Các khái niệm cơ bản về truyền nhiệt để tính toán bộ trao đổi nhiệt

Tính toán bộ trao đổi nhiệt hiện mất không quá năm phút. Theo quy định, bất kỳ tổ chức nào sản xuất và bán thiết bị đó đều cung cấp cho mọi người chương trình lựa chọn của riêng mình. Bạn có thể tải xuống miễn phí từ trang web của công ty, hoặc kỹ thuật viên của họ sẽ đến văn phòng của bạn và cài đặt miễn phí. Tuy nhiên, kết quả của những tính toán đó có chính xác đến đâu, liệu có tin tưởng được và liệu nhà sản xuất có không gian xảo khi đấu thầu với đối thủ? Kiểm tra một máy tính điện tử đòi hỏi kiến ​​thức hoặc ít nhất là hiểu biết về phương pháp tính toán cho các thiết bị trao đổi nhiệt hiện đại. Hãy thử tìm hiểu chi tiết.

Bộ trao đổi nhiệt là gì

Trước khi tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, chúng ta hãy nhớ, loại thiết bị đó là gì? Thiết bị trao đổi nhiệt và khối lượng (hay còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt, hay còn gọi là thiết bị trao đổi nhiệt, hoặc TOA) là một thiết bị để truyền nhiệt từ vật mang nhiệt này sang vật mang nhiệt khác. Trong quá trình thay đổi nhiệt độ của chất làm nguội, tỷ trọng của chúng và theo đó, các chỉ số khối lượng của các chất cũng thay đổi. Đó là lý do tại sao các quá trình như vậy được gọi là truyền nhiệt và truyền khối.

Thực đơn chính

Xin chào! Thiết bị trao đổi nhiệt là một thiết bị trong đó sự trao đổi nhiệt được thực hiện giữa hai hay nhiều chất mang nhiệt hoặc giữa chất mang nhiệt và chất rắn (vòi phun, vách). Vai trò của chất làm mát cũng có thể được thực hiện bởi môi trường xung quanh thiết bị. Theo mục đích và thiết kế của chúng, các bộ trao đổi nhiệt có thể rất khác nhau, từ loại đơn giản nhất (bộ tản nhiệt) đến loại cao cấp nhất (bộ nồi hơi). Theo nguyên lý hoạt động, các thiết bị trao đổi nhiệt được chia nhỏ thành thu hồi, tái sinh và trộn.

Thiết bị thu hồi được gọi là thiết bị trong đó các chất mang nhiệt nóng và lạnh chảy đồng thời, được ngăn cách bởi một bức tường vững chắc. Các thiết bị này bao gồm lò sưởi, thiết bị lò hơi, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, v.v.

Thiết bị trong đó bề mặt gia nhiệt giống nhau được rửa luân phiên bằng chất lỏng nóng và lạnh được gọi là thiết bị tái sinh. Trong trường hợp này, nhiệt tích tụ bởi các thành của thiết bị trong quá trình tương tác của chúng với chất lỏng nóng được truyền sang chất lỏng lạnh. Một ví dụ về các thiết bị tái sinh là máy sưởi không khí của lò cao và lò cao, lò sưởi, v.v. Trong các thiết bị tái sinh, sự trao đổi nhiệt luôn xảy ra trong điều kiện không cố định, trong khi các thiết bị phục hồi chủ yếu hoạt động ở chế độ tĩnh.

Các thiết bị phục hồi và tái sinh còn được gọi là bề mặt, vì quá trình truyền nhiệt trong chúng chắc chắn gắn liền với bề mặt của vật rắn.

Máy trộn là thiết bị truyền nhiệt bằng cách trộn trực tiếp chất lỏng nóng và lạnh.

Sự chuyển động lẫn nhau của các chất làm mát trong bộ trao đổi nhiệt có thể khác nhau (Hình 1).

Tùy thuộc vào điều này, sự phân biệt được thực hiện giữa các thiết bị có dòng chảy trực tiếp, dòng chảy ngược, dòng chảy chéo và có hướng chuyển động phức tạp của các chất mang nhiệt (dòng điện hỗn hợp). Nếu các chất làm mát chảy song song theo một hướng, thì dạng chuyển động như vậy được gọi là dòng chảy thuận (Hình 1). Với dòng ngược, các chất làm mát chuyển động song song, nhưng hướng về nhau. Nếu các hướng chuyển động của chất lỏng giao nhau, thì dạng chuyển động được gọi là dòng chảy chéo. Ngoài các sơ đồ đã đề cập ở trên, các sơ đồ phức tạp hơn cũng được sử dụng trong thực tế: dòng thuận và dòng ngược đồng thời, nhiều dòng chéo, v.v.

Tùy theo mục đích công nghệ và tính năng thiết kế, bộ trao đổi nhiệt được chia nhỏ thành bình đun nước, bình ngưng, lò hơi, thiết bị bay hơi, ... Nhưng điểm chung là chúng đều có nhiệm vụ truyền nhiệt từ vật mang nhiệt này sang vật mang nhiệt khác, do đó, các quy tính toán nhiệt đều giống nhau đối với chúng. ... Sự khác biệt chỉ có thể là mục đích quyết toán cuối cùng. Khi thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt mới, nhiệm vụ tính toán là xác định bề mặt gia nhiệt; trong tính toán nhiệt xác minh của thiết bị trao đổi nhiệt hiện có, cần phải tìm lượng nhiệt truyền và nhiệt độ cuối cùng của chất lỏng làm việc.

Việc tính toán nhiệt lượng trong cả hai trường hợp đều dựa trên phương trình cân bằng nhiệt và phương trình truyền nhiệt.

Phương trình cân bằng nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt có dạng:

trong đó M là tốc độ dòng chảy của chất làm mát, kg / s; cpm - khối lượng riêng nhiệt dung trung bình đẳng áp của chất làm mát, J / (kg * ° С).

Sau đây, chỉ số dưới "1" biểu thị các giá trị liên quan đến chất lỏng nóng (chất mang nhiệt sơ cấp) và chỉ số dưới "2" - đối với chất lỏng lạnh (chất mang nhiệt thứ cấp); vạch tương ứng với nhiệt độ của chất lỏng ở đầu vào thiết bị và hai vạch - ở đầu ra.

Khi tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta thường sử dụng khái niệm tổng nhiệt dung của tốc độ dòng khối của chất mang nhiệt (tương đương với nước), lấy bằng C = Mav W / ° C. Từ biểu thức (1) nó theo sau rằng

nghĩa là, tỷ lệ thay đổi nhiệt độ của chất lỏng truyền nhiệt một pha tỷ lệ nghịch với tỷ lệ giữa tổng nhiệt dung tiêu thụ của chúng (đương lượng nước).

Phương trình truyền nhiệt được viết như sau: Q = k * F * (t1 - t2), trong đó t1, t2 là nhiệt độ của hạt tải nhiệt sơ cấp và thứ cấp; F là diện tích bề mặt truyền nhiệt.

Trong quá trình trao đổi nhiệt, trong hầu hết các trường hợp, nhiệt độ của cả hai chất mang nhiệt đều thay đổi và do đó, nhiệt độ đầu Δt = t1 - t2 thay đổi. Hệ số truyền nhiệt trên bề mặt trao đổi nhiệt cũng sẽ có giá trị thay đổi, do đó, các giá trị trung bình của chênh lệch nhiệt độ Δtav và hệ số truyền nhiệt kcp nên được thay thế vào phương trình truyền nhiệt, nghĩa là

Q = kсp * F * Δtcp (3)

Diện tích trao đổi nhiệt F được tính theo công thức (3), còn hiệu suất nhiệt Q được quy định. Để giải quyết vấn đề, cần tính hệ số truyền nhiệt lấy trung bình trên toàn bộ bề mặt kсp và cột nhiệt độ Δtav.

Khi tính toán độ chênh lệch nhiệt độ trung bình, cần tính đến bản chất của sự thay đổi nhiệt độ của các chất mang nhiệt dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt. Theo lý thuyết dẫn nhiệt, người ta biết rằng trong một tấm hoặc một thanh hình trụ khi có sự chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu (các mặt bên được cách nhiệt), sự phân bố nhiệt độ dọc theo chiều dài là tuyến tính. Nếu sự trao đổi nhiệt diễn ra trên bề mặt bên hoặc hệ thống có các nguồn nhiệt bên trong thì sự phân bố nhiệt độ là đường cong. Với sự phân bố đồng đều các nguồn nhiệt, sự thay đổi nhiệt độ dọc theo chiều dài sẽ có dạng parabol.

Do đó, trong các bộ trao đổi nhiệt, bản chất của sự thay đổi nhiệt độ của các chất mang nhiệt khác với bản chất tuyến tính và được xác định bởi tổng nhiệt dung C1 và C2 của tốc độ dòng khối của các chất mang nhiệt và hướng chuyển động lẫn nhau của chúng. (Hình 2).

Từ đồ thị có thể thấy rằng sự biến thiên nhiệt độ dọc theo bề mặt F là không giống nhau. Theo phương trình (2), sự thay đổi nhiệt độ càng lớn đối với chất mang nhiệt có nhiệt dung thấp hơn của dòng khối lượng. Nếu các chất làm mát giống nhau, ví dụ, trong bộ trao đổi nhiệt nước thành nước, thì bản chất của sự thay đổi nhiệt độ của chất làm mát sẽ hoàn toàn được xác định bởi tốc độ dòng chảy của chúng và ở tốc độ dòng chảy thấp hơn, nhiệt độ thay đổi sẽ lớn.Với dòng đồng thời, nhiệt độ cuối cùng t "2 của môi trường được làm nóng luôn nhỏ hơn nhiệt độ t" 1 của môi trường gia nhiệt tại đầu ra của thiết bị và với dòng ngược, nhiệt độ cuối cùng t "2 có thể cao hơn nhiệt độ t "1 (xem trường hợp ngược dòng khi C1> C2). Do đó, ở cùng nhiệt độ ban đầu, môi chất được làm nóng bằng dòng ngược chiều có thể được làm nóng đến nhiệt độ cao hơn với dòng đồng thời.

Với dòng đồng dòng, đầu nhiệt độ dọc theo bề mặt gia nhiệt thay đổi ở mức độ lớn hơn so với dòng ngược. Đồng thời, giá trị trung bình của nó trong trường hợp thứ hai lớn hơn, do đó bề mặt gia nhiệt của thiết bị có dòng chảy ngược sẽ nhỏ hơn. Như vậy, trong điều kiện bằng nhau, trong trường hợp này, nhiệt lượng sẽ được truyền đi nhiều hơn. Dựa trên điều này, nên ưu tiên cho các thiết bị có dòng ngược.

Kết quả của một nghiên cứu phân tích về thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động theo sơ đồ dòng chảy trực tiếp, người ta thấy rằng cột nhiệt độ dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt thay đổi theo cấp số nhân, do đó, cột nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức:

trong đó Δtb là chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vật mang nhiệt nóng và lạnh (từ một đầu của thiết bị trao đổi nhiệt); Δtm - chênh lệch nhiệt độ nhỏ hơn (từ đầu kia của thiết bị trao đổi nhiệt).

Với dòng chuyển động tịnh tiến, Δtb = t'1 - t'2 và Δtm = t "1 - t" 2 (Hình 2). Công thức này cũng hợp lệ cho dòng ngược với sự khác biệt duy nhất đối với trường hợp khi C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 và Δtm = t'1 - t "2.

Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hai môi trường, được tính theo công thức (4), được gọi là logarit trung bình. đầu nhiệt độ. Hình thức của biểu thức là do bản chất của sự thay đổi nhiệt độ dọc theo bề mặt gia nhiệt (phụ thuộc đường cong). Nếu sự phụ thuộc là tuyến tính, thì đầu nhiệt độ phải được xác định như một giá trị trung bình cộng (Hình 3). Giá trị của đầu trung bình số học Δtа.av luôn lớn hơn giá trị trung bình logarit Δtl.av. Tuy nhiên, trong trường hợp đầu nhiệt độ dọc theo chiều dài của bộ trao đổi nhiệt thay đổi không đáng kể, nghĩa là thỏa mãn điều kiện Δtb / Δtm <2, thì chênh lệch nhiệt độ trung bình có thể được tính như một giá trị trung bình cộng:

Tính trung bình của chênh lệch nhiệt độ đối với các thiết bị có dòng điện chéo và dòng điện hỗn hợp được phân biệt bởi sự phức tạp của tính toán, do đó, đối với một số sơ đồ phổ biến nhất, kết quả của các giải pháp thường được đưa ra dưới dạng đồ thị. Isp. Văn học: 1) Các nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật nhiệt điện, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, ed. 2nd, "Higher school", 1976. 3) Kỹ thuật nhiệt, ed. 2, dưới sự biên tập chung của. TẠI Sushkina, Moscow "Luyện kim", năm 1973.

Các loại truyền nhiệt

Bây giờ chúng ta hãy nói về các loại truyền nhiệt - chỉ có ba loại trong số chúng. Bức xạ - sự truyền nhiệt thông qua bức xạ. Ví dụ, bạn có thể nghĩ đến việc tắm nắng trên bãi biển vào một ngày hè ấm áp. Và các bộ trao đổi nhiệt như vậy thậm chí có thể được tìm thấy trên thị trường (máy sưởi không khí dạng ống). Tuy nhiên, thông thường để sưởi ấm các khu sinh hoạt, các phòng trong một căn hộ, chúng tôi mua bộ tản nhiệt dầu hoặc điện. Đây là một ví dụ về một kiểu truyền nhiệt khác - đối lưu. Sự đối lưu có thể là tự nhiên, cưỡng bức (máy hút khói và có bộ thu hồi nhiệt trong hộp) hoặc tạo ra bằng cơ học (ví dụ: với quạt). Loại thứ hai hiệu quả hơn nhiều.

Tuy nhiên, cách truyền nhiệt hiệu quả nhất là dẫn nhiệt, hay còn được gọi là sự dẫn (từ tiếng Anh là conduction - "sự dẫn truyền"). Bất kỳ kỹ sư nào sẽ tiến hành tính toán nhiệt của một bộ trao đổi nhiệt, trước hết, hãy nghĩ đến việc lựa chọn thiết bị hiệu quả theo những kích thước nhỏ nhất có thể. Và điều này đạt được chính xác là do dẫn nhiệt. Một ví dụ về điều này là TOA hiệu quả nhất hiện nay - bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Tấm TOA, theo định nghĩa, là một thiết bị trao đổi nhiệt truyền nhiệt từ vật mang nhiệt này sang vật mang nhiệt khác thông qua bức tường ngăn cách chúng. Diện tích tiếp xúc tối đa có thể giữa hai phương tiện, cùng với vật liệu được chọn chính xác, cấu hình của các tấm và độ dày của chúng, cho phép bạn giảm thiểu kích thước của thiết bị đã chọn trong khi vẫn duy trì các đặc tính kỹ thuật ban đầu cần thiết trong quy trình công nghệ.

Các loại thiết bị trao đổi nhiệt

Trước khi tính toán bộ trao đổi nhiệt, chúng được xác định với loại của nó. Tất cả TOA có thể được chia thành hai nhóm lớn: thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi và tái tạo. Sự khác biệt chính giữa chúng như sau: trong TOA phục hồi, trao đổi nhiệt xảy ra thông qua một bức tường ngăn cách hai chất làm mát và trong TOA tái sinh, hai môi trường tiếp xúc trực tiếp với nhau, thường trộn lẫn và đòi hỏi sự phân tách tiếp theo trong các thiết bị phân tách đặc biệt. Các thiết bị trao đổi nhiệt tái sinh được chia thành các thiết bị trộn và trao đổi nhiệt có đóng gói (tĩnh, rơi hoặc trung gian). Nói một cách đại khái, một xô nước nóng tiếp xúc với sương giá hoặc một ly trà nóng đặt trong tủ lạnh để làm mát (không bao giờ làm như vậy!) Là một ví dụ về cách pha trộn TOA như vậy. Và bằng cách rót trà vào đĩa và làm lạnh theo cách này, chúng ta nhận được một ví dụ về bộ trao đổi nhiệt tái sinh có vòi phun (đĩa trong ví dụ này đóng vai trò là vòi phun), đầu tiên tiếp xúc với không khí xung quanh và lấy nhiệt độ của nó. , và sau đó lấy một lượng nhiệt từ trà nóng đổ vào, tìm cách đưa cả hai phương tiện vào trạng thái cân bằng nhiệt. Tuy nhiên, như chúng ta đã tìm hiểu trước đó, sử dụng tính dẫn nhiệt để truyền nhiệt từ môi trường này sang môi trường khác hiệu quả hơn, do đó, TOA hữu ích hơn về mặt truyền nhiệt (và được sử dụng rộng rãi) ngày nay, tất nhiên, hồi phục sức khỏe.

Xác định lượng nhiệt

Phương trình truyền nhiệt được sử dụng cho các đơn vị thời gian và quá trình ở trạng thái ổn định như sau:

Q = KFtcp (W)

Trong phương trình này:

• K là giá trị của hệ số truyền nhiệt (tính bằng W / (m2 / K));
• tav - sự khác biệt trung bình về các chỉ số nhiệt độ giữa các chất mang nhiệt khác nhau (giá trị có thể được cho cả theo độ C (0С) và kelvin (K));
• F là giá trị của diện tích bề mặt mà quá trình truyền nhiệt xảy ra (giá trị tính bằng m2).

Phương trình cho phép bạn mô tả quá trình truyền nhiệt giữa các chất mang nhiệt (từ nóng sang lạnh). Phương trình tính đến:

• truyền nhiệt từ chất làm mát (nóng) sang tường;
• thông số dẫn nhiệt tường;
• sự truyền nhiệt từ vách sang chất làm mát (lạnh).

Tính toán nhiệt và kết cấu

Bất kỳ tính toán nào về bộ trao đổi nhiệt phục hồi đều có thể được thực hiện dựa trên kết quả tính toán nhiệt, thủy lực và cường độ. Chúng là cơ bản, bắt buộc trong việc thiết kế thiết bị mới và là cơ sở của phương pháp tính toán cho các mô hình tiếp theo của dòng thiết bị cùng loại. Nhiệm vụ chính của tính toán nhiệt TOA là xác định diện tích cần thiết của bề mặt trao đổi nhiệt để thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động ổn định và duy trì các thông số cần thiết của môi chất tại đầu ra. Thông thường, trong các tính toán như vậy, các kỹ sư được cung cấp các giá trị tùy ý về đặc điểm khối lượng và kích thước của thiết bị tương lai (vật liệu, đường kính ống, kích thước tấm, hình dạng chùm, loại và vật liệu làm vây, v.v.), do đó, sau khi nhiệt một, một tính toán xây dựng của bộ trao đổi nhiệt thường được thực hiện. Thật vậy, nếu ở giai đoạn đầu tiên, kỹ sư tính toán diện tích bề mặt cần thiết cho một đường kính ống nhất định, ví dụ, 60 mm và chiều dài của bộ trao đổi nhiệt do đó hóa ra là khoảng sáu mươi mét, thì sẽ hợp lý hơn khi giả sử chuyển sang thiết bị trao đổi nhiệt nhiều tầng, hoặc sang kiểu vỏ và ống, hoặc để tăng đường kính của ống.

Cơ chế truyền nhiệt trong tính toán bộ trao đổi nhiệt

Ba hình thức truyền nhiệt chính là đối lưu, dẫn nhiệt và bức xạ.

Trong các quá trình trao đổi nhiệt diễn ra theo nguyên lý của cơ chế dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền dưới dạng truyền năng lượng của dao động nguyên tử và phân tử đàn hồi. Sự truyền năng lượng này giữa các nguyên tử khác nhau theo chiều hướng giảm dần.

Việc tính toán các đặc trưng của sự truyền nhiệt năng theo nguyên lý dẫn nhiệt được thực hiện theo định luật Fourier

Dữ liệu về diện tích bề mặt, độ dẫn nhiệt, gradient nhiệt độ, chu kỳ dòng chảy được sử dụng để tính toán lượng nhiệt năng.Khái niệm về gradient nhiệt độ được định nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ theo hướng truyền nhiệt của một hoặc một đơn vị chiều dài khác.

Hệ số dẫn nhiệt là tốc độ của quá trình trao đổi nhiệt, tức là lượng nhiệt năng đi qua bất kỳ đơn vị bề mặt nào trên một đơn vị thời gian.

Như bạn đã biết, kim loại được đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt cao nhất so với các vật liệu khác, điều này phải được tính đến trong bất kỳ tính toán nào của quá trình trao đổi nhiệt. Đối với chất lỏng, theo quy luật, chúng có hệ số dẫn nhiệt tương đối thấp hơn so với các vật thể ở trạng thái tập hợp rắn.

Có thể tính toán lượng nhiệt năng được truyền để tính toán các bộ trao đổi nhiệt, trong đó nhiệt năng được truyền giữa các phương tiện khác nhau qua tường, sử dụng phương trình Fourier. Nó được định nghĩa là lượng nhiệt năng truyền qua một mặt phẳng có độ dày rất nhỏ:

Sau khi thực hiện một số phép toán, chúng tôi nhận được công thức sau

Có thể kết luận rằng sự giảm nhiệt độ bên trong tường được thực hiện theo quy luật đường thẳng.

Tính toán thủy lực

Các tính toán thủy lực hoặc thủy lực học cũng như khí động học được thực hiện để xác định và tối ưu hóa tổn thất áp suất thủy lực (khí động học) trong bộ trao đổi nhiệt, cũng như tính toán chi phí năng lượng để khắc phục chúng. Việc tính toán bất kỳ đường dẫn, kênh hoặc đường ống nào để chất làm mát đi qua đặt ra nhiệm vụ chính đối với con người - tăng cường quá trình truyền nhiệt trong khu vực này. Có nghĩa là, một phương tiện phải truyền, và phương tiện kia phải nhận càng nhiều nhiệt càng tốt tại khoảng thời gian tối thiểu của dòng chảy của nó. Đối với điều này, một bề mặt trao đổi nhiệt bổ sung thường được sử dụng, dưới dạng một đường gân bề mặt được phát triển (để tách lớp con lớp biên và tăng cường sự rối loạn dòng chảy). Tỷ lệ cân bằng tối ưu của tổn thất thủy lực, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, các đặc tính về trọng lượng và kích thước và nhiệt năng loại bỏ là kết quả của sự kết hợp giữa tính toán nhiệt, thủy lực và xây dựng của TOA.

Tính toán xác minh

Việc tính toán bộ trao đổi nhiệt được thực hiện trong trường hợp cần bố trí năng lượng hoặc diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. Bề mặt được bảo lưu vì nhiều lý do khác nhau và trong các tình huống khác nhau: nếu điều này là bắt buộc theo các điều khoản tham chiếu, nếu nhà sản xuất quyết định thêm một biên độ bổ sung để đảm bảo rằng bộ trao đổi nhiệt như vậy sẽ đi vào hoạt động và để giảm thiểu lỗi thực hiện trong các tính toán. Trong một số trường hợp, cần có sự dự phòng để làm tròn kết quả của kích thước thiết kế, trong những trường hợp khác (thiết bị bay hơi, thiết bị tiết kiệm), lề bề mặt được đưa vào đặc biệt để tính toán khả năng nhiễm bẩn của bộ trao đổi nhiệt với dầu máy nén có trong mạch làm lạnh. Và chất lượng nước thấp phải được tính đến. Sau một thời gian hoạt động liên tục của bộ trao đổi nhiệt, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, cặn lắng trên bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị, làm giảm hệ số truyền nhiệt và tất yếu dẫn đến giảm nhiệt do ký sinh. Do đó, một kỹ sư có năng lực, khi tính toán thiết bị trao đổi nhiệt giữa nước và nước, đặc biệt chú ý đến dự phòng bổ sung của bề mặt trao đổi nhiệt. Việc tính toán xác minh cũng được thực hiện để xem thiết bị đã chọn sẽ hoạt động như thế nào ở các chế độ phụ, khác. Ví dụ, trong máy điều hòa không khí trung tâm (bộ cấp không khí), bộ gia nhiệt sưởi ấm thứ nhất và thứ hai, được sử dụng trong mùa lạnh, thường được sử dụng vào mùa hè để làm mát không khí đi vào bằng cách cung cấp nước lạnh vào các ống của bộ trao đổi nhiệt không khí.Chúng sẽ hoạt động như thế nào và những thông số nào chúng sẽ đưa ra cho phép bạn đánh giá tính toán xác minh.

Thiết bị và nguyên lý hoạt động

Thiết bị trao đổi nhiệt trên thị trường hiện đại được trình bày rất đa dạng.

Toàn bộ các loại sản phẩm có sẵn của dòng này có thể được chia thành hai loại, chẳng hạn như:

• cốt liệu tấm;
• thiết bị vỏ và ống.

Giống thứ hai, do tỷ lệ hiệu quả thấp, cũng như kích thước lớn nên hầu như không được bán trên thị trường hiện nay. Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm bao gồm các tấm tôn giống hệt nhau, được cố định vào khung kim loại chắc chắn. Các phần tử nằm trong hình ảnh phản chiếu so với nhau, và giữa chúng có các con dấu bằng thép và cao su. Diện tích trao đổi nhiệt hữu ích trực tiếp phụ thuộc vào kích thước và số lượng tấm.

Thiết bị dạng tấm có thể được chia thành hai phân loài dựa trên cấu hình, chẳng hạn như:

• đơn vị bện;
• bộ trao đổi nhiệt có gioăng đệm.

Thiết bị lắp ráp khác với các sản phẩm thuộc loại lắp ráp hàn ở chỗ, ngay khi cần thiết, thiết bị có thể được nâng cấp và điều chỉnh theo nhu cầu cá nhân, chẳng hạn như thêm hoặc bớt một số tấm nhất định. Các bộ trao đổi nhiệt có gioăng đang được yêu cầu ở các khu vực sử dụng nước cứng cho nhu cầu sinh hoạt, do các đặc tính của nước uống và các chất gây ô nhiễm khác nhau tích tụ trên các bộ phận của thiết bị. Những tân sinh này ảnh hưởng xấu đến hiệu quả của thiết bị, do đó, chúng cần được làm sạch thường xuyên và do cấu hình của chúng, điều này luôn có thể xảy ra.

Các thiết bị không thể tháo rời được phân biệt bằng các đặc điểm sau:

• mức độ cao của khả năng chống lại biến động áp suất và nhiệt độ cao;
• tuổi thọ lâu dài;
• trọng lượng nhẹ.

Các cụm được hàn được làm sạch mà không cần tháo rời toàn bộ cấu trúc.

Dựa trên tính toán về loại và tùy chọn lắp đặt của thiết bị, cần phân biệt hai loại thiết bị trao đổi nhiệt cho nước nóng từ gia nhiệt.

• Bộ trao đổi nhiệt bên trong được đặt trong chính các thiết bị sưởi - lò nung, nồi hơi và các thiết bị khác. Việc lắp đặt loại này cho phép bạn đạt được hiệu quả tối đa trong quá trình vận hành sản phẩm, vì tổn thất nhiệt khi làm nóng vỏ máy sẽ ở mức tối thiểu. Theo quy định, các thiết bị như vậy đã được tích hợp sẵn trong lò hơi ở giai đoạn sản xuất lò hơi. Điều này tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho việc lắp đặt và vận hành, vì bạn chỉ cần điều chỉnh chế độ hoạt động cần thiết của bộ trao đổi nhiệt.

• Bộ trao đổi nhiệt bên ngoài phải được kết nối riêng biệt với nguồn nhiệt. Các thiết bị này có liên quan để sử dụng trong trường hợp hoạt động của thiết bị phụ thuộc vào nguồn sưởi từ xa. Những ngôi nhà có hệ thống sưởi tập trung là một ví dụ. Theo phương án này, thiết bị gia dụng làm nóng nước hoạt động như một thiết bị bên ngoài.

Có tính đến loại vật liệu mà từ đó các khung được thực hiện, cần làm nổi bật các mô hình sau:

• bộ trao đổi nhiệt bằng thép;
• các thiết bị làm bằng gang.

Ngoài ra, hệ thống bện bằng đồng nổi bật. Chúng được sử dụng để sưởi ấm khu vực trong các tòa nhà chung cư.

Các đặc điểm sau đây nên được coi là tính năng của thiết bị gang:

• nguyên liệu thô nguội khá chậm, giúp tiết kiệm hoạt động của toàn bộ hệ thống sưởi;
• vật liệu có tính dẫn nhiệt cao, tất cả các sản phẩm gang đều có đặc tính vốn có là nóng lên rất nhanh và tỏa nhiệt cho các phần tử khác;
• vật liệu thô có khả năng chống lại sự hình thành cáu cặn trên cơ sở, ngoài ra, nó còn có khả năng chống ăn mòn cao hơn;
• bằng cách cài đặt các phần bổ sung, bạn có thể tăng sức mạnh và chức năng của thiết bị nói chung;
• Các sản phẩm từ vật liệu này có thể được vận chuyển theo từng bộ phận, chia nhỏ thành nhiều phần, điều này tạo thuận lợi cho quá trình phân phối, cũng như lắp đặt và bảo trì bộ trao đổi nhiệt.

Chúng tôi khuyên bạn nên tự làm quen với: Đặt tấm chắn hơi ở phía nào - DOLGOSTROI.PRO
Giống như bất kỳ sản phẩm nào khác, một thiết bị phụ thuộc như vậy có những nhược điểm sau:

• gang là đáng chú ý vì khả năng chống lại sự dao động nhiệt độ cao thấp, những hiện tượng như vậy có thể dẫn đến hình thành các vết nứt trên thiết bị, điều này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt;
• thậm chí có kích thước lớn, các đơn vị gang rất dễ vỡ, do đó các hư hỏng cơ học, đặc biệt là trong quá trình vận chuyển sản phẩm có thể làm hư hỏng nghiêm trọng;
• vật liệu dễ bị ăn mòn khô;
• trọng lượng và kích thước lớn của thiết bị đôi khi làm phức tạp việc phát triển và lắp đặt hệ thống.

Bộ trao đổi nhiệt bằng thép để cung cấp nước nóng đáng chú ý vì những ưu điểm sau:

• độ dẫn nhiệt cao;
• khối lượng sản phẩm nhỏ. Thép không làm cho hệ thống nặng hơn, do đó các thiết bị như vậy là lựa chọn tốt nhất khi cần một bộ trao đổi nhiệt, có nhiệm vụ phục vụ một khu vực rộng lớn;
• các đơn vị thép có khả năng chịu ứng suất cơ học;
• bộ trao đổi nhiệt bằng thép không phản ứng với sự dao động nhiệt độ bên trong cấu trúc;
• vật liệu có đặc tính đàn hồi tốt, tuy nhiên, việc tiếp xúc lâu dài với môi trường được làm nóng hoặc nguội cao có thể dẫn đến sự hình thành các vết nứt trên vùng mối hàn.

Những nhược điểm của thiết bị bao gồm các tính năng sau:

• dễ bị ăn mòn điện hóa. Do đó, nếu phải tiếp xúc thường xuyên với môi trường có tính xâm thực, tuổi thọ hoạt động của thiết bị sẽ giảm đi đáng kể;
• các thiết bị không có khả năng tăng hiệu quả công việc;
• bộ phận thép mất nhiệt rất nhanh, làm tăng mức tiêu thụ nhiên liệu để vận hành năng suất;
• mức độ bảo trì thấp. Hầu như không thể sửa chữa thiết bị bằng tay của chính bạn;
• Việc lắp ráp cuối cùng của bộ trao đổi nhiệt bằng thép được thực hiện trong điều kiện của phân xưởng nơi nó được sản xuất. Các đơn vị là khối nguyên khối có kích thước lớn, do đó có khó khăn trong việc giao hàng.

Một số nhà sản xuất, để tăng chất lượng của bộ trao đổi nhiệt bằng thép, bao phủ các bức tường bên trong của nó bằng gang, do đó làm tăng độ tin cậy của kết cấu.

Bộ trao đổi nhiệt hiện đại là các thiết bị hoạt động dựa trên các nguyên tắc khác nhau:

• thủy lợi;
• chìm nổi;
• bện;
• hời hợt;
• đóng mở được;
• phiến có gân;
• sự pha trộn;
• shell-and-tube và các loại khác.

Nhưng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm để cung cấp nước nóng và sưởi ấm khác với một số loại khác. Đây là những bộ sưởi dòng chảy. Cài đặt là một loạt các tấm, giữa hai kênh được hình thành: nóng và lạnh. Chúng được ngăn cách bởi một miếng đệm bằng thép và cao su, do đó, sự trộn lẫn của môi trường được loại bỏ.

Các tấm được ghép thành một khối. Yếu tố này quyết định chức năng của thiết bị. Các tấm này có kích thước giống hệt nhau, nhưng nằm ở góc quay 180 độ, đó là lý do hình thành các hốc để chất lỏng được vận chuyển qua đó. Đây là cách hình thành sự luân phiên của các kênh nóng và lạnh và hình thành quá trình trao đổi nhiệt.

Tuần hoàn trong loại thiết bị này là chuyên sâu. Các điều kiện sử dụng bộ trao đổi nhiệt cho hệ thống cấp nước nóng phụ thuộc vào vật liệu của các miếng đệm, số lượng tấm, kích thước và loại của chúng. Các thiết bị chuẩn bị nước nóng được trang bị hai mạch: một cho DHW, một để sưởi ấm không gian. Máy tấm an toàn, hiệu quả và được sử dụng trong các lĩnh vực sau:

• chuẩn bị chất mang nhiệt trong hệ thống cấp nước nóng, thông gió và sưởi ấm;
• làm mát các sản phẩm thực phẩm và dầu công nghiệp;
• cấp nước nóng cho vòi hoa sen tại các xí nghiệp;
• để chuẩn bị chất mang nhiệt trong hệ thống sưởi ấm dưới sàn;
• để điều chế chất mang nhiệt trong các ngành công nghiệp thực phẩm, hóa chất và dược phẩm;
• đun nước hồ bơi và các quá trình trao đổi nhiệt khác.

Nghiên cứu tính toán

Các tính toán nghiên cứu của TOA được thực hiện trên cơ sở các kết quả thu được của các phép tính nhiệt và xác minh. Theo quy định, chúng cần thiết để thực hiện các sửa đổi mới nhất đối với thiết kế của bộ máy dự kiến. Chúng cũng được thực hiện để hiệu chỉnh bất kỳ phương trình nào được đặt trong mô hình tính toán TOA đã thực hiện, thu được theo kinh nghiệm (theo dữ liệu thực nghiệm). Thực hiện các phép tính nghiên cứu bao gồm hàng chục, và đôi khi hàng trăm phép tính theo một kế hoạch đặc biệt được phát triển và thực hiện trong sản xuất theo lý thuyết toán học của việc lập kế hoạch thí nghiệm. Theo kết quả, ảnh hưởng của các điều kiện và đại lượng vật lý khác nhau đến các chỉ số hoạt động của TOA được tiết lộ.

Các tính toán khác

Khi tính toán diện tích của bộ trao đổi nhiệt, đừng quên về sức đề kháng của vật liệu. Các tính toán độ bền TOA bao gồm việc kiểm tra đơn vị được thiết kế về ứng suất, lực xoắn, để áp dụng mômen hoạt động tối đa cho phép cho các bộ phận và cụm của thiết bị trao đổi nhiệt trong tương lai. Với kích thước tối thiểu, sản phẩm phải bền, ổn định và đảm bảo hoạt động an toàn trong các điều kiện vận hành khác nhau, thậm chí là căng thẳng nhất.

Tính toán động được thực hiện để xác định các đặc tính khác nhau của thiết bị trao đổi nhiệt ở các chế độ hoạt động khác nhau của nó.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống trong ống

Chúng ta hãy xem xét phép tính đơn giản nhất của bộ trao đổi nhiệt dạng ống trong ống. Về mặt cấu trúc, loại TOA này được đơn giản hóa hết mức có thể. Theo quy định, chất làm mát nóng được đưa vào đường ống bên trong của thiết bị để giảm thiểu tổn thất và chất làm mát làm mát được đưa vào vỏ hoặc vào ống bên ngoài. Nhiệm vụ của kỹ sư trong trường hợp này là xác định chiều dài của bộ trao đổi nhiệt dựa trên diện tích được tính toán của bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính đã cho.

Ở đây cần nói thêm rằng khái niệm về một thiết bị trao đổi nhiệt lý tưởng được đưa ra trong nhiệt động lực học, nghĩa là, một thiết bị có chiều dài vô hạn, trong đó các chất làm mát hoạt động theo dòng ngược chiều và sự chênh lệch nhiệt độ được kích hoạt hoàn toàn giữa chúng. Thiết kế ống trong ống gần nhất để đáp ứng các yêu cầu này. Và nếu bạn chạy chất làm mát theo dòng ngược, thì nó sẽ được gọi là "dòng ngược thực" (chứ không phải dòng chéo, như trong TOA tấm). Đầu nhiệt độ được kích hoạt hiệu quả nhất với một tổ chức chuyển động như vậy. Tuy nhiên, khi tính toán một bộ trao đổi nhiệt dạng ống trong ống, người ta nên thực tế và không quên về thành phần hậu cần, cũng như tính dễ lắp đặt. Chiều dài của eurotruck là 13,5 mét, và không phải tất cả các phòng kỹ thuật đều phù hợp với việc trượt và lắp đặt thiết bị có chiều dài này.

Cách tính toán bộ trao đổi nhiệt

Bắt buộc phải tính toán bộ trao đổi nhiệt cuộn dây, nếu không nhiệt năng của nó có thể không đủ để sưởi ấm phòng. Hệ thống sưởi ấm được thiết kế để bù đắp cho sự mất nhiệt. Theo đó, chúng ta chỉ có thể tìm ra lượng nhiệt năng cần thiết chính xác dựa trên sự mất nhiệt của tòa nhà. Rất khó để thực hiện một phép tính, do đó, trung bình, chúng mất 100 W trên 1 mét vuông với chiều cao trần là 2,7 m.

Giữa các lượt phải có khoảng cách.

Ngoài ra, các giá trị sau được yêu cầu cho phép tính:

• Số Pi;
• đường kính của ống có sẵn (lấy 10 mm);
• độ dẫn nhiệt lambda của kim loại (đối với đồng 401 W / m * K);
• delta của nhiệt độ cung cấp và trở lại của chất làm mát (20 độ).

Để xác định chiều dài của đường ống, bạn cần chia tổng công suất nhiệt tính bằng W cho tích của các yếu tố trên.Chúng ta hãy xem xét sử dụng ví dụ về một bộ trao đổi nhiệt bằng đồng với công suất nhiệt yêu cầu là 3 kW - đây là 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (lambda dẫn nhiệt) * 20 (đồng bằng nhiệt độ) * 0,01 (đường kính ống tính bằng mét)

Từ phép tính này, bạn cần 11,91 m ống đồng có đường kính 10 mm để công suất tỏa nhiệt của cuộn dây là 3 kW.

Bộ trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ

Do đó, việc tính toán một thiết bị như vậy rất thường xuyên được chuyển sang tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống. Đây là một thiết bị trong đó một bó ống nằm trong một vỏ (vỏ) duy nhất, được rửa sạch bằng các chất làm mát khác nhau, tùy thuộc vào mục đích của thiết bị. Ví dụ, trong bình ngưng, chất làm lạnh được chạy vào vỏ và nước vào đường ống. Với phương thức di chuyển phương tiện này, việc kiểm soát hoạt động của bộ máy trở nên thuận tiện và hiệu quả hơn. Ngược lại, trong thiết bị bay hơi, chất làm lạnh sôi trong các ống, đồng thời chúng được rửa sạch bởi chất lỏng đã làm lạnh (nước, nước muối, glycol, v.v.). Do đó, việc tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ và dạng ống được giảm thiểu để giảm thiểu kích thước của thiết bị. Trong khi chơi với đường kính của vỏ, đường kính và số lượng ống bên trong và chiều dài của bộ máy, kỹ sư đạt được giá trị tính toán của diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.

Bộ trao đổi nhiệt không khí

Một trong những thiết bị trao đổi nhiệt phổ biến nhất hiện nay là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vây. Chúng còn được gọi là cuộn dây. Bất cứ nơi nào chúng không được lắp đặt, bắt đầu từ các đơn vị cuộn dây quạt (từ tiếng Anh fan + coil, tức là "quạt" + "cuộn dây") trong các khối bên trong của hệ thống phân chia và kết thúc bằng bộ thu hồi khí thải khổng lồ (trích xuất nhiệt từ khí lò nóng và chuyển nó cho nhu cầu sưởi ấm) trong các nhà máy lò hơi tại CHP. Đó là lý do tại sao việc thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng cuộn phụ thuộc vào ứng dụng mà bộ trao đổi nhiệt sẽ đi vào hoạt động. Máy làm mát không khí công nghiệp (VOP), được lắp đặt trong buồng đông lạnh thịt, trong tủ đông nhiệt độ thấp và ở các đối tượng làm lạnh thực phẩm khác, yêu cầu một số tính năng thiết kế nhất định về hiệu suất của chúng. Khoảng cách giữa các lam (sườn) càng lớn càng tốt để tăng thời gian hoạt động liên tục giữa các chu kỳ rã đông. Ngược lại, thiết bị bay hơi cho các trung tâm dữ liệu (trung tâm xử lý dữ liệu) được làm nhỏ gọn nhất có thể, giữ khoảng cách ở mức tối thiểu. Các bộ trao đổi nhiệt như vậy hoạt động trong "vùng sạch" được bao quanh bởi các bộ lọc tốt (lên đến lớp HEPA), do đó, việc tính toán bộ trao đổi nhiệt dạng ống như vậy được thực hiện với trọng tâm là giảm thiểu kích thước.

Các loại bộ trao đổi nhiệt dạng cuộn

Thanh treo khăn sưởi cũng là một thiết bị trao đổi nhiệt dạng cuộn.

Bạn có thể tự tay mình tạo ra một cuộn dây với các kiểu dáng khác nhau và từ một số loại kim loại (thép, đồng, nhôm, gang). Các sản phẩm nhôm và gang được đóng dấu tại các nhà máy, vì các điều kiện bắt buộc để làm việc với các kim loại này chỉ có thể đạt được trong môi trường sản xuất. Nếu không có điều này, nó sẽ chỉ có thể làm việc với thép hoặc đồng. Tốt nhất là sử dụng đồng vì nó dễ uốn và có độ dẫn nhiệt cao. Có hai phương án để tạo một cuộn dây:

• Đinh ốc;
• song song, tương đông.

Sơ đồ xoắn ốc ngụ ý vị trí của xoắn ốc quay dọc theo một đường xoắn ốc. Chất làm mát trong các bộ trao đổi nhiệt như vậy chuyển động theo một hướng. Nếu cần, để tăng nhiệt lượng, có thể kết hợp một số vòng xoắn theo nguyên tắc "ống trong ống".

Để giảm thiểu thất thoát nhiệt nhiều nhất có thể, bạn cần chọn loại vật liệu cách nhiệt nào tốt hơn để cách nhiệt ngôi nhà với bên ngoài. Nó cũng phụ thuộc vào vật liệu của các bức tường.

Việc lựa chọn vật liệu cách nhiệt cho một ngôi nhà bằng gỗ là cần thiết dựa trên khả năng thấm hơi của vật liệu cách nhiệt.

Trong một mạch song song, chất làm mát liên tục thay đổi hướng chuyển động của nó. Bộ trao đổi nhiệt như vậy được làm bằng các đường ống thẳng được nối với nhau bằng khuỷu tay 180 độ.Trong một số trường hợp, ví dụ, để sản xuất thanh ghi nhiệt, đầu gối xoay có thể không được sử dụng. Thay vì chúng, một đường tránh trực tiếp được lắp đặt, có thể được đặt ở cả một và ở cả hai đầu của đường ống.

Phương pháp truyền nhiệt

Nguyên tắc hoạt động của bộ trao đổi nhiệt dạng cuộn là đốt nóng một chất bằng nhiệt của chất khác. Do đó, nước trong thiết bị trao đổi nhiệt có thể được làm nóng bằng ngọn lửa trần. Trong trường hợp này, nó sẽ hoạt động như một tấm tản nhiệt. Nhưng bản thân cuộn dây cũng có thể hoạt động như một nguồn nhiệt. Ví dụ, khi chất làm mát chảy qua các ống, được làm nóng trong nồi hơi hoặc bằng bộ phận làm nóng điện tích hợp sẵn, và nhiệt của nó được truyền sang nước từ hệ thống sưởi. Về cơ bản, mục đích cuối cùng của quá trình truyền nhiệt là làm nóng không khí trong nhà.

Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm

Hiện tại, các bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đang có nhu cầu ổn định. Theo thiết kế của họ, chúng hoàn toàn có thể thu gọn và bán hàn, đồng hàn và niken, hàn và hàn bằng phương pháp khuếch tán (không có chất hàn). Thiết kế nhiệt của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đủ linh hoạt và không khó đối với kỹ sư. Trong quá trình lựa chọn, bạn có thể xem xét loại tấm, độ sâu đục lỗ của các rãnh, loại đường gân, độ dày của thép, các vật liệu khác nhau, và quan trọng nhất - nhiều mẫu thiết bị kích thước tiêu chuẩn có kích thước khác nhau. Các bộ trao đổi nhiệt như vậy là thấp và rộng (để làm nóng nước bằng hơi nước) hoặc cao và hẹp (ngăn cách các bộ trao đổi nhiệt cho hệ thống điều hòa không khí). Chúng thường được sử dụng cho môi trường thay đổi pha, nghĩa là, như thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi, bộ khử quá nhiệt, thiết bị sơ bộ ngưng tụ, v.v. Khó hơn một chút để thực hiện tính toán nhiệt của bộ trao đổi nhiệt hoạt động theo sơ đồ hai pha so với chất lỏng. - bộ trao đổi nhiệt thành chất lỏng, nhưng đối với một kỹ sư có kinh nghiệm, nhiệm vụ này có thể giải quyết được và không đặc biệt khó khăn. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tính toán như vậy, các nhà thiết kế hiện đại sử dụng cơ sở máy tính kỹ thuật, nơi bạn có thể tìm thấy rất nhiều thông tin cần thiết, bao gồm các biểu đồ về trạng thái của bất kỳ chất làm lạnh nào trong bất kỳ quá trình quét nào, chẳng hạn như chương trình CoolPack.