محاسبه مبدل حرارتی در حال حاضر بیش از پنج دقیقه طول نمی کشد. هر سازمانی که چنین تجهیزاتی را تولید و به فروش می رساند، معمولاً برنامه انتخاب خود را برای همه فراهم می کند. می توان آن را به صورت رایگان از وب سایت شرکت دانلود کرد و یا تکنسین آنها به دفتر شما آمده و آن را به صورت رایگان نصب می کند. با این حال، نتیجه چنین محاسباتی چقدر درست است، آیا می توان به آن اعتماد کرد و آیا سازنده هنگام مبارزه در مناقصه با رقبای خود حیله گری نمی کند؟ بررسی یک ماشین حساب الکترونیکی نیاز به دانش یا حداقل درک روش محاسبه مبدل های حرارتی مدرن دارد. بیایید سعی کنیم جزئیات را درک کنیم.
مبدل حرارتی چیست
قبل از انجام محاسبات مبدل حرارتی، به یاد بیاوریم که این چه نوع دستگاهی است؟ یک دستگاه انتقال گرما و جرم (معروف به مبدل حرارتی، با نام مستعار مبدل حرارتی یا TOA)وسیله ای برای انتقال گرما از یک خنک کننده به خنک کننده دیگر. در فرآیند تغییر دمای حامل های گرما، چگالی آنها و بر این اساس، شاخص های جرم مواد نیز تغییر می کند. به همین دلیل است که چنین فرآیندهایی را انتقال گرما و جرم می نامند.
انواع انتقال حرارت
حالا بیایید در مورد انواع انتقال حرارت صحبت کنیم - فقط سه مورد از آنها وجود دارد. تابشی - انتقال حرارت در اثر تشعشع. به عنوان مثال، آفتاب گرفتن در ساحل در یک روز گرم تابستان را در نظر بگیرید. و حتی می توان چنین مبدل های حرارتی را در بازار یافت (هیترهای هوای لوله ای). با این حال، اغلب برای گرم کردن محل های مسکونی، اتاق های یک آپارتمان، ما نفت یا رادیاتور برقی می خریم. این نمونه ای از نوع دیگری از انتقال حرارت است - همرفت. همرفت می تواند طبیعی، اجباری (هود، و مبدل حرارتی در جعبه وجود دارد) یا مکانیکی (مثلاً با یک فن) باشد. نوع دوم بسیار کارآمدتر است.
با این حال، کارآمدترین راه برای انتقال گرما، رسانایی یا، همانطور که آن را نیز می نامند، هدایت (از انگلیسی. هدایت - "رسانایی") است. هر مهندسی که قرار است محاسبات حرارتی مبدل حرارتی را انجام دهد، اول از همه به این فکر می کند که چگونه تجهیزات کارآمد را در حداقل ابعاد انتخاب کند. و دستیابی به این امر دقیقاً به دلیل هدایت حرارتی امکان پذیر است. نمونه ای از این کارآمدترین TOA امروزی است - مبدل های حرارتی صفحه ای. مبدل حرارتی صفحه ای، طبق تعریف، مبدل حرارتی است که گرما را از یک خنک کننده به دیگری از طریق دیواری که آنها را جدا می کند، منتقل می کند. بیشترینمنطقه تماس احتمالی بین دو رسانه، همراه با مواد به درستی انتخاب شده، مشخصات صفحه و ضخامت، امکان به حداقل رساندن اندازه تجهیزات انتخاب شده را در عین حفظ مشخصات فنی اصلی مورد نیاز در فرآیند تکنولوژیکی فراهم می کند.
انواع مبدلهای حرارتی
قبل از محاسبه مبدل حرارتی با نوع آن مشخص می شود. همه TOA را می توان به دو گروه بزرگ تقسیم کرد: مبدل های حرارتی بازیابی و احیا کننده. تفاوت اصلی بین آنها به شرح زیر است: در TOA های احیا کننده، تبادل حرارت از طریق دیواره ای رخ می دهد که دو خنک کننده را از هم جدا می کند، در حالی که در آن ها احیا کننده، دو رسانه با یکدیگر تماس مستقیم دارند، اغلب مخلوط می شوند و نیاز به جداسازی بعدی در جداکننده های ویژه دارند. مبدل های حرارتی احیا کننده به دو دسته اختلاط و مبدل های حرارتی با بسته بندی (ایستا، سقوط یا متوسط) تقسیم می شوند. به طور کلی، یک سطل آب داغ، در معرض یخ زدگی، یا یک لیوان چای داغ، در یخچال قرار دهید تا خنک شود (هرگز این کار را انجام ندهید!) - این نمونه ای از مخلوط کردن TOA است. و با ریختن چای در نعلبکی و خنک کردن آن به این صورت، نمونه ای از مبدل حرارتی احیا کننده با نازل (نعلبکی در این مثال نقش یک نازل را بازی می کند) که ابتدا با هوای اطراف تماس می گیرد و دمای آن را می گیرد، می گیریم. و سپس بخشی از گرما را از چای داغ ریخته شده در آن می گیرد و به دنبال این است که هر دو محیط را به تعادل حرارتی برساند. با این حال، همانطور که قبلاً متوجه شدیم، استفاده از هدایت حرارتی برای انتقال گرما از یک رسانه به رسانه دیگر کارآمدتر است، بنابراینTOAهای امروزی مفیدتر (و به طور گسترده مورد استفاده) انتقال گرما، مسلماً آنهایی هستند که احیاکننده هستند.
طراحی حرارتی و سازه
هر گونه محاسبه مبدل حرارتی بازیابی را می توان بر اساس نتایج محاسبات حرارتی، هیدرولیکی و مقاومتی انجام داد. آنها در طراحی تجهیزات جدید اساسی و اجباری هستند و اساس روش محاسبه مدل های بعدی خطی از دستگاه های مشابه را تشکیل می دهند. وظیفه اصلی محاسبه حرارتی TOA تعیین مساحت مورد نیاز سطح تبادل حرارت برای عملکرد پایدار مبدل حرارتی و حفظ پارامترهای مورد نیاز رسانه در خروجی است. اغلب، در چنین محاسباتی، به مهندسان مقادیر دلخواه وزن و اندازه تجهیزات آینده (مواد، قطر لوله، ابعاد صفحه، هندسه بسته، نوع و مواد باله ها و غیره) داده می شود، بنابراین، پس از محاسبه حرارتی، آنها معمولاً یک محاسبه سازنده مبدل حرارتی را انجام می دهند. از این گذشته، اگر در مرحله اول مهندس مساحت سطح مورد نیاز را برای یک قطر لوله معین، به عنوان مثال، 60 میلی متر محاسبه کند، و طول مبدل حرارتی حدود شصت متر باشد، منطقی تر است که یک انتقال را فرض کنیم. به یک مبدل حرارتی چند پاس، یا به نوع پوسته و لوله، یا برای افزایش قطر لوله ها.
محاسبه هیدرولیک
محاسبات هیدرولیک یا هیدرومکانیکی و همچنین محاسبات آیرودینامیکی به منظور تعیین و بهینه سازی هیدرولیک انجام می شود.تلفات فشار (آیرودینامیکی) در مبدل حرارتی و همچنین محاسبه هزینه های انرژی برای غلبه بر آنها. محاسبه هر مسیر، کانال یا لوله برای عبور مایع خنک کننده یک وظیفه اصلی را برای فرد ایجاد می کند - تشدید فرآیند انتقال حرارت در این منطقه. یعنی یک محیط باید انتقال دهد و دیگری تا حد امکان گرما را در حداقل دوره جریان خود دریافت کند. برای این کار، اغلب از یک سطح مبادله حرارت اضافی، به شکل دنده‌های سطحی توسعه‌یافته (برای جدا کردن لایه زیرین آرام مرزی و افزایش آشفتگی جریان) استفاده می‌شود. نسبت تعادل بهینه تلفات هیدرولیکی، مساحت سطح تبادل حرارت، ویژگی‌های وزن و اندازه و توان حرارتی حذف شده نتیجه ترکیبی از محاسبات حرارتی، هیدرولیکی و ساختاری TOA است.
بررسی محاسبه
محاسبه تأیید مبدل حرارتی در مواردی انجام می شود که لازم است حاشیه از نظر قدرت یا از نظر مساحت سطح تبادل حرارت گذاشته شود. سطح به دلایل مختلف و در شرایط مختلف محفوظ است: اگر طبق شرایط مرجع لازم باشد، اگر سازنده تصمیم به ایجاد حاشیه اضافی داشته باشد تا مطمئن شود که چنین مبدل حرارتی به رژیم می رسد و خطاهای ایجاد شده را به حداقل می رساند. محاسبات در برخی موارد، افزونگی برای گرد کردن نتایج ابعاد سازنده مورد نیاز است، در حالی که در برخی دیگر (اواپراتورها، اکونومایزرها)، یک حاشیه سطحی مخصوصاً در محاسبه توان مبدل حرارتی برای آلودگی توسط روغن کمپرسور موجود در مدار تبرید وارد می‌شود.. و کیفیت پایین آبباید در نظر گرفته شود. پس از مدتی کارکرد بی‌وقفه مبدلهای حرارتی، به‌ویژه در دماهای بالا، رسوب روی سطح مبادله حرارتی دستگاه می‌نشیند و ضریب انتقال حرارت را کاهش می‌دهد و به ناچار منجر به کاهش انگلی در حذف گرما می‌شود. بنابراین، یک مهندس ماهر، هنگام محاسبه مبدل حرارتی آب به آب، توجه ویژه ای به افزونگی اضافی سطح تبادل حرارتی دارد. یک محاسبه تأیید نیز انجام می شود تا ببینیم تجهیزات انتخاب شده در سایر حالت های ثانویه چگونه کار می کنند. به عنوان مثال، در کولرهای مرکزی (واحدهای تامین)، گرمایش اول و دوم که در فصل سرد استفاده می شود، اغلب در تابستان برای خنک کردن هوای ورودی استفاده می شود و آب سرد را به لوله های مبدل حرارتی هوا می رساند. نحوه عملکرد آنها و چه پارامترهایی به شما امکان می دهد محاسبه تأیید را ارزیابی کنید.
محاسبات اکتشافی
محاسبات تحقیقاتی TOA بر اساس نتایج به دست آمده از محاسبات حرارتی و تأیید انجام می شود. آنها معمولاً برای انجام آخرین اصلاحات در طراحی دستگاه طراحی شده ضروری هستند. آنها همچنین به منظور تصحیح هر معادله ای که در مدل محاسباتی پیاده سازی شده TOA، به دست آمده به صورت تجربی (طبق داده های تجربی) گنجانده شده است، انجام می شود. انجام محاسبات تحقیقاتی شامل دهها و گاه صدها محاسبات بر اساس طرحی خاص است که در تولید مطابق بانظریه ریاضی آزمایش های برنامه ریزی بر اساس نتایج، تأثیر شرایط و مقادیر مختلف فیزیکی بر شاخص‌های کارایی TOA آشکار می‌شود.
محاسبات دیگر
هنگام محاسبه مساحت مبدل حرارتی، مقاومت مواد را فراموش نکنید. محاسبات استحکام TOA شامل بررسی واحد طراحی شده برای تنش، پیچش، برای اعمال حداکثر ممان های کاری مجاز به قطعات و مجموعه های مبدل حرارتی آینده است. با حداقل ابعاد، محصول باید قوی، پایدار باشد و عملکرد ایمن را در شرایط مختلف، حتی سخت‌ترین شرایط عملیاتی تضمین کند.
محاسبه دینامیکی به منظور تعیین ویژگی های مختلف مبدل حرارتی در حالت های کاری متغیر انجام می شود.
انواع طراحی مبدل حرارتی
TOA بازیابی بر اساس طراحی را می توان به تعداد نسبتاً زیادی گروه تقسیم کرد. معروف ترین و پرکاربردترین مبدل های حرارتی صفحه ای، هوا (پره های لوله ای)، مبدل های حرارتی پوسته و لوله، لوله در لوله، پوسته و صفحه و غیره هستند. انواع عجیب‌تر و بسیار تخصصی‌تر نیز وجود دارد، مانند مارپیچ (مبدل حرارتی سیم پیچ) یا نوع خراشیده، که با سیالات چسبناک یا غیر نیوتنی و همچنین بسیاری از انواع دیگر کار می‌کنند.
مبدلهای حرارتی لوله در لوله
بیایید ساده ترین محاسبه مبدل حرارتی "لوله در لوله" را در نظر بگیریم. از نظر ساختاری، این نوع TOA حداکثر ساده شده است. به عنوان یک قاعده، آنها وارد لوله داخلی دستگاه می شوندخنک کننده داغ، برای به حداقل رساندن تلفات، و یک خنک کننده خنک کننده به داخل بدنه یا لوله بیرونی راه اندازی می شود. وظیفه مهندس در این مورد به تعیین طول چنین مبدل حرارتی بر اساس مساحت محاسبه شده سطح تبادل حرارت و قطرهای داده شده کاهش می یابد.
در اینجا شایان ذکر است که در ترمودینامیک مفهوم مبدل حرارتی ایده‌آل معرفی می‌شود، یعنی دستگاهی با طول بی‌نهایت، که در آن حامل‌های گرما در جریان مخالف کار می‌کنند و اختلاف دما بین آنها کاملاً محاسبه می‌شود.. طراحی لوله در لوله به این نیازها نزدیکتر است. و اگر خنک کننده ها را با جریان مخالف اجرا کنید، به اصطلاح "جریان مخالف واقعی" خواهد بود (و نه متقاطع، مانند TOA های صفحه ای). هد دما با چنین سازماندهی حرکتی به بهترین شکل کار می کند. با این حال، هنگام محاسبه مبدل حرارتی "لوله در لوله"، باید واقع بین بود و جزء لجستیک و همچنین سهولت نصب را فراموش نکرد. طول یوروتراک 13.5 متر است و همه فضاهای فنی برای لغزش و نصب تجهیزات با این طول مناسب نیستند.
مبدل حرارتی پوسته و لوله
بنابراین، اغلب محاسبه چنین دستگاهی به آرامی در محاسبه مبدل حرارتی پوسته و لوله جریان می یابد. این دستگاهی است که در آن بسته ای از لوله ها در یک محفظه (محفظه) قرار دارد که بسته به هدف تجهیزات توسط خنک کننده های مختلف شسته می شود. به عنوان مثال، در کندانسورها، مبرد وارد پوسته می شود و آب وارد لوله ها می شود. با این روش حرکت رسانه، کنترل راحت تر و کارآمدتر استعملکرد دستگاه در اواپراتورها، برعکس، مبرد در لوله ها می جوشد، در حالی که آنها توسط مایع خنک شده (آب، آب نمک، گلیکول و غیره) شسته می شوند. بنابراین، محاسبه مبدل حرارتی پوسته و لوله به حداقل رساندن ابعاد تجهیزات کاهش می یابد. مهندس با بازی با قطر پوسته، قطر و تعداد لوله های داخلی و طول دستگاه، به مقدار محاسبه شده سطح تبادل حرارت می رسد.
مبدلهای حرارتی هوا
یکی از رایج ترین مبدل های حرارتی امروزه، مبدل های حرارتی باله ای لوله ای هستند. به آنها مار نیز می گویند. جایی که آنها نه تنها نصب می شوند، از واحدهای فن کویل (از فن + کویل انگلیسی، یعنی "فن" + "کویل") در یونیت های داخلی سیستم های اسپلیت شروع می شوند و به بازیابی کننده های گاز دودکش غول پیکر (استخراج گرما از گاز دودکش داغ) ختم می شوند. و انتقال برای نیازهای گرمایش) در نیروگاه های دیگ بخار در CHP. به همین دلیل است که محاسبه یک مبدل حرارتی کویل بستگی به کاربرد محل کار این مبدل حرارتی دارد. خنک‌کننده‌های هوای صنعتی (HOP) که در اتاق‌های انجماد گوشت، فریزرهای با دمای پایین و سایر تأسیسات تبرید مواد غذایی نصب می‌شوند، نیاز به ویژگی‌های طراحی خاصی در طراحی خود دارند. فاصله بین لایه ها (باله ها) باید تا حد امکان بزرگ باشد تا زمان کار مداوم بین چرخه های یخ زدایی افزایش یابد. برعکس، اواپراتورهای مراکز داده (مراکز پردازش داده)، با بستن لایه بین لایه ای تا حد امکان فشرده ساخته می شوند.حداقل فاصله چنین مبدل های حرارتی در "مناطق تمیز"، احاطه شده توسط فیلترهای خوب (تا کلاس HEPA) کار می کنند، بنابراین، چنین محاسبه مبدل حرارتی لوله ای با تاکید بر به حداقل رساندن ابعاد انجام می شود.
مبدلهای حرارتی صفحه ای
در حال حاضر، مبدل های حرارتی صفحه ای در تقاضای پایدار هستند. با توجه به طراحی آنها کاملاً جمع شونده و نیمه جوشی، لحیم کاری مسی و نیکل، جوشکاری و لحیم کاری با انتشار (بدون لحیم کاری) می باشند. محاسبه حرارتی مبدل حرارتی صفحه ای کاملاً منعطف است و برای یک مهندس مشکل خاصی ایجاد نمی کند. در مرحله انتخاب می توان با نوع صفحات، عمق کانال های آهنگری، نوع پره ها، ضخامت فولاد، مواد مختلف و مهمتر از همه مدل های متعدد در اندازه استاندارد دستگاه ها در اندازه های مختلف بازی کرد. چنین مبدل های حرارتی کم و عریض (برای گرم کردن آب با بخار) یا زیاد و باریک (جداکننده مبدل های حرارتی برای سیستم های تهویه مطبوع) هستند. آنها همچنین اغلب برای رسانه های تغییر فاز استفاده می شوند، به عنوان مثال به عنوان کندانسور، اواپراتور، دی سوپرهیتر، پیش کندانسور، و غیره. این کار قابل حل است و مشکل خاصی ایجاد نمی کند. برای تسهیل چنین محاسباتی، طراحان مدرن از پایگاه داده های کامپیوتری مهندسی استفاده می کنند، جایی که می توانید اطلاعات لازم زیادی را پیدا کنید، از جمله نمودارهای وضعیت هر مبرد در هر حرکت، به عنوان مثال، یک برنامه. CoolPack.
نمونه ای از محاسبه مبدل حرارتی
هدف اصلی از محاسبه محاسبه مساحت مورد نیاز سطح تبادل حرارت است. توان حرارتی (تبرید) معمولاً در شرایط مرجع مشخص می شود ، اما در مثال ما آن را محاسبه می کنیم تا اصطلاحاً خود شرایط مرجع را بررسی کنیم. گاهی اوقات نیز اتفاق می افتد که یک خطا می تواند در داده های منبع رخنه کند. یکی از وظایف یک مهندس توانمند، یافتن و اصلاح این خطا است. به عنوان مثال، اجازه دهید مبدل حرارتی صفحه ای از نوع "مایع - مایع" را محاسبه کنیم. بگذارید این یک فشار شکن در یک ساختمان بلند باشد. به منظور تخلیه تجهیزات با فشار، این روش اغلب در ساخت آسمان خراش ها استفاده می شود. در یک طرف مبدل حرارتی، آب با دمای ورودی Tin1=14 ᵒС و دمای خروجی Тout1=9 ᵒС، و با سرعت جریان G1=14500 کیلوگرم در ساعت، و از سوی دیگر - همچنین آب، اما فقط با پارامترهای زیر: Тin2=8 ᵒС، Тout2=12 ᵒС، G2=18 125 کیلوگرم در ساعت.
ما توان مورد نیاز (Q0) را با استفاده از فرمول تعادل حرارتی محاسبه می کنیم (شکل بالا، فرمول 7.1 را ببینید)، که در آن Ср ظرفیت گرمایی ویژه (مقدار جدول) است. برای سادگی محاسبات، مقدار کاهش یافته ظرفیت حرارتی Срв=4.187 [kJ/kgᵒС] را در نظر می گیریم. شمارش:
Q1=14500(14 - 9)4، 187=303557. 5 [kJ/h]=84321، 53 W=84. 3 kW - در طرف اول و
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321، 53 W=84. 3 kW - در سمت دوم.
توجه داشته باشید که، طبق فرمول (7.1)، Q0=Q1=Q2، صرف نظر ازمحاسبه در کدام طرف انجام شد.
بعلاوه، با استفاده از معادله اصلی انتقال حرارت (7.2)، سطح مورد نیاز (7.2.1) را پیدا می کنیم، جایی که k ضریب انتقال حرارت است (برابر شده برابر با 6350 [W/m. 2])، و ΔТav.log. - میانگین اختلاف دمای لگاریتمی، محاسبه شده بر اساس فرمول (7.3):
گزارش متوسط
ΔT.=(2 - 1) / ln (2/1)=1 / ln2=1 / 0، 6931=1, 4428;
F سپس=84321 / 63501, 4428=9.2 m2.
وقتی ضریب انتقال حرارت ناشناخته است، محاسبه مبدل حرارتی صفحه کمی پیچیده‌تر است. طبق فرمول (7.4)، ما معیار رینولدز را محاسبه می‌کنیم، که ρ چگالی است، [kg/m3]، η ویسکوزیته دینامیکی است، [Ns/m 2]، v سرعت محیط در کانال است، [m/s]، d سانتی متر قطر خیس شده کانال [m] است.
طبق جدول، به دنبال مقدار معیار پراندتل [Pr] مورد نیاز خود می گردیم و با استفاده از فرمول (7.5)، معیار Nusselt را به دست می آوریم که در آن n=0.4 - در شرایط گرمایش مایع، و n=0.3 - تحت شرایط خنک کننده مایع.
بعد با استفاده از فرمول (7.6) ضریب انتقال حرارت از هر خنک کننده به دیوار را محاسبه می کنیم و با استفاده از فرمول (7.7) ضریب انتقال حرارت را محاسبه می کنیم که به فرمول (7.2.1) جایگزین می کنیم. برای محاسبه مساحت سطح تبادل حرارت.
در فرمول های نشان داده شده، λ ضریب هدایت حرارتی، ϭ ضخامت دیواره کانال، α1 و α2 ضرایب انتقال حرارت از هر یک از حامل های حرارتی به دیوار هستند.
