لا يستغرق حساب المبادل الحراري حاليًا أكثر من خمس دقائق. أي منظمة تصنع وتبيع هذه المعدات ، كقاعدة عامة ، توفر للجميع برنامج الاختيار الخاص بهم. يمكن تنزيله مجانًا من موقع الشركة على الويب ، أو سيأتي فنيهم إلى مكتبك ويقوم بتثبيته مجانًا. ومع ذلك ، ما مدى صحة نتيجة هذه الحسابات ، وهل يمكن الوثوق بها ، وهل الصانع لا يكره عندما يقاتل في مناقصة مع منافسيه؟ يتطلب التحقق من الآلة الحاسبة الإلكترونية معرفة أو على الأقل فهمًا لمنهجية حساب المبادلات الحرارية الحديثة. دعونا نحاول فهم التفاصيل
ما هو المبادل الحراري
قبل إجراء حساب المبادل الحراري ، لنتذكر ما هو نوع الجهاز؟ جهاز نقل الحرارة والكتلة (المعروف أيضًا باسم المبادل الحراري ، المعروف أيضًا باسم المبادل الحراري ، أو TOA) هوجهاز لنقل الحرارة من مبرد إلى آخر. في عملية تغيير درجات حرارة ناقلات الحرارة ، تتغير أيضًا كثافتها ، وبالتالي ، مؤشرات كتلة المواد. هذا هو السبب في أن مثل هذه العمليات تسمى نقل الحرارة والكتلة.
أنواع نقل الحرارة
الآن دعنا نتحدث عن أنواع نقل الحرارة - هناك ثلاثة منهم فقط. الإشعاعي - انتقال الحرارة بسبب الإشعاع. كمثال ، فكر في أخذ حمام شمسي على الشاطئ في يوم صيفي دافئ. ويمكن حتى العثور على مثل هذه المبادلات الحرارية في السوق (سخانات الهواء الأنبوبية). ومع ذلك ، في أغلب الأحيان لتدفئة المباني السكنية ، والغرف في شقة ، نشتري النفط أو مشعات كهربائية. هذا مثال على نوع آخر من نقل الحرارة - الحمل الحراري. يمكن أن يكون الحمل الحراري طبيعيًا أو قسريًا (غطاء محرك السيارة ، وهناك مبادل حراري في الصندوق) أو مدفوعًا ميكانيكيًا (بمروحة ، على سبيل المثال). النوع الأخير أكثر كفاءة.
ومع ذلك ، فإن الطريقة الأكثر فعالية لنقل الحرارة هي التوصيل ، أو كما يطلق عليه أيضًا التوصيل (من اللغة الإنجليزية. التوصيل - "التوصيل"). يفكر أي مهندس يقوم بإجراء حساب حراري للمبادل الحراري ، أولاً وقبل كل شيء ، في كيفية اختيار معدات فعالة بأبعاد دنيا. ومن الممكن تحقيق ذلك على وجه التحديد بسبب التوصيل الحراري. مثال على ذلك هو TOA الأكثر كفاءة اليوم - المبادلات الحرارية للوحة. المبادل الحراري اللوحي ، وفقًا للتعريف ، هو مبادل حراري ينقل الحرارة من مبرد إلى آخر عبر جدار يفصل بينهما. أقصىتسمح منطقة التلامس المحتملة بين الوسيطتين ، جنبًا إلى جنب مع المواد المختارة بشكل صحيح ، وملف اللوحة والسمك ، بتقليل حجم المعدات المحددة مع الحفاظ على الخصائص التقنية الأصلية المطلوبة في العملية التكنولوجية.
أنواع المبادلات الحرارية
قبل حساب المبادل الحراري يتم تحديد نوعه بنوعه. يمكن تقسيم كل TOA إلى مجموعتين كبيرتين: المبادلات الحرارية الاسترداد والمتجددة. الفرق الرئيسي بينهما هو كما يلي: في TOA التجديدي ، يحدث التبادل الحراري من خلال جدار يفصل بين اثنين من المبردات ، بينما في الوسائط المتجددة ، يكون هناك اتصال مباشر بين وسيطين مع بعضهما البعض ، وغالبًا ما يتم الخلط ويتطلب الفصل اللاحق في فواصل خاصة. تنقسم المبادلات الحرارية المتجددة إلى مبادلات خلط ومبادلات حرارية مع تعبئة (ثابتة أو ساقطة أو وسيطة). بشكل تقريبي ، دلو من الماء الساخن ، معرض للصقيع ، أو كوب من الشاي الساخن ، تم ضبطه ليبرد في الثلاجة (لا تفعل هذا أبدًا!) - هذا مثال على خلط TOA. وبسكب الشاي في صحن وتبريده بهذه الطريقة ، نحصل على مثال لمبادل حراري متجدد بفوهة (يلعب الصحن في هذا المثال دور الفوهة) ، والذي يتلامس أولاً مع الهواء المحيط ويأخذ درجة حرارته ، ثم يزيل جزءًا من الحرارة من الشاي الساخن الذي يُسكب فيه ، في محاولة لإحضار كلا الوسطين إلى التوازن الحراري. ومع ذلك ، كما اكتشفنا سابقًا ، من الأفضل استخدام الموصلية الحرارية لنقل الحرارة من وسيط إلى آخر ، وبالتاليكلما زادت فائدة نقل الحرارة (والمستخدمة على نطاق واسع) ، فإن TOAs اليوم هي ، بالطبع ، تجديدية.
التصميم الحراري والإنشائي
يمكن إجراء أي حساب لمبادل حراري استرداد على أساس نتائج الحسابات الحرارية والهيدروليكية وحسابات القوة. إنها أساسية وإلزامية في تصميم المعدات الجديدة وتشكل الأساس لمنهجية حساب النماذج اللاحقة لخط من الأجهزة المماثلة. تتمثل المهمة الرئيسية للحساب الحراري لـ TOA في تحديد المساحة المطلوبة لسطح التبادل الحراري للتشغيل المستقر للمبادل الحراري والحفاظ على المعلمات المطلوبة للوسائط عند المنفذ. في كثير من الأحيان ، في مثل هذه الحسابات ، يتم إعطاء المهندسين قيمًا عشوائية لخصائص الوزن والحجم للمعدات المستقبلية (المواد ، قطر الأنبوب ، أبعاد اللوحة ، هندسة الحزمة ، نوع ومادة الزعانف ، إلخ) ، وبالتالي ، بعد الحساب الحراري ، وعادة ما يقومون بإجراء حساب بناء للمبادل الحراري. بعد كل شيء ، إذا قام المهندس في المرحلة الأولى بحساب مساحة السطح المطلوبة لقطر أنبوب معين ، على سبيل المثال ، 60 مم ، وكان طول المبادل الحراري حوالي ستين متراً ، فسيكون من المنطقي أكثر افتراض الانتقال إلى مبادل حراري متعدد التمريرات ، أو إلى نوع غلاف وأنبوب ، أو لزيادة قطر الأنابيب.
الحساب الهيدروليكي
يتم إجراء الحسابات الهيدروليكية أو الميكانيكية المائية ، وكذلك الحسابات الديناميكية الهوائية من أجل تحديد وتحسين النظام الهيدروليكيفقدان الضغط (الديناميكي الهوائي) في المبادل الحراري ، وكذلك حساب تكاليف الطاقة للتغلب عليها. يشكل حساب أي مسار أو قناة أو أنبوب لمرور المبرد مهمة أساسية للشخص - لتكثيف عملية نقل الحرارة في هذه المنطقة. بمعنى ، يجب أن ينتقل أحد الوسطاء ، ويتلقى الآخر أكبر قدر ممكن من الحرارة في أقل فترة تدفق. لهذا ، غالبًا ما يتم استخدام سطح إضافي للتبادل الحراري ، في شكل تضليع سطحي متطور (لفصل الطبقة الفرعية الصفحية الحدودية وتعزيز اضطراب التدفق). إن نسبة التوازن الأمثل للخسائر الهيدروليكية ، ومساحة سطح التبادل الحراري ، وخصائص الوزن والحجم ، والطاقة الحرارية المزالة هي نتيجة مزيج من الحساب الحراري والهيدروليكي والهيكلية لـ TOA.
تحقق من الحساب
يتم إجراء حساب التحقق للمبادل الحراري في الحالة التي يكون فيها من الضروري وضع هامش من حيث الطاقة أو من حيث مساحة سطح التبادل الحراري. السطح محجوز لأسباب مختلفة وفي مواقف مختلفة: إذا كان مطلوبًا بموجب الشروط المرجعية ، إذا قررت الشركة المصنعة عمل هامش إضافي للتأكد من أن مثل هذا المبادل الحراري سيصل إلى النظام ويقلل من الأخطاء التي تحدث في الحسابات. في بعض الحالات ، يكون التكرار مطلوبًا لتقريب نتائج الأبعاد البناءة ، بينما في حالات أخرى (المبخرات ، المقتصدات) ، يتم إدخال هامش سطحي بشكل خاص في حساب طاقة المبادل الحراري ، للتلوث بزيت الضاغط الموجود في دائرة التبريد. ونوعية المياه الرديئةيجب أن تؤخذ في الاعتبار. بعد مرور بعض الوقت من التشغيل المستمر للمبادلات الحرارية ، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة ، يستقر المقياس على سطح التبادل الحراري للجهاز ، مما يقلل من معامل نقل الحرارة ويؤدي حتماً إلى انخفاض طفيلي في إزالة الحرارة. لذلك ، فإن المهندس المختص ، عند حساب المبادل الحراري من الماء إلى الماء ، يولي اهتمامًا خاصًا للتكرار الإضافي لسطح التبادل الحراري. يتم أيضًا إجراء حساب التحقق لمعرفة كيفية عمل الجهاز المحدد في أوضاع ثانوية أخرى. على سبيل المثال ، في مكيفات الهواء المركزية (وحدات الإمداد) ، غالبًا ما يتم استخدام سخانات التدفئة الأولى والثانية ، والتي يتم استخدامها في موسم البرد ، في فصل الصيف لتبريد الهواء الوارد ، وتزويد أنابيب المبادل الحراري بالهواء بالماء البارد. كيف ستعمل وما هي المعلمات التي ستعطيها ، تسمح لك بتقييم حساب التحقق.
حسابات استكشافية
يتم إجراء حسابات البحث لـ TOA على أساس النتائج التي تم الحصول عليها من الحسابات الحرارية والتحقق. من الضروري ، كقاعدة عامة ، إجراء التعديلات الأخيرة على تصميم الجهاز المصمم. يتم تنفيذها أيضًا من أجل تصحيح أي معادلات تم دمجها في نموذج الحساب المنفذ لـ TOA ، والتي تم الحصول عليها تجريبياً (وفقًا للبيانات التجريبية). يتضمن إجراء حسابات البحث عشرات وأحيانًا مئات الحسابات وفقًا لخطة خاصة تم تطويرها وتنفيذها في الإنتاج وفقًا لـالنظرية الرياضية لتجارب التخطيط. بناءً على النتائج ، تم الكشف عن تأثير الظروف المختلفة والكميات المادية على مؤشرات كفاءة TOA.
حسابات أخرى
عند حساب مساحة المبادل الحراري ، لا تنس مقاومة المواد. تتضمن حسابات قوة TOA فحص الوحدة المصممة للضغط والالتواء ولتطبيق أقصى لحظات العمل المسموح بها على أجزاء وتجميعات المبادل الحراري المستقبلي. مع الحد الأدنى من الأبعاد ، يجب أن يكون المنتج قويًا ومستقرًا ويضمن التشغيل الآمن في ظروف التشغيل المختلفة ، وحتى الأكثر تطلبًا.
يتم إجراء الحساب الديناميكي من أجل تحديد الخصائص المختلفة للمبادل الحراري في أوضاع التشغيل المتغيرة.
أنواع تصميم المبادلات الحرارية
يمكن تقسيم TOA التعافي حسب التصميم إلى عدد كبير نسبيًا من المجموعات. أشهرها وأكثرها استخدامًا هي المبادلات الحرارية للألواح ، والمبادلات الحرارية للهواء (ذات الزعانف الأنبوبية) ، والمبادلات الحرارية ذات القشرة والأنبوب ، والمبادلات الحرارية ذات الأنبوب في الأنبوب ، والمبادلات الحرارية ذات الصفيحة والصفائح وغيرها. هناك أيضًا أنواع أكثر غرابة ومتخصصة للغاية ، مثل اللولب (مبادل حراري ملفي) أو النوع المقشط ، والذي يعمل مع السوائل اللزجة أو غير النيوتونية ، بالإضافة إلى العديد من الأنواع الأخرى.
مبادلات حرارية أنبوب في الأنبوب
دعونا ننظر في أبسط حساب للمبادل الحراري "الأنبوب في الأنبوب". من الناحية الهيكلية ، يتم تبسيط هذا النوع من TOA إلى أقصى حد. كقاعدة عامة ، يدخلون الأنبوب الداخلي للجهازالمبرد الساخن لتقليل الفاقد ، ويتم إطلاق مبرد تبريد في الغلاف أو في الأنبوب الخارجي. يتم تقليل مهمة المهندس في هذه الحالة إلى تحديد طول هذا المبادل الحراري بناءً على المساحة المحسوبة لسطح التبادل الحراري والأقطار المحددة.
هنا يجدر إضافة أنه في الديناميكا الحرارية يتم تقديم مفهوم المبادل الحراري المثالي ، أي جهاز ذو طول لانهائي ، حيث تعمل ناقلات الحرارة في عكس التيار ، ويتم عمل فرق درجة الحرارة بشكل كامل بينهما. تصميم الأنبوب في الأنبوب هو الأقرب لتلبية هذه المتطلبات. وإذا قمت بتشغيل المبردات في تيار معاكس ، فسيكون هذا ما يسمى بـ "التدفق المعاكس الحقيقي" (وليس التقاطع ، كما هو الحال في لوحات TOA). يتم عمل رأس درجة الحرارة بشكل أكثر فاعلية مع مثل هذا التنظيم للحركة. ومع ذلك ، عند حساب المبادل الحراري "الأنبوب في الأنبوب" ، يجب أن يكون المرء واقعياً ولا ينسى عنصر اللوجستيات ، فضلاً عن سهولة التركيب. يبلغ طول الشاحنة الأوروبية 13.5 مترًا ، ولم يتم تكييف جميع المباني الفنية مع انزلاق وتركيب معدات بهذا الطول.
المبادلات الحرارية شل وأنبوب
لذلك ، غالبًا ما يتدفق حساب مثل هذا الجهاز بسلاسة في حساب المبادل الحراري للقذيفة والأنبوب. هذا جهاز توجد فيه حزمة من الأنابيب في غلاف واحد (غلاف) ، يتم غسله بمواد تبريد مختلفة ، اعتمادًا على الغرض من الجهاز. في المكثفات ، على سبيل المثال ، يتم تشغيل مادة التبريد في الغلاف ، ويتم تدفق الماء في الأنابيب. باستخدام طريقة حركة الوسائط هذه ، يكون التحكم أكثر ملاءمة وأكثر كفاءةتشغيل الجهاز. في المبخرات ، على العكس من ذلك ، يغلي المبرد في الأنابيب ، بينما يتم غسلها بالسائل المبرد (الماء ، المحلول الملحي ، الجليكول ، إلخ). لذلك ، يتم تقليل حساب المبادل الحراري للقذيفة والأنبوب لتقليل أبعاد الجهاز. من خلال اللعب بقطر الغلاف وقطر وعدد الأنابيب الداخلية وطول الجهاز يصل المهندس إلى القيمة المحسوبة لمساحة سطح التبادل الحراري.
مبادلات حرارية للهواء
واحدة من أكثر المبادلات الحرارية شيوعًا اليوم هي المبادلات الحرارية ذات الزعانف الأنبوبية. يطلق عليهم أيضا الثعابين. حيث لا يتم تركيبها فقط ، بدءًا من وحدات ملف المروحة (من المروحة الإنجليزية + الملف ، أي "المروحة" + "الملف") في الوحدات الداخلية لأنظمة الانقسام وتنتهي بأجهزة استرداد غاز المداخن العملاقة (استخلاص الحرارة من غاز المداخن الساخن ونقلها لاحتياجات التدفئة) في محطات الغلايات في CHP. هذا هو السبب في أن حساب المبادل الحراري للملف يعتمد على التطبيق حيث سيتم تشغيل هذا المبادل الحراري. تتطلب مبردات الهواء الصناعية (HOPs) المثبتة في غرف تجميد تفجير اللحوم والمجمدات منخفضة الحرارة وغيرها من مرافق تبريد الطعام ميزات تصميم معينة في تصميمها. يجب أن تكون المسافات بين الصفائح (الزعانف) كبيرة بقدر الإمكان من أجل زيادة وقت التشغيل المستمر بين دورات تذويب الجليد. على العكس من ذلك ، يتم تصنيع المبخرات الخاصة بمراكز البيانات (مراكز معالجة البيانات) بأكبر قدر ممكن من خلال تثبيت interlamellarالحد الأدنى للمسافة. تعمل مثل هذه المبادلات الحرارية في "مناطق نظيفة" ، محاطة بمرشحات دقيقة (حتى فئة HEPA) ، وبالتالي ، يتم إجراء مثل هذا الحساب لمبادل حراري أنبوبي مع التركيز على تقليل الأبعاد.
لوحة المبادلات الحرارية
حاليًا ، هناك طلب مستقر على المبادلات الحرارية للألواح. وفقًا لتصميمها ، فهي قابلة للطي تمامًا وشبه ملحومة ، ملحومة بالنحاس ولحام بالنيكل ، ملحومة وملحومة بالانتشار (بدون لحام). الحساب الحراري للمبادل الحراري للوحة مرن للغاية ولا يمثل أي صعوبة خاصة للمهندس. في عملية الاختيار ، يمكنك اللعب بنوع الألواح ، وعمق قنوات التطريق ، ونوع الزعانف ، وسماكة الفولاذ ، والمواد المختلفة ، والأهم من ذلك ، العديد من النماذج ذات الأحجام القياسية للأجهزة ذات الأحجام المختلفة. هذه المبادلات الحرارية منخفضة وعريضة (لتسخين المياه بالبخار) أو عالية وضيقة (مبادلات حرارية منفصلة لأنظمة تكييف الهواء). وغالبًا ما تُستخدم أيضًا في وسائط تغيير الطور ، مثل المكثفات ، والمبخرات ، وأجهزة إزالة الحرارة ، والمكثفات المسبقة ، وما إلى ذلك. الحساب الحراري لمبادل حراري ثنائي الطور أكثر تعقيدًا قليلاً من المبادل الحراري السائل والسائل ، ومع ذلك ، بالنسبة للمهندس المتمرس ، هذه المهمة قابلة للحل ولا تمثل أي صعوبة خاصة. لتسهيل مثل هذه الحسابات ، يستخدم المصممون الحديثون قواعد بيانات الكمبيوتر الهندسية ، حيث يمكنك العثور على الكثير من المعلومات الضرورية ، بما في ذلك مخططات الحالة لأي مادة تبريد في أي عملية مسح ، على سبيل المثال ، برنامجكوول باك.
مثال على حساب المبادل الحراري
الغرض الرئيسي من الحساب هو حساب المساحة المطلوبة لسطح التبادل الحراري. عادة ما يتم تحديد الطاقة الحرارية (التبريد) في الشروط المرجعية ، ومع ذلك ، في مثالنا ، سنقوم بحسابها ، إذا جاز التعبير ، للتحقق من الشروط المرجعية نفسها. يحدث أحيانًا أيضًا أن يتسلل خطأ ما إلى بيانات المصدر. من مهام المهندس المختص إيجاد هذا الخطأ وتصحيحه. كمثال ، دعنا نحسب مبادل حراري لوحي من النوع "السائل-السائل". دع هذا يكون قاطع ضغط في مبنى شاهق. من أجل تفريغ المعدات بالضغط ، غالبًا ما يستخدم هذا النهج في بناء ناطحات السحاب. على جانب واحد من المبادل الحراري ، لدينا ماء بدرجة حرارة مدخل Tin1=14 درجة مئوية ودرجة حرارة مخرج Тout1=9 درجة مئوية ، وبمعدل تدفق G1=14500 كجم / ساعة ، وعلى الجانب الآخر - أيضًا ماء ، ولكن فقط بالمعلمات التالية: Тin2=8 ᵒС ، Тout2=12 ᵒС ، G2=18125 كجم / ساعة.
نحسب الطاقة المطلوبة (Q0) باستخدام صيغة توازن الحرارة (انظر الشكل أعلاه ، الصيغة 7.1) ، حيث Ср هي السعة الحرارية المحددة (قيمة الجدول). لتبسيط العمليات الحسابية ، نأخذ القيمة المخفضة للسعة الحرارية Срв=4.187 [kJ / kgᵒС]. العد:
Q1=14500(14-9)4 ، 187=303557. 5 [كيلوجول / ساعة]=84321 ، 53 واط=84. 3 كيلو واط - على الجانب الأول و
Q2=18125(12-8)4 ، 187=303557. 5 [كيلوجول / ساعة]=84321 ، 53 واط=84. 3 كيلو واط - على الجانب الثاني.
لاحظ أنه وفقًا للصيغة (7.1) ، Q0=Q1=Q2 ، بغض النظر عنعلى أي جانب تم الحساب.
علاوة على ذلك ، باستخدام معادلة نقل الحرارة الرئيسية (7.2) ، نجد مساحة السطح المطلوبة (7.2.1) ، حيث k هو معامل نقل الحرارة (يؤخذ يساوي 6350 [W / m2]) و ΔТav.log. - متوسط فرق درجة الحرارة اللوغاريتمي ، محسوبًا وفقًا للصيغة (7.3):
ΔT سجل متوسط.=(2-1) / ln (2/1)=1 / ln2=1/0 ، 6931=1 ، 4428 ؛
F ثم=84321/63501 ، 4428=9.2 م2.
عندما يكون معامل نقل الحرارة غير معروف ، يكون حساب المبادل الحراري للوحة أكثر تعقيدًا بعض الشيء. وفقًا للصيغة (7.4) ، نحسب معيار رينولدز ، حيث ρ هي الكثافة ، [kg / m3] ، η هي اللزوجة الديناميكية ، [Ns / m2] ، v هي سرعة الوسيط في القناة ، [م / ث] ، د سم هو القطر المبلل للقناة [م].
وفقًا للجدول ، نبحث عن قيمة معيار Prandtl [Pr] الذي نحتاجه وباستخدام الصيغة (7.5) ، نحصل على معيار Nusselt ، حيث n=0.4 - في ظل ظروف التسخين السائل ، و ن=0.3 - تحت ظروف التبريد السائل.
بعد ذلك ، باستخدام الصيغة (7.6) ، نحسب معامل انتقال الحرارة من كل مبرد إلى الحائط ، وباستخدام الصيغة (7.7) ، نحسب معامل انتقال الحرارة ، الذي نستبدل به في الصيغة (7.2.1) لحساب مساحة سطح التبادل الحراري.
في الصيغ المشار إليها ، λ هي معامل التوصيل الحراري ، ϭ هي سماكة جدار القناة ، α1 و α2 هي معاملات نقل الحرارة من كل من ناقلات الحرارة إلى الجدار.
