będzie zmiana temperatury dla nośnika ciepła przy mniejszej pojemności cieplnej masowego natężenia przepływu. Jeśli chłodziwa są takie same, na przykład w wymienniku ciepła woda / woda, wówczas charakter zmiany temperatur chłodziwa będzie całkowicie zdeterminowany ich natężeniem przepływu, a przy niższym natężeniu przepływu temperatura zmiana będzie duża.Przy przepływie współprądowym końcowa temperatura t "2 ogrzewanego czynnika jest zawsze niższa niż temperatura t" 1 czynnika grzewczego na wylocie z aparatu, a przy przepływie przeciwprądowym końcowa temperatura t "2 może być wyższa od temperatury t "1 (patrz przeciwprąd w przypadku, gdy C1> C2). W konsekwencji, przy tej samej temperaturze początkowej, medium, które ma być ogrzewane przepływem przeciwprądowym, może być ogrzane do wyższej temperatury niż przy przepływie współprądowym.

Przy przepływie współprądowym wysokość podnoszenia temperatury wzdłuż powierzchni grzewczej zmienia się w większym stopniu niż przy prądzie przeciwprądowym. Jednocześnie jego średnia wartość w tym drugim przypadku jest większa, przez co powierzchnia grzejna aparatu z przeciwprądem będzie mniejsza. Tak więc w równych warunkach w tym przypadku zostanie przekazane więcej ciepła. Na tej podstawie należy preferować urządzenia z przeciwprądem.

W wyniku badań analitycznych wymiennika ciepła pracującego według schematu przepływu bezpośredniego stwierdzono, że wysokość podnoszenia temperatury wzdłuż powierzchni wymiany ciepła zmienia się wykładniczo, a więc średnią wysokość podnoszenia można obliczyć ze wzoru:

gdzie Δtb jest dużą różnicą temperatur między gorącym i zimnym nośnikiem ciepła (z jednego końca wymiennika ciepła); Δtm - mniejsza różnica temperatur (od drugiego końca wymiennika ciepła).

Przy przepływie do przodu Δtb = t'1 - t'2 i Δtm = t "1 - t" 2 (rys. 2.). Ten wzór obowiązuje również dla przeciwprądu, z tą różnicą, że dla przypadku, gdy C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 i Δtm = t'1 - t "2.

Średnia różnica temperatur między dwoma mediami, obliczona według wzoru (4), nazywana jest średnią logarytmiczną. temperatura głowy. Forma wyrażenia wynika z charakteru zmiany temperatury wzdłuż powierzchni grzewczej (zależność krzywoliniowa). Gdyby zależność była liniowa, to wysokość podnoszenia temperatury należy wyznaczyć jako średnią arytmetyczną (rys. 3). Wartość średniej arytmetycznej wysokości podnoszenia Δtа.av jest zawsze większa niż średnia logarytmiczna Δtl.av. Jednak w przypadkach, gdy wysokość podnoszenia temperatury na długości wymiennika ciepła zmienia się nieznacznie, to znaczy warunek Δtb / Δtm <2 jest spełniony, średnią różnicę temperatur można obliczyć jako średnią arytmetyczną:

Uśrednianie różnicy temperatur dla urządzeń z prądami krzyżowymi i mieszanymi wyróżnia się złożonością obliczeń, dlatego dla wielu najpopularniejszych schematów wyniki rozwiązań są zwykle podawane w postaci wykresów. Isp. Literatura: 1) Podstawy energetyki cieplnej A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Mińsk, wyd. II, "Wyższa szkoła", 1976. 3) Ciepłownictwo, red. 2, pod redakcją generalną. W Sushkina, Moskwa "Metalurgia", 1973.

Rodzaje wymiany ciepła

Porozmawiajmy teraz o rodzajach wymiany ciepła - są tylko trzy z nich. Promieniowanie - przenoszenie ciepła poprzez promieniowanie. Jako przykład możesz pomyśleć o opalaniu się na plaży w ciepły letni dzień. A takie wymienniki ciepła można nawet spotkać na rynku (nagrzewnice lampowe). Jednak najczęściej do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych, pomieszczeń w mieszkaniu kupujemy grzejniki olejowe lub elektryczne. To jest przykład innego rodzaju wymiany ciepła - konwekcji. Konwekcja może być naturalna, wymuszona (okap, aw skrzynce znajduje się rekuperator) lub indukowana mechanicznie (np. Z wentylatorem). Ten drugi typ jest znacznie wydajniejszy.

Jednak najbardziej efektywnym sposobem przekazywania ciepła jest przewodnictwo cieplne lub, jak to się nazywa, przewodzenie (z angielskiego „przewodnictwo” - „przewodzenie”). Każdy inżynier, który ma zamiar przeprowadzić obliczenia termiczne wymiennika ciepła, w pierwszej kolejności myśli o doborze wydajnego sprzętu o jak najmniejszych wymiarach. Osiąga się to właśnie dzięki przewodności cieplnej. Przykładem tego jest obecnie najwydajniejszy TOA - płytowe wymienniki ciepła. Płyta TOA z definicji jest wymiennikiem ciepła, który przenosi ciepło z jednego chłodziwa do drugiego przez oddzielającą je ściankę. Maksymalna możliwa powierzchnia styku między dwoma mediami, wraz z odpowiednio dobranymi materiałami, profilem płyt oraz ich grubością, pozwala na zminimalizowanie gabarytów wybranego sprzętu przy zachowaniu pierwotnych parametrów technicznych wymaganych w procesie technologicznym.

Rodzaje wymienników ciepła

Przed obliczeniem wymiennika ciepła określa się je na podstawie jego typu. Wszystkie TOA można podzielić na dwie duże grupy: rekuperacyjne i regeneracyjne wymienniki ciepła. Główna różnica między nimi jest następująca: w rekuperacyjnym TOA wymiana ciepła zachodzi przez ścianę oddzielającą dwa chłodziwa, natomiast w regeneracyjnym TOA oba media mają bezpośredni kontakt ze sobą, często mieszając się i wymagając późniejszej separacji w specjalnych separatorach. Regeneracyjne wymienniki ciepła dzielimy na mieszające i wymienniki ciepła z wypełnieniem (stacjonarne, opadające lub pośrednie). Z grubsza mówiąc, kubeł gorącej wody wystawiony na działanie mrozu lub szklanka gorącej herbaty włożona do lodówki do ostygnięcia (nigdy tego nie rób!) To przykład takiego mieszania TOA. A wlewając herbatę do spodka i schładzając ją w ten sposób otrzymujemy przykład regeneracyjnego wymiennika ciepła z dyszą (spodek w tym przykładzie pełni rolę dyszy), który najpierw styka się z otaczającym powietrzem i pobiera jego temperaturę , a następnie pobiera część ciepła z nalanej do niej gorącej herbaty, starając się doprowadzić oba media do równowagi termicznej. Jednak, jak już wcześniej dowiedzieliśmy się, bardziej efektywne jest wykorzystanie przewodnictwa cieplnego do przenoszenia ciepła z jednego ośrodka do drugiego, dlatego TOA, które są dziś bardziej przydatne pod względem wymiany ciepła (i są szeroko stosowane), są oczywiście rekuperacyjny.

Określenie ilości ciepła

Równanie przenikania ciepła stosowane dla ustalonych jednostek czasu i procesów jest następujące:

Q = KFtcp (W)

W tym równaniu:

• K jest wartością współczynnika przenikania ciepła (wyrażoną w W / (m2 / K));
• tav - średnia różnica wskaźników temperatury między różnymi nośnikami ciepła (wartość można podać zarówno w stopniach Celsjusza (0С), jak iw kelwinach (K));
• F jest wartością pola powierzchni, na której występuje wymiana ciepła (wartość podawana jest wm2).

Równanie pozwala opisać proces, podczas którego ciepło jest przenoszone pomiędzy nośnikami ciepła (od gorącego do zimnego). Równanie uwzględnia:

• przenoszenie ciepła z chłodziwa (gorącego) na ścianę;
• parametry przewodnictwa cieplnego ścian;
• przenoszenie ciepła ze ściany do chłodziwa (na zimno).

Obliczenia termiczne i strukturalne

Wszelkie obliczenia rekuperacyjnego wymiennika ciepła można wykonać na podstawie wyników obliczeń termicznych, hydraulicznych i wytrzymałościowych. Są fundamentalne, obowiązkowe przy projektowaniu nowego sprzętu i stanowią podstawę metody obliczeniowej dla kolejnych modeli linii tego samego typu aparatów. Głównym zadaniem obliczeń termicznych TOA jest określenie wymaganego obszaru powierzchni wymiany ciepła dla stabilnej pracy wymiennika ciepła i utrzymania wymaganych parametrów medium na wylocie. Dość często w takich obliczeniach inżynierom podaje się dowolne wartości masy i wielkości charakterystyk przyszłego sprzętu (materiał, średnica rur, rozmiary płyt, geometria belki, rodzaj i materiał użebrowania itp.), Dlatego po termiczny, zwykle przeprowadza się konstruktywne obliczenia wymiennika ciepła. Rzeczywiście, jeśli na pierwszym etapie inżynier obliczył wymaganą powierzchnię dla danej średnicy rury, na przykład 60 mm, a długość wymiennika ciepła okazała się w ten sposób około sześćdziesięciu metrów, to bardziej logiczne jest założenie przejście na wielobiegowy wymiennik ciepła lub na typ płaszczowo-rurowy lub w celu zwiększenia średnicy rur.

Mechanizmy wymiany ciepła w obliczeniach wymienników ciepła

Trzy główne rodzaje wymiany ciepła to konwekcja, przewodzenie ciepła i promieniowanie.

W procesach wymiany ciepła przebiegających zgodnie z zasadami mechanizmu przewodzenia ciepła energia cieplna przekazywana jest w postaci transferu energii sprężystych drgań atomowych i molekularnych. Przenoszenie tej energii między różnymi atomami jest w kierunku malejącym.

Obliczanie charakterystyk przenoszenia energii cieplnej zgodnie z zasadą przewodnictwa cieplnego odbywa się zgodnie z prawem Fouriera

Do obliczenia ilości energii cieplnej wykorzystuje się dane dotyczące powierzchni, przewodności cieplnej, gradientu temperatury, okresu przepływu.Pojęcie gradientu temperatury definiuje się jako zmianę temperatury w kierunku wymiany ciepła o jedną lub drugą jednostkę długości.

Przewodność cieplna to szybkość procesu wymiany ciepła, tj. ilość energii cieplnej przechodzącej przez dowolną jednostkę powierzchni w jednostce czasu.

Jak wiadomo, metale charakteryzują się najwyższym współczynnikiem przewodnictwa cieplnego w stosunku do innych materiałów, co należy wziąć pod uwagę przy wszelkich obliczeniach procesów wymiany ciepła. Jeśli chodzi o ciecze, mają one z reguły stosunkowo niższy współczynnik przewodności cieplnej w porównaniu z ciałami w stałym stanie skupienia.

Możliwe jest obliczenie ilości przenoszonej energii cieplnej do obliczenia wymienników ciepła, w których energia cieplna jest przenoszona między różnymi mediami przez ścianę, korzystając z równania Fouriera. Jest definiowany jako ilość energii cieplnej przechodzącej przez płaszczyznę o bardzo małej grubości:

Po wykonaniu kilku operacji matematycznych otrzymujemy następujący wzór

Można stwierdzić, że spadek temperatury wewnątrz ściany odbywa się zgodnie z prawem linii prostej.

Obliczenia hydrauliczne

Przeprowadzane są obliczenia hydrauliczne lub hydromechaniczne, a także aerodynamiczne w celu określenia i optymalizacji hydraulicznych (aerodynamicznych) strat ciśnienia w wymienniku ciepła, a także obliczenia kosztów energii, aby je przezwyciężyć. Obliczenie dowolnej ścieżki, kanału lub rury do przejścia chłodziwa stanowi dla człowieka podstawowe zadanie - zintensyfikować proces wymiany ciepła w tym obszarze. Oznacza to, że jedno medium powinno przenosić, a drugie powinno otrzymywać jak najwięcej ciepła przy minimalnym odstępie jego przepływu. W tym celu często stosuje się dodatkową powierzchnię wymiany ciepła w postaci rozwiniętego żebrowania powierzchniowego (w celu oddzielenia granicznej podwarstwy laminarnej i zwiększenia turbulizacji przepływu). Optymalny stosunek bilansowy strat hydraulicznych, powierzchni wymiany ciepła, charakterystyki wagi i wielkości oraz odprowadzonej mocy cieplnej jest wynikiem połączenia obliczeń termicznych, hydraulicznych i konstrukcyjnych TOA.

Obliczenie weryfikacyjne

Obliczenie wymiennika ciepła przeprowadza się w przypadku, gdy konieczne jest położenie marginesu mocy lub obszaru powierzchni wymiany ciepła. Powierzchnia jest zarezerwowana z różnych powodów i w różnych sytuacjach: jeśli jest to wymagane zgodnie ze specyfikacją istotnych warunków zamówienia, jeśli producent zdecyduje się na dodanie dodatkowego marginesu, aby mieć pewność, że taki wymiennik ciepła zacznie działać, i zminimalizować błędy popełnione w obliczeniach. W niektórych przypadkach wymagana jest redundancja, aby zaokrąglić wyniki wymiarów projektowych, w innych (parowniki, ekonomizery) do obliczenia zdolności wymiennika ciepła do zanieczyszczenia olejem sprężarkowym obecnym w obiegu chłodniczym wprowadza się specjalnie margines powierzchni. Trzeba też liczyć się z niską jakością wody. Po pewnym czasie nieprzerwanej pracy wymienników ciepła, zwłaszcza w wysokich temperaturach, na powierzchni wymiany ciepła aparatu osadza się kamień, obniżając współczynnik przejmowania ciepła i nieuchronnie prowadząc do pasożytniczego spadku odprowadzania ciepła. Dlatego też kompetentny inżynier przy obliczaniu wymiennika ciepła woda / woda zwraca szczególną uwagę na dodatkową redundancję powierzchni wymiany ciepła. Obliczenia weryfikacyjne są również wykonywane w celu sprawdzenia, jak wybrany sprzęt będzie działał w innych, drugorzędnych trybach. Na przykład w klimatyzatorach centralnych (jednostkach napowietrzających) pierwsza i druga nagrzewnica, używana w zimnych porach roku, jest często używana latem do chłodzenia napływającego powietrza, doprowadzając zimną wodę do rur powietrznego wymiennika ciepła.To, jak będą działać i jakie parametry podadzą, pozwala ocenić obliczenia weryfikacyjne.

Urządzenie i zasada działania

Urządzenia do wymiany ciepła na współczesnym rynku prezentowane są w szerokiej gamie.

Cały dostępny asortyment produktów z tej linii można podzielić na dwa rodzaje, takie jak:

• kruszywa płytowe;
• urządzenia płaszczowo-rurowe.

Ta ostatnia odmiana, ze względu na niską wydajność, a także duży rozmiar, prawie nie jest obecnie sprzedawana na rynku. Płytowy wymiennik ciepła składa się z identycznych płyt falistych, które są przymocowane do solidnej metalowej ramy. Elementy są umieszczone w lustrzanym odbiciu względem siebie, a pomiędzy nimi znajdują się uszczelki stalowe i gumowe. Użyteczna powierzchnia wymiany ciepła zależy bezpośrednio od wielkości i liczby płyt.

Urządzenia płytowe można podzielić na dwa podgatunki w zależności od konfiguracji, takie jak:

• jednostki lutowane;
• uszczelnione wymienniki ciepła.

Urządzenia składane różnią się od produktów z montażem lutowanym tym, że w razie potrzeby urządzenie można rozbudować i dostosować do własnych potrzeb, np. Dodać lub usunąć określoną liczbę płyt. Wymienniki uszczelnione są poszukiwane w obszarach, w których twarda woda jest wykorzystywana na potrzeby domowe, ze względu na właściwości, których napoje i różne zanieczyszczenia gromadzą się na elementach urządzenia. Nowotwory te niekorzystnie wpływają na sprawność urządzenia, dlatego należy je regularnie czyścić, a dzięki ich konfiguracji jest to zawsze możliwe.

Urządzenia nierozbieralne wyróżniają się następującymi cechami:

• wysoki poziom odporności na wysokie wahania ciśnienia i temperatury;
• długa żywotność;
• niewielka waga.

Lutowane zespoły są czyszczone bez demontażu całej konstrukcji.

Na podstawie obliczeń typu i opcji montażu urządzenia należy wyróżnić dwa rodzaje wymienników ciepła do ciepłej wody z ogrzewania.

• Wewnętrzne wymienniki ciepła znajdują się w samych urządzeniach grzewczych - piecach, kotłach i innych. Instalacja tego rodzaju pozwala uzyskać maksymalną wydajność podczas pracy produktów, ponieważ straty ciepła do ogrzewania obudowy będą minimalne. Z reguły takie urządzenia są już wbudowane w kocioł na etapie produkcji kotłów. Ułatwia to znacznie instalację i uruchomienie, ponieważ wystarczy ustawić wymagany tryb pracy wymiennika ciepła.

• Zewnętrzne wymienniki ciepła należy podłączać oddzielnie od źródła ciepła. Takie urządzenia są odpowiednie do stosowania w przypadkach, gdy działanie urządzenia zależy od zdalnego źródła ciepła. Przykładem są domy z centralnym ogrzewaniem. W tym przykładzie wykonania jednostka gospodarstwa domowego, która podgrzewa wodę, działa jako urządzenie zewnętrzne.

Biorąc pod uwagę rodzaj materiału, z jakiego wykonane są przegrody, warto zwrócić uwagę na następujące modele:

• stalowe wymienniki ciepła;
• urządzenia wykonane z żeliwa.

Ponadto wyróżniają się systemy lutowane miedzią. Stosowane są do ciepłownictwa w budynkach mieszkalnych.

Należy wziąć pod uwagę następujące cechy wyposażenia żeliwnego:

• surowiec stygnie dość wolno, co oszczędza na pracy całego systemu grzewczego;
• materiał ma wysoką przewodność cieplną, wszystkie produkty żeliwne mają nieodłączne właściwości, dzięki którym bardzo szybko się nagrzewa i oddaje ciepło innym elementom;
• surowiec jest odporny na tworzenie się kamienia na podłożu, dodatkowo jest bardziej odporny na korozję;
• instalując dodatkowe sekcje, możesz zwiększyć moc i funkcjonalność urządzenia jako całości;
• produkty z tego materiału można transportować w częściach, rozbijając je na sekcje, co ułatwia proces dostawy, a także montaż i konserwację wymiennika ciepła.

Sugerujemy zapoznanie się z: Po której stronie umieścić paroizolację a - DOLGOSTROI.PRO
Jak każdy inny produkt, takie zależne urządzenie ma następujące wady:

• żeliwo wyróżnia się niską odpornością na gwałtowne wahania temperatury, takie zjawiska mogą być obarczone powstawaniem pęknięć na urządzeniu, co negatywnie wpłynie na działanie wymiennika ciepła;
• nawet mając duże wymiary, elementy żeliwne są bardzo delikatne, dlatego uszkodzenia mechaniczne, zwłaszcza podczas transportu produktów, mogą go poważnie uszkodzić;
• materiał jest podatny na korozję na sucho;
• duża masa i wymiary urządzenia czasami komplikują opracowanie i instalację systemu.

Stalowe wymienniki ciepła do dostarczania ciepłej wody wyróżniają się następującymi zaletami:

• wysoka przewodność cieplna;
• mała masa produktów. Stal nie obciąża systemu, dlatego takie urządzenia są najlepszą opcją, gdy potrzebny jest wymiennik ciepła, którego zadaniem jest obsługa dużej powierzchni;
• elementy stalowe są odporne na naprężenia mechaniczne;
• stalowy wymiennik ciepła nie reaguje na wahania temperatury wewnątrz konstrukcji;
• materiał ma dobre właściwości sprężyste, jednakże długotrwały kontakt z silnie rozgrzanym lub schłodzonym medium może prowadzić do powstawania pęknięć w obszarze spoin.

Wady urządzeń obejmują następujące funkcje:

• podatność na korozję elektrochemiczną. Dlatego przy stałym kontakcie z agresywnym środowiskiem żywotność urządzenia zostanie znacznie zmniejszona;
• urządzenia nie mają możliwości zwiększania wydajności pracy;
• stalowa jednostka bardzo szybko traci ciepło, co jest obarczone zwiększonym zużyciem paliwa do wydajnej pracy;
• niski poziom konserwacji. Naprawa urządzenia własnymi rękami jest prawie niemożliwa;
• ostateczny montaż stalowego wymiennika ciepła odbywa się w warunkach warsztatu, w którym został wyprodukowany. Jednostki są monolitycznymi blokami o dużych rozmiarach, przez co występują trudności z ich dostawą.

Niektórzy producenci, aby podnieść jakość stalowych wymienników ciepła, pokrywają ich wewnętrzne ścianki żeliwem, zwiększając tym samym niezawodność konstrukcji.

Nowoczesne wymienniki ciepła to jednostki, których działanie opiera się na różnych zasadach:

• nawadnianie;
• zanurzalny;
• lutowane;
• powierzchowny;
• składany;
• żebrowana blaszka;
• mieszanie;
• shell-and-tube i inne.

Ale płytowe wymienniki ciepła do dostarczania ciepłej wody i ogrzewania różnią się korzystnie od wielu innych. Są to grzejniki przepływowe. Instalacje to szereg płyt, pomiędzy którymi powstają dwa kanały: gorący i zimny. Oddzielone są stalowo-gumową uszczelką, co eliminuje mieszanie się mediów.

Płyty są montowane w jeden blok. Od tego czynnika zależy funkcjonalność urządzenia. Płytki mają identyczny rozmiar, ale znajdują się pod kątem 180 stopni, co jest przyczyną powstawania wnęk, przez które transportowane są płyny. W ten sposób powstaje przemiana zimnych i gorących kanałów i powstaje proces wymiany ciepła.

Recyrkulacja w tego typu sprzęcie jest intensywna. Warunki użytkowania wymiennika ciepła do instalacji ciepłej wody zależą od materiału uszczelek, ilości płyt, ich wielkości i rodzaju. Instalacje przygotowujące ciepłą wodę są wyposażone w dwa obwody: jeden do CWU, drugi do ogrzewania pomieszczeń. Maszyny do blach są bezpieczne, wydajne i używane w następujących obszarach:

• przygotowanie nośnika ciepła w systemach zaopatrzenia w ciepłą wodę, wentylacji i ogrzewania;
• chłodzenie produktów spożywczych i olejów przemysłowych;
• zaopatrzenie w ciepłą wodę do pryszniców w przedsiębiorstwach;
• do przygotowania nośnika ciepła w systemach ogrzewania podłogowego;
• do przygotowania nośnika ciepła w przemyśle spożywczym, chemicznym i farmaceutycznym;
• podgrzewanie wody w basenie i inne procesy wymiany ciepła.

Obliczenia badawcze

Obliczenia badawcze TOA przeprowadza się na podstawie otrzymanych wyników obliczeń termicznych i weryfikacyjnych. Z reguły są one niezbędne do dokonania ostatnich poprawek w konstrukcji projektowanej aparatury. Prowadzone są również w celu skorygowania wszelkich równań z zaimplementowanego modelu obliczeniowego TOA, uzyskanego empirycznie (na podstawie danych eksperymentalnych). Wykonywanie obliczeń badawczych obejmuje dziesiątki, a czasem setki obliczeń według specjalnego planu opracowanego i wdrożonego do produkcji zgodnie z matematyczną teorią planowania eksperymentu. Zgodnie z wynikami ujawniono wpływ różnych warunków i wielkości fizycznych na wskaźniki wydajności TOA.

Inne obliczenia

Obliczając powierzchnię wymiennika ciepła, nie zapomnij o odporności materiałów. Obliczenia wytrzymałościowe TOA obejmują sprawdzenie zaprojektowanej jednostki pod kątem naprężeń, skręcenia, w celu zastosowania maksymalnych dopuszczalnych momentów roboczych do części i zespołów przyszłego wymiennika ciepła. Przy minimalnych wymiarach produkt musi być trwały, stabilny i gwarantować bezpieczną pracę w różnych, nawet najbardziej stresujących warunkach eksploatacji.

Przeprowadzane są obliczenia dynamiczne w celu określenia różnych charakterystyk wymiennika ciepła przy różnych trybach jego pracy.

Wymienniki ciepła typu rura w rurze

Rozważmy najprostsze obliczenia dotyczące wymiennika ciepła typu rura w rurze. Strukturalnie ten typ TOA jest maksymalnie uproszczony. Z reguły gorący płyn chłodzący jest wpuszczany do wewnętrznej rury aparatu, aby zminimalizować straty, a chłodziwo chłodzące jest wprowadzane do obudowy lub do rury zewnętrznej. Zadanie inżyniera sprowadza się w tym przypadku do określenia długości takiego wymiennika ciepła na podstawie obliczonej powierzchni powierzchni wymiany ciepła i zadanych średnic.

W tym miejscu należy dodać, że pojęcie idealnego wymiennika ciepła jest wprowadzane do termodynamiki, czyli aparatu o nieskończonej długości, w którym chłodziwa pracują w przeciwprądzie, a różnica temperatur między nimi jest w pełni wyzwalana. Konstrukcja rura w rurze jest najbardziej zbliżona do spełnienia tych wymagań. A jeśli uruchomisz chłodziwa w przeciwprądzie, to będzie to tak zwany „rzeczywisty przeciwprąd” (a nie przepływ krzyżowy, jak w płycie TOA). Przy takiej organizacji ruchu najskuteczniej wyzwala się głowicę temperaturową. Jednak obliczając wymiennik ciepła typu rura w rurze, należy być realistycznym i nie zapominać o komponencie logistycznym, a także o łatwości montażu. Długość eurotrucka wynosi 13,5 metra, a nie wszystkie pomieszczenia techniczne są przystosowane do zrywki i montażu urządzeń tej długości.

Jak obliczyć wymiennik ciepła

Konieczne jest obliczenie wężownicy wymiennika ciepła, w przeciwnym razie jego moc cieplna może nie wystarczyć do ogrzania pomieszczenia. System grzewczy ma na celu kompensację strat ciepła. W związku z tym możemy tylko ustalić dokładną ilość wymaganej energii cieplnej na podstawie strat ciepła w budynku. Obliczenie jest dość trudne, dlatego średnio pobierają 100 W na 1 metr kwadratowy przy wysokości sufitu 2,7 m.

Pomiędzy zakrętami musi być przerwa.

Do obliczeń wymagane są również następujące wartości:

• Liczba Pi;
• średnica dostępnej rury (weź 10 mm);
• lambda przewodność cieplna metalu (dla miedzi 401 W / m * K);
• delta temperatury zasilania i powrotu chłodziwa (20 stopni).

Aby określić długość rury, należy podzielić całkowitą moc cieplną w W przez iloczyn powyższych czynników.Rozważmy na przykładzie miedzianego wymiennika ciepła o wymaganej mocy cieplnej 3 kW - to jest 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (współczynnik przewodzenia ciepła lambda) * 20 (delta temperatury) * 0,01 (średnica rury w metrach)

Z tych obliczeń wynika, że ​​potrzeba 11,91 m rury miedzianej o średnicy 10 mm, aby moc cieplna wężownicy wynosiła 3 kW.

Wymienniki płaszczowo-rurowe

Dlatego bardzo często obliczenia takiego urządzenia płynnie wpływają na obliczenia płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła. Jest to aparat, w którym wiązka rur umieszczona jest w jednej obudowie (płaszczu), mytych różnymi chłodziwami, w zależności od przeznaczenia urządzenia. Na przykład w skraplaczach czynnik chłodniczy przedostaje się do płaszcza, a woda do rur. Dzięki tej metodzie przenoszenia mediów wygodniejsze i wydajniejsze jest sterowanie pracą urządzenia. Z kolei w parownikach czynnik chłodniczy wrze w rurkach, a jednocześnie jest on przemywany przez schłodzoną ciecz (wodę, solanki, glikole itp.). Dlatego obliczenia dotyczące płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła są zredukowane do zminimalizowania wielkości sprzętu. Bawiąc się średnicą obudowy, średnicą i liczbą rurek wewnętrznych oraz długością aparatu, inżynier uzyskuje obliczoną wartość pola powierzchni wymiany ciepła.

Powietrzne wymienniki ciepła

Jednym z najpowszechniejszych obecnie wymienników ciepła są żebrowane rurowe wymienniki ciepła. Nazywa się je również cewkami. Wszędzie tam, gdzie nie są zamontowane, począwszy od klimakonwektorów (od angielskiego wentylatora + cewki, czyli "wentylator" + "cewka") w blokach wewnętrznych układów typu split, a skończywszy na gigantycznych rekuperatorach spalin (odprowadzanie ciepła z gorących spalin i przenieść go na potrzeby grzewcze) w kotłowniach elektrociepłowni. Dlatego konstrukcja wężownicowego wymiennika ciepła zależy od zastosowania, w którym wymiennik ciepła będzie działał. Przemysłowe chłodnice powietrzne (VOP), instalowane w komorach szokowego zamrażania mięsa, w zamrażarkach o niskich temperaturach oraz na innych obiektach chłodnictwa żywnościowego, wymagają pewnych cech konstrukcyjnych w swoim działaniu. Odległość między lamelami (lamelami) powinna być jak największa, aby wydłużyć czas ciągłej pracy między cyklami odszraniania. Natomiast parowniki dla centrów danych (centrów przetwarzania danych) są wykonane tak kompaktowo, jak to tylko możliwe, ograniczając odstępy do minimum. Takie wymienniki ciepła pracują w „czystych strefach” otoczonych drobnymi filtrami (do klasy HEPA), dlatego takie obliczenia rurowego wymiennika ciepła przeprowadzane są z naciskiem na minimalizację gabarytów.

Rodzaje wężownicowych wymienników ciepła

Podgrzewany wieszak na ręczniki jest jednocześnie wężownicą wymiennika ciepła.

Możesz wykonać cewkę własnymi rękami o różnych wzorach iz kilku rodzajów metalu (stal, miedź, aluminium, żeliwo). Produkty z aluminium i żeliwa są tłoczone w fabrykach, ponieważ wymagane warunki do pracy z tymi metalami można osiągnąć tylko w warunkach produkcyjnych. Bez tego będzie można pracować tylko ze stalą lub miedzią. Najlepiej jest używać miedzi, ponieważ jest plastyczna i ma wysoki stopień przewodności cieplnej. Istnieją dwa schematy tworzenia cewki:

• wkręt;
• równolegle.

Schemat helikalny oznacza położenie zwojów spirali wzdłuż linii śrubowej. Płyn chłodzący w takich wymiennikach ciepła porusza się w jednym kierunku. W razie potrzeby, aby zwiększyć moc grzewczą, można połączyć kilka spiral zgodnie z zasadą „rura w rurze”.

Aby maksymalnie zminimalizować straty ciepła, należy wybrać, jaki rodzaj izolacji najlepiej ocieplić dom od zewnątrz. Zależy to również od materiału ścian.

Konieczne jest dokonanie wyboru ocieplenia domu drewnianego na podstawie paroprzepuszczalności izolacji termicznej.

W obwodzie równoległym chłodziwo stale zmienia kierunek ruchu. Taki wymiennik ciepła wykonany jest z prostych rur połączonych kolanem 180 stopni.W niektórych przypadkach, na przykład do produkcji grzejnika, nie można stosować kolan obrotowych. Zamiast nich instalowany jest bezpośredni bypass, który może być umieszczony zarówno na jednym, jak i na obu końcach rury.

Metody wymiany ciepła

Zasada działania wężownicowego wymiennika ciepła polega na ogrzewaniu jednej substancji kosztem ciepła innej. W ten sposób woda w wymienniku ciepła może być podgrzewana otwartym płomieniem. W takim przypadku będzie działał jak radiator. Ale także sama cewka może działać jako źródło ciepła. Na przykład, gdy płyn chłodzący przepływa przez rury ogrzewane w kotle lub za pomocą wbudowanego elektrycznego elementu grzejnego, a jego ciepło jest przekazywane do wody z systemu grzewczego. Zasadniczo ostatecznym celem wymiany ciepła jest ogrzanie powietrza w pomieszczeniu.

Płytowe wymienniki ciepła

Obecnie płytowe wymienniki ciepła cieszą się stabilnym zapotrzebowaniem. Zgodnie z ich konstrukcją są całkowicie składane i częściowo spawane, lutowane miedzią i niklem, spawane i lutowane metodą dyfuzyjną (bez lutu). Konstrukcja termiczna płytowego wymiennika ciepła jest wystarczająco elastyczna i nie jest szczególnie trudna dla inżyniera. W procesie selekcji można bawić się rodzajem płyt, głębokością wykrawania kanałów, rodzajem użebrowania, grubością stali, różnymi materiałami, a co najważniejsze - licznymi standardowymi wymiarami modeli urządzeń o różnych wymiarach. Takie wymienniki ciepła są niskie i szerokie (do podgrzewania wody parą) lub wysokie i wąskie (oddzielne wymienniki ciepła do układów klimatyzacji). Często stosuje się je do mediów zmieniających fazę, czyli jako skraplacze, parowniki, schładzacze, prekondensatory itp. Nieco trudniej jest wykonać obliczenia cieplne wymiennika ciepła pracującego według schematu dwufazowego niż ciecz -na płynny wymiennik ciepła, ale dla doświadczonego inżyniera zadanie to jest rozwiązalne i nie jest szczególnie trudne. Aby ułatwić takie obliczenia, współcześni projektanci korzystają z komputerowych baz inżynieryjnych, w których można znaleźć wiele potrzebnych informacji, w tym wykresy stanu dowolnego czynnika chłodniczego w dowolnym skanie, na przykład w programie CoolPack.