Grundlegende Konzepte der Wärmeübertragung zur Berechnung von Wärmetauschern

Die Berechnung des Wärmetauschers dauert derzeit nicht länger als fünf Minuten. Jede Organisation, die solche Geräte herstellt und verkauft, stellt in der Regel jedem ein eigenes Auswahlprogramm zur Verfügung. Sie können es kostenlos von der Website des Unternehmens herunterladen, oder der Techniker kommt in Ihr Büro und installiert es kostenlos. Wie korrekt ist das Ergebnis solcher Berechnungen, ist es möglich, ihm zu vertrauen, und ist der Hersteller nicht schlau, wenn er mit seinen Konkurrenten in einer Ausschreibung kämpft? Die Überprüfung eines elektronischen Rechners erfordert Kenntnisse oder zumindest ein Verständnis der Berechnungsmethode für moderne Wärmetauscher. Versuchen wir, die Details herauszufinden.

Was ist ein Wärmetauscher?

Denken Sie vor der Berechnung des Wärmetauschers daran, um welche Art von Gerät es sich handelt. Eine Wärme- und Stoffaustauschvorrichtung (auch bekannt als Wärmetauscher, auch bekannt als Wärmetauscher oder TOA) ist eine Vorrichtung zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeträger auf einen anderen. Bei der Änderung der Temperaturen der Kühlmittel ändern sich auch deren Dichte und damit auch die Massenindikatoren der Substanzen. Deshalb werden solche Prozesse als Wärme- und Stoffaustausch bezeichnet.

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Hallo! Ein Wärmetauscher ist eine Vorrichtung, bei der ein Wärmeaustausch zwischen zwei oder mehr Wärmeträgern oder zwischen Wärmeträgern und Feststoffen (Düse, Wand) durchgeführt wird. Die Rolle des Kühlmittels kann auch von der Umgebung der Vorrichtung gespielt werden. Je nach Zweck und Ausführung können Wärmetauscher sehr unterschiedlich sein und vom einfachsten (Heizkörper) bis zum fortschrittlichsten (Kesseleinheit) reichen. Wärmetauscher werden nach dem Funktionsprinzip in rekuperativ, regenerativ und mischend unterteilt.

Rekuperationsgeräte werden als Geräte bezeichnet, bei denen heiße und kalte Wärmeträger gleichzeitig fließen, getrennt durch eine feste Wand. Diese Geräte umfassen Heizungen, Kesseleinheiten, Kondensatoren, Verdampfer usw.

Geräte, bei denen dieselbe Heizfläche abwechselnd mit heißer und kalter Flüssigkeit gewaschen wird, werden als regenerativ bezeichnet. In diesem Fall wird die Wärme, die von den Wänden der Vorrichtung während ihrer Wechselwirkung mit der heißen Flüssigkeit akkumuliert wird, an die kalte Flüssigkeit abgegeben. Ein Beispiel für Regenerationsapparate sind Lufterhitzer von offenen Herd- und Hochöfen, Heizöfen usw. In Regeneratoren findet der Wärmeaustausch immer unter instationären Bedingungen statt, während Rekuperationsapparate meist im stationären Modus arbeiten.

Rekuperative und regenerative Vorrichtungen werden auch als Oberflächenvorrichtungen bezeichnet, da der Prozess der Wärmeübertragung in ihnen unweigerlich mit der Oberfläche eines Feststoffs verbunden ist.

Mischer sind Geräte, bei denen die Wärmeübertragung durch direktes Mischen von heißen und kalten Flüssigkeiten erfolgt.

Die gegenseitige Bewegung von Kühlmitteln in Wärmetauschern kann unterschiedlich sein (Abb. 1).

Abhängig davon wird zwischen Geräten mit direktem Durchfluss, Gegenstrom, Querstrom und mit einer komplexen Bewegungsrichtung von Kühlmitteln (Mischstrom) unterschieden. Wenn die Kühlmittel parallel in eine Richtung fließen, spricht man von einem solchen Bewegungsmuster als Vorwärtsströmung (Abb. 1). Beim Gegenstrom bewegen sich die Kühlmittel parallel, aber aufeinander zu. Wenn sich die Bewegungsrichtungen von Flüssigkeiten schneiden, wird das Bewegungsmuster als Querströmung bezeichnet. Zusätzlich zu den oben genannten Schemata werden in der Praxis auch komplexere verwendet: gleichzeitiger Vorwärts- und Gegenstrom, mehrfacher Querstrom usw.

Abhängig vom technologischen Zweck und den Konstruktionsmerkmalen werden Wärmetauscher in Warmwasserbereiter, Kondensatoren, Kesseleinheiten, Verdampfer usw. unterteilt. Das Gemeinsame ist jedoch, dass sie alle dazu dienen, Wärme von einem Wärmeträger auf einen anderen zu übertragen, daher die grundlegenden Bestimmungen der thermischen Berechnung sind für sie gleich. ... Die Differenz kann nur der endgültige Abrechnungszweck sein. Bei der Auslegung eines neuen Wärmetauschers besteht die Berechnungsaufgabe darin, die Heizfläche zu bestimmen. Bei der Überprüfung der thermischen Berechnung des vorhandenen Wärmetauschers müssen die übertragene Wärmemenge und die Endtemperaturen der Arbeitsflüssigkeiten ermittelt werden.

Die Wärmeberechnung basiert in beiden Fällen auf den Wärmebilanzgleichungen und der Wärmeübertragungsgleichung.

Die Wärmebilanzgleichung des Wärmetauschers hat folgende Form:

wobei M der Massenstrom des Kühlmittels ist, kg / s; cpm - spezifische Masse isobare durchschnittliche Wärmekapazität des Kühlmittels, J / (kg * ° С).

Nachfolgend bezeichnet der Index "1" die Werte, die sich auf die heiße Flüssigkeit (primärer Wärmeträger) beziehen, und der Index "2" - auf die kalte Flüssigkeit (sekundärer Wärmeträger); Eine Leitung entspricht der Temperatur der Flüssigkeit am Einlass des Geräts und zwei Leitungen - am Auslass.

Bei der Berechnung von Wärmetauschern wird häufig das Konzept der Gesamtwärmekapazität des Massenstroms des Wärmeträgers (Wasseräquivalent) verwendet, das C = Mav W / ° C entspricht. Aus Ausdruck (1) folgt das

Das heißt, das Verhältnis der Temperaturänderungen von einphasigen Wärmeübertragungsflüssigkeiten ist umgekehrt proportional zum Verhältnis ihrer Gesamtverbrauchswärmekapazitäten (Wasseräquivalente).

Die Wärmeübertragungsgleichung wird wie folgt geschrieben: Q = k * F * (t1 - t2), wobei t1, t2 die Temperaturen der primären und sekundären Wärmeträger sind; F ist die Wärmeübertragungsfläche.

Während des Wärmeaustauschs ändern sich in den meisten Fällen die Temperaturen beider Wärmeträger und daher ändert sich der Temperaturkopf Δt = t1 - t2. Der Wärmeübertragungskoeffizient über der Wärmeaustauschfläche hat ebenfalls einen variablen Wert, daher sollten die Durchschnittswerte der Temperaturdifferenz Δtav und des Wärmeübertragungskoeffizienten kcp in die Wärmeübertragungsgleichung eingesetzt werden, d. H.

Q = kсp * F * Δtcp (3)

Die Wärmeaustauschfläche F wird nach der Formel (3) berechnet, während die Wärmeleistung Q angegeben wird. Um das Problem zu lösen, ist es notwendig, den Durchschnitt über die gesamte Oberfläche des Wärmeübertragungskoeffizienten kсp und des Temperaturkopfes Δtav zu berechnen.

Bei der Berechnung der durchschnittlichen Temperaturdifferenz ist die Art der Änderung der Temperaturen der Wärmeträger entlang der Wärmeaustauschfläche zu berücksichtigen. Aus der Theorie der Wärmeleitfähigkeit ist bekannt, dass in einer Platte oder einem zylindrischen Stab bei Vorhandensein eines Temperaturunterschieds an den Enden (die Seitenflächen sind isoliert) die Temperaturverteilung entlang der Länge linear ist. Wenn ein Wärmeaustausch an der Seitenfläche stattfindet oder das System interne Wärmequellen hat, ist die Temperaturverteilung krummlinig. Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Wärmequellen ist die Temperaturänderung entlang der Länge parabolisch.

Somit unterscheidet sich in Wärmetauschern die Art der Änderung der Temperaturen der Wärmeträger von der linearen und wird durch die Gesamtwärmekapazitäten C1 und C2 der Massenströme der Wärmeträger und die Richtung ihrer gegenseitigen Bewegung bestimmt (Abb. 2).

Aus den Diagrammen ist ersichtlich, dass die Temperaturänderung entlang der Oberfläche F nicht gleich ist. Gemäß Gleichung (2) ist die Temperaturänderung für den Wärmeträger mit der geringeren Wärmekapazität des Massenstroms umso größer. Wenn die Kühlmittel beispielsweise in einem Wasser-Wasser-Wärmetauscher gleich sind, wird die Art der Änderung der Temperaturen der Kühlmittel vollständig durch ihre Durchflussraten und bei einer niedrigeren Durchflussrate durch die Temperatur bestimmt Veränderung wird groß sein.Bei Gleichstrom ist die Endtemperatur t 2 des erhitzten Mediums immer niedriger als die Temperatur t 1 des Heizmediums am Auslass der Vorrichtung, und bei Gegenstrom kann die Endtemperatur t 2 höher als die Temperatur sein t "1 (siehe Gegenstrom den Fall, wenn C1> C2). Folglich kann bei der gleichen Anfangstemperatur das mit Gegenstrom zu erhitzende Medium auf eine höhere Temperatur als mit Gleichstrom erwärmt werden.

Bei gleichzeitiger Strömung ändert sich die Temperaturhöhe entlang der Heizfläche stärker als bei Gegenströmung. Gleichzeitig ist sein Mittelwert im letzteren Fall größer, wodurch die Heizfläche der Vorrichtung mit Gegenstrom kleiner wird. Somit wird in diesem Fall unter gleichen Bedingungen mehr Wärme übertragen. Aus diesem Grund sollten Geräte mit Gegenstrom bevorzugt werden.

Als Ergebnis einer analytischen Untersuchung eines Wärmetauschers, der nach dem Direktströmungsschema arbeitet, wurde festgestellt, dass sich die Temperaturhöhe entlang der Wärmetauscheroberfläche exponentiell ändert, sodass die durchschnittliche Temperaturhöhe nach folgender Formel berechnet werden kann:

wobei Δtb die große Temperaturdifferenz zwischen dem heißen und dem kalten Wärmeträger (von einem Ende des Wärmetauschers) ist; Δtm - kleinere Temperaturdifferenz (vom anderen Ende des Wärmetauschers).

Bei einer Vorwärtsströmung ist Δtb = t'1 - t'2 und Δtm = t1 - t2 (Fig. 2). Diese Formel gilt auch für den Gegenstrom mit dem einzigen Unterschied, dass für den Fall, dass C1 C2 Δtb = t1 - t'2 und Δtm = t'1 - t2.

Die nach der Formel (4) berechnete durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen zwei Medien wird als mittlerer Logarithmus bezeichnet. Temperaturkopf. Die Form des Ausdrucks beruht auf der Art der Temperaturänderung entlang der Heizfläche (krummlinige Abhängigkeit). Wenn die Abhängigkeit linear war, sollte der Temperaturkopf als arithmetisches Mittel bestimmt werden (Abb. 3.). Der Wert des arithmetischen Mittelkopfes Δtа.av ist immer größer als der mittlere logarithmische Δtl.av. In Fällen, in denen sich die Temperaturhöhe entlang der Länge des Wärmetauschers unwesentlich ändert, dh die Bedingung Δtb / Δtm <2 erfüllt ist, kann die durchschnittliche Temperaturdifferenz als arithmetisches Mittel berechnet werden:

Die Mittelung der Temperaturdifferenz für Geräte mit Quer- und Mischströmen zeichnet sich durch die Komplexität der Berechnungen aus. Daher werden für eine Reihe der gängigsten Schemata die Ergebnisse von Lösungen normalerweise in Form von Diagrammen angegeben. Isp. Literatur: 1) Grundlagen der Wärmekrafttechnik, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, hrsg. 2. "Higher School", 1976. 3) Wärmetechnik, Hrsg. 2, unter der allgemeinen Leitung von. IN Sushkina, Moskau "Metallurgie", 1973.

Arten der Wärmeübertragung

Lassen Sie uns nun über die Arten der Wärmeübertragung sprechen - es gibt nur drei davon. Strahlung - die Übertragung von Wärme durch Strahlung. Als Beispiel können Sie sich vorstellen, an einem warmen Sommertag am Strand zu sonnen. Und solche Wärmetauscher sind sogar auf dem Markt erhältlich (Rohrlufterhitzer). Meistens kaufen wir jedoch Öl- oder Elektroheizkörper, um Wohnräume und Räume in einer Wohnung zu heizen. Dies ist ein Beispiel für eine andere Art der Wärmeübertragung - die Konvektion. Die Konvektion kann natürlich, erzwungen (Abzugshaube, und es befindet sich ein Rekuperator in der Box) oder mechanisch induziert sein (z. B. mit einem Lüfter). Der letztere Typ ist viel effizienter.

Die effizienteste Art der Wärmeübertragung ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit oder, wie sie auch genannt wird, die Wärmeleitung (von der englischen Leitung - "Wärmeleitung"). Jeder Ingenieur, der eine thermische Berechnung eines Wärmetauschers durchführen wird, denkt zunächst darüber nach, effiziente Geräte auf kleinstmöglichen Abmessungen auszuwählen. Und dies wird gerade durch die Wärmeleitfähigkeit erreicht. Ein Beispiel hierfür ist der derzeit effizienteste TOA - Plattenwärmetauscher. Die Platte TOA ist gemäß der Definition ein Wärmetauscher, der Wärme durch die sie trennende Wand von einem Wärmeträger auf einen anderen überträgt. Die maximal mögliche Kontaktfläche zwischen zwei Medien zusammen mit korrekt ausgewählten Materialien, dem Profil der Platten und ihrer Dicke ermöglicht es Ihnen, die Größe der ausgewählten Ausrüstung zu minimieren und gleichzeitig die ursprünglichen technischen Eigenschaften beizubehalten, die für den technologischen Prozess erforderlich sind.

Wärmetauschertypen

Vor der Berechnung des Wärmetauschers werden diese anhand ihres Typs ermittelt. Alle TOA können in zwei große Gruppen unterteilt werden: rekuperative und regenerative Wärmetauscher. Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist folgender: Bei rekuperativem TOA erfolgt der Wärmeaustausch durch eine Wand, die zwei Kühlmittel trennt, und bei regenerativem TOA haben die beiden Medien direkten Kontakt miteinander, mischen sich häufig und erfordern eine anschließende Trennung in speziellen Separatoren. Regenerative Wärmetauscher werden in Misch- und Wärmetauscher mit Packung (stationär, fallend oder mittelschwer) unterteilt. Grob gesagt ist ein Eimer heißes Wasser, das Frost ausgesetzt ist, oder ein Glas heißen Tee, der zum Abkühlen in den Kühlschrank gestellt wird (niemals!) Ein Beispiel für eine solche TOA-Mischung. Wenn wir Tee in eine Untertasse gießen und auf diese Weise abkühlen, erhalten wir ein Beispiel für einen regenerativen Wärmetauscher mit einer Düse (die Untertasse spielt in diesem Beispiel die Rolle einer Düse), die zuerst die Umgebungsluft berührt und deren Temperatur misst und nimmt dann einen Teil der Wärme von dem darin eingegossenen heißen Tee auf, um beide Medien in ein thermisches Gleichgewicht zu bringen. Wie wir bereits zuvor herausgefunden haben, ist es jedoch effizienter, die Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, um Wärme von einem Medium auf ein anderes zu übertragen. Daher sind TOA, die im Hinblick auf die Wärmeübertragung nützlicher sind (und heute weit verbreitet sind), natürlich erholsam.

Bestimmung der Wärmemenge

Die Wärmeübertragungsgleichung, die für stationäre Zeiteinheiten und Prozesse verwendet wird, lautet wie folgt:

Q = KFtcp (W)

In dieser Gleichung:

• K ist der Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten (ausgedrückt in W / (m2 / K));
• tav - die durchschnittliche Differenz der Temperaturindikatoren zwischen verschiedenen Wärmeträgern (der Wert kann sowohl in Grad Celsius (0С) als auch in Kelvin (K) angegeben werden);
• F ist der Wert der Oberfläche, für die eine Wärmeübertragung stattfindet (der Wert ist in m2 angegeben).

Mit der Gleichung können Sie den Prozess beschreiben, bei dem Wärme zwischen Wärmeträgern übertragen wird (von heiß nach kalt). Die Gleichung berücksichtigt:

• Wärmeübertragung vom Kühlmittel (heiß) an die Wand;
• Wandwärmeleitfähigkeitsparameter;
• Wärmeübertragung von der Wand zum Kühlmittel (kalt).

Thermische und strukturelle Berechnung

Jede Berechnung eines rekuperativen Wärmetauschers kann auf der Grundlage der Ergebnisse von Wärme-, Hydraulik- und Festigkeitsberechnungen durchgeführt werden. Sie sind grundlegend, obligatorisch bei der Konstruktion neuer Geräte und bilden die Grundlage für die Berechnungsmethode für nachfolgende Modelle der Linie desselben Gerätetyps. Die Hauptaufgabe der thermischen Berechnung von TOA besteht darin, die erforderliche Fläche der Wärmetauscheroberfläche für einen stabilen Betrieb des Wärmetauschers zu bestimmen und die erforderlichen Parameter der Medien am Auslass beizubehalten. Sehr oft erhalten Ingenieure bei solchen Berechnungen willkürliche Werte für die Masse- und Größenmerkmale der zukünftigen Ausrüstung (Material, Rohrdurchmesser, Plattenabmessungen, Balkengeometrie, Art und Material der Rippen usw.), daher nach dem thermisch wird üblicherweise eine konstruktive Berechnung des Wärmetauschers durchgeführt. Wenn der Ingenieur in der ersten Phase die erforderliche Oberfläche für einen bestimmten Rohrdurchmesser von beispielsweise 60 mm berechnet und die Länge des Wärmetauschers somit etwa 60 Meter beträgt, ist es logischer, a anzunehmen Übergang zu einem Mehrfachdurchlauf-Wärmetauscher oder zu einem Rohrbündel-Typ oder zur Vergrößerung des Rohrdurchmessers.

Wärmeübertragungsmechanismen bei der Berechnung von Wärmetauschern

Die drei Hauptarten der Wärmeübertragung sind Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung.

Bei Wärmeaustauschprozessen, die nach den Prinzipien des Wärmeleitungsmechanismus ablaufen, wird Wärmeenergie in Form einer Energieübertragung elastischer atomarer und molekularer Schwingungen übertragen. Die Übertragung dieser Energie zwischen verschiedenen Atomen erfolgt in abnehmender Richtung.

Die Berechnung der Eigenschaften der Wärmeenergieübertragung nach dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeit erfolgt nach dem Fourier-Gesetz

Daten zur Oberfläche, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturgradient, Durchflussdauer werden zur Berechnung der Wärmemenge verwendet.Das Konzept eines Temperaturgradienten ist definiert als die Änderung der Temperatur in Richtung der Wärmeübertragung um die eine oder andere Längeneinheit.

Die Wärmeleitfähigkeit ist die Geschwindigkeit des Wärmeaustauschprozesses, d.h. die Menge an Wärmeenergie, die pro Zeiteinheit durch eine beliebige Oberflächeneinheit fließt.

Wie Sie wissen, zeichnen sich Metalle durch den höchsten Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten im Vergleich zu anderen Materialien aus, der bei allen Berechnungen von Wärmeaustauschprozessen berücksichtigt werden muss. Flüssigkeiten haben in der Regel einen relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten im Vergleich zu Körpern in festem Aggregationszustand.

Mit der Fourier-Gleichung kann die Menge der übertragenen Wärmeenergie zur Berechnung von Wärmetauschern berechnet werden, bei der Wärmeenergie zwischen verschiedenen Medien durch die Wand übertragen wird. Es ist definiert als die Menge an Wärmeenergie, die durch eine Ebene fließt, die durch eine sehr geringe Dicke gekennzeichnet ist:

Nach einigen mathematischen Operationen erhalten wir die folgende Formel

Daraus kann geschlossen werden, dass der Temperaturabfall innerhalb der Wand nach dem Gesetz einer geraden Linie durchgeführt wird.

Hydraulische Berechnung

Hydraulische oder hydromechanische sowie aerodynamische Berechnungen werden durchgeführt, um die hydraulischen (aerodynamischen) Druckverluste im Wärmetauscher zu bestimmen und zu optimieren sowie die Energiekosten zu berechnen, um diese zu überwinden. Die Berechnung eines Pfades, Kanals oder Rohrs für den Durchgang des Kühlmittels stellt eine Hauptaufgabe für eine Person dar - die Intensivierung des Wärmeübertragungsprozesses in diesem Bereich. Das heißt, ein Medium sollte übertragen werden und das andere sollte im Mindestintervall seines Flusses so viel Wärme wie möglich erhalten. Hierzu wird häufig eine zusätzliche Wärmeaustauschfläche in Form einer entwickelten Oberflächenrippenbildung verwendet (um die laminare Grenzunterschicht zu trennen und die Strömungsturbulisierung zu verbessern). Das optimale Ausgleichsverhältnis von Hydraulikverlusten, Wärmeaustauschfläche, Gewichts- und Größenmerkmalen und entzogener Wärmeleistung ist das Ergebnis einer Kombination aus thermischer, hydraulischer und konstruktiver Berechnung der TOA.

Verifizierungsberechnung

Die Berechnung des Wärmetauschers erfolgt für den Fall, dass ein Spielraum für die Leistung oder für die Fläche der Wärmetauscherfläche festgelegt werden muss. Die Oberfläche ist aus verschiedenen Gründen und in verschiedenen Situationen reserviert: Wenn dies gemäß den Bestimmungen erforderlich ist, wenn der Hersteller beschließt, einen zusätzlichen Spielraum hinzuzufügen, um sicherzustellen, dass ein solcher Wärmetauscher in Betrieb genommen wird, und um ihn zu minimieren Fehler in den Berechnungen gemacht. In einigen Fällen ist Redundanz erforderlich, um die Ergebnisse der Auslegungsabmessungen abzurunden, in anderen Fällen (Verdampfer, Economizer) wird ein Oberflächenrand speziell in die Berechnung der Verunreinigungskapazität des Wärmetauschers mit im Kühlkreislauf vorhandenem Kompressoröl einbezogen. Und die geringe Wasserqualität muss berücksichtigt werden. Nach einiger Zeit ununterbrochenen Betriebs von Wärmetauschern, insbesondere bei hohen Temperaturen, setzt sich Kalk auf der Wärmeaustauschfläche der Vorrichtung ab, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient verringert wird und zwangsläufig zu einer parasitären Abnahme der Wärmeabfuhr führt. Daher achtet ein kompetenter Ingenieur bei der Berechnung eines Wasser-Wasser-Wärmetauschers besonders auf die zusätzliche Redundanz der Wärmetauscheroberfläche. Die Verifizierungsberechnung wird auch durchgeführt, um zu sehen, wie das ausgewählte Gerät in anderen sekundären Modi funktioniert. Beispielsweise werden in zentralen Klimaanlagen (Luftversorgungseinheiten) im Sommer häufig erste und zweite Heizgeräte verwendet, die in der kalten Jahreszeit verwendet werden, um die einströmende Luft zu kühlen, indem die Rohre des Luftwärmetauschers mit kaltem Wasser versorgt werden.Wie sie funktionieren und welche Parameter sie ausgeben, ermöglicht es Ihnen, die Verifizierungsberechnung auszuwerten.

Gerät und Funktionsprinzip

Wärmeaustauschgeräte auf dem modernen Markt werden in einer Vielzahl präsentiert.

Das gesamte verfügbare Sortiment an Produkten dieser Linie kann in zwei Typen unterteilt werden, z.

• Plattenaggregate;
• Rohrbündelvorrichtungen.

Die letztere Sorte wird aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades sowie ihrer Größe heute fast nicht mehr auf dem Markt verkauft. Der Plattenwärmetauscher besteht aus identischen Wellplatten, die an einem stabilen Metallrahmen befestigt sind. Die Elemente sind spiegelbildlich zueinander angeordnet, und zwischen ihnen befinden sich Stahl- und Gummidichtungen. Die nutzbare Wärmeaustauschfläche hängt direkt von der Größe und Anzahl der Platten ab.

Plattengeräte können je nach Konfiguration in zwei Unterarten unterteilt werden, z.

• gelötete Einheiten;
• abgedichtete Wärmetauscher.

Zusammenklappbare Geräte unterscheiden sich von Produkten eines gelöteten Baugruppentyps darin, dass das Gerät bei Bedarf aufgerüstet und an die persönlichen Bedürfnisse angepasst werden kann, z. B. durch Hinzufügen oder Entfernen einer bestimmten Anzahl von Platten. Abgedichtete Wärmetauscher sind in Bereichen gefragt, in denen hartes Wasser für den häuslichen Bedarf verwendet wird, da sich auf den Elementen des Geräts Getränke und verschiedene Verunreinigungen ansammeln. Diese Neoplasien beeinträchtigen die Effizienz des Geräts, daher müssen sie regelmäßig gereinigt werden. Aufgrund ihrer Konfiguration ist dies immer möglich.

Nicht zerlegbare Geräte zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• hohe Beständigkeit gegen hohe Druck- und Temperaturschwankungen;
• lange Lebensdauer;
• Leicht.

Die gelöteten Baugruppen werden gereinigt, ohne die gesamte Struktur zu zerlegen.

Basierend auf der Berechnung des Typs und der Installationsoption des Geräts sollten zwei Arten von Wärmetauschern für Warmwasser aus der Heizung unterschieden werden.

• Interne Wärmetauscher befinden sich in den Heizgeräten selbst - Öfen, Kesseln und anderen. Eine solche Installation ermöglicht es Ihnen, während des Betriebs der Produkte maximale Effizienz zu erzielen, da der Wärmeverlust beim Heizen des Gehäuses minimal ist. In der Regel werden solche Geräte bereits bei der Herstellung der Kessel in den Kessel eingebaut. Dies erleichtert die Installation und Inbetriebnahme erheblich, da Sie nur die erforderliche Betriebsart des Wärmetauschers einstellen müssen.

• Externe Wärmetauscher müssen getrennt von der Wärmequelle angeschlossen werden. Solche Geräte sind für den Einsatz in Fällen relevant, in denen der Betrieb des Geräts von einer Fernheizquelle abhängt. Ein Beispiel sind Häuser mit Zentralheizung. In dieser Ausführungsform wirkt die Haushaltseinheit, die das Wasser erwärmt, als externe Vorrichtung.

Unter Berücksichtigung der Art des Materials, aus dem Trennwände hergestellt werden, sollten folgende Modelle hervorgehoben werden:

• Stahlwärmetauscher;
• Geräte aus Gusseisen.

Darüber hinaus zeichnen sich kupfergelötete Systeme aus. Sie werden zur Fernwärme in Mehrfamilienhäusern eingesetzt.

Die folgenden Eigenschaften sollten bei den Merkmalen von Gusseisengeräten berücksichtigt werden:

• Der Rohstoff kühlt ziemlich langsam ab, was den Betrieb des gesamten Heizsystems spart.
• Das Material hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Alle Gusseisenprodukte haben inhärente Eigenschaften, bei denen es sich sehr schnell erwärmt und Wärme an andere Elemente abgibt.
• Das Rohmaterial ist beständig gegen Zunderbildung auf der Basis, außerdem ist es beständiger gegen Korrosion.
• Durch die Installation zusätzlicher Abschnitte können Sie die Leistung und Funktionalität des gesamten Geräts erhöhen.
• Produkte aus diesem Material können in Teilen transportiert und in Abschnitte unterteilt werden, was den Lieferprozess sowie die Installation und Wartung des Wärmetauschers erleichtert.

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Wie jedes andere Produkt weist ein solches abhängiges Gerät die folgenden Nachteile auf:

• Gusseisen zeichnet sich durch seine geringe Beständigkeit gegen starke Temperaturschwankungen aus. Solche Phänomene können mit der Bildung von Rissen an der Vorrichtung behaftet sein, die die Leistung des Wärmetauschers negativ beeinflussen.
• Gusseiseneinheiten sind selbst bei großen Abmessungen sehr zerbrechlich, daher können mechanische Beschädigungen, insbesondere beim Transport von Produkten, diese ernsthaft beschädigen.
• Das Material neigt zu trockener Korrosion.
• Die große Masse und die Abmessungen des Geräts erschweren manchmal die Entwicklung und Installation des Systems.

Stahlwärmetauscher für die Warmwasserversorgung zeichnen sich durch folgende Vorteile aus:

• hohe Wärmeleitfähigkeit;
• kleine Masse von Produkten. Stahl macht das System nicht schwerer, daher sind solche Geräte die beste Option, wenn ein Wärmetauscher benötigt wird, dessen Aufgabe es ist, eine große Fläche zu warten.
• Stahleinheiten sind gegen mechanische Beanspruchung beständig;
• Der Stahlwärmetauscher reagiert nicht auf Temperaturschwankungen innerhalb der Struktur.
• Das Material weist gute Elastizitätseigenschaften auf. Ein längerer Kontakt mit einem stark erhitzten oder gekühlten Medium kann jedoch zur Bildung von Rissen im Bereich der Schweißnähte führen.

Die Nachteile von Geräten umfassen die folgenden Merkmale:

• Anfälligkeit für elektrochemische Korrosion. Daher wird bei ständigem Kontakt mit einer aggressiven Umgebung die Lebensdauer des Geräts erheblich verkürzt.
• Geräte können die Arbeitseffizienz nicht steigern.
• Die Stahleinheit verliert sehr schnell Wärme, was mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch für einen produktiven Betrieb verbunden ist.
• geringe Wartbarkeit. Es ist fast unmöglich, das Gerät mit eigenen Händen zu reparieren.
• Die Endmontage des Stahlwärmetauschers erfolgt unter den Bedingungen der Werkstatt, in der er hergestellt wurde. Die Einheiten sind monolithische Blöcke von großer Größe, aufgrund derer es Schwierigkeiten bei ihrer Lieferung gibt.

Um die Qualität von Stahlwärmetauschern zu verbessern, bedecken einige Hersteller die Innenwände mit Gusseisen, wodurch die Zuverlässigkeit der Struktur erhöht wird.

Moderne Wärmetauscher sind Einheiten, deren Betrieb auf unterschiedlichen Prinzipien beruht:

• Bewässerung;
• Tauchboot;
• hartgelötet;
• oberflächlich;
• zusammenklappbar;
• gerippte Lamelle;
• Mischen;
• Shell-and-Tube und andere.

Plattenwärmetauscher für die Warmwasserversorgung und -heizung unterscheiden sich jedoch positiv von einer Reihe anderer. Dies sind Durchflussheizungen. Installationen sind eine Reihe von Platten, zwischen denen zwei Kanäle gebildet werden: heiß und kalt. Sie sind durch eine Stahl- und Gummidichtung getrennt, so dass ein Vermischen der Medien vermieden wird.

Die Platten sind zu einem Block zusammengebaut. Dieser Faktor bestimmt die Funktionalität des Geräts. Die Platten sind gleich groß, befinden sich jedoch in einer Drehung um 180 Grad, was der Grund für die Bildung von Hohlräumen ist, durch die Flüssigkeiten transportiert werden. Auf diese Weise wird der Wechsel von kalten und heißen Kanälen gebildet und ein Wärmeaustauschprozess gebildet.

Die Umwälzung in dieser Art von Ausrüstung ist intensiv. Die Bedingungen, unter denen der Wärmetauscher für Warmwasserversorgungssysteme verwendet wird, hängen vom Material der Dichtungen, der Anzahl der Platten, ihrer Größe und ihrem Typ ab. Anlagen, die Warmwasser aufbereiten, sind mit zwei Kreisläufen ausgestattet: einem für Warmwasser und einem für die Raumheizung. Plattenmaschinen sind sicher, produktiv und werden in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Vorbereitung eines Wärmeträgers in Warmwasserversorgungs-, Lüftungs- und Heizsystemen;
• Kühlung von Lebensmitteln und Industrieölen;
• Warmwasserversorgung für Duschen in Unternehmen;
• zur Herstellung des Wärmeträgers in Fußbodenheizungssystemen;
• zur Herstellung eines Wärmeträgers in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie;
• Poolwassererwärmung und andere Wärmeaustauschprozesse.

Forschungsberechnungen

Forschungsberechnungen von TOA werden auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse von Wärme- und Verifizierungsberechnungen durchgeführt. Sie müssen in der Regel die neuesten Änderungen am Design der projizierten Apparatur vornehmen. Sie werden auch durchgeführt, um alle im implementierten Berechnungsmodell TOA festgelegten Gleichungen zu korrigieren, die empirisch (nach experimentellen Daten) erhalten wurden. Das Durchführen von Forschungsberechnungen umfasst zehn und manchmal Hunderte von Berechnungen nach einem speziellen Plan, der gemäß der mathematischen Theorie der Versuchsplanung entwickelt und in der Produktion implementiert wurde. Den Ergebnissen zufolge wird der Einfluss verschiedener Bedingungen und physikalischer Größen auf die Leistungsindikatoren von TOA aufgedeckt.

Andere Berechnungen

Vergessen Sie bei der Berechnung der Fläche des Wärmetauschers nicht die Beständigkeit der Materialien. Die TOA-Festigkeitsberechnungen umfassen die Überprüfung der entworfenen Einheit auf Spannung und Torsion, um die maximal zulässigen Betriebsmomente auf die Teile und Baugruppen des zukünftigen Wärmetauschers anzuwenden. Bei minimalen Abmessungen muss das Produkt langlebig und stabil sein und einen sicheren Betrieb unter verschiedenen, selbst unter stressigsten Betriebsbedingungen gewährleisten.

Eine dynamische Berechnung wird durchgeführt, um die verschiedenen Eigenschaften des Wärmetauschers bei variablen Betriebsarten zu bestimmen.

Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher

Betrachten wir die einfachste Berechnung eines Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers. Strukturell wird diese Art von TOA so weit wie möglich vereinfacht. In der Regel wird ein heißes Kühlmittel in das Innenrohr der Vorrichtung eingelassen, um Verluste zu minimieren, und ein Kühlmittel wird in das Gehäuse oder in das Außenrohr eingeleitet. Die Aufgabe des Ingenieurs reduziert sich in diesem Fall darauf, die Länge eines solchen Wärmetauschers anhand der berechneten Fläche der Wärmetauscheroberfläche und der angegebenen Durchmesser zu bestimmen.

Hier sollte hinzugefügt werden, dass das Konzept eines idealen Wärmetauschers in die Thermodynamik eingeführt wird, dh eine Vorrichtung unendlicher Länge, bei der die Kühlmittel in einem Gegenstrom arbeiten und die Temperaturdifferenz zwischen ihnen vollständig ausgelöst wird. Das Rohr-in-Rohr-Design kommt diesen Anforderungen am nächsten. Und wenn Sie die Kühlmittel in einem Gegenstrom laufen lassen, handelt es sich um den sogenannten "echten Gegenstrom" (und nicht um einen Querstrom wie in Platte TOA). Der Temperaturkopf wird bei einer solchen Bewegungsorganisation am effizientesten ausgelöst. Bei der Berechnung eines Rohr-in-Rohr-Wärmetauschers sollte man jedoch realistisch sein und die Logistikkomponente sowie die einfache Installation nicht vergessen. Die Länge des Eurotrucks beträgt 13,5 Meter, und nicht alle technischen Räume sind für das Schleudern und Installieren von Geräten dieser Länge geeignet.

Wie berechnet man den Wärmetauscher?

Der Spulenwärmetauscher muss unbedingt berechnet werden, da sonst seine Wärmeleistung möglicherweise nicht ausreicht, um den Raum zu heizen. Das Heizsystem ist so ausgelegt, dass Wärmeverluste ausgeglichen werden. Dementsprechend können wir die genaue Menge der benötigten Wärmeenergie nur anhand des Wärmeverlusts des Gebäudes ermitteln. Es ist ziemlich schwierig, eine Berechnung durchzuführen, daher benötigen sie im Durchschnitt 100 W pro 1 Quadratmeter bei einer Deckenhöhe von 2,7 m.

Zwischen den Kurven muss ein Spalt sein.

Für die Berechnung sind außerdem folgende Werte erforderlich:

• Pi;
• der Durchmesser des verfügbaren Rohrs (10 mm);
• Lambda-Wärmeleitfähigkeit von Metall (für Kupfer 401 W / m * K);
• das Delta der Vor- und Rücklauftemperatur des Kühlmittels (20 Grad).

Um die Länge des Rohrs zu bestimmen, müssen Sie die gesamte Wärmeleistung in W durch das Produkt der oben genannten Faktoren dividieren.Betrachten wir das Beispiel eines Kupferwärmetauschers mit einer erforderlichen Wärmeleistung von 3 kW - das sind 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (Wärmeleitfähigkeit Lambda) * 20 (Temperaturdelta) * 0,01 (Rohrdurchmesser in Metern)

Aus dieser Berechnung geht hervor, dass Sie 11,91 m Kupferrohr mit einem Durchmesser von 10 mm benötigen, damit die Wärmeabgabe der Spule 3 kW beträgt.

Rohrbündelwärmetauscher

Daher fließt die Berechnung einer solchen Vorrichtung sehr oft reibungslos in die Berechnung eines Rohrbündelwärmetauschers ein. Dies ist eine Vorrichtung, bei der sich ein Rohrbündel in einem einzigen Gehäuse (Gehäuse) befindet, das je nach Verwendungszweck der Ausrüstung von verschiedenen Kühlmitteln gewaschen wird. In Kondensatoren wird beispielsweise das Kältemittel in den Mantel und das Wasser in die Rohre geleitet. Mit dieser Methode zum Bewegen von Medien ist es bequemer und effektiver, den Betrieb der Vorrichtung zu steuern. In Verdampfern hingegen kocht das Kältemittel in den Rohren und gleichzeitig werden sie von der abgekühlten Flüssigkeit (Wasser, Salzlösung, Glykole usw.) gewaschen. Daher wird die Berechnung eines Rohrbündelwärmetauschers auf die Minimierung der Größe der Ausrüstung reduziert. Während der Ingenieur mit dem Durchmesser des Gehäuses, dem Durchmesser und der Anzahl der Innenrohre und der Länge des Geräts spielt, erreicht er den berechneten Wert der Fläche der Wärmeaustauschfläche.

Luftwärmetauscher

Einer der heute am häufigsten verwendeten Wärmetauscher sind röhrenförmige Rippenwärmetauscher. Sie werden auch Spulen genannt. Wo immer sie nicht installiert sind, ausgehend von Gebläsekonvektoren (vom englischen Gebläse + Spule, dh "Gebläse" + "Spule") in den internen Blöcken von Split-Systemen und endend mit riesigen Rauchgasrekuperatoren (Wärmeentnahme aus heißem Rauchgas und Transfer für Heizbedarf) in Kesselanlagen bei KWK. Aus diesem Grund hängt die Konstruktion eines Spulenwärmetauschers von der Anwendung ab, in der der Wärmetauscher in Betrieb genommen wird. Industrielle Luftkühler (VOPs), die in Explosionsgefrierkammern von Fleisch, in Gefrierschränken mit niedrigen Temperaturen und an anderen Objekten der Lebensmittelkühlung installiert sind, erfordern bestimmte Konstruktionsmerkmale in ihrer Leistung. Der Abstand zwischen den Lamellen (Rippen) sollte so groß wie möglich sein, um die Dauerbetriebszeit zwischen den Abtauzyklen zu verlängern. Verdampfer für Rechenzentren (Datenverarbeitungszentren) hingegen sind so kompakt wie möglich und halten den Abstand auf ein Minimum. Solche Wärmetauscher arbeiten in "sauberen Zonen", die von Feinfiltern (bis zur HEPA-Klasse) umgeben sind. Daher wird eine solche Berechnung des Rohrwärmetauschers durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf der Minimierung der Größe liegt.

Arten von Spulenwärmetauschern

Ein beheizter Handtuchhalter ist auch ein Spulenwärmetauscher.

Sie können eine Spule mit Ihren eigenen Händen in verschiedenen Designs und aus verschiedenen Metallarten (Stahl, Kupfer, Aluminium, Gusseisen) herstellen. Aluminium- und Gusseisenprodukte werden in Fabriken gestempelt, da die erforderlichen Bedingungen für die Arbeit mit diesen Metallen nur in einer Produktionsumgebung erreicht werden können. Ohne dies funktioniert es nur mit Stahl oder Kupfer. Es ist am besten, Kupfer zu verwenden, da es formbar ist und einen hohen Grad an Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es gibt zwei Schemata zum Herstellen einer Spule:

• Schraube;
• parallel.

Das Helixschema impliziert die Position der Spiralwindungen entlang einer Helixlinie. Das Kühlmittel in solchen Wärmetauschern bewegt sich in eine Richtung. Zur Erhöhung der Wärmeabgabe können bei Bedarf mehrere Spiralen nach dem "Pipe in Pipe" -Prinzip kombiniert werden.

Um den Wärmeverlust so gering wie möglich zu halten, müssen Sie auswählen, welche Art der Isolierung besser ist, um das Haus von außen zu isolieren. Es kommt auch auf das Material der Wände an.

Die Wahl der Dämmung für ein Holzhaus muss auf der Grundlage der Dampfdurchlässigkeit der Wärmedämmung getroffen werden.

In einem Parallelkreis ändert das Kühlmittel ständig seine Bewegungsrichtung. Ein solcher Wärmetauscher besteht aus geraden Rohren, die durch einen 180-Grad-Winkel verbunden sind.In einigen Fällen, zum Beispiel zur Herstellung eines Heizregisters, dürfen schwenkbare Knie nicht verwendet werden. Stattdessen wird ein direkter Bypass installiert, der sich sowohl an einem als auch an beiden Enden des Rohrs befinden kann.

Wärmeübertragungsmethoden

Das Funktionsprinzip eines Spulenwärmetauschers besteht darin, einen Stoff auf Kosten der Wärme eines anderen zu erwärmen. Somit kann das Wasser im Wärmetauscher durch eine offene Flamme erwärmt werden. In diesem Fall fungiert es als Kühlkörper. Aber auch die Spule selbst kann als Wärmequelle wirken. Zum Beispiel, wenn ein Kühlmittel durch die Rohre fließt, in einem Kessel oder mittels eines eingebauten elektrischen Heizelements erwärmt wird und seine Wärme vom Heizsystem auf Wasser übertragen wird. Grundsätzlich besteht der ultimative Zweck der Wärmeübertragung darin, die Innenluft zu erwärmen.

Plattenwärmetauscher

Derzeit sind Plattenwärmetauscher stark nachgefragt. Entsprechend ihrer Konstruktion sind sie vollständig zusammenlegbar und halbgeschweißt, kupfergelötet und nickelgelötet, geschweißt und gelötet nach der Diffusionsmethode (ohne Lot). Das thermische Design eines Plattenwärmetauschers ist flexibel genug und für einen Ingenieur nicht besonders schwierig. Bei der Auswahl können Sie mit der Art der Platten, der Stanztiefe der Kanäle, der Art der Riffelung, der Dicke des Stahls, verschiedenen Materialien und vor allem mit zahlreichen Modellen in Standardgröße von Geräten mit unterschiedlichen Abmessungen spielen. Solche Wärmetauscher sind niedrig und breit (zur Dampfheizung von Wasser) oder hoch und schmal (Trennwärmetauscher für Klimaanlagen). Sie werden häufig für Phasenwechselmedien verwendet, dh als Kondensatoren, Verdampfer, Einspritzkühler, Vorkondensatoren usw. Es ist etwas schwieriger, die thermische Berechnung eines Wärmetauschers durchzuführen, der nach einem Zweiphasenschema arbeitet als ein Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher, aber für einen erfahrenen Ingenieur ist diese Aufgabe lösbar und nicht besonders schwierig. Um solche Berechnungen zu vereinfachen, verwenden moderne Designer technische Computer-Basen, auf denen Sie viele notwendige Informationen finden, einschließlich Diagramme des Zustands eines Kältemittels in einem Scan, beispielsweise des CoolPack-Programms.