Šilumokaitis šiuo metu užtrunka ne ilgiau kaip penkias minutes. Bet kuri tokią įrangą gaminanti ir parduodanti organizacija, kaip taisyklė, kiekvienam pateikia savo atrankos programą. Jį galima nemokamai atsisiųsti iš įmonės svetainės arba jų technikas atvyks į jūsų biurą ir nemokamai įdiegs. Tačiau kiek teisingas tokių skaičiavimų rezultatas, ar juo galima pasitikėti ir ar gamintojas negudrauja kovodamas konkurse su konkurentais? Norint patikrinti elektroninį skaičiuotuvą reikia žinių ar bent supratimo apie šiuolaikinių šilumokaičių skaičiavimo metodiką. Pabandykime suprasti detales.
Kas yra šilumokaitis
Prieš atlikdami šilumokaičio skaičiavimą, prisiminkime, koks tai įrenginys? Šilumos ir masės perdavimo aparatas (dar žinomas kaip šilumokaitis, šilumokaitis arba TOA) yraprietaisas šilumai perduoti iš vieno aušinimo skysčio į kitą. Keičiantis šilumnešių temperatūroms, keičiasi ir jų tankis bei atitinkamai medžiagų masės rodikliai. Štai kodėl tokie procesai vadinami šilumos ir masės perdavimu.
Šilumos perdavimo tipai
Dabar pakalbėkime apie šilumos perdavimo tipus – jų yra tik trys. Radiacinis – šilumos perdavimas dėl radiacijos. Pavyzdžiui, apsvarstykite galimybę šiltą vasaros dieną degintis paplūdimyje. O tokių šilumokaičių netgi galima rasti rinkoje (vamzdiniai oro šildytuvai). Tačiau dažniausiai gyvenamosioms patalpoms, kambariams bute šildyti perkame tepalinius arba elektrinius radiatorius. Tai kitos šilumos perdavimo rūšies – konvekcijos – pavyzdys. Konvekcija gali būti natūrali, priverstinė (gaubtas, o dėžutėje yra šilumokaitis) arba mechaniškai varoma (pvz., su ventiliatoriumi). Pastarasis tipas yra daug efektyvesnis.
Tačiau efektyviausias būdas perduoti šilumą yra laidumas, arba, kaip dar vadinama, laidumas (iš angl. conduction – „laidumas“). Bet kuris inžinierius, kuris ketina atlikti šilumokaičio šiluminį skaičiavimą, visų pirma galvoja apie tai, kaip pasirinkti efektyvią minimalių matmenų įrangą. O tai pasiekti įmanoma būtent dėl šilumos laidumo. To pavyzdys – šiandien efektyviausias TOA – plokšteliniai šilumokaičiai. Plokštelinis šilumokaitis, pagal apibrėžimą, yra šilumokaitis, kuris per juos skiriančią sienelę perduoda šilumą iš vieno aušinimo skysčio į kitą. Maksimalusgalimas kontaktinis plotas tarp dviejų terpių, kartu su teisingai parinktomis medžiagomis, plokštės profiliu ir storiu leidžia iki minimumo sumažinti pasirinktos įrangos dydį išlaikant pirmines technines charakteristikas, reikalingas technologiniame procese.
Šilumokaičių tipai
Prieš apskaičiuojant šilumokaitį, jis nustatomas pagal jo tipą. Visus TOA galima suskirstyti į dvi dideles grupes: rekuperacinius ir regeneracinius šilumokaičius. Pagrindinis skirtumas tarp jų yra toks: regeneraciniuose TOA šilumos mainai vyksta per sienelę, skiriančią du aušinimo skysčius, o regeneracinėse dvi terpės turi tiesioginį sąlytį viena su kita, dažnai maišosi ir reikalauja vėlesnio atskyrimo specialiuose separatoriuose. Regeneraciniai šilumokaičiai skirstomi į maišytuvus ir šilumokaičius su užpildu (stacionarius, krentančius arba tarpinius). Grubiai tariant, kibiras karšto vandens, veikiamas šalčio, arba stiklinė karštos arbatos, pastatyta atvėsti šaldytuve (niekada to nedarykite!) – tai tokio maišymo TOA pavyzdys. O arbatą supylę į lėkštę ir tokiu būdu aušinant, gauname regeneracinio šilumokaičio su antgaliu pavyzdį (lėkštė šiame pavyzdyje atlieka purkštuko vaidmenį), kuris pirmiausia susisiekia su aplinkiniu oru ir paima jo temperatūrą, ir tada atima dalį šilumos iš karštos arbatos, supiltos į ją, siekdamas, kad abi terpės būtų šiluminėje pusiausvyroje. Tačiau, kaip jau išsiaiškinome anksčiau, efektyviau panaudoti šilumos laidumą šilumai perkelti iš vienos terpės į kitą, todėlŠiandien naudingesni (ir plačiai naudojami) TOA yra regeneraciniai.
Šiluminis ir konstrukcinis projektavimas
Bet koks rekuperacinio šilumokaičio skaičiavimas gali būti atliktas remiantis šiluminių, hidraulinių ir stiprumo skaičiavimų rezultatais. Jie yra esminiai, privalomi kuriant naują įrangą ir sudaro tolesnių panašių įrenginių linijos modelių skaičiavimo metodikos pagrindą. Pagrindinis TOA terminio skaičiavimo uždavinys yra nustatyti reikiamą šilumos mainų paviršiaus plotą stabiliam šilumokaičio veikimui ir reikiamų terpės parametrų palaikymui išleidimo angoje. Gana dažnai tokiuose skaičiavimuose inžinieriams pateikiamos savavališkos būsimos įrangos svorio ir dydžio charakteristikų reikšmės (medžiaga, vamzdžio skersmuo, plokštės matmenys, pluošto geometrija, pelekų tipas ir medžiaga ir kt.), todėl po to, kai šilumos skaičiavimas, jie dažniausiai atlieka konstruktyvų šilumokaičio skaičiavimą. Galų gale, jei pirmajame etape inžinierius apskaičiavo reikiamą paviršiaus plotą tam tikram vamzdžio skersmeniui, pavyzdžiui, 60 mm, o šilumokaičio ilgis buvo apie šešiasdešimt metrų, tada būtų logiškiau manyti, kad perėjimas į kelių eigų šilumokaitį arba į korpuso ir vamzdžio tipą, arba norint padidinti vamzdžių skersmenį.
Hidraulinis skaičiavimas
Atliekami hidrauliniai arba hidromechaniniai, taip pat aerodinaminiai skaičiavimai, siekiant nustatyti ir optimizuoti hidraulinius(aerodinaminius) slėgio nuostolius šilumokaityje, taip pat apskaičiuoti energijos sąnaudas jiems įveikti. Bet kokio kelio, kanalo ar vamzdžio, skirto aušinimo skysčiui praeiti, apskaičiavimas iškelia pagrindinę žmogaus užduotį - sustiprinti šilumos perdavimo procesą šioje srityje. Tai yra, viena terpė turi perduoti, o kita gauti kuo daugiau šilumos per minimalų savo tekėjimo laikotarpį. Tam dažnai naudojamas papildomas šilumos mainų paviršius, išvystyto paviršiaus briaunos pavidalu (siekiant atskirti ribinį laminarinį posluoksnį ir padidinti srauto turbulenciją). Optimalus hidraulinių nuostolių, šilumos mainų paviršiaus ploto, svorio ir dydžio charakteristikų bei pašalintos šiluminės galios balanso santykis yra terminio, hidraulinio ir konstrukcinio TOA skaičiavimo derinio rezultatas.
Patikrinkite skaičiavimą
Šilumokaitis patikros skaičiavimas atliekamas tuo atveju, kai reikia dėti atsargą pagal galią arba pagal šilumokaičio paviršiaus plotą. Paviršius rezervuojamas dėl įvairių priežasčių ir įvairiose situacijose: jei to reikalauja techninė užduotis, jei gamintojas nusprendžia padaryti papildomą maržą, kad būtų tikras, kad toks šilumokaitis pasieks režimą ir sumažins daromas klaidas. skaičiavimus. Kai kuriais atvejais, norint suapvalinti konstruktyvių matmenų rezultatus, reikalingas perteklius, o kitais atvejais (garintuvai, ekonomaizeriai) apskaičiuojant šilumokaičio galią yra specialiai įtraukiama paviršiaus atsarga, kad būtų galima užteršti kompresoriaus alyva, esančia šaldymo kontūre.. Ir prasta vandens kokybėturi būti atsižvelgta. Po tam tikro laiko nepertraukiamo šilumokaičių veikimo, ypač esant aukštai temperatūrai, ant aparato šilumos mainų paviršiaus nusėda apnašos, mažindamos šilumos perdavimo koeficientą ir neišvengiamai lemdamos parazitinį šilumos pašalinimo sumažėjimą. Todėl kompetentingas inžinierius, skaičiuodamas vandens-vandens šilumokaitį, ypatingą dėmesį skiria papildomam šilumokaičio paviršiaus dubliavimui. Taip pat atliekamas patikros skaičiavimas, siekiant pamatyti, kaip pasirinkta įranga veiks kitais, antriniais režimais. Pavyzdžiui, centriniuose oro kondicionieriuose (tiekimo blokuose) pirmasis ir antrasis šildymo šildytuvai, kurie naudojami š altuoju metų laiku, vasarą dažnai naudojami įeinančiam orui vėsinti, tiekiant š altą vandenį į oro šilumokaičio vamzdžius. Kaip jie veiks ir kokius parametrus duos, leidžia įvertinti patikros skaičiavimą.
Žvalgomieji skaičiavimai
ToA tiriamieji skaičiavimai atliekami remiantis gautais šiluminių ir patikros skaičiavimų rezultatais. Paprastai jie būtini norint atlikti paskutinius suprojektuoto aparato konstrukcijos pakeitimus. Jie taip pat atliekami siekiant pataisyti visas lygtis, kurios yra įtrauktos į įgyvendintą TOA skaičiavimo modelį, gautą empiriškai (pagal eksperimentinius duomenis). Atliekant tiriamuosius skaičiavimus, atliekama dešimtis, o kartais ir šimtai skaičiavimų pagal specialų planą, parengtą ir gamyboje įdiegtą pagalmatematinė planavimo eksperimentų teorija. Remiantis rezultatais, atskleidžiama įvairių sąlygų ir fizikinių dydžių įtaka TOA efektyvumo rodikliams.
Kiti skaičiavimai
Skaičiuodami šilumokaičio plotą nepamirškite apie medžiagų atsparumą. TOA stiprumo skaičiavimai apima projektuojamo mazgo įtempių, sukimo patikrinimą, ar būsimojo šilumokaičio detalėms ir mazgams pritaikyti didžiausi leistini darbiniai momentai. Esant minimaliems matmenims, gaminys turi būti tvirtas, stabilus ir garantuoti saugų veikimą įvairiomis, net ir sudėtingiausiomis eksploatavimo sąlygomis.
Atliekamas dinaminis skaičiavimas, siekiant nustatyti įvairias šilumokaičio charakteristikas įvairiais darbo režimais.
Šilumokaitis dizaino tipai
Rekuperacinė TOA pagal dizainą gali būti suskirstyta į gana daug grupių. Garsiausi ir plačiausiai naudojami yra plokšteliniai šilumokaičiai, oriniai (vamzdiniai briaunos), korpusiniai šilumokaičiai, vamzdis vamzdyje, apvalkalas ir plokštė ir kt. Taip pat yra egzotiškesnių ir labai specializuotų tipų, tokių kaip spiralinis (spiralinis šilumokaitis) arba grandytas tipas, kurie veikia su klampiais arba ne Niutono skysčiais, taip pat daug kitų tipų.
Vamzdis vamzdyje šilumokaičiai
Panagrinėkime paprasčiausią šilumokaičio „vamzdis vamzdyje“skaičiavimą. Struktūriškai šis TOA tipas yra maksimaliai supaprastintas. Paprastai jie patenka į vidinį aparato vamzdelįkarštas aušinimo skystis, siekiant sumažinti nuostolius, o aušinimo skystis paleidžiamas į korpusą arba į išorinį vamzdį. Inžinieriaus užduotis šiuo atveju yra sumažinta iki tokio šilumokaičio ilgio nustatymo pagal apskaičiuotą šilumokaičio paviršiaus plotą ir duotus skersmenis.
Čia verta pridurti, kad termodinamikoje įvedama idealaus šilumokaičio sąvoka, tai yra begalinio ilgio aparatas, kuriame šilumnešiai dirba priešpriešine srove, o temperatūrų skirtumas tarp jų visiškai išskaičiuojamas.. Vamzdis vamzdyje konstrukcija labiausiai atitinka šiuos reikalavimus. O jei aušinimo skysčius paleisite priešinga srove, tai bus vadinamasis „tikrasis priešpriešinis srautas“(o ne kryžminis, kaip plokštėse TOA). Temperatūros galvutė efektyviausiai išdirbama tokiu judėjimo organizavimu. Tačiau skaičiuojant šilumokaitį „vamzdis vamzdyje“reikia būti realistams ir nepamiršti logistikos komponento bei montavimo paprastumo. Eurosunkvežimio ilgis yra 13,5 metro, o ne visos techninės patalpos pritaikytos tokio ilgio slydimui ir įrengimui.
Apvalkalo ir vamzdžio šilumokaičiai
Todėl labai dažnai tokio aparato apskaičiavimas sklandžiai pereina į apvalkalo ir vamzdžio šilumokaičio skaičiavimą. Tai aparatas, kurio vamzdžių pluoštas yra viename korpuse (korpuse), plaunamas įvairiais aušinimo skysčiais, priklausomai nuo įrangos paskirties. Pavyzdžiui, kondensatoriuose š altnešis paleidžiamas į korpusą, o vanduo – į vamzdelius. Taikant tokį žiniasklaidos judėjimo būdą, valdymas yra patogesnis ir efektyvesnisaparato veikimas. Priešingai, garintuvuose š altnešis užverda vamzdeliuose, o juos plauna atvėsęs skystis (vanduo, sūrymai, glikoliai ir kt.). Todėl korpuso ir vamzdžio šilumokaičio skaičiavimas sumažinamas iki minimumo sumažinant įrangos matmenis. Žaisdamas su korpuso skersmeniu, vidinių vamzdžių skersmeniu ir skaičiumi bei aparato ilgiu, inžinierius pasiekia apskaičiuotą šilumos mainų paviršiaus ploto vertę.
Oro šilumokaičiai
Vienas iš labiausiai paplitusių šilumokaičių šiandien yra vamzdiniai šilumokaičiai su briaunomis. Jie taip pat vadinami gyvatėmis. Ten, kur jie ne tik montuojami, pradedant nuo fan coil blokų (iš angliško fan + coil, t.y. "ventiliatorius" + "coil") padalintų sistemų vidaus blokuose ir baigiant milžiniškais dūmų rekuperatoriais (šilumos ištraukimas iš karštų dūmų dujų). ir perdavimas šildymo poreikiams) kogeneracinės elektrinės katilinėse. Štai kodėl gyvatuko šilumokaičio apskaičiavimas priklauso nuo pritaikymo, kuriame šis šilumokaitis pradės veikti. Pramoniniai oro aušintuvai (HOP), sumontuoti greitojo mėsos šaldymo kamerose, žemos temperatūros šaldikliuose ir kitose maisto šaldymo patalpose, reikalauja tam tikrų dizaino ypatybių. Atstumas tarp lamelių (pelekų) turi būti kuo didesnis, kad pailgėtų nepertraukiamo veikimo laikas tarp atitirpinimo ciklų. Duomenų centrų (duomenų apdorojimo centrų) garintuvai, priešingai, daromi kuo kompaktiškesni užspaudžiant tarpsluoksnį.minimalus atstumas. Tokie šilumokaičiai veikia „švariose zonose“, apsupti smulkių filtrų (iki HEPA klasės), todėl toks vamzdinio šilumokaičio skaičiavimas atliekamas akcentuojant matmenų mažinimą.
Plokšteliniai šilumokaičiai
Šiuo metu plokštelinių šilumokaičių paklausa yra stabili. Pagal savo konstrukciją yra visiškai sulankstomi ir pusiau virinami, lituojami variu ir nikeliu, virinami ir lituojami difuzijos būdu (be litavimo). Plokštelinio šilumokaičio terminis skaičiavimas yra gana lankstus ir nesukelia jokių ypatingų sunkumų inžinieriams. Atrankos procese galite žaisti su plokščių tipu, kalimo kanalų gyliu, pelekų tipu, plieno storiu, skirtingomis medžiagomis ir, svarbiausia, daugybe standartinių dydžių skirtingų dydžių įrenginių modelių. Tokie šilumokaičiai yra žemi ir platūs (vandens šildymui garais) arba aukšti ir siauri (atskiriantys šilumokaičiai oro kondicionavimo sistemoms). Jie taip pat dažnai naudojami fazių keitimo terpėms, t. ši užduotis yra išsprendžiama ir nesukelia jokių ypatingų sunkumų. Siekdami palengvinti tokius skaičiavimus, šiuolaikiniai dizaineriai naudoja inžinerines kompiuterines duomenų bazes, kuriose galite rasti daug reikalingos informacijos, įskaitant bet kokio š altnešio būsenos diagramas, pavyzdžiui, programą. CoolPack.
Šilumokaitis skaičiavimo pavyzdys
Pagrindinis skaičiavimo tikslas – apskaičiuoti reikiamą šilumos mainų paviršiaus plotą. Šiluminė (šaldymo) galia dažniausiai nurodoma techninėje užduotyje, tačiau savo pavyzdyje ją paskaičiuosime, taip sakant, norėdami patikrinti patį techninį užduotį. Kartais taip pat atsitinka, kad klaida gali patekti į š altinio duomenis. Viena iš kompetentingo inžinieriaus užduočių – surasti ir ištaisyti šią klaidą. Kaip pavyzdį apskaičiuokime "skystis-skystis" tipo plokštelinį šilumokaitį. Tegul tai bus slėgio pertraukiklis aukštame pastate. Norint iškrauti įrangą slėgiu, šis metodas labai dažnai naudojamas dangoraižių statyboje. Vienoje šilumokaičio pusėje turime vandenį, kurio įleidimo temperatūra Tin1=14 ᵒС ir išleidimo temperatūrą Тout1=9 ᵒС, o debitas G1=14 500 kg / h, o kitoje - taip pat vanduo, bet tik su šiais parametrais: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/val.
Reikalingą galią (Q0) apskaičiuojame pagal šilumos balanso formulę (žr. aukščiau esantį paveikslą, 7.1 formulė), kur Ср – savitoji šiluminė galia (lentelės reikšmė). Skaičiavimų paprastumui imame sumažintą šiluminės talpos reikšmę Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Skaičiavimas:
Q1=14 500(14–9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW – pirmoje pusėje ir
Q2=18 125(12–8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW – antroje pusėje.
Atkreipkite dėmesį, kad pagal (7.1) formulę Q0=Q1=Q2, neatsižvelgiant įkurioje pusėje buvo atliktas skaičiavimas.
Be to, naudojant pagrindinę šilumos perdavimo lygtį (7.2), randame reikiamą paviršiaus plotą (7.2.1), kur k yra šilumos perdavimo koeficientas (paimtas lygus 6350 [W/m 2]), ir ΔТav.log. - vidutinis logaritminis temperatūros skirtumas, apskaičiuotas pagal (7.3) formulę:
ΔT vidutinis žurnalas.=(2–1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F tada=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Kai šilumos perdavimo koeficientas nežinomas, plokštelinio šilumokaičio skaičiavimas yra šiek tiek sudėtingesnis. Pagal (7.4) formulę apskaičiuojame Reinoldso kriterijų, kur ρ – tankis, [kg/m3], η – dinaminis klampumas, [Ns/m 2], v – terpės greitis kanale, [m/s], d cm – sudrėkintas kanalo skersmuo [m].
Pagal lentelę ieškome mums reikalingos Prandtl kriterijaus [Pr] reikšmės ir, naudodamiesi (7.5) formule, gauname Nuselto kriterijų, kur n=0,4 - skysčio kaitinimo sąlygomis ir n=0,3 – aušinimo skysčiu sąlygomis.
Toliau pagal (7.6) formulę apskaičiuojame šilumos perdavimo koeficientą nuo kiekvieno aušinimo skysčio į sieną ir pagal formulę (7.7) apskaičiuojame šilumos perdavimo koeficientą, kurį pakeičiame į formulę (7.2.1) šilumos mainų paviršiaus plotui apskaičiuoti.
Nurodytose formulėse λ yra šilumos laidumo koeficientas, ϭ yra kanalo sienelės storis, α1 ir α2 yra šilumos perdavimo koeficientai iš kiekvieno šilumos nešiklio į sieną.
