חישוב מחליף החום נמשך כרגע לא יותר מחמש דקות. כל ארגון המייצר ומוכר ציוד כזה, ככלל, מספק לכל אחד את תוכנית הבחירה שלו. ניתן להוריד אותו בחינם מאתר החברה, או שהטכנאי שלהם יגיע אליכם למשרד ויתקין אותו בחינם. עם זאת, עד כמה התוצאה של חישובים כאלה נכונה, האם ניתן לסמוך עליה והאם היצרן אינו מתחכם כאשר נלחם במכרז עם מתחריו? בדיקת מחשבון אלקטרוני דורשת ידע או לפחות הבנה של המתודולוגיה לחישוב מחליפי חום מודרניים. בואו ננסה להבין את הפרטים.
מהו מחליף חום
לפני ביצוע החישוב של מחליף החום, בואו נזכור באיזה סוג מכשיר מדובר? מנגנון העברת חום ומסה (המכונה מחליף חום, הלא הוא מחליף חום, או TOA) הואמכשיר להעברת חום מנוזל קירור אחד למשנהו. בתהליך שינוי הטמפרטורות של נושאי חום משתנים גם הצפיפות שלהם ובהתאם גם מדדי המסה של החומרים. לכן תהליכים כאלה נקראים העברת חום ומסה.
סוגי העברת חום
עכשיו בואו נדבר על סוגי העברת החום - יש רק שלושה מהם. קרינה - העברת חום עקב קרינה. כדוגמה, שקול להשתזף על החוף ביום קיץ חם. ואפילו מחליפי חום כאלה ניתן למצוא בשוק (מחממי אוויר בצינור). עם זאת, לרוב לחימום מגורים, חדרים בדירה, אנו קונים נפט או רדיאטורים חשמליים. זוהי דוגמה לסוג אחר של העברת חום - הסעה. הסעה יכולה להיות טבעית, מאולצת (ברדס, ויש מחליף חום בקופסה) או מונעת מכנית (עם מאוורר, למשל). הסוג האחרון הרבה יותר יעיל.
עם זאת, הדרך היעילה ביותר להעביר חום היא הולכה, או כפי שהיא מכונה גם הולכה (מאנגלית. conduction - "הולכה"). כל מהנדס שהולך לערוך חישוב תרמי של מחליף חום, קודם כל, חושב על איך לבחור ציוד יעיל בממדים מינימליים. ואפשר להשיג זאת דווקא בזכות מוליכות תרמית. דוגמה לכך היא ה-TOA היעיל ביותר כיום - מחליפי חום צלחות. מחליף חום צלחות, על פי ההגדרה, הוא מחליף חום המעביר חום מנוזל קירור אחד למשנהו דרך קיר המפריד ביניהם. מַקסִימוּםאזור המגע האפשרי בין שני המדיות, יחד עם חומרים שנבחרו נכון, פרופיל צלחת ועובי, מאפשר להקטין את גודל הציוד הנבחר תוך שמירה על המאפיינים הטכניים המקוריים הנדרשים בתהליך הטכנולוגי.
סוגי מחליפי חום
לפני חישוב מחליף החום, הוא נקבע לפי הסוג שלו. ניתן לחלק את כל ה-TOA לשתי קבוצות גדולות: מחליפי חום מתאוששים ומחדשים. ההבדל העיקרי ביניהם הוא כדלקמן: ב-TOA רגנרטיבי, חילופי חום מתרחשים דרך קיר המפריד בין שני נוזלי קירור, בעוד שבאמצעים רגנרטיביים, לשני אמצעים יש מגע ישיר זה עם זה, לעתים קרובות מתערבבים ודורשים הפרדה לאחר מכן במפרידים מיוחדים. מחליפי חום רגנרטיביים מחולקים לערבוב ולמחליפי חום עם אריזה (נייח, נופל או ביניים). באופן גס, דלי מים חמים, חשופים לכפור, או כוס תה חם, מתקררים במקרר (לעולם אל תעשה זאת!) - זו דוגמה ל-TOA ערבוב שכזה. ומזיגים תה לצלוחית ומצננים אותה בצורה כזו, נקבל דוגמה של מחליף חום רגנרטיבי עם פייה (הצלחת בדוגמה זו משחקת תפקיד של זרבובית), אשר תחילה נוגעת באוויר שמסביב ולוקחת את הטמפרטורה שלו, ולאחר מכן מוציא חלק מהחום מהתה החם שנמזג לתוכו, ומבקש להביא את שתי המדיה לשיווי משקל תרמי. עם זאת, כפי שכבר גילינו קודם לכן, יעיל יותר להשתמש במוליכות תרמית כדי להעביר חום ממדיום אחד למשנהו, לכןה-TOAים המועילים יותר (ובשימוש נרחב) כיום הם, כמובן, מתחדשים.
עיצוב תרמי ומבני
כל חישוב של מחליף חום מתאושש יכול להתבצע על בסיס תוצאות של חישובים תרמיים, הידראוליים וחוזק. הם בסיסיים, חובה בתכנון של ציוד חדש ומהווים את הבסיס למתודולוגיה לחישוב מודלים עוקבים של שורה של מכשירים דומים. המשימה העיקרית של החישוב התרמי של TOA היא לקבוע את השטח הנדרש של משטח חילופי החום לפעולה יציבה של מחליף החום ושמירה על הפרמטרים הנדרשים של המדיה בשקע. לעתים קרובות למדי, בחישובים כאלה, ניתנים למהנדסים ערכים שרירותיים של מאפייני המשקל והגודל של הציוד העתידי (חומר, קוטר צינור, ממדי לוח, גיאומטריית צרור, סוג וחומר של סנפירים וכו'), לכן, לאחר חישוב תרמי, הם בדרך כלל מבצעים חישוב בונה של מחליף החום. אחרי הכל, אם בשלב הראשון המהנדס חישב את שטח הפנים הנדרש לקוטר צינור נתון, למשל, 60 מ מ, ואורך מחליף החום התברר כשישים מטרים, אז זה יהיה הגיוני יותר להניח מעבר למחליף חום רב-מעבר, או לסוג של מעטפת וצינור, או להגדלת קוטר הצינורות.
חישוב הידראולי
הידראולי או הידרומכני, כמו גם חישובים אווירודינמיים מתבצעים על מנת לקבוע ולייעל את הידראוליהפסדי לחץ (אווירודינמיים) במחליף החום, כמו גם לחשב את עלויות האנרגיה כדי להתגבר עליהם. החישוב של כל נתיב, תעלה או צינור למעבר נוזל הקירור מהווה משימה עיקרית לאדם - להעצים את תהליך העברת החום באזור זה. כלומר, מדיום אחד חייב להעביר, והשני לקבל כמה שיותר חום בפרק הזמן המינימלי של זרימתו. לשם כך, לעתים קרובות נעשה שימוש במשטח נוסף לחילופי חום, בצורה של צלעות משטח מפותחות (כדי להפריד את שכבת המשנה הלמינרית הגבולית ולהגביר את מערבולת הזרימה). יחס האיזון האופטימלי של הפסדים הידראוליים, שטח פנים של חילופי חום, מאפייני משקל וגודל וכוח תרמי שהוסר הוא תוצאה של שילוב של חישוב תרמי, הידראולי ומבני של TOA.
בדוק חישוב
חישוב האימות של מחליף החום מתבצע במקרה שבו יש צורך בהנחת מרווח מבחינת הספק או מבחינת שטח משטח מחליף החום. המשטח שמור מסיבות שונות ובמצבים שונים: אם הדבר נדרש על פי תנאי ההתייחסות, אם היצרן מחליט לעשות מרווח נוסף על מנת להיות בטוח שמחליף חום כזה יגיע למשטר וימזער טעויות שנעשו ב את החישובים. במקרים מסוימים נדרשת יתירות כדי לעגל את התוצאות של ממדים קונסטרוקטיביים, בעוד שבאחרים (מאיידים, כלכלנים), מרווח פני השטח מוכנס במיוחד לחישוב הספק מחליף החום, עבור זיהום על ידי שמן מדחס הקיים במעגל הקירור. ואיכות מים ירודהיש לקחת בחשבון. לאחר זמן מה של פעולה בלתי פוסקת של מחליפי חום, במיוחד בטמפרטורות גבוהות, אבנית מתיישבת על משטח חילופי החום של המכשיר, מפחיתה את מקדם העברת החום ומובילה בהכרח לירידה טפילית בהסרת החום. לכן, מהנדס מוכשר, בעת חישוב מחליף חום מים למים, מקדיש תשומת לב מיוחדת לעודפות נוספת של משטח חילופי החום. חישוב אימות מתבצע גם על מנת לראות כיצד הציוד הנבחר יעבוד במצבים משניים אחרים. לדוגמה, במזגנים מרכזיים (יחידות אספקה), תנור החימום הראשון והשני, המשמשים בעונה הקרה, משמשים לעתים קרובות בקיץ לקירור האוויר הנכנס, ומספק מים קרים לצינורות מחליף חום האוויר. איך הם יתפקדו ואילו פרמטרים יתנו, מאפשר לך להעריך את חישוב האימות.
חישובים גישושים
חישובי מחקר של TOA מבוצעים על בסיס התוצאות שהתקבלו של חישובים תרמיים ואימות. הם נחוצים, ככלל, כדי לבצע את התיקונים האחרונים בעיצוב המנגנון המעוצב. הם מבוצעים גם על מנת לתקן את כל המשוואות המשולבות במודל החישוב המיושם של TOA, המתקבל באופן אמפירי (על פי נתוני ניסוי). ביצוע חישובי מחקר כרוך בעשרות ולעיתים מאות חישובים לפי תכנית מיוחדת שפותחה ויושמת בייצור בהתאםתיאוריה מתמטית של תכנון ניסויים. בהתבסס על התוצאות, נחשפת ההשפעה של תנאים שונים וכמויות פיזיות על מדדי יעילות ה-TOA.
חישובים אחרים
בעת חישוב שטח מחליף החום, אל תשכח את ההתנגדות של חומרים. חישובי חוזק TOA כוללים בדיקת היחידה המתוכננת ללחץ, פיתול, להחלת רגעי העבודה המרביים המותרים על החלקים והמכלולים של מחליף החום העתידי. עם מידות מינימליות, המוצר חייב להיות חזק, יציב ולהבטיח פעולה בטוחה בתנאי הפעלה שונים, אפילו התובעניים ביותר.
חישוב דינמי מתבצע על מנת לקבוע את המאפיינים השונים של מחליף החום במצבי פעולה משתנים.
סוגי עיצוב מחליפי חום
Recuperative TOA בעיצוב ניתן לחלק למספר די גדול של קבוצות. המפורסמים והנפוץ ביותר הם מחליפי חום צלחות, אוויר (סנפיר צינורי), קונכייה-ו-צינור, מחליפי חום צינור-ב-צינור, פגז-ו-צלחת ואחרים. ישנם גם סוגים אקזוטיים יותר ומתמחים מאוד, כגון ספירלה (מחליף חום סליל) או סוג מגורד, הפועלים עם נוזלים צמיגים או שאינם ניוטונים, כמו גם סוגים רבים אחרים.
מחליפי חום בצינור
בואו נשקול את החישוב הפשוט ביותר של מחליף החום "צינור בצינור". מבחינה מבנית, סוג זה של TOA מפושט בצורה מקסימלית. ככלל, הם נכנסים לצינור הפנימי של המנגנוןנוזל קירור חם, כדי למזער הפסדים, ונוזל קירור מושגר לתוך המעטפת, או לתוך הצינור החיצוני. משימת המהנדס במקרה זה מצטמצמת לקביעת אורכו של מחליף חום כזה על סמך השטח המחושב של משטח מחליף החום והקטרים הנתונים.
כאן כדאי להוסיף שבתרמודינמיקה מובא המושג של מחליף חום אידיאלי, כלומר מנגנון באורך אינסופי, שבו נושאי החום עובדים בזרם נגדי, והפרש הטמפרטורות מעובד ביניהם לחלוטין.. עיצוב הצינור בצינור הוא הקרוב ביותר לעמוד בדרישות אלו. ואם אתה מפעיל את נוזלי הקירור בזרם נגדי, זה יהיה מה שנקרא "זרימה נגדית אמיתית" (ולא חוצה, כמו ב-TOA של צלחת). ראש הטמפרטורה מעובד בצורה היעילה ביותר עם ארגון כזה של תנועה. עם זאת, בעת חישוב מחליף החום "צינור בצינור", צריך להיות מציאותי ולא לשכוח את המרכיב הלוגיסטי, כמו גם את קלות ההתקנה. אורכה של היורוטראק הוא 13.5 מטר, ולא כל הנחות הטכניות מותאמות להחלקה והתקנת ציוד באורך זה.
מחליפי חום של מעטפת וצינור
לכן, לעתים קרובות מאוד החישוב של מכשיר כזה זורם בצורה חלקה לחישוב של מחליף חום של מעטפת וצינור. זהו מכשיר שבו צרור של צינורות ממוקם במארז יחיד (מעטפת), נשטף על ידי נוזלי קירור שונים, בהתאם למטרת הציוד. במעבים, למשל, נוזל הקירור מוזרם לתוך המעטפת, והמים מוזרמים לתוך הצינורות. בשיטה זו של תנועת מדיה, היא נוחה ויעילה יותר לשליטהפעולת המנגנון. במאיידים, להיפך, הקירור רותח בצינורות, תוך שהם נשטפים על ידי הנוזל המקורר (מים, תמלחות, גליקולים וכו'). לכן, החישוב של מחליף חום פגז וצינור מצטמצם למזעור ממדי הציוד. משחק עם קוטר המעטפת, קוטר ומספר הצינורות הפנימיים ואורך המכשיר, המהנדס מגיע לערך המחושב של שטח הפנים של חילופי החום.
מחליפי חום אוויר
אחד ממחליפי החום הנפוצים ביותר כיום הוא מחליפי חום עם סנפירים צינוריים. הם נקראים גם נחשים. היכן שהם לא רק מותקנים, החל מיחידות סליל מאוורר (מהאנגלית fan + coil, כלומר "fan" + "coil") ביחידות הפנימיות של מערכות מפוצלות וכלה במחזירי גזי פליטה ענקיים (הפקת חום מגז פליטה חם והולכה לצרכי חימום) במפעלי דוודים ב-CHP. לכן החישוב של מחליף חום סליל תלוי באפליקציה שבה יכנס מחליף חום זה לפעולה. מצנני אוויר תעשייתיים (HOPs) המותקנים בתאי הקפאת בשר לפיצוץ, מקפיאים בטמפרטורה נמוכה ומתקני קירור מזון אחרים דורשים תכונות עיצוב מסוימות בעיצובם. המרווח בין הלמלות (סנפירים) צריך להיות גדול ככל האפשר על מנת להגדיל את זמן הפעולה הרציפה בין מחזורי הפשרה. מאיידים למרכזי נתונים (מרכזי עיבוד נתונים), להיפך, נעשים קומפקטיים ככל האפשר על ידי הידוק הבין-למלרמרחק מינימלי. מחליפי חום כאלה פועלים ב"אזורים נקיים", מוקפים במסננים עדינים (עד דרגת HEPA), לכן, חישוב כזה של מחליף חום צינורי מתבצע תוך שימת דגש על מזעור מידות.
מחליפי חום לצלחות
כיום, מחליפי חום צלחות מבוקשים יציבים. לפי העיצוב שלהם, הם מתקפלים לחלוטין ומולחמים למחצה, מולחמים בנחושת וניקל, מרותכים ומולחמים על ידי דיפוזיה (ללא הלחמה). החישוב התרמי של מחליף חום צלחות הוא גמיש למדי ואינו מהווה קושי מיוחד למהנדס. בתהליך הבחירה ניתן לשחק עם סוג הלוחות, עומק תעלות הפרזול, סוג הסנפירים, עובי הפלדה, חומרים שונים, והכי חשוב, מספר רב של דגמים בגודל סטנדרטי של מכשירים בגדלים שונים. מחליפי חום כאלה הם נמוכים ורחבים (לחימום בקיטור של מים) או גבוהים וצרים (מחליפי חום מפרידים למערכות מיזוג אוויר). הם משמשים לעתים קרובות גם לאמצעי שינוי פאזה, כלומר כמעבים, מאיידים, מחממי חום, קדם מעבים וכו'. החישוב התרמי של מחליף חום דו-פאזי הוא מעט יותר מסובך מאשר מחליף חום נוזלי-נוזל, עם זאת, עבור מהנדס מנוסה, משימה זו ניתנת לפתרון ואינה מהווה קושי מיוחד. כדי להקל על חישובים כאלה, מעצבים מודרניים משתמשים במאגרי מידע ממוחשבים הנדסיים, שבהם אתה יכול למצוא מידע רב, כולל דיאגרמות מצב של כל קירור בכל סריקה, למשל, תוכניתCoolPack.
דוגמה לחישוב מחליף חום
המטרה העיקרית של החישוב היא לחשב את השטח הנדרש של משטח חילופי החום. הספק תרמי (קירור) מצוין בדרך כלל בתנאי ההתייחסות, אולם בדוגמה שלנו, נחשב אותו, כביכול, כדי לבדוק את תנאי ההתייחסות עצמם. לפעמים קורה גם ששגיאה יכולה להתגנב לנתוני המקור. אחת המשימות של מהנדס מוכשר היא למצוא ולתקן שגיאה זו. כדוגמה, בואו לחשב מחליף חום צלחות מסוג "נוזל-נוזל". תן לזה להיות מפסק לחץ בבניין גבוה. על מנת לפרוק ציוד בלחץ, גישה זו משמשת לעתים קרובות מאוד בבניית גורדי שחקים. בצד אחד של מחליף החום יש לנו מים עם טמפרטורת כניסה Tin1=14 ᵒС וטמפרטורת יציאה Тout1=9 ᵒС, ועם קצב זרימה G1=14,500 ק"ג לשעה, ומצד שני - גם מים, אבל רק עם הפרמטרים הבאים: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
אנו מחשבים את ההספק הנדרש (Q0) באמצעות נוסחת מאזן החום (ראה את האיור לעיל, נוסחה 7.1), כאשר Ср הוא קיבולת החום הספציפית (ערך טבלה). לפשטות החישובים, ניקח את הערך המופחת של קיבולת החום Срв=4.187 [kJ/kgᵒС]. סופר:
Q1=14,500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 קילוואט - בצד הראשון ו
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 קילוואט - בצד השני.
שים לב שלפי הנוסחה (7.1), Q0=Q1=Q2, ללא קשר ל-באיזה צד בוצע החישוב.
יתרה מכך, באמצעות משוואת העברת החום הראשית (7.2), נמצא את שטח הפנים הנדרש (7.2.1), כאשר k הוא מקדם העברת החום (נלקח שווה ל-6350 [W/m 2]), ו-ΔТav.log. - הפרש טמפרטורה לוגריתמי ממוצע, מחושב לפי הנוסחה (7.3):
ΔT יומן ממוצע.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F אז=84321 / 63501, 4428=9.2 m2.
כאשר מקדם העברת החום אינו ידוע, החישוב של מחליף חום הלוחות הוא קצת יותר מסובך. לפי הנוסחה (7.4), אנו מחשבים את קריטריון ריינולדס, שבו ρ היא הצפיפות, [kg/m3], η היא הצמיגות הדינמית, [Ns/m 2], v היא מהירות המדיום בערוץ, [m/s], d cm הוא הקוטר הרטוב של הערוץ [m].
לפי הטבלה, אנו מחפשים את הערך של קריטריון Prandtl [Pr] שאנו צריכים, ובאמצעות נוסחה (7.5), נקבל את קריטריון Nusselt, שבו n=0.4 - בתנאים של חימום נוזלי, ו n=0.3 - בתנאים של קירור נוזלי
לאחר מכן, באמצעות נוסחה (7.6), אנו מחשבים את מקדם העברת החום מכל נוזל קירור לקיר, ובאמצעות הנוסחה (7.7), אנו מחשבים את מקדם העברת החום, אותו אנו מחליפים בנוסחה (7.2.1) כדי לחשב את השטח של משטח חילופי החום.
בנוסחאות המצוינות, λ הוא מקדם המוליכות התרמית, ϭ הוא עובי דופן התעלה, α1 ו-α2 הם מקדמי העברת החום מכל אחד ממובילי החום לקיר.
