Basisconcepten van warmteoverdracht voor het berekenen van warmtewisselaars

Het berekenen van de warmtewisselaar duurt momenteel niet langer dan vijf minuten. Elke organisatie die dergelijke apparatuur vervaardigt en verkoopt, biedt in de regel iedereen zijn eigen selectieprogramma. U kunt het gratis downloaden van de website van het bedrijf, of hun technicus komt naar uw kantoor om het gratis te installeren. Maar hoe correct is het resultaat van dergelijke berekeningen, is het mogelijk erop te vertrouwen en is de fabrikant niet sluw bij het voeren van een aanbesteding met zijn concurrenten? Het controleren van een elektronische rekenmachine vereist kennis of op zijn minst begrip van de berekeningsmethodiek voor moderne warmtewisselaars. Laten we proberen de details te achterhalen.

Wat is een warmtewisselaar

Voordat we de warmtewisselaar gaan berekenen, moeten we niet vergeten, wat voor apparaat is het? Een warmte- en massa-uitwisselingsapparaat (ook bekend als een warmtewisselaar, ook wel een warmtewisselaar of TOA genoemd) is een apparaat voor het overbrengen van warmte van de ene warmtedrager naar de andere. Tijdens het veranderen van de temperaturen van de koelvloeistoffen veranderen ook hun dichtheden en dienovereenkomstig de massa-indicatoren van stoffen. Dat is de reden waarom dergelijke processen warmte- en massaoverdracht worden genoemd.

Hoofdmenu

Hallo! Een warmtewisselaar is een apparaat waarbij warmte-uitwisseling plaatsvindt tussen twee of meer warmtedragers of tussen warmtedragers en vaste stoffen (mondstuk, wand). De rol van het koelmiddel kan ook worden gespeeld door de omgeving rondom het apparaat. Afhankelijk van hun doel en ontwerp kunnen warmtewisselaars heel verschillend zijn, gaande van de eenvoudigste (radiator) tot de meest geavanceerde (ketelunit). Volgens het werkingsprincipe worden warmtewisselaars onderverdeeld in recuperatief, regeneratief en mengen.

Recuperatieve apparaten worden apparaten genoemd waarin warme en koude warmtedragers gelijktijdig stromen, gescheiden door een stevige wand. Deze apparaten omvatten kachels, ketelunits, condensors, verdampers, enz.

Apparaten waarin hetzelfde verwarmingsoppervlak afwisselend wordt gewassen met warme en koude vloeistof, worden regeneratief genoemd. In dit geval wordt de warmte die wordt geaccumuleerd door de wanden van het apparaat tijdens hun interactie met de hete vloeistof afgegeven aan de koude vloeistof. Een voorbeeld van regeneratieve apparaten zijn luchtverwarmers van openhaard- en hoogovens, verwarmingsovens, enz. Bij regeneratoren vindt warmtewisseling altijd plaats in niet-stationaire omstandigheden, terwijl recuperatieve apparaten meestal stationair werken.

Herstel- en regeneratieve apparaten worden ook oppervlakte-apparaten genoemd, omdat het proces van warmteoverdracht daarin onvermijdelijk verband houdt met het oppervlak van een vaste stof.

Mixers zijn apparaten waarin warmteoverdracht wordt uitgevoerd door directe menging van warme en koude vloeistoffen.

De onderlinge beweging van koelvloeistoffen in warmtewisselaars kan verschillen (afb. 1.).

Afhankelijk hiervan wordt onderscheid gemaakt tussen apparaten met directe stroming, tegenstroom, kruisstroom en met een complexe bewegingsrichting van koelmiddelen (mengstroom). Als de koelvloeistoffen parallel in één richting stromen, wordt een dergelijk bewegingspatroon voorwaartse stroom genoemd (figuur 1.). Bij tegenstroom bewegen de koelvloeistoffen parallel, maar naar elkaar toe. Als de bewegingsrichtingen van vloeistoffen elkaar kruisen, wordt het bewegingspatroon kruisstroom genoemd. Naast de bovengenoemde schema's worden in de praktijk ook meer complexe schema's gebruikt: gelijktijdige voorwaartse en tegenstroom, meervoudige dwarsstroom, enz.

Afhankelijk van het technologische doel en de ontwerpkenmerken worden warmtewisselaars onderverdeeld in boilers, condensors, ketelunits, verdampers, enz. Maar het gemeenschappelijke is dat ze allemaal dienen om warmte van de ene warmtedrager naar de andere over te dragen, daarom zijn de basisvoorzieningen van thermische berekening zijn hetzelfde voor hen. ... Het verschil kan alleen het doel van de definitieve afwikkeling zijn. Bij het ontwerpen van een nieuwe warmtewisselaar is de rekentaak het bepalen van het verwarmingsoppervlak; bij de thermische verificatieberekening van de bestaande warmtewisselaar is het vereist om de hoeveelheid overgedragen warmte en de eindtemperaturen van de werkvloeistoffen te vinden.

De warmteberekening is in beide gevallen gebaseerd op de warmtebalansvergelijkingen en de warmteoverdrachtsvergelijking.

De warmtebalansvergelijking van de warmtewisselaar heeft de vorm:

waarbij M het massadebiet van het koelmiddel is, kg / s; cpm - specifieke massa isobare gemiddelde warmtecapaciteit van het koelmiddel, J / (kg * ° С).

Hierna geeft het onderschrift "1" de waarden aan die betrekking hebben op de hete vloeistof (primaire warmtedrager), en het onderschrift "2" - op de koude vloeistof (secundaire warmtedrager); een lijn komt overeen met de temperatuur van de vloeistof bij de inlaat van het apparaat, en twee lijnen - bij de uitlaat.

Bij het berekenen van warmtewisselaars wordt vaak het concept van de totale warmtecapaciteit van het massadebiet van de warmtedrager (waterequivalent) gebruikt, gelijk aan C = Mav W / ° C. Uit uitdrukking (1) volgt dat

dat wil zeggen, de verhouding van temperatuurveranderingen van enkelfasige warmteoverdrachtsvloeistoffen is omgekeerd evenredig met de verhouding van hun totale warmtecapaciteit (waterequivalenten).

De warmteoverdrachtsvergelijking wordt als volgt geschreven: Q = k * F * (t1 - t2), waarbij t1, t2 de temperaturen zijn van de primaire en secundaire warmtedragers; F is het warmteoverdrachtoppervlak.

Tijdens warmte-uitwisseling veranderen in de meeste gevallen de temperaturen van beide warmtedragers en daarom verandert de temperatuurkop Δt = t1 - t2. De warmteoverdrachtscoëfficiënt over het warmtewisselingsoppervlak zal ook een variabele waarde hebben, daarom moeten de gemiddelde waarden van het temperatuurverschil Δtav en de warmteoverdrachtscoëfficiënt kcp worden vervangen door de warmteoverdrachtsvergelijking, dat wil zeggen

Q = kсp * F * Δtcp (3)

Het warmtewisselingsoppervlak F wordt berekend met de formule (3), terwijl de thermische prestatie Q wordt gespecificeerd. Om het probleem op te lossen, is het noodzakelijk om het gemiddelde over het hele oppervlak van de warmteoverdrachtscoëfficiënt kсp en de temperatuurkop Δtav te berekenen.

Bij het berekenen van het gemiddelde temperatuurverschil moet rekening worden gehouden met de aard van de verandering in de temperatuur van de warmtedragers langs het warmtewisselingsoppervlak. Uit de thermische geleidbaarheidstheorie is bekend dat in een plaat of een cilindrische staaf bij aanwezigheid van een temperatuurverschil aan de uiteinden (de zijvlakken zijn geïsoleerd) de temperatuurverdeling over de lengte lineair is. Als er warmte-uitwisseling plaatsvindt op het zijoppervlak of als het systeem interne warmtebronnen heeft, is de temperatuurverdeling kromlijnig. Bij een gelijkmatige verdeling van warmtebronnen zal de temperatuurverandering over de lengte parabolisch zijn.

Bij warmtewisselaars verschilt de aard van de verandering in de temperatuur van de warmtedragers dus van de lineaire en wordt bepaald door de totale warmtecapaciteiten C1 en C2 van de massastromen van de warmtedragers en de richting van hun onderlinge beweging. (Figuur 2).

Uit de grafieken blijkt dat de temperatuurverandering langs het oppervlak F niet hetzelfde is. In overeenstemming met vergelijking (2), hoe groter de temperatuurverandering zal zijn voor de warmtedrager met de lagere warmtecapaciteit van de massastroom. Als de koelmiddelen hetzelfde zijn, bijvoorbeeld in een water-water-warmtewisselaar, wordt de aard van de verandering in de temperatuur van de koelmiddelen volledig bepaald door hun stroomsnelheden, en bij een lager debiet de temperatuur de verandering zal groot zijn.Bij gelijkstroom is de eindtemperatuur t "2 van het verwarmde medium altijd lager dan de temperatuur t" 1 van het verwarmingsmedium bij de uitlaat van het apparaat, en bij tegenstroom kan de eindtemperatuur t "2 hoger zijn dan de temperatuur t "1 (zie voor tegenstroom het geval wanneer C1> C2). Dientengevolge kan bij dezelfde begintemperatuur het met tegenstroom te verwarmen medium tot een hogere temperatuur worden verwarmd dan bij gelijkstroom.

Bij gelijkstroom verandert de temperatuurkop langs het verwarmingsoppervlak sterker dan bij tegenstroom. Tegelijkertijd is de gemiddelde waarde in het laatste geval groter, waardoor het verwarmingsoppervlak van de inrichting met tegenstroom kleiner zal zijn. In dit geval zal dus onder gelijke omstandigheden meer warmte worden overgedragen. Op basis hiervan moet de voorkeur worden gegeven aan apparaten met een tegenstroom.

Als resultaat van een analytische studie van een warmtewisselaar die werkt volgens het directe stroomschema, werd gevonden dat de temperatuurkop langs het warmtewisselingsoppervlak exponentieel verandert, zodat de gemiddelde temperatuuropvoerhoogte kan worden berekend met de formule:

waarbij Δtb het grote temperatuurverschil is tussen de warme en koude warmtedrager (vanaf het ene uiteinde van de warmtewisselaar); Δtm - kleiner temperatuurverschil (vanaf het andere uiteinde van de warmtewisselaar).

Met een voorwaartse stroom, Δtb = t'1 - t'2 en Δtm = t "1 - t" 2 (Fig. 2.). Deze formule is ook geldig voor tegenstroom met het enige verschil dat voor het geval waarin C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 en Δtm = t'1 - t "2.

Het gemiddelde temperatuurverschil tussen twee media, berekend met de formule (4), wordt de gemiddelde logaritmische waarde genoemd. temperatuur hoofd. De vorm van de uitdrukking is te wijten aan de aard van de temperatuurverandering langs het verwarmingsoppervlak (kromlijnige afhankelijkheid). Als de afhankelijkheid lineair was, moet de temperatuurhoogte worden bepaald als een rekenkundig gemiddelde (Fig. 3.). De waarde van de rekenkundig gemiddelde opvoerhoogte Δtа.av is altijd groter dan de gemiddelde logaritmische Δtl.av. In gevallen waarin de temperatuurkop over de lengte van de warmtewisselaar echter onbeduidend verandert, dat wil zeggen dat aan de voorwaarde Δtb / Δtm <2 is voldaan, kan het gemiddelde temperatuurverschil worden berekend als een rekenkundig gemiddelde:

De middeling van het temperatuurverschil voor apparaten met kruis- en mengstromen onderscheidt zich door de complexiteit van berekeningen, daarom worden voor een aantal van de meest voorkomende schema's de resultaten van oplossingen meestal gegeven in de vorm van grafieken. Isp. Literatuur: 1) Fundamentals of heat power engineering, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, uitg. 2e, "Higher school", 1976. 3) Heat engineering, ed. 2, onder de algemene redactie van. IN Sushkina, Moskou "Metallurgy", 1973.

Soorten warmteoverdracht

Laten we het nu hebben over de soorten warmteoverdracht - er zijn er maar drie. Straling - de overdracht van warmte door straling. Denk bijvoorbeeld aan zonnebaden op het strand op een warme zomerdag. En dergelijke warmtewisselaars zijn zelfs op de markt te vinden (buis-luchtverwarmers). Meestal kopen we echter olie- of elektrische radiatoren voor het verwarmen van woonruimten, kamers in een appartement. Dit is een voorbeeld van een ander type warmteoverdracht - convectie. Convectie kan natuurlijk zijn, geforceerd (afzuigkap en er zit een recuperator in de bak) of mechanisch opgewekt (bijvoorbeeld met een ventilator). Het laatste type is veel efficiënter.

De meest efficiënte manier om warmte over te dragen is echter thermische geleidbaarheid, of, zoals het ook wel wordt genoemd, geleiding (van het Engelse conduction - "conduction"). Elke ingenieur die een thermische berekening van een warmtewisselaar gaat uitvoeren, denkt allereerst na over het kiezen van efficiënte apparatuur in de kleinst mogelijke afmetingen. En dit wordt precies bereikt dankzij thermische geleidbaarheid. Een voorbeeld hiervan is de meest efficiënte TOA van vandaag: platenwarmtewisselaars. Plaat TOA is volgens de definitie een warmtewisselaar die warmte van de ene warmtedrager naar de andere overbrengt via de scheidingswand. Het maximaal mogelijke contactoppervlak tussen twee media, samen met correct geselecteerde materialen, het profiel van de platen en hun dikte, stelt u in staat om de grootte van de geselecteerde apparatuur te minimaliseren met behoud van de originele technische kenmerken die vereist zijn in het technologische proces.

Warmtewisselaar types

Voordat de warmtewisselaar wordt berekend, worden ze bepaald met het type. Alle TOA kunnen worden onderverdeeld in twee grote groepen: recuperatieve en regeneratieve warmtewisselaars. Het belangrijkste verschil tussen beide is als volgt: bij recuperatieve TOA vindt warmte-uitwisseling plaats via een wand die twee koelmiddelen scheidt, en bij regeneratieve TOA hebben de twee media direct contact met elkaar, vaak mengen ze en moeten ze vervolgens worden gescheiden in speciale scheiders. Regeneratieve warmtewisselaars zijn onderverdeeld in menging en warmtewisselaars met pakking (stationair, vallend of tussenliggend). Grofweg is een emmer heet water blootgesteld aan vorst of een glas hete thee in de koelkast geplaatst om af te koelen (doe dat nooit!) Een voorbeeld van zo'n TOA. En door thee in een schotel te schenken en op deze manier af te koelen, krijgen we een voorbeeld van een regeneratieve warmtewisselaar met een mondstuk (de schotel speelt in dit voorbeeld de rol van een mondstuk), die eerst in contact komt met de omgevingslucht en zijn temperatuur opneemt , en neemt dan een deel van de warmte van de hete thee die erin wordt gegoten, in een poging om beide media in thermisch evenwicht te brengen. Zoals we echter al eerder hebben ontdekt, is het efficiënter om thermische geleidbaarheid te gebruiken om warmte van het ene medium naar het andere over te brengen, daarom zijn TOA die tegenwoordig nuttiger zijn in termen van warmteoverdracht (en veel gebruikt) natuurlijk, herstellend.

Bepaling van de hoeveelheid warmte

De warmteoverdrachtsvergelijking die wordt gebruikt voor stationaire tijdseenheden en processen is als volgt:

Q = KFtcp (W)

In deze vergelijking:

• K is de waarde van de warmteoverdrachtscoëfficiënt (uitgedrukt in W / (m2 / K));
• tav - het gemiddelde verschil in temperatuurindicatoren tussen verschillende warmtedragers (de waarde kan zowel in graden Celsius (0С) als in kelvin (K)) worden gegeven;
• F is de waarde van het oppervlak waarvoor warmteoverdracht plaatsvindt (de waarde wordt gegeven in m2).

Met de vergelijking kunt u het proces beschrijven waarbij warmte wordt overgedragen tussen warmtedragers (van warm naar koud). De vergelijking houdt rekening met:

• warmteoverdracht van de koelvloeistof (heet) naar de muur;
• wand thermische geleidbaarheid parameters;
• warmteoverdracht van de muur naar de koelvloeistof (koud).

Thermische en structurele berekening

Elke berekening van een recuperatieve warmtewisselaar kan worden gemaakt op basis van de resultaten van thermische, hydraulische en sterkteberekeningen. Ze zijn fundamenteel, verplicht bij het ontwerp van nieuwe apparatuur en vormen de basis van de berekeningsmethode voor volgende modellen van de lijn van hetzelfde type apparaat. De belangrijkste taak van de thermische berekening van TOA is het bepalen van het vereiste oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak voor een stabiele werking van de warmtewisselaar en het handhaven van de vereiste parameters van de media bij de uitlaat. Heel vaak krijgen ingenieurs bij dergelijke berekeningen willekeurige waarden van de massa- en afmetingskenmerken van de toekomstige apparatuur (materiaal, buisdiameter, plaatafmetingen, balkgeometrie, type en materiaal van vinnen, enz.), Daarom na de thermische, wordt meestal een constructieve berekening van de warmtewisselaar uitgevoerd. Inderdaad, als de ingenieur in de eerste fase het vereiste oppervlak voor een bepaalde buisdiameter berekende, bijvoorbeeld 60 mm, en de lengte van de warmtewisselaar dus ongeveer zestig meter bleek te zijn, dan is het logischer om aan te nemen dat een overgang naar een multi-pass warmtewisselaar, of naar een shell-and-tube-type, of om de diameter van de buizen te vergroten.

Warmteoverdrachtmechanismen bij de berekening van warmtewisselaars

De drie belangrijkste soorten warmteoverdracht zijn convectie, warmtegeleiding en straling.

In warmtewisselingsprocessen die verlopen in overeenstemming met de principes van het mechanisme van warmtegeleiding, wordt warmte-energie overgedragen in de vorm van overdracht van energie van elastische atomaire en moleculaire trillingen. De overdracht van deze energie tussen verschillende atomen is in de richting van afname.

De berekening van de kenmerken van de overdracht van thermische energie door het principe van thermische geleidbaarheid wordt uitgevoerd volgens de Fourier-wet

Gegevens over oppervlakte, thermische geleidbaarheid, temperatuurgradiënt, stroomperiode worden gebruikt om de hoeveelheid warmte-energie te berekenen.Het concept van een temperatuurgradiënt wordt gedefinieerd als de verandering in temperatuur in de richting van warmteoverdracht met een of andere lengte-eenheid.

De thermische geleidbaarheid is de snelheid van het warmtewisselingsproces, d.w.z. de hoeveelheid thermische energie die per tijdseenheid door een oppervlakte-eenheid gaat.

Zoals u weet, worden metalen gekenmerkt door de hoogste warmtegeleidingscoëfficiënt in vergelijking met andere materialen, waarmee rekening moet worden gehouden bij alle berekeningen van warmtewisselingsprocessen. Wat vloeistoffen betreft, deze hebben in de regel een relatief lagere warmtegeleidingscoëfficiënt in vergelijking met lichamen in een vaste aggregatietoestand.

Het is mogelijk om de hoeveelheid overgedragen thermische energie te berekenen voor het berekenen van warmtewisselaars, waarbij warmte-energie wordt overgedragen tussen verschillende media door de muur, met behulp van de Fourier-vergelijking. Het wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte-energie die door een vlak gaat dat wordt gekenmerkt door een zeer kleine dikte:

Na het uitvoeren van enkele wiskundige bewerkingen, krijgen we de volgende formule

Geconcludeerd kan worden dat de temperatuurdaling in de muur wordt uitgevoerd in overeenstemming met de wet van een rechte lijn.

Hydraulische berekening

Zowel hydraulische of hydromechanische als aerodynamische berekeningen worden uitgevoerd om de hydraulische (aerodynamische) drukverliezen in de warmtewisselaar te bepalen en te optimaliseren, en om de energiekosten te berekenen om deze te overwinnen. De berekening van elk pad, kanaal of pijp voor de doorgang van het koelmiddel vormt een primaire taak voor een persoon - om het warmteoverdrachtsproces in dit gebied te intensiveren. Dat wil zeggen, het ene medium moet worden overgedragen en het andere moet zoveel mogelijk warmte ontvangen met het minimale interval van zijn stroom. Hiervoor wordt vaak een extra warmtewisselingsoppervlak gebruikt, in de vorm van een ontwikkelde oppervlaktestructuur (om de grensvlaklaminaire onderlaag te scheiden en de stromingsturbulisatie te verbeteren). De optimale balansverhouding van hydraulische verliezen, warmtewisselingsoppervlak, gewichts- en afmetingskenmerken en afgevoerd warmtevermogen is het resultaat van een combinatie van thermische, hydraulische en constructieve berekening van TOA.

Verificatieberekening

Berekening van de warmtewisselaar wordt uitgevoerd in het geval dat het nodig is om een ​​marge te leggen voor vermogen of voor het oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak. Het oppervlak is gereserveerd om verschillende redenen en in verschillende situaties: als dit vereist is volgens de taakomschrijving, als de fabrikant besluit een extra marge toe te voegen om er zeker van te zijn dat een dergelijke warmtewisselaar in werking zal treden, en om fouten gemaakt in de berekeningen. In sommige gevallen is redundantie vereist om de resultaten van ontwerpafmetingen af ​​te ronden, in andere gevallen (verdampers, economizers) wordt speciaal een oppervlaktemarge geïntroduceerd in de berekening van de capaciteit van de warmtewisselaar voor vervuiling met in het koelcircuit aanwezige compressorolie. En er moet rekening worden gehouden met de lage waterkwaliteit. Na enige tijd van ononderbroken werking van warmtewisselaars, vooral bij hoge temperaturen, zet zich kalk af op het warmtewisselingsoppervlak van de inrichting, waardoor de warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt verlaagd en onvermijdelijk leidt tot een parasitaire afname van de warmteafvoer. Daarom besteedt een bekwame ingenieur bij het berekenen van een water-water-warmtewisselaar speciale aandacht aan extra redundantie van het warmtewisselingsoppervlak. De verificatieberekening wordt ook uitgevoerd om te zien hoe de geselecteerde apparatuur zal werken in andere, secundaire modi. In centrale airconditioners (luchttoevoerunits) worden bijvoorbeeld eerste en tweede verwarmingskachels, die in het koude seizoen worden gebruikt, in de zomer vaak gebruikt om de binnenkomende lucht te koelen door koud water naar de buizen van de luchtwarmtewisselaar te leiden.Hoe ze zullen functioneren en welke parameters ze zullen geven, stelt u in staat de verificatieberekening te evalueren.

Apparaat en werkingsprincipe

Warmtewisselingsapparatuur op de moderne markt wordt in een grote verscheidenheid aangeboden.

Het gehele beschikbare assortiment aan producten van deze lijn is onder te verdelen in twee soorten, zoals:

• plaat aggregaten;
• shell-and-tube-apparaten.

De laatste variëteit wordt vanwege zijn lage efficiëntie en zijn grote formaat tegenwoordig bijna niet op de markt verkocht. De platenwarmtewisselaar bestaat uit identieke golfplaten, die op een stevig metalen frame zijn bevestigd. De elementen zijn in spiegelbeeld ten opzichte van elkaar geplaatst en daartussen bevinden zich stalen en rubberen afdichtingen. Het nuttige warmtewisselingsoppervlak is rechtstreeks afhankelijk van de grootte en het aantal platen.

Plaatapparaten kunnen worden onderverdeeld in twee ondersoorten op basis van configuratie, zoals:

• gesoldeerde eenheden;
• warmtewisselaars met pakkingen.

Inklapbare apparaten onderscheiden zich van producten van een gesoldeerd montagetype doordat, zodra dat nodig is, het apparaat kan worden opgewaardeerd en aangepast aan persoonlijke behoeften, bijvoorbeeld door een bepaald aantal platen toe te voegen of te verwijderen. Warmtewisselaars met pakkingen zijn gewild in gebieden waar hard water wordt gebruikt voor huishoudelijke behoeften, vanwege de kenmerken waarvan drank en verschillende verontreinigingen zich ophopen op de elementen van de unit. Deze neoplasmata hebben een nadelige invloed op de efficiëntie van het apparaat, daarom moeten ze regelmatig worden schoongemaakt, en vanwege hun configuratie is dit altijd mogelijk.

Niet-demonteerbare apparaten onderscheiden zich door de volgende kenmerken:

• hoge mate van weerstand tegen hoge druk- en temperatuurschommelingen;
• lange levensduur;
• lichtgewicht.

De hardgesoldeerde assemblages worden gereinigd zonder de hele constructie te demonteren.

Op basis van de berekening van het type en de installatieoptie van de unit, moeten twee soorten warmtewisselaars voor warm water uit verwarming worden onderscheiden.

• Interne warmtewisselaars bevinden zich in de verwarmingsapparaten zelf - ovens, ketels en andere. Met deze installatie kunt u maximale efficiëntie behalen tijdens de werking van producten, omdat het warmteverlies voor het verwarmen van de behuizing minimaal zal zijn. In de regel zijn dergelijke apparaten al in de ketel ingebouwd in de fase van de fabricage van de ketels. Dit vergemakkelijkt de installatie en inbedrijfstelling aanzienlijk, aangezien u alleen de vereiste werking van de warmtewisselaar hoeft aan te passen.

• Externe warmtewisselaars moeten apart van de warmtebron worden aangesloten. Dergelijke apparaten zijn relevant voor gebruik in gevallen waarin de werking van het apparaat afhankelijk is van een externe warmtebron. Huizen met centrale verwarming zijn een voorbeeld. In deze uitvoering fungeert de huishoudelijke eenheid die het water verwarmt als een extern apparaat.

Rekening houdend met het type materiaal waaruit scheidingen zijn gemaakt, is het de moeite waard om de volgende modellen te benadrukken:

• stalen warmtewisselaars;
• apparaten gemaakt van gietijzer.

Bovendien vallen kopergesoldeerde systemen op. Ze worden gebruikt voor stadsverwarming in appartementsgebouwen.

De volgende kenmerken moeten worden beschouwd als de kenmerken van gietijzeren apparatuur:

• de grondstof koelt vrij langzaam af, wat de werking van het hele verwarmingssysteem scheelt;
• het materiaal heeft een hoge thermische geleidbaarheid, alle gietijzeren producten hebben inherente eigenschappen waarin het zeer snel opwarmt en warmte afgeeft aan andere elementen;
• de grondstof is bestand tegen de vorming van kalkaanslag op de basis, bovendien is het beter bestand tegen corrosie;
• door extra secties te installeren, kunt u het vermogen en de functionaliteit van de unit als geheel vergroten;
• producten van dit materiaal kunnen in delen worden vervoerd en in secties worden opgesplitst, wat het leveringsproces en de installatie en het onderhoud van de warmtewisselaar vergemakkelijkt.

We raden u aan uzelf vertrouwd te maken met: Welke kant u de dampremmende laag moet plaatsen a - DOLGOSTROI.PRO
Net als elk ander product heeft een dergelijk afhankelijk apparaat de volgende nadelen:

• gietijzer valt op door zijn lage weerstand tegen scherpe temperatuurschommelingen, dergelijke verschijnselen kunnen gepaard gaan met de vorming van scheuren op het apparaat, wat de prestaties van de warmtewisselaar negatief zal beïnvloeden;
• zelfs als ze grote afmetingen hebben, zijn gietijzeren eenheden erg kwetsbaar, daarom kan mechanische schade, vooral tijdens het transport van producten, deze ernstig beschadigen;
• het materiaal is vatbaar voor droge corrosie;
• de grote massa en afmetingen van het apparaat bemoeilijken soms de ontwikkeling en installatie van het systeem.

Stalen warmtewisselaars voor warmwatervoorziening onderscheiden zich door de volgende voordelen:

• hoge thermische geleidbaarheid;
• kleine massa producten. Staal maakt het systeem niet zwaarder, daarom zijn dergelijke apparaten de beste optie wanneer een warmtewisselaar nodig is, wiens taak het is om een ​​groot gebied te bedienen;
• stalen units zijn bestand tegen mechanische belasting;
• de stalen warmtewisselaar reageert niet op temperatuurschommelingen in de constructie;
• het materiaal heeft goede elasticiteitseigenschappen, maar langdurig contact met een sterk verhit of gekoeld medium kan leiden tot scheuren in het lasgebied.

De nadelen van apparaten zijn onder meer de volgende kenmerken:

• gevoeligheid voor elektrochemische corrosie. Daarom zal bij constant contact met een agressieve omgeving de levensduur van het apparaat aanzienlijk worden verkort;
• apparaten hebben niet de mogelijkheid om de werkefficiëntie te verhogen;
• de stalen eenheid verliest zeer snel warmte, wat gepaard gaat met een verhoogd brandstofverbruik voor productieve werking;
• laag niveau van onderhoudbaarheid. Het is bijna onmogelijk om het apparaat met uw eigen handen te repareren;
• de uiteindelijke montage van de stalen warmtewisselaar wordt uitgevoerd in de omstandigheden van de werkplaats waar deze werd vervaardigd. De eenheden zijn monolithische blokken van grote afmetingen, waardoor er problemen zijn bij de levering.

Sommige fabrikanten bedekken de binnenwanden met gietijzer om de kwaliteit van stalen warmtewisselaars te verhogen, waardoor de betrouwbaarheid van de constructie toeneemt.

Moderne warmtewisselaars zijn units waarvan de werking is gebaseerd op verschillende principes:

• irrigatie;
• onderdompelbaar;
• gesoldeerd;
• oppervlakkig;
• opvouwbaar;
• geribbeld lamellair;
• mengen;
• shell-and-tube en anderen.

Maar platenwarmtewisselaars voor warmwatervoorziening en verwarming verschillen gunstig van een aantal andere. Dit zijn doorstroomheaters. Installaties zijn een reeks platen waartussen twee kanalen worden gevormd: warm en koud. Ze zijn van elkaar gescheiden door een pakking van staal en rubber, zodat het mengen van de media wordt geëlimineerd.

De platen zijn samengevoegd tot één blok. Deze factor bepaalt de functionaliteit van het apparaat. De platen zijn identiek in grootte, maar bevinden zich op een draai van 180 graden, wat de reden is voor het vormen van holtes waardoor vloeistoffen worden getransporteerd. Dit is hoe de afwisseling van koude en warme kanalen wordt gevormd en een warmtewisselingsproces wordt gevormd.

Recirculatie in dit type apparatuur is intensief. De omstandigheden waarin de warmtewisselaar voor warmwatervoorzieningssystemen wordt gebruikt, zijn afhankelijk van het materiaal van de pakkingen, het aantal platen, hun grootte en type. Installaties die warm water bereiden, zijn uitgerust met twee circuits: een voor warm water en een voor ruimteverwarming. Plaatmachines zijn veilig, productief en worden gebruikt in de volgende gebieden:

• voorbereiding van een warmtedrager in warmwatervoorziening, ventilatie- en verwarmingssystemen;
• koeling van voedingsproducten en industriële oliën;
• warmwatervoorziening voor douches bij bedrijven;
• voor de voorbereiding van de warmtedrager in vloerverwarmingssystemen;
• voor de bereiding van een warmtedrager in de voedings-, chemische en farmaceutische industrie;
• zwembadwaterverwarming en andere warmtewisselingsprocessen.

Onderzoeksberekeningen

Onderzoeksberekeningen van TOA worden uitgevoerd op basis van de verkregen resultaten van thermische en verificatieberekeningen. Ze zijn in de regel vereist om de laatste wijzigingen in het ontwerp van het geprojecteerde apparaat aan te brengen. Ze worden ook uitgevoerd om eventuele vergelijkingen te corrigeren die zijn vastgelegd in het geïmplementeerde rekenmodel TOA, empirisch verkregen (volgens experimentele gegevens). Het uitvoeren van onderzoeksberekeningen omvat tientallen en soms honderden berekeningen volgens een speciaal plan dat is ontwikkeld en in de productie wordt geïmplementeerd volgens de wiskundige theorie van experimentplanning. Aan de hand van de resultaten wordt de invloed van verschillende condities en fysieke grootheden op de prestatie-indicatoren van TOA onthuld.

Andere berekeningen

Vergeet bij het berekenen van het oppervlak van de warmtewisselaar de weerstand van materialen niet. De TOA-sterkteberekeningen omvatten het controleren van de ontworpen eenheid op spanning, torsie, voor het toepassen van de maximaal toegestane bedrijfsmomenten op de onderdelen en samenstellingen van de toekomstige warmtewisselaar. Met minimale afmetingen moet het product duurzaam en stabiel zijn en een veilige werking garanderen in verschillende, zelfs de meest stressvolle bedrijfsomstandigheden.

Er wordt een dynamische berekening uitgevoerd om de verschillende kenmerken van de warmtewisselaar bij variabele bedrijfsmodi te bepalen.

Tube-in-tube warmtewisselaars

Laten we eens kijken naar de eenvoudigste berekening van een pijp-in-pijp-warmtewisselaar. Structureel wordt dit type TOA zoveel mogelijk vereenvoudigd. In de regel wordt een heet koelmiddel in de binnenpijp van het apparaat gelaten om verliezen te minimaliseren, en wordt een koelend koelmiddel in de behuizing of in de buitenpijp gelaten. De taak van de ingenieur is in dit geval beperkt tot het bepalen van de lengte van een dergelijke warmtewisselaar op basis van het berekende oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak en gegeven diameters.

Hier moet worden toegevoegd dat het concept van een ideale warmtewisselaar wordt geïntroduceerd in de thermodynamica, dat wil zeggen een apparaat van oneindige lengte, waar de koelmiddelen in tegenstroom werken en het temperatuurverschil tussen hen volledig wordt geactiveerd. Het buis-in-buis-ontwerp voldoet het dichtst aan deze eisen. En als je de koelvloeistoffen in tegenstroom laat lopen, dan zal het de zogenaamde "echte tegenstroom" zijn (en niet crossflow, zoals in plaat TOA). De temperatuurkop wordt het meest efficiënt geactiveerd met een dergelijke organisatie van beweging. Bij het berekenen van een pijp-in-pijp-warmtewisselaar moet men echter realistisch zijn en de logistieke component en het installatiegemak niet vergeten. De lengte van de eurotruck is 13,5 meter en niet alle technische lokalen zijn aangepast aan het slippen en installeren van apparatuur van deze lengte.

Hoe de warmtewisselaar te berekenen

Het is absoluut noodzakelijk om de warmtewisselaar van de batterij te berekenen, anders is het thermische vermogen mogelijk niet voldoende om de kamer te verwarmen. Het verwarmingssysteem is ontworpen om warmteverlies te compenseren. Daarom kunnen we alleen de exacte hoeveelheid benodigde warmte-energie achterhalen op basis van het warmteverlies van het gebouw. Het is vrij moeilijk om een ​​berekening te maken, daarom nemen ze gemiddeld 100 W per vierkante meter met een plafondhoogte van 2,7 m.

Er moet een opening zijn tussen de beurten.

Voor de berekening zijn ook de volgende waarden vereist:

• Pi;
• de diameter van de buis die beschikbaar is (neem 10 mm);
• lambda thermische geleidbaarheid van metaal (voor koper 401 W / m * K);
• de delta van de aanvoer- en retourtemperatuur van de koelvloeistof (20 graden).

Om de lengte van de buis te bepalen, moet u het totale thermische vermogen in W delen door het product van de bovenstaande factoren.Laten we eens kijken naar het voorbeeld van een koperen warmtewisselaar met een vereist thermisch vermogen van 3 kW - dit is 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (thermische geleidbaarheid lambda) * 20 (temperatuur delta) * 0,01 (buisdiameter in meter)

Uit deze berekening blijkt dat u 11,91 m koperen buis met een diameter van 10 mm nodig heeft om de warmteafgifte van de spiraal 3 kW te laten zijn.

Shell and tube warmtewisselaars

Daarom vloeit de berekening van een dergelijk apparaat vaak vloeiend over in de berekening van een buizenwarmtewisselaar. Dit is een apparaat waarbij een bundel pijpen zich in een enkele omhulling (omhulsel) bevindt, gewassen met verschillende koelmiddelen, afhankelijk van het doel van de apparatuur. Bij condensors wordt bijvoorbeeld het koudemiddel in de mantel geleid en het water in de leidingen. Met deze methode om media te verplaatsen, is het handiger en effectiever om de werking van het apparaat te regelen. In verdampers daarentegen kookt het koelmiddel in de buizen en wordt het tegelijkertijd gewassen door de gekoelde vloeistof (water, pekel, glycolen, enz.). Daarom wordt de berekening van een pijpenbundelwarmtewisselaar beperkt tot het minimaliseren van de grootte van de apparatuur. Al spelend met de diameter van de behuizing, de diameter en het aantal binnenpijpen en de lengte van het apparaat, bereikt de ingenieur de berekende waarde van het oppervlak van het warmtewisselingsoppervlak.

Lucht-warmtewisselaars

Een van de meest voorkomende warmtewisselaars van tegenwoordig zijn buizenwarmtewisselaars met ribben. Ze worden ook wel spoelen genoemd. Waar ze ook niet zijn geïnstalleerd, beginnend bij ventilatorconvectoren (van de Engelse fan + coil, dwz "fan" + "coil") in de interne blokken van gesplitste systemen en eindigend met gigantische rookgasrecuperatoren (warmteafvoer uit heet rookgas en overdracht voor verwarmingsbehoeften) in ketelinstallaties bij WKK. Daarom is het ontwerp van een spiraalwarmtewisselaar afhankelijk van de toepassing waar de warmtewisselaar in bedrijf gaat. Industriële luchtkoelers (VOP's), geïnstalleerd in snelvrieskamers van vlees, in diepvriezers met lage temperaturen en op andere objecten van voedselkoeling, vereisen bepaalde ontwerpkenmerken voor hun prestaties. De afstand tussen de lamellen (ribben) moet zo groot mogelijk zijn om de continue werkingstijd tussen ontdooicycli te verlengen. Verdampers voor datacenters (datacentra) worden daarentegen zo compact mogelijk gemaakt, met een minimale tussenruimte. Dergelijke warmtewisselaars werken in "schone zones" omgeven door fijne filters (tot de HEPA-klasse), daarom wordt een dergelijke berekening van de buisvormige warmtewisselaar uitgevoerd met de nadruk op het minimaliseren van de grootte.

Soorten spiraalwarmtewisselaars

Een verwarmde handdoekhouder is ook een spiraalwarmtewisselaar.

U kunt met uw eigen handen een spoel maken met verschillende ontwerpen en van verschillende soorten metaal (staal, koper, aluminium, gietijzer). Aluminium en gietijzeren producten worden in fabrieken gestempeld, omdat de vereiste voorwaarden voor het werken met deze metalen alleen in een productieomgeving kunnen worden bereikt. Zonder dit werkt het alleen met staal of koper. Het is het beste om koper te gebruiken, omdat het vervormbaar is en een hoge thermische geleidbaarheid heeft. Er zijn twee schema's om een ​​spoel te maken:

• schroef;
• parallel.

Het spiraalvormige schema impliceert de locatie van de spiraalwindingen langs een spiraalvormige lijn. De koelvloeistof in dergelijke warmtewisselaars beweegt in één richting. Om de warmteafgifte te verhogen kunnen indien nodig meerdere spiralen worden gecombineerd volgens het "pipe in pipe" -principe.

Om warmteverlies zoveel mogelijk te beperken, moet u kiezen wat voor soort isolatie het beste is om het huis van buitenaf te isoleren. Het hangt ook af van het materiaal van de muren.

Het is noodzakelijk om de keuze van de isolatie voor een houten huis te maken op basis van de dampdoorlatendheid van de thermische isolatie.

In een parallel circuit verandert de koelvloeistof voortdurend van bewegingsrichting. Zo'n warmtewisselaar is gemaakt van rechte buizen die zijn verbonden door een bocht van 180 graden.In sommige gevallen, bijvoorbeeld voor de vervaardiging van een verwarmingsregister, mogen draaiknieën niet worden gebruikt. In plaats daarvan is een directe bypass geïnstalleerd, die zowel aan een als aan beide uiteinden van de buis kan worden geplaatst.

Methoden voor warmteoverdracht

Het werkingsprincipe van een spiraalwarmtewisselaar is om de ene substantie te verwarmen ten koste van de warmte van een andere. Zo kan het water in de warmtewisselaar worden verwarmd door een open vlam. In dit geval fungeert het als een koellichaam. Maar ook de spoel zelf kan als warmtebron dienen. Bijvoorbeeld wanneer een koelmiddel door de buizen stroomt, verwarmd in een ketel of door middel van een ingebouwd elektrisch verwarmingselement, en de warmte wordt overgedragen aan water uit het verwarmingssysteem. Kortom, het uiteindelijke doel van warmteoverdracht is het verwarmen van de binnenlucht.

Platenwarmtewisselaars

Momenteel is er een stabiele vraag naar platenwarmtewisselaars. Volgens hun ontwerp zijn ze volledig inklapbaar en semi-gelast, kopergesoldeerd en nikkelgesoldeerd, gelast en gesoldeerd door middel van de diffusiemethode (zonder soldeer). Het thermische ontwerp van een platenwarmtewisselaar is flexibel genoeg en niet bijzonder moeilijk voor een ingenieur. Tijdens het selectieproces kun je spelen met het type platen, de ponsdiepte van de kanalen, het type ribbels, de dikte van staal, verschillende materialen en vooral - talloze standaardmodellen van apparaten met verschillende afmetingen. Dergelijke warmtewisselaars zijn laag en breed (voor stoomverwarming van water) of hoog en smal (scheidende warmtewisselaars voor aircosystemen). Ze worden vaak gebruikt voor faseovergangsmedia, dat wil zeggen als condensors, verdampers, desuperheaters, pre-condensors, enz. Het is iets moeilijker om thermische berekening uit te voeren van een warmtewisselaar die werkt volgens een tweefasenschema dan een vloeistof. -naar-vloeistof-warmtewisselaar, maar voor een ervaren ingenieur is deze taak oplosbaar en niet bijzonder moeilijk. Om dergelijke berekeningen te vergemakkelijken, gebruiken moderne ontwerpers technische computerbases, waar u veel noodzakelijke informatie kunt vinden, inclusief diagrammen van de toestand van elk koudemiddel in elke scan, bijvoorbeeld het CoolPack-programma.