Calcoliamo il coefficiente  1 dal lato del vapore di riscaldamento per il caso di condensazione su un fascio di n tubi verticali con altezza H:


= 2,04
= 2,04
\u003d 6765 W / (m 2 K), (10)

qui , , , r sono i parametri fisici della condensa alla temperatura del film di condensa tc, H è l'altezza dei tubi di riscaldamento, m; t - differenza di temperatura tra il vapore di riscaldamento e le pareti del tubo (preso entro 3 ... 8 0 С).

I valori della funzione А t per l'acqua alla temperatura di condensazione del vapore

La correttezza dei calcoli si valuta confrontando il valore ottenuto  1 e i suoi valori limite, che sono riportati nel paragrafo 1.

Calcoliamo il coefficiente di scambio termico α 2 dalle pareti del tubo all'acqua.

Per questo, è necessario scegliere un'equazione di somiglianza della forma

Nu = ARe m Pr n (11)

A seconda del valore del numero Re, viene determinato il regime di flusso del fluido e viene selezionata l'equazione di similarità.

(12)

Qui n è il numero di tubi per 1 passaggio;

d ext \u003d 0,025 - 20,002 \u003d 0,021 m - il diametro interno del tubo;

Per Re > 10 4 abbiamo una modalità turbolenta stabile del moto dell'acqua. Quindi:

Nu = 0.023  Re 0.8  Pr 0.43 (13)

Il numero di Prandtl caratterizza il rapporto tra i parametri fisici del liquido di raffreddamento:

=
= 3,28. (14)

, , , s - densità, viscosità dinamica, conducibilità termica e capacità termica dell'acqua a t cfr.

Nu = 0,023 26581 0,8  3,28 0,43 = 132,8

Il numero di Nusselt caratterizza il trasferimento di calore ed è correlato al coefficiente  2 dall'espressione:

Nu=
,  2 = =
\u003d 4130 W / (m 2 K) (15)

Tenendo conto dei valori di  1,  2, dello spessore della parete del tubo  = 0,002 m e della sua conduttività termica  st, determiniamo il coefficiente K con la formula (2):

=
\u003d 2309 W / (m 2 K)

Confrontiamo il valore di K ottenuto con i limiti del coefficiente di scambio termico, indicati nel paragrafo 1.

Determiniamo l'area della superficie di trasferimento del calore dall'equazione di trasferimento del calore di base usando la formula (3):

=
\u003d 29 m 2.

Anche in questo caso, secondo la tabella 4, selezioniamo uno scambiatore di calore standard:

superficie di scambio termico F = 31 m 2,

diametro cassa D = 400 mm,

diametro del tubo d = 25×2 mm,

numero di mosse z = 2,

numero totale di tubi N = 100,

lunghezza (altezza) dei tubi H = 4 m.

Area di riserva

(il margine dell'area dovrebbe essere compreso tra 5 ... 25%).

4. Calcolo meccanico dello scambiatore di calore

Quando si calcola la pressione interna, lo spessore della parete dell'alloggiamento  a viene verificato dalla formula:

 a =
+ C, (16)

dove p è la pressione del vapore 4 0,098 \u003d 0,39 N / mm 2;

D n - diametro esterno dell'involucro, mm;

 = 0,9 fattore di forza saldare;

 aggiungi \u003d 87 ... 93 N / mm 2 - sollecitazione ammissibile per l'acciaio;

C \u003d 2 ... 8 mm - un aumento della corrosione.

 a =
+ 5 = 6 mm.

Accettiamo lo spessore della parete normalizzato di 8 mm.

Le piastre tubiere sono realizzate in lamiera d'acciaio. Lo spessore delle lamiere di tubi in acciaio è compreso tra 15 e 35 mm. Viene selezionato in base al diametro dei tubi svasati d n e al passo del tubo .

La distanza tra gli assi dei tubi (passo tubi) τ viene scelta in funzione del diametro esterno dei tubi d n:

τ = (1.2…1.4) d n, ma non inferiore a τ = d n + 6 mm.

Il passo normalizzato per tubi d n = 25 mm è pari a τ = 32 mm.

 p =
.

Con un dato passo di 32 mm, lo spessore della griglia deve essere almeno

 p =
= 17,1 mm.

Infine accettiamo  p = 25 mm.

Quando si calcolano le connessioni della flangia, sono date dalla dimensione del bullone di serraggio. Accettiamo in una connessione flangiata per dispositivi con un diametro D in = 400 ... 2000 mm un bullone in acciaio M16.

Determiniamo il carico ammissibile su 1 bullone durante il serraggio:

q b \u003d (d 1 - c 1) 2 , (17)

dove d 1 \u003d 14 mm - il diametro interno della filettatura del bullone;

c 1 = 2 mm - tolleranza strutturale per bulloni in acciaio al carbonio;

 \u003d 90 N / mm 2 - sollecitazione di trazione consentita.

qb = (14 - 2) 2  90 = 10174 N.

Kuplenov NI Ph.D., Motovitsky S.V. studente laureato
Tula Università Statale

A causa dei loro vantaggi, gli scaldacqua a piastre pieghevoli (PVN) vengono attivamente sostituiti sistemi domestici scambiatori di calore tubolari tradizionali ad alimentazione termica. Fornendo un coefficiente di scambio termico iniziale parecchie volte superiore rispetto a quelli tubolari, questi scambiatori di calore sono però molto più “sensibili” all'influenza dei depositi di calcare, resistenza termica che riduce drasticamente il trasferimento di calore.

Con un alto contenuto di sali che formano incrostazioni e prodotti di corrosione nell'acqua, tipico per la maggior parte delle regioni della Federazione Russa, la modalità operativa di progettazione dell'HPP viene rapidamente violata, la diminuzione del coefficiente di trasferimento del calore è compensata da un aumento nella temperatura del liquido di riscaldamento o nella sua portata. In pratica, questo non è sempre possibile, quindi il lavaggio è necessario nella stragrande maggioranza dei casi.

Per compensare la graduale diminuzione del coefficiente di scambio termico è necessario un margine di superficie di scambio termico ∆F.

La pratica interna di ordinare prodotti militari in base a questionari è stata presa in prestito da quelli stranieri senza tener conto propria esperienza quelli. la riserva della superficie di scambio termico è assente oppure è pari al 2-10% della superficie pulita calcolata F 0 .

Dall'esperienza di funzionamento di scaldacqua ad alta velocità, è noto che a causa della scarsa qualità del trattamento anticalcare acqua di rubinetto il coefficiente di scambio termico diminuisce piuttosto rapidamente. Quindi, secondo i dati, con una qualità media dell'acqua nella centrale di riscaldamento di Mosca, è diminuita del 45-50% in 4 mesi di funzionamento. Ne consegue che a temperature iniziali costanti dei vettori di calore, la temperatura di riscaldamento dell'acqua richiesta può essere fornita solo con un margine del 100% rispetto al valore calcolato della superficie di scambio termico.

Un margine ∆F insufficiente causerà un breve periodo di risciacquo e la necessità di risciacquo frequente dello scaldabagno; un valore sovrastimato di ∆F ridurrà il numero di lavaggi, ma allo stesso tempo aumenteranno i costi iniziali per gli HP.

È noto che il costo degli scaldacqua a piastre è la quota principale dei costi delle apparecchiature. punto di riscaldamento, allo stesso tempo, anche il costo del lavaggio chimico, come dimostra l'esperienza, è significativo. Pertanto, è economicamente giustificato determinare la superficie di scambio termico, tenendo conto dell'effettiva intensità della formazione di incrostazioni e della necessità del suo regolare lavaggio.

La base della metodologia per tale determinazione è garantire un costo annuo minimo di ammortamento della riserva superficiale di scambio termico ∆F e il costo del lavaggio periodico dello scaldabagno; questa condizione è soddisfatta dalla parità di costo

dove è il coefficiente di ammortamento del MP, %/100; , - il costo di 1m 2 della superficie di scambio termico e il costo del lavaggio, rub./m 2; - superficie di scambio termico calcolata in assenza di incrostazioni, m 2; , - durata periodo di interflushing e funzionamento annuale di HP, giorni.

A determinate temperature iniziali e portate del vettore di calore, il coefficiente di efficienza del riscaldamento dell'acqua richiesto con una diminuzione del coefficiente di trasferimento del calore dalla scala formata sarà assicurato dal soddisfacimento della condizione

(2)

dove , - coefficienti di scambio termico in assenza di scala e quando compare.

Resistenza termica al trasferimento di calore

(3)

dove , - resistenza termica del trasferimento di calore con una superficie pulita e resistenza termica dello strato di scaglie.

Dopo aver sostituito (3) nell'equazione (2), otteniamo

(5)

Sostituendo (5) nell'equazione (1a), otteniamo

L'intensità della formazione di incrostazioni è determinata dalla qualità dell'acqua, dalla temperatura e dai regimi idraulici del funzionamento dell'HPP. Al termine del periodo di interlavaggio, la resistenza dello strato di scaglie con uno spessore conforme a quello accettato modello matematico può essere calcolato secondo l'equazione:

dove , - il tasso di formazione e dilavamento delle incrostazioni; - coefficiente di conducibilità termica di scala.

Secondo la letteratura e la ricerca

dove , - costanti sperimentali, - concentrazione di sali incrostanti nell'acqua, kg/m 3 ; - sforzo di taglio sulla superficie della scala, Pa; - temperatura dell'acqua, ˚С.

La resistenza termica è convenientemente espressa come

dov'è il rapporto tra le velocità del "freddo" riscaldato e dei refrigeranti riscaldanti; - la velocità del liquido di raffreddamento freddo; - un insieme di grandezze caratterizzanti le caratteristiche termofisiche del liquido di raffreddamento e le caratteristiche progettuali della piastra HPV; - resistenza termica della parete in lamiera.

L'equazione (6), dopo aver sostituito (7) e (10), nelle sue parti destra e sinistra contiene un valore sconosciuto - la durata del periodo di interflushing - e consente, con dati iniziali dati, di determinarne il valore appropriato.

I principali fattori economici che determinano il valore sono il costo di 1 m 2 della superficie di scambio termico e il costo del lavaggio , rub./m 2 .

La figura 1 mostra i risultati dei calcoli della durata economicamente fattibile del periodo di lavaggio alla velocità del liquido di raffreddamento riscaldato ω x = 0,4 m/s, a seconda dei valori determinanti.

Fig.1 Dipendenza dal valore relativo economicamente sostenibile del margine della superficie di scambio termico ∆F / F 0 e dalla durata del periodo di interlavaggio τ mpr di uno scaldacqua a piastre per la fornitura di acqua calda

Nota:

1) Il calcolo è stato effettuato a ω x = 0,4 m/s per lamiere del tipo M10-BFG.

2) Dati iniziali:

C=0,00357 kg/m3; a m = 0,19; λ n \u003d 1,05 W / (m ˚ C); =12,7·10 -10; A=13374.

Con l'aumento del costo specifico del lavaggio della superficie di scambio termico, il periodo di interlavaggio economicamente fattibile aumenta e le dipendenze date consentono di ottenere una stima quantitativa della durata di tale periodo.

D'altra parte, ad un costo elevato dello scambiatore di calore, che si verifica quando diminuisce l'area di una singola piastra, diminuisce il valore della riserva economicamente fattibile della superficie di scambio, i valori specifici dei fattori determinanti e i valori da essi dipendenti sono mostrati nei grafici. Da tali dati discende, in particolare, che al fine di fornire quanto richiesto regime di temperatura fornitura di acqua calda, anche con moderata durezza dell'acqua del rubinetto e risciacquo mensile, la riserva della superficie di scambio termico deve essere almeno del 60% rispetto al suo valore nel modo di funzionamento fuori scala.

Va notato che l'aumento della resistenza idraulica dell'HPV associato alla formazione di incrostazioni a durate economicamente fattibili del periodo di interflushing è insignificante, poiché in media l'area di flusso dei canali interlamellari diminuisce del 4–8%.

Letteratura

1. Zhadnov O.V. "Scambiatori di calore a piastre - una questione delicata" / / "Novità di fornitura di calore" -2005., -N 3.-c.39-53.

2. Chernyshev D.V. "Previsione della formazione di incrostazioni negli scaldabagni a piastre per migliorare l'affidabilità del loro lavoro" Diss. Candidato a Scienze Tecniche 23.05.03 - Tula, 2002. - 199p.

3. Bazhan PI, Kanevets G.E., Seliverstov V.M. Manuale degli scambiatori di calore. -M.: Mashinostroenie, 1989.

4. Chistyakov N.N. e altri Migliorare l'efficienza dei sistemi di approvvigionamento di acqua calda. M., Stroyizdat, 1988.

Prima di acquistare uno scambiatore di calore, i clienti confrontano le offerte di diversi fornitori e produttori, inviando loro i dati iniziali. Astera, un'azienda esperta, presenta sei caratteristiche che influiscono costo finale beni e a cui bisogna prestare attenzione in primo luogo, in modo che la voglia di risparmiare non si trasformi in doppia spesa.

Il costo degli scambiatori di calore è costituito da costi di ingegneria e una componente commerciale. Questo articolo copre il primo aspetto.

• Lo spessore delle piastre di scambio termico e il materiale di fabbricazione

Lo spessore della piastra è la prima cosa a cui prestare attenzione quando si sceglie uno scambiatore di calore. Più è spesso, maggiore è il costo dell'attrezzatura. Ciò è dovuto a due fattori:

• Più massa di metallo per la produzione di lastre;
• Più piastre per un trasferimento di calore di alta qualità attraverso lo spessore della parete e ottenere la potenza richiesta.

Lo spessore medio della lastra è di 0,5 mm. Gli scambiatori di calore di grandi dimensioni con DN 150 e superiori e che richiedono un'elevata pressione di esercizio sono dotati di piastre da 0,6 mm. Con una pressione di 10 kgf / cm² e DN fino a 150, è consentito uno spessore di 0,4 mm. Più sottili sono le piastre, minore è la risorsa delle apparecchiature di scambio termico.

Il materiale della piastra più comunemente usato è acciaio inossidabile marca AISI316. Tuttavia, alcuni produttori lo stanno sostituendo con il grado AISI304. Costa meno, contiene meno nichel e molibdeno, il che significa che il materiale è più suscettibile alla corrosione. Se lo scambiatore di calore funziona in condizioni ambientali ideali, ciò è accettabile. Ma quando si tratta del sistema dell'acqua calda (e lì viene utilizzato il cloro), c'è il rischio che l'attrezzatura non duri a lungo. Per non fare confusione, si consiglia di studiare attentamente e vedere di che acciaio sono fatte le piastre.

• Pressione di esercizio

Il tipo, le dimensioni e il prezzo dello scambiatore di calore dipendono dalla pressione di esercizio. Più è basso, più economica è l'attrezzatura. Pertanto, è necessario decidere in anticipo quale parametro è richiesto. Minimo pressione di esercizioè 6 kgf/cm². Di conseguenza, un tale apparato è il più conveniente, perché utilizza lastre e lastre sottili.

• Coefficiente di trasferimento di energia termica

Diversi dati vengono utilizzati per calcolare il coefficiente di scambio termico:

• Potenza scambiatore di calore;
• delta di temperatura;
• Margine di superficie e consumo energetico;
• Diametro di connessione;
• Velocità di movimento fluida, ecc.

Questo indicatore è calcolato dalla formula. Più è alto, il prestazioni migliori scambiatore di calore. Con un aumento della velocità di movimento del liquido nei canali, aumenta il trasferimento di calore. La velocità può essere aumentata riducendo il numero di canali, cioè piastre.

meno alta velocità il flusso del fluido è una più rapida deposizione di incrostazioni sulle pareti. Pertanto, le apparecchiature termiche costeranno meno, ma il costo operativo aumenterà a causa dell'ostruzione dei canali con sali di magnesio e calcio. Di tanto in tanto, sarà richiesta la pulizia pieghevole.

È efficace, ma il suo coefficiente di trasmissione del calore in realtà non supera 7000 W / m2 K. Pertanto, se il produttore offre apparecchiature con un coefficiente di 10000 W / m2 K, questo dovrebbe avvisare.

• Riservare la superficie per lo scambio termico

Un buon scambiatore di calore dovrebbe avere il 10-15% del margine della superficie di scambio termico. Se il produttore si è prefissato l'obiettivo di ridurre il costo dei prodotti, allora dato parametro si avvicinerà allo zero. Secondo gli esperti nel campo delle apparecchiature per lo scambio di calore, il valore zero è un inganno dell'acquirente, perché con un errore in indicatori come il calcolo del carico, il surriscaldamento a temperatura ottimale liquido di raffreddamento, il dispositivo potrebbe semplicemente non funzionare. Anche la contaminazione della superficie influirà negativamente sulle sue prestazioni.

• Perdita di pressione

Δ p rappresenta l'entità della perdita di pressione, o prevalenza. Si misura in m.w.s. o in Pa. Il cliente specifica l'indicatore richiesto in questionario.

Se l'operazione richiede una minima riduzione o perdita di pressione durante il funzionamento, lo scambiatore di calore deve essere dotato di un numero elevato di piastre. Se il cambio di pressione non lo fa di grande importanza, quindi possiamo limitarci a più compatti, il che significa apparecchiature per lo scambio di calore più economiche.

In che modo il numero di piastre influisce sulla perdita di pressione? C'è una spiegazione abbastanza semplice per questo. Più piatti, più canali tra i piatti. Per il passaggio di un certo volume di liquido si ha una minore resistenza, e quindi la perdita di carico è trascurabile.

Quando si acquista l'attrezzatura, è necessario prestare attenzione e confrontare la perdita di carico con i dati indicati nel questionario. In caso contrario, alcuni produttori senza scrupoli potrebbero indicare valori leggermente sopravvalutati e ridurre il costo delle apparecchiature per l'acquirente. Ma di solito una perdita di pressione elevata è altamente indesiderabile.

• Diametro nominale

Questo indicatore è talvolta chiamato diametro di connessione. Deve essere determinato dalla formula. Dipende da quali parametri sono impostati dal potenziale cliente. Il metodo di calcolo rivela se è necessario un indicatore DN univoco o, in opzione, è possibile utilizzare la seconda dimensione, che differisce per il diametro nominale. In quest'ultimo caso, se è consentita una sezione più piccola, si fermano ad essa. Pertanto, uno scambiatore di calore con DN65 è più economico di un'apparecchiatura con DN100. Ciò è dovuto al fatto che maggiore è la sezione trasversale, maggiore è la piastra apparecchiature termiche.

Necessità di considerare momento successivo: quando la sezione dei tubi si restringe, la portata del fluido aumenta. Di conseguenza, la pressione diminuirà ulteriormente. Se c'è un lungo funzionamento dell'attrezzatura termica, la piastra adiacente alla sezione di flusso potrebbe essere distrutta.

Conclusione

Per un confronto competente delle opzioni proposte dalle fabbriche di scambiatori di calore, si consiglia di tenere sempre presente la conformità dell'apparecchiatura agli obiettivi per essa fissati. Vale a dire:

• Spessore acciaio e lamiera: acciaio migliore grado AISI316 con uno spessore di almeno mezzo millimetro.
• La pressione nelle piastre deve soddisfare le caratteristiche richieste.
• Più il coefficiente di trasmissione del calore è vicino a 7000 W / m2 K, meglio è.
• Il margine di superficie ottimale è del 10-15%.
• Il parametro di perdita di carico dipende dalle condizioni di esercizio ed è determinato dal cliente.
• Il diametro della connessione dipende dalle attività, ma va tenuto presente che più piccolo è il PS, maggiore sarà la perdita di pressione e le piastre si consumeranno prima.

L'azienda Astera spera che l'articolo ti sia utile e, sulla base di queste sei caratteristiche, lo realizzerai giusta scelta apparecchiature per lo scambio di calore.

Il calcolo dello scambiatore di calore attualmente non richiede più di cinque minuti. Qualsiasi organizzazione che produce e vende tali apparecchiature, di norma, fornisce a tutti il ​​proprio programma di selezione. Può essere scaricato gratuitamente dal sito Web dell'azienda, oppure il loro tecnico verrà nel tuo ufficio e lo installerà gratuitamente. Tuttavia, quanto è corretto il risultato di tali calcoli, ci si può fidare e il produttore non è astuto quando combatte in una gara d'appalto con i suoi concorrenti? Il controllo di un calcolatore elettronico richiede la conoscenza o almeno la comprensione della metodologia per il calcolo dei moderni scambiatori di calore. Proviamo a capire i dettagli.

Che cos'è uno scambiatore di calore

Prima di eseguire il calcolo dello scambiatore di calore, ricordiamoci di che tipo di dispositivo si tratta? Un apparato per il trasferimento di calore e massa (noto anche come scambiatore di calore o TOA) è un dispositivo per trasferire il calore da un refrigerante all'altro. Nel processo di modifica delle temperature dei vettori di calore, cambiano anche le loro densità e, di conseguenza, gli indicatori di massa delle sostanze. Ecco perché tali processi sono chiamati trasferimento di calore e di massa.

Tipi di trasferimento di calore

Ora parliamo di: ce ne sono solo tre. Radiativo - trasferimento di calore dovuto all'irraggiamento. Ad esempio, considera di accettare prendere il sole sulla spiaggia in una calda giornata estiva. E tali scambiatori di calore si possono trovare anche sul mercato (riscaldatori d'aria a tubi). Tuttavia, molto spesso per il riscaldamento di locali residenziali, stanze in un appartamento, acquistiamo olio o radiatori elettrici. Questo è un esempio di un diverso tipo di trasferimento di calore: può essere naturale, forzato (cappa e nella scatola è presente uno scambiatore di calore) o azionato meccanicamente (con una ventola, ad esempio). Quest'ultimo tipo è molto più efficiente.

Tuttavia, il massimo metodo efficace il trasferimento di calore è la conduttività termica o, come viene anche chiamata, conduzione (dall'inglese conduzione - "conduttività"). Qualsiasi ingegnere che eseguirà un calcolo termico di uno scambiatore di calore, prima di tutto, pensa a come scegliere apparecchiature efficienti nelle dimensioni minime. Ed è possibile ottenere questo proprio grazie alla conducibilità termica. Un esempio di questo è il TOA più efficiente oggi: gli scambiatori di calore a piastre. Uno scambiatore di calore a piastre, secondo la definizione, è uno scambiatore di calore che trasferisce il calore da un refrigerante all'altro attraverso una parete che li separa. La massima area di contatto possibile tra due supporti, insieme a materiali, profilo e spessore della lastra correttamente selezionati, consente di ridurre al minimo le dimensioni dell'attrezzatura selezionata mantenendo l'originale specifiche richiesta nel processo tecnologico.

Tipi di scambiatori di calore

Prima di calcolare lo scambiatore di calore, viene determinato con il suo tipo. Tutti i TOA possono essere suddivisi in due grandi gruppi: scambiatori di calore recuperativi e rigenerativi. La principale differenza tra loro è la seguente: nei TOA rigenerativi lo scambio di calore avviene attraverso una parete che separa due refrigeranti, mentre in quelli rigenerativi due fluidi hanno un contatto diretto tra loro, spesso mescolandosi e richiedendo la successiva separazione in appositi separatori. si suddividono in miscelatori e in scambiatori di calore con ugello (fisso, cadente o intermedio). In parole povere, un secchio di acqua calda, esposto al gelo o un bicchiere di tè caldo, messo a raffreddare in frigorifero (non farlo mai!) - questo è un esempio di tale miscela di TOA. E versando il tè in un piattino e raffreddandolo in questo modo, otteniamo un esempio di scambiatore di calore rigenerativo con un ugello (il piattino in questo esempio svolge il ruolo di un ugello), che prima contatta l'aria circostante e ne rileva la temperatura, e poi sottrae parte del calore al tè caldo versato al suo interno, cercando di portare entrambi i mezzi in equilibrio termico. Tuttavia, come abbiamo già scoperto in precedenza, è più efficiente utilizzare la conduttività termica per trasferire il calore da un mezzo all'altro, quindi i TOA più utili (e ampiamente utilizzati) oggi in termini di trasferimento di calore sono, ovviamente, rigenerativi quelli.

Progettazione termica e strutturale

Qualsiasi calcolo di uno scambiatore di calore recuperativo può essere effettuato sulla base dei risultati di calcoli termici, idraulici e di resistenza. Sono fondamentali, obbligatori nella progettazione di nuove apparecchiature e costituiscono la base della metodologia per il calcolo dei modelli successivi di una linea di dispositivi simili. Il compito principale calcolo termico TOA è la determinazione dell'area richiesta della superficie di scambio termico per lavoro sostenibile scambiatore di calore e manutenzione parametri richiesti uscire dai media. Abbastanza spesso, in tali calcoli, agli ingegneri vengono forniti valori arbitrari delle caratteristiche di peso e dimensioni dell'attrezzatura futura (materiale, diametro del tubo, dimensioni della piastra, geometria del fascio, tipo e materiale delle alette, ecc.), Pertanto, dopo il calcolo termico, di solito effettuano un calcolo costruttivo dello scambiatore di calore. Dopotutto, se nella prima fase l'ingegnere calcolasse la superficie richiesta per un determinato diametro del tubo, ad esempio 60 mm, e la lunghezza dello scambiatore di calore risultasse di circa sessanta metri, sarebbe più logico supporre un passaggio a uno scambiatore di calore multi-pass, o a un tipo a fascio tubiero, o per aumentare il diametro dei tubi.

Calcolo idraulico

Vengono eseguiti calcoli idraulici o idromeccanici e aerodinamici per determinare e ottimizzare le perdite di carico idrauliche (aerodinamiche) nello scambiatore di calore, nonché calcolare i costi energetici per superarle. Il calcolo di qualsiasi percorso, canale o tubo per il passaggio del liquido di raffreddamento rappresenta un compito primario per una persona: intensificare il processo di trasferimento del calore in quest'area. Cioè, un mezzo deve trasferire e l'altro ricevere quanto più calore possibile nel periodo minimo del suo flusso. Per questo, viene spesso utilizzata una superficie di scambio termico aggiuntiva, sotto forma di una nervatura superficiale sviluppata (per separare il sottostrato laminare limite e migliorare la turbolenza del flusso). Il rapporto di equilibrio ottimale tra perdite idrauliche, superficie di scambio termico, caratteristiche di peso e dimensioni e potenza termica rimossa è il risultato di una combinazione di calcolo termico, idraulico e strutturale del TOA.

Calcoli di ricerca

I calcoli della ricerca TOA vengono eseguiti sulla base dei risultati ottenuti dai calcoli termici e di verifica. Sono necessari, di regola, per apportare le ultime modifiche alla progettazione dell'apparato progettato. Vengono inoltre eseguiti al fine di correggere eventuali equazioni che sono incorporate nel modello di calcolo implementato del TOA, ottenuto empiricamente (secondo i dati sperimentali). L'esecuzione di calcoli di ricerca comporta decine e talvolta centinaia di calcoli secondo un piano speciale sviluppato e implementato in produzione secondo la teoria matematica della pianificazione degli esperimenti. I risultati rivelano l'influenza varie condizioni e quantità fisiche sugli indicatori di performance TOA.

Altri calcoli

Quando si calcola l'area dello scambiatore di calore, non dimenticare la resistenza dei materiali. I calcoli della resistenza TOA includono il controllo dell'unità progettata per sollecitazione, torsione, per applicare i momenti di lavoro massimi consentiti alle parti e agli assiemi del futuro scambiatore di calore. Con dimensioni minime, il prodotto deve essere robusto, stabile e garantito lavoro sicuro in diverse condizioni operative, anche le più intense.

Il calcolo dinamico viene eseguito per determinare varie caratteristiche scambiatore di calore in modalità variabili del suo funzionamento.

Tipi di progettazione di scambiatori di calore

I TOA recuperativi possono essere suddivisi in base alla progettazione in quantità sufficienti un gran numero di gruppi. I più famosi e ampiamente utilizzati sono scambiatori di calore a piastre, scambiatori di calore ad aria (tubolare alettata), a fascio tubiero, a fascio tubiero, a fascio tubiero e altri. Esistono anche tipi più esotici e altamente specializzati, come il tipo a spirale (scambiatore di calore a serpentina) o il tipo raschiato, che funzionano con viscosi o così come molti altri tipi.

Scambiatori di calore "tubo in tubo"

Considera il calcolo più semplice dello scambiatore di calore "pipe in pipe". Strutturalmente, questo tipo di TOA è semplificato al massimo. Di norma, un liquido di raffreddamento caldo viene immesso nella camera d'aria dell'apparato per ridurre al minimo le perdite, e nell'involucro, o in tubo esterno, avviare il liquido di raffreddamento. Il compito dell'ingegnere in questo caso si riduce a determinare la lunghezza di un tale scambiatore di calore in base all'area calcolata della superficie di scambio termico e ai diametri indicati.

Vale la pena aggiungere qui che in termodinamica viene introdotto il concetto di scambiatore di calore ideale, cioè un apparato di lunghezza infinita, in cui i vettori di calore lavorano in controcorrente, e la differenza di temperatura è completamente elaborata tra di loro. Il design pipe-in-pipe è il più vicino a soddisfare questi requisiti. E se fai funzionare i refrigeranti in controcorrente, allora sarà il cosiddetto "controcorrente reale" (e non incrociato, come nei TOA a piastra). La prevalenza della temperatura viene elaborata in modo più efficace con una tale organizzazione del movimento. Tuttavia, quando si calcola lo scambiatore di calore "tubo nel tubo", si dovrebbe essere realistici e non dimenticare la componente logistica e la facilità di installazione. La lunghezza del camion euro è di 13,5 metri, e non solo Edifici tecnici adattato allo skid e all'installazione di apparecchiature di questa lunghezza.

Scambiatori di calore a fascio tubiero

Pertanto, molto spesso il calcolo di un tale apparato scorre senza problemi nel calcolo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Questo è un apparato in cui un fascio di tubi si trova in un unico alloggiamento (involucro), lavato da vari refrigeranti, a seconda dello scopo dell'apparecchiatura. Nei condensatori, ad esempio, il refrigerante viene fatto scorrere nell'involucro e l'acqua nei tubi. Con questo metodo di movimento dei media, è più conveniente ed efficiente controllare il funzionamento dell'apparato. Negli evaporatori, invece, il refrigerante bolle nei tubi, mentre questi vengono lavati dal liquido raffreddato (acqua, salamoia, glicoli, ecc.). Pertanto, il calcolo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero si riduce a ridurre al minimo le dimensioni dell'apparecchiatura. Giocando con il diametro del mantello, il diametro e il numero dei tubi interni e la lunghezza dell'apparato, l'ingegnere raggiunge il valore calcolato della superficie di scambio termico.

Scambiatori di calore ad aria

Uno dei più apprezzati oggi scambiatori di calore sono scambiatori di calore tubolari alettati. Sono anche chiamati serpenti. Dove non sono solo installati, a partire dai ventilconvettori (dall'inglese fan + coil, ovvero "fan" + "coil") in unità interne sistemi divisi e termina con recuperatori giganti Gas di scarico(rimozione del calore dal caldo fumi e il suo trasferimento per il fabbisogno di riscaldamento) negli impianti di caldaie presso i cogeneratori. Ecco perché il calcolo di uno scambiatore di calore a serpentina dipende dall'applicazione in cui entrerà in funzione questo scambiatore di calore. Raffreddatori d'aria industriali (VOP) installati nelle camere di surgelazione della carne, in congelatori basse temperature e altri impianti di refrigerazione degli alimenti richiedono determinati caratteristiche del progetto nella tua esibizione. La distanza tra le lamelle (alette) dovrebbe essere massima, in modo da aumentare il tempo lavoro continuo tra i cicli di sbrinamento. Gli evaporatori per data center (centri di elaborazione dati), al contrario, sono realizzati il ​​più possibile compatti, serrando al minimo le distanze interlamellari. Tali scambiatori di calore operano in "zone pulite" circondate da filtri. pulizia fine(fino alla classe HEPA), quindi questo calcolo viene eseguito ponendo l'accento sulla riduzione al minimo delle dimensioni.

Scambiatori di calore a piastre

Attualmente, gli scambiatori di calore a piastre hanno una domanda stabile. A modo mio design sono completamente pieghevoli e semisaldati, ramati e saldati al nichel, saldati e saldati per diffusione (senza saldatura). Il calcolo termico di uno scambiatore di calore a piastre è abbastanza flessibile e non presenta particolari difficoltà per un ingegnere. Nella selezione puoi giocare con il tipo di lamiere, la profondità dei canali di punzonatura, il tipo di alette, lo spessore dell'acciaio, materiali diversi e, soprattutto, numerosi modelli di dispositivi di dimensioni diverse di dimensioni standard. Tali scambiatori di calore sono bassi e larghi (per riscaldamento a vapore acqua) o alta e stretta (scambiatori di calore separatori per impianti di condizionamento). Sono spesso usati per ambienti con transizione di fase, cioè come condensatori, evaporatori, desurriscaldatori, precondensatori, ecc. L'esecuzione di un calcolo termico per uno scambiatore di calore bifase è un po' più difficile di uno scambiatore di calore di tipo liquido-liquido, ma per un ingegnere esperto questo compito è risolvibile e non rappresenta una difficoltà particolare. Per facilitare tali calcoli, i progettisti moderni utilizzano database informatici di ingegneria, dove è possibile trovare molte informazioni necessarie, inclusi i diagrammi di stato di qualsiasi refrigerante in qualsiasi distribuzione, ad esempio il programma CoolPack.

Esempio di calcolo scambiatore di calore

Lo scopo principale del calcolo è calcolare l'area richiesta della superficie di scambio termico. La potenza termica (di refrigerazione) è solitamente specificata nei termini di riferimento, tuttavia, nel nostro esempio, la calcoleremo, per così dire, per verificare i termini di riferimento stessi. A volte capita anche che un errore possa insinuarsi nei dati di origine. Uno dei compiti di un ingegnere competente è trovare e correggere questo errore. A titolo di esempio, calcoliamo uno scambiatore di calore a piastre del tipo "liquido-liquido". Lascia che questo sia l'interruttore di pressione grattacielo. Per scaricare le apparecchiature a pressione, questo approccio è molto spesso utilizzato nella costruzione di grattacieli. Da un lato dello scambiatore di calore abbiamo acqua con una temperatura di ingresso Tin1 = 14 ᵒС e una temperatura di uscita Тout1 = 9 ᵒС, e con una portata G1 = 14.500 kg / h, e dall'altro - anche acqua, ma solo con i seguenti parametri: Тin2 = 8 ᵒС, Тout2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 kg/h.

Calcoliamo la potenza richiesta (Q0) usando la formula del bilancio termico (vedi figura sopra, formula 7.1), dove Ср - calore specifico(valore tabella). Per semplicità di calcolo, prendiamo il valore ridotto della capacità termica Срв = 4,187 [kJ/kg*ᵒС]. Noi crediamo:

Q1 \u003d 14.500 * (14 - 9) * 4,187 \u003d 303557,5 [kJ / h] \u003d 84321,53 W \u003d 84,3 kW - sul primo lato e

Q2 \u003d 18 125 * (12 - 8) * 4,187 \u003d 303557,5 [kJ / h] \u003d 84321,53 W \u003d 84,3 kW - sul secondo lato.

Si noti che, secondo la formula (7.1), Q0 = Q1 = Q2, indipendentemente da quale lato è stato effettuato il calcolo.

Inoltre, secondo l'equazione di scambio termico di base (7.2), troviamo l'area superficiale richiesta (7.2.1), dove k è il coefficiente di scambio termico (preso pari a 6350 [W / m 2 ]), e ΔТav.log. - differenza di temperatura media logaritmica, calcolata secondo la formula (7.3):

ΔT sr.log. = (2 - 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F quindi \u003d 84321 / 6350 * 1,4428 \u003d 9,2 m 2.

Nel caso in cui il coefficiente di scambio termico non sia noto, il calcolo dello scambiatore di calore a piastre è leggermente più complicato. Secondo la formula (7.4), consideriamo il criterio di Reynolds, dove ρ è la densità, [kg / m 3], η è la viscosità dinamica, [N * s / m 2], v è la velocità del mezzo nel canale, [m / s], d cm - diametro canale bagnato [m].

Usando la tabella, cerchiamo il valore del criterio di Prandtl di cui abbiamo bisogno e, usando la formula (7.5), otteniamo il criterio di Nusselt, dove n = 0,4 - in condizioni di riscaldamento del liquido, e n = 0,3 - in condizioni di raffreddando il liquido.

Inoltre, secondo la formula (7.6), viene calcolato il coefficiente di scambio termico da ciascun liquido di raffreddamento alla parete, e secondo la formula (7.7), si calcola il coefficiente di scambio termico, che sostituiamo nella formula (7.2.1) per calcolare il area della superficie di scambio termico.

In queste formule, λ è il coefficiente di conducibilità termica, ϭ è lo spessore della parete del canale, α1 e α2 sono i coefficienti di trasferimento del calore da ciascuno dei vettori di calore alla parete.

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La riserva della superficie di scambio termico non deve superare il 20/ dell'intera superficie. Una quantità eccessiva di superfici di trasferimento del calore porta a un'alimentazione pulsante della miscela vapore-liquido dal ribollitore alla colonna, che a volte provoca una forte diminuzione del coefficiente azione utile colonne.

Per creare una riserva della superficie di scambio termico, la lunghezza può essere aumentata. Inoltre va tenuto conto dell'aumento di lunghezza dovuto alla presenza di distributori di flusso alle estremità del blocco.

Il calcolo secondo questa formula fornisce la riserva della superficie di scambio termico. Con un buon dispositivo di distribuzione del gas, potrebbe essere ridondante.

Il calcolo secondo questa formula fornisce la riserva della superficie di scambio termico. Con un buon dispositivo di distribuzione del gas, oi può essere ridondante.

Il numero di collegamenti è preso i 7, mentre ci sarà una certa riserva della superficie di scambio termico.

Accettiamo il numero di link r 7; in questo caso si avrà una riserva della superficie di scambio termico.

Ad alte velocità di movimento del vapore (ip10 m [sec, più precisamente rd 30), se il vapore si sposta dall'alto verso il basso, il trasferimento di calore aumenta e il calcolo mediante formule (VII-116) - (VII-120) fornisce un margine di scambio termico superficie.

Nelle caldaie con un piccolo margine di superficie di scambio termico, aggiuntivo flussi di circolazione, per evitare quali limitatori debbano essere installati tra la colonna e l'ingresso della caldaia.

A causa del fatto che viene calcolato uno scambiatore di calore reversibile, i passaggi di alta e bassa pressione deve essere simmetrico. Deve essere previsto un margine del 20% della superficie di scambio termico.

La mancanza di una riserva della superficie di scambio termico porta anche a una violazione delle normali condizioni di funzionamento dell'oggetto. Pertanto, un condensatore con un piccolo margine di superficie di scambio termico è caratterizzato da una distribuzione irregolare dei flussi e alta pressione sanguigna gas inerte.

Il calcolo termico dei refrigeratori d'aria a gas viene eseguito secondo il Metodo di calcolo termico e aerodinamico dei refrigeratori d'aria dell'istituto VNIIneftemash. Nel calcolo termico viene preso in considerazione un margine del 10% della superficie di scambio termico, tenendo conto della possibilità di guasto dei singoli ventilatori e della contaminazione delle superfici di scambio termico durante il funzionamento.

Prima del calcolo vengono individuati i dati tecnologici iniziali di funzionamento della colonna di sintesi a fine campagna e i dati di progetto dello scambiatore di calore. Inoltre, dal bilancio termico, vengono determinate la differenza di temperatura alle estremità dello scambiatore di calore e la quantità di calore trasferita. Quindi vengono calcolati i coefficienti di scambio termico e, infine, viene calcolata la lunghezza richiesta dei tubi (il loro numero viene preso in base ai dati di progetto) e viene determinata la riserva della superficie di scambio termico. Questa riserva deve essere almeno del 25% alla fine della campagna o almeno del 50% nella sua fase intermedia.

Gli svantaggi del design HE sono associati a un margine troppo grande o troppo piccolo per le dimensioni della superficie di scambio termico. Un'eccessiva superficie di trasferimento del calore può causare il malfunzionamento della macchina. Nelle caldaie, la riserva della superficie di scambio termico viene eliminata riducendo la differenza di temperatura, cioè forza motrice processi.

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