Tính toán bộ trao đổi nhiệt hiện chỉ mất không quá năm phút. Theo quy định, bất kỳ tổ chức nào sản xuất và bán thiết bị đó đều cung cấp cho mọi người chương trình lựa chọn của riêng họ. Nó có thể được tải xuống miễn phí từ trang web của công ty hoặc kỹ thuật viên của họ sẽ đến văn phòng của bạn và cài đặt nó miễn phí. Tuy nhiên, kết quả của những tính toán đó có chính xác đến đâu, liệu có thể tin tưởng được và liệu nhà sản xuất có không gian xảo khi đấu thầu với các đối thủ của mình? Kiểm tra một máy tính điện tử đòi hỏi kiến thức hoặc ít nhất là hiểu biết về phương pháp tính toán các bộ trao đổi nhiệt hiện đại. Hãy cố gắng hiểu chi tiết.
Bộ trao đổi nhiệt là gì
Trước khi thực hiện tính công suất tỏa nhiệt, chúng ta hãy nhớ xem đây là loại thiết bị gì? Thiết bị truyền nhiệt và truyền khối (hay còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt, hay còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt, hoặc TOA) làmột thiết bị để truyền nhiệt từ chất làm mát này sang chất làm mát khác. Trong quá trình thay đổi nhiệt độ của các chất mang nhiệt, khối lượng riêng của chúng và theo đó, các chỉ số khối lượng của các chất cũng thay đổi. Đó là lý do tại sao các quá trình như vậy được gọi là truyền nhiệt và truyền khối.
Các kiểu truyền nhiệt
Bây giờ chúng ta hãy nói về các loại truyền nhiệt - chỉ có ba loại trong số chúng. Bức xạ - truyền nhiệt do bức xạ. Ví dụ, hãy xem xét việc tắm nắng trên bãi biển vào một ngày hè ấm áp. Và những bộ trao đổi nhiệt như vậy thậm chí có thể được tìm thấy trên thị trường (máy sưởi không khí dạng ống). Tuy nhiên, thông thường để sưởi ấm cơ sở nhà ở, phòng trong căn hộ, chúng tôi mua bộ tản nhiệt dầu hoặc điện. Đây là một ví dụ về một kiểu truyền nhiệt khác - đối lưu. Đối lưu có thể là tự nhiên, cưỡng bức (máy hút mùi và có một bộ trao đổi nhiệt trong hộp) hoặc điều khiển cơ học (ví dụ: với quạt). Loại thứ hai hiệu quả hơn nhiều.
Tuy nhiên, cách truyền nhiệt hiệu quả nhất là dẫn truyền, hay còn được gọi là dẫn truyền (từ tiếng Anh. Conduction - "sự dẫn truyền"). Bất kỳ kỹ sư nào sắp tiến hành tính toán nhiệt của bộ trao đổi nhiệt, trước hết, phải nghĩ đến cách chọn thiết bị hiệu quả theo kích thước tối thiểu. Và có thể đạt được điều này một cách chính xác nhờ tính dẫn nhiệt. Một ví dụ về điều này là TOA hiệu quả nhất hiện nay - bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Theo định nghĩa, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm là một thiết bị trao đổi nhiệt truyền nhiệt từ chất làm mát này sang chất làm mát khác thông qua một bức tường ngăn cách chúng. Tối đadiện tích tiếp xúc có thể có giữa hai phương tiện, cùng với vật liệu được lựa chọn chính xác, biên dạng và độ dày tấm, cho phép giảm thiểu kích thước của thiết bị đã chọn trong khi vẫn duy trì các đặc tính kỹ thuật ban đầu cần thiết trong quy trình công nghệ.
Các loại thiết bị trao đổi nhiệt
Trước khi tính toán bộ trao đổi nhiệt, nó được xác định với loại của nó. Tất cả TOA có thể được chia thành hai nhóm lớn: thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi và tái tạo. Sự khác biệt chính giữa chúng như sau: trong TOA tái sinh, sự trao đổi nhiệt xảy ra thông qua một bức tường ngăn cách hai chất làm mát, trong khi trong chất tái sinh, hai môi trường tiếp xúc trực tiếp với nhau, thường trộn lẫn và đòi hỏi sự phân tách tiếp theo trong các thiết bị phân tách đặc biệt. Các thiết bị trao đổi nhiệt tái sinh được chia thành các thiết bị trộn và trao đổi nhiệt có đóng gói (tĩnh, rơi hoặc trung gian). Nói một cách đại khái, một xô nước nóng, tiếp xúc với sương giá, hoặc một ly trà nóng, để nguội trong tủ lạnh (không bao giờ làm điều này!) - đây là một ví dụ về cách pha trộn TOA. Và rót trà vào đĩa và làm lạnh theo cách này, chúng ta nhận được một ví dụ về bộ trao đổi nhiệt tái sinh có vòi phun (đĩa trong ví dụ này đóng vai trò là vòi phun), đầu tiên tiếp xúc với không khí xung quanh và lấy nhiệt độ của nó, và sau đó lấy đi một phần nhiệt từ trà nóng đổ vào đó, tìm cách đưa cả hai phương tiện về trạng thái cân bằng nhiệt. Tuy nhiên, như chúng ta đã tìm hiểu trước đó, việc sử dụng dẫn nhiệt để truyền nhiệt từ môi trường này sang môi trường khác sẽ hiệu quả hơn, do đóTruyền nhiệt càng hữu ích (và được sử dụng rộng rãi) cho đến ngày nay, tất nhiên, là những phương thức tái tạo.
Thiết kế cấu trúc và nhiệt
Bất kỳ tính toán nào của bộ trao đổi nhiệt phục hồi đều có thể được thực hiện trên cơ sở các kết quả tính toán nhiệt, thủy lực và cường độ. Chúng là cơ bản, bắt buộc trong việc thiết kế thiết bị mới và là cơ sở của phương pháp luận để tính toán các mô hình tiếp theo của một dòng thiết bị tương tự. Nhiệm vụ chính của tính toán nhiệt TOA là xác định diện tích cần thiết của bề mặt trao đổi nhiệt để thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động ổn định và duy trì các thông số cần thiết của môi chất tại đầu ra. Thông thường, trong các tính toán như vậy, các kỹ sư được cung cấp các giá trị tùy ý về đặc điểm trọng lượng và kích thước của thiết bị tương lai (vật liệu, đường kính ống, kích thước tấm, hình học bó, loại và vật liệu của vây, v.v.), do đó, sau tính toán nhiệt, họ thường thực hiện một tính toán xây dựng của bộ trao đổi nhiệt. Rốt cuộc, nếu ở giai đoạn đầu, kỹ sư đã tính toán diện tích bề mặt cần thiết cho một đường kính ống nhất định, ví dụ: 60 mm và chiều dài bộ trao đổi nhiệt là khoảng sáu mươi mét, thì sẽ hợp lý hơn nếu giả sử một sự chuyển tiếp sang bộ trao đổi nhiệt nhiều tầng, hoặc kiểu vỏ và ống, hoặc để tăng đường kính của các ống.
Tính toán thủy lực
Tính toán thủy lực hoặc thủy lực cũng như khí động học được thực hiện để xác định và tối ưu hóa thủy lực(khí động học) tổn thất áp suất trong bộ trao đổi nhiệt, cũng như tính toán chi phí năng lượng để khắc phục chúng. Việc tính toán bất kỳ đường dẫn, kênh hoặc đường ống nào để chất làm mát đi qua đặt ra nhiệm vụ chính đối với con người - đó là tăng cường quá trình truyền nhiệt trong khu vực này. Có nghĩa là, một môi chất phải truyền và môi trường kia nhận càng nhiều nhiệt càng tốt trong khoảng thời gian nhỏ nhất của dòng chảy của nó. Đối với điều này, một bề mặt trao đổi nhiệt bổ sung thường được sử dụng, dưới dạng một đường gân bề mặt được phát triển (để tách lớp con lớp biên và tăng cường sự hỗn loạn của dòng chảy). Tỷ lệ cân bằng tối ưu của tổn thất thủy lực, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, đặc điểm trọng lượng và kích thước và nhiệt năng loại bỏ là kết quả của sự kết hợp giữa tính toán nhiệt, thủy lực và kết cấu của TOA.
Kiểm tra phép tính
Việc tính toán xác minh của bộ trao đổi nhiệt được thực hiện trong trường hợp cần thiết phải đặt một giới hạn về công suất hoặc về diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. Bề mặt được bảo lưu vì các lý do khác nhau và trong các tình huống khác nhau: nếu nó được yêu cầu bởi các điều khoản tham chiếu, nếu nhà sản xuất quyết định tạo thêm một biên độ để đảm bảo rằng bộ trao đổi nhiệt như vậy sẽ đạt được chế độ và giảm thiểu các lỗi xảy ra trong tính toán. Trong một số trường hợp, cần dự phòng để làm tròn kết quả của các kích thước xây dựng, trong khi ở những trường hợp khác (thiết bị bay hơi, thiết bị tiết kiệm), biên độ bề mặt được đưa vào đặc biệt để tính toán công suất bộ trao đổi nhiệt, đối với sự nhiễm bẩn do dầu máy nén có trong mạch làm lạnh. Và chất lượng nước kémphải được tính đến. Sau một thời gian hoạt động liên tục của bộ trao đổi nhiệt, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, cặn lắng trên bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị, làm giảm hệ số truyền nhiệt và tất yếu dẫn đến giảm ký sinh nhiệt. Vì vậy, một kỹ sư có năng lực, khi tính toán thiết bị trao đổi nhiệt giữa nước đặc biệt chú ý đến dự phòng bổ sung của bề mặt trao đổi nhiệt. Tính toán xác minh cũng được thực hiện để xem thiết bị đã chọn sẽ hoạt động như thế nào ở các chế độ phụ, khác. Ví dụ, trong điều hòa trung tâm (bộ cấp), bộ gia nhiệt thứ nhất và thứ hai, được sử dụng vào mùa lạnh, thường được sử dụng vào mùa hè để làm mát không khí đi vào, cung cấp nước lạnh cho các ống trao đổi nhiệt của không khí. Chúng sẽ hoạt động như thế nào và những thông số nào sẽ đưa ra, cho phép bạn đánh giá phép tính xác minh.
Tính toán khám phá
Các tính toán nghiên cứu của TOA được thực hiện trên cơ sở các kết quả thu được của các phép tính nhiệt và xác minh. Theo quy định, chúng là cần thiết để thực hiện những sửa đổi cuối cùng đối với thiết kế của bộ máy được thiết kế. Chúng cũng được thực hiện để hiệu chỉnh bất kỳ phương trình nào được kết hợp trong mô hình tính toán đã thực hiện của TOA, thu được theo kinh nghiệm (theo dữ liệu thực nghiệm). Thực hiện các phép tính nghiên cứu bao gồm hàng chục và đôi khi hàng trăm phép tính theo một kế hoạch đặc biệt được phát triển và thực hiện trong sản xuất phù hợp vớilý thuyết toán học của các thí nghiệm lập kế hoạch. Dựa trên kết quả, ảnh hưởng của các điều kiện và đại lượng vật lý khác nhau lên các chỉ số hiệu quả TOA được tiết lộ.
Các phép tính khác
Khi tính toán diện tích trao đổi nhiệt, đừng quên sức đề kháng của vật liệu. Tính toán độ bền TOA bao gồm việc kiểm tra đơn vị được thiết kế về ứng suất, đối với lực xoắn, để áp dụng mômen làm việc tối đa cho phép đối với các bộ phận và cụm của thiết bị trao đổi nhiệt trong tương lai. Với kích thước tối thiểu, sản phẩm phải mạnh mẽ, ổn định và đảm bảo hoạt động an toàn trong các điều kiện vận hành khác nhau, thậm chí khắt khe nhất.
Tính toán động được thực hiện để xác định các đặc tính khác nhau của bộ trao đổi nhiệt ở các chế độ hoạt động khác nhau.
Kiểu thiết kế bộ trao đổi nhiệt
TOA phục hồi theo thiết kế có thể được chia thành một số lượng khá lớn các nhóm. Nổi tiếng nhất và được sử dụng rộng rãi là bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, không khí (dạng ống vây), bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và dạng ống, dạng ống trong ống, dạng vỏ và dạng tấm và các loại khác. Ngoài ra còn có các loại kỳ lạ hơn và chuyên biệt hơn, chẳng hạn như xoắn ốc (thiết bị trao đổi nhiệt dạng cuộn) hoặc loại cạo, hoạt động với chất lỏng nhớt hoặc không phải Newton, cũng như nhiều loại khác.
Bộ trao đổi nhiệt trong ống
Hãy xem xét phép tính đơn giản nhất của bộ trao đổi nhiệt "ống trong ống". Về mặt cấu trúc, loại TOA này được đơn giản hóa tối đa. Theo quy luật, họ cho vào ống bên trong của thiết bịchất làm mát nóng, để giảm thiểu tổn thất, và chất làm mát làm mát được đưa vào vỏ, hoặc vào đường ống bên ngoài. Nhiệm vụ của kỹ sư trong trường hợp này là xác định chiều dài của bộ trao đổi nhiệt như vậy dựa trên diện tích được tính toán của bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính đã cho.
Ở đây, điều đáng nói thêm là trong nhiệt động lực học, khái niệm về một bộ trao đổi nhiệt lý tưởng được đưa ra, tức là một thiết bị có chiều dài vô hạn, trong đó các chất mang nhiệt hoạt động theo dòng ngược chiều và sự chênh lệch nhiệt độ hoàn toàn được giải quyết giữa chúng. Thiết kế ống trong ống là gần nhất để đáp ứng các yêu cầu này. Và nếu bạn chạy chất làm mát trong dòng ngược dòng, thì nó sẽ được gọi là "dòng ngược thực" (chứ không phải chéo, như trong TOA tấm). Đầu nhiệt độ được làm việc hiệu quả nhất với một tổ chức chuyển động như vậy. Tuy nhiên, khi tính toán thiết bị trao đổi nhiệt “ống trong ống”, người ta nên thực tế và không quên về thành phần hậu cần, cũng như dễ lắp đặt. Chiều dài của eurotruck là 13,5 mét, và không phải tất cả các cơ sở kỹ thuật đều phù hợp với việc trượt và lắp đặt thiết bị có chiều dài này.
Bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ
Do đó, việc tính toán một thiết bị như vậy rất thường xuyên được chuyển sang tính toán một thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống. Đây là một thiết bị trong đó một bó ống nằm trong một vỏ (vỏ) duy nhất, được rửa bằng nhiều chất làm mát khác nhau, tùy thuộc vào mục đích của thiết bị. Ví dụ, trong bình ngưng, chất làm lạnh được chạy vào vỏ, và nước được chạy vào các ống. Với phương thức di chuyển phương tiện này, việc kiểm soát thuận tiện hơn và hiệu quả hơnhoạt động của bộ máy. Ngược lại, trong thiết bị bay hơi, chất làm lạnh sôi trong các ống, trong khi chúng được rửa bởi chất lỏng đã làm lạnh (nước, nước muối, glycol, v.v.). Do đó, việc tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống được giảm thiểu để giảm thiểu kích thước của thiết bị. Với đường kính vỏ, đường kính và số lượng ống bên trong và chiều dài của bộ máy, kỹ sư đạt được giá trị tính toán của diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.
Bộ trao đổi nhiệt không khí
Một trong những thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến nhất hiện nay là thiết bị trao đổi nhiệt dạng vây hình ống. Chúng còn được gọi là rắn. Nơi chúng không chỉ được lắp đặt, bắt đầu từ các đơn vị cuộn dây quạt (từ tiếng Anh fan + coil, tức là "fan" + "coil") trong các dàn lạnh của hệ thống phân tách và kết thúc bằng bộ thu hồi khí thải khổng lồ (trích xuất nhiệt từ khí lò nóng và truyền tải cho nhu cầu sưởi ấm) trong các nhà máy lò hơi tại CHP. Đó là lý do tại sao việc tính toán bộ trao đổi nhiệt dạng cuộn phụ thuộc vào ứng dụng mà bộ trao đổi nhiệt này sẽ đi vào hoạt động. Máy làm mát không khí công nghiệp (HOP) được lắp đặt trong buồng đông lạnh thịt, tủ đông nhiệt độ thấp và các thiết bị làm lạnh thực phẩm khác yêu cầu một số tính năng thiết kế nhất định trong thiết kế của chúng. Khoảng cách giữa các tấm (cánh tản nhiệt) càng lớn càng tốt để tăng thời gian hoạt động liên tục giữa các chu kỳ xả đá. Ngược lại, thiết bị bay hơi cho trung tâm dữ liệu (trung tâm xử lý dữ liệu) được làm nhỏ gọn nhất có thể bằng cách kẹp chặt giữa các saokhoảng cách tối thiểu. Các bộ trao đổi nhiệt như vậy hoạt động trong “vùng sạch”, được bao quanh bởi các bộ lọc tốt (lên đến lớp HEPA), do đó, việc tính toán bộ trao đổi nhiệt hình ống như vậy được thực hiện với trọng tâm là giảm thiểu kích thước.
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm
Hiện tại, nhu cầu trao đổi nhiệt dạng tấm ổn định. Theo thiết kế của họ, chúng hoàn toàn có thể thu gọn và bán hàn, hàn đồng và hàn niken, hàn và hàn bằng khuếch tán (không có chất hàn). Việc tính toán nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm khá linh hoạt và không gây khó khăn đặc biệt nào cho kỹ sư. Trong quá trình lựa chọn, bạn có thể thử với loại tấm, độ sâu của rãnh rèn, loại cánh tản nhiệt, độ dày của thép, các vật liệu khác nhau, và quan trọng nhất là vô số mô hình kích thước tiêu chuẩn của các thiết bị có kích thước khác nhau. Các bộ trao đổi nhiệt như vậy là thấp và rộng (để làm nóng nước bằng hơi nước) hoặc cao và hẹp (ngăn cách các bộ trao đổi nhiệt cho hệ thống điều hòa không khí). Chúng cũng thường được sử dụng cho môi trường thay đổi pha, tức là bình ngưng, thiết bị bay hơi, bộ khử quá nhiệt, bộ làm lạnh sơ bộ, v.v. Tính toán nhiệt của bộ trao đổi nhiệt hai pha phức tạp hơn một chút so với bộ trao đổi nhiệt lỏng-lỏng, tuy nhiên, đối với kỹ sư có kinh nghiệm, nhiệm vụ này có thể giải quyết được và không có bất kỳ khó khăn cụ thể nào. Để tạo điều kiện thuận lợi cho các tính toán như vậy, các nhà thiết kế hiện đại sử dụng cơ sở dữ liệu máy tính kỹ thuật, nơi bạn có thể tìm thấy rất nhiều thông tin cần thiết, bao gồm biểu đồ trạng thái của bất kỳ chất làm lạnh nào trong bất kỳ quá trình quét nào, chẳng hạn như một chương trình. CoolPack.
Ví dụ về tính toán bộ trao đổi nhiệt
Mục đích chính của phép tính là tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết. Công suất nhiệt (làm lạnh) thường được chỉ định trong điều khoản tham chiếu, tuy nhiên, trong ví dụ của chúng tôi, chúng tôi sẽ tính toán nó, có thể nói, để kiểm tra chính điều khoản tham chiếu. Đôi khi nó cũng xảy ra rằng một lỗi có thể xâm nhập vào dữ liệu nguồn. Một trong những nhiệm vụ của một kỹ sư có năng lực là tìm và sửa lỗi này. Ví dụ, hãy tính toán một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm thuộc loại "lỏng-lỏng". Hãy để đây là một thiết bị ngắt áp suất trong một tòa nhà cao tầng. Để dỡ thiết bị bằng áp suất, phương pháp này rất thường được sử dụng trong việc xây dựng các tòa nhà chọc trời. Ở một mặt của bộ trao đổi nhiệt, chúng ta có nước với nhiệt độ đầu vào Tin1=14 ᵒС và nhiệt độ đầu ra Тout1=9 ᵒС, và với tốc độ dòng chảy G1=14.500 kg / h, và mặt khác - cũng là nước, nhưng chỉ với các thông số sau: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg / h.
Chúng tôi tính công suất cần thiết (Q0) bằng công thức cân bằng nhiệt (xem hình trên, công thức 7.1), trong đó Ср là nhiệt dung riêng (giá trị bảng). Để đơn giản hóa việc tính toán, chúng tôi lấy giá trị giảm của nhiệt dung Срв=4,187 [kJ / kgᵒС]. Đếm:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ / h]=84321, 53 W=84. 3 kW - ở mặt đầu tiên và
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ / h]=84321, 53 W=84. 3 kW - ở mặt thứ hai.
Lưu ý rằng, theo công thức (7.1), Q0=Q1=Q2, bất kểtính toán được thực hiện ở phía nào.
Hơn nữa, sử dụng phương trình truyền nhiệt chính (7.2), chúng tôi tìm ra diện tích bề mặt cần thiết (7.2.1), trong đó k là hệ số truyền nhiệt (lấy bằng 6350 [W / m2]) và ΔТav.log. - chênh lệch nhiệt độ logarit trung bình, được tính theo công thức (7.3):
ΔT log trung bình.=(2 - 1) / ln (2/1)=1 / ln2=1/0, 6931=1, 4428;
F thì=84321/63501, 4428=9,2 m2.
Khi chưa biết hệ số truyền nhiệt, việc tính toán bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phức tạp hơn một chút. Theo công thức (7.4), chúng tôi tính tiêu chí Reynolds, trong đó ρ là khối lượng riêng, [kg / m3], η là độ nhớt động lực, [Ns / m 2], v là vận tốc của môi trường trong kênh, [m / s], d cm là đường kính thấm ướt của kênh [m].
Theo bảng, chúng tôi tìm giá trị của tiêu chí Prandtl [Pr] mà chúng tôi cần và, sử dụng công thức (7.5), chúng tôi thu được tiêu chí Nusselt, trong đó n=0,4 - trong điều kiện đun nóng chất lỏng, và n=0,3 - trong điều kiện làm mát bằng chất lỏng.
Tiếp theo, sử dụng công thức (7.6), chúng tôi tính toán hệ số truyền nhiệt từ mỗi chất làm mát đến tường, và sử dụng công thức (7.7), chúng tôi tính toán hệ số truyền nhiệt, chúng tôi thay thế vào công thức (7.2.1) để tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.
Trong các công thức đã chỉ ra, λ là hệ số dẫn nhiệt, ϭ là độ dày của thành kênh, α1 và α2 là hệ số truyền nhiệt từ mỗi chất mang nhiệt đến thành.
