Рассчитать теплообменник: Как рассчитать мощность пластинчатого теплообменника?

В зависимости от  пути течения  (труба, кольцевое пространство и т. д.) и от это безразмерный параметр, по которому можно рассчитать коэффициент теплообмена. Вообще говоря, Nusselt  будет зависеть от других безразмерных параметров, таких как Reynolds, Prandtl, Graetz, Grashof и т. д. версия программного обеспечения HTRI Xchanger Suite v7.00.

Используется для оценки  теплообмен  вызванный теплопроводностью через стенку, разделяющую обе жидкости. Для круговой трубки, будучи k теплопроводности Metal , определяется как:

As TheTrageNger . примесей продукта (аналогично это происходит и со стороны обслуживания) осаждается на поверхностях, контактирующих с жидкостями. Эти засорение  сопротивления ухудшают процесс теплообмена.

Для применений (главным образом в промышленной сфере), в которых требуется отсрочка выключения для выполнения задач по очистке, общепринятой практикой является учет этих дополнительных сопротивлений с самого начала, что увеличивает размер оборудования. Для пищевых применений они не предусмотрены, так как задачи по очистке выполняются чаще.

Со стороны продукта это:

, тогда как в сервисном канале:

Расчет требуемой области обмена

, применив теплообменного уравнения . необходимая  область обмена . Учитывая, что диаметр внутренней трубы уже задан, решение задачи состоит в получении общей длины теплообменника Lt:

В результате мы получаем теоретическую необходимую площадь. Однако, так как необходимо выбрать длину доступной на рынке трубы L: если эта длина меньше теоретической, то необходимо последовательно разместить комплект теплообменников n:

В любом случае, всегда желательно, чтобы область обмена была выше теоретической, в зависимости от неопределенности при определении тепловые свойства  жидкостей,  сопротивление обрастанию  или коэффициенты теплопередачи . Для количественной оценки этого чрезмерного проектирования определяется общий коэффициент теплообмена, или «загрязненное значение К»:

Уравнения и расчеты кожухотрубного теплообменника

В этой статье мы подробно рассмотрим уравнения требуется для расчетов и проектирования кожухотрубных теплообменников.

Кожухотрубные теплообменники широко используются и очень популярны в обрабатывающей промышленности благодаря своей универсальности. Кожухотрубные теплообменники различных типов можно легко конфигурировать, изменяя расположение кожухотрубных теплообменников.

ИНДЕКС

1. Процедура проектирования кожухотрубного теплообменника
2. Уравнения теплообменника
3. Расчет конструкции кожухотрубного теплообменника

Процедура проектирования кожухотрубного теплообменника

Проектирование кожухотрубного теплообменника представляет собой итеративный процесс, который проходит через следующие этапы.

1. Определение технологических требований для нового теплообменника
2. Выберите подходящий тип кожухотрубного теплообменника
3. Определение параметров конструкции, таких как количество проходов трубы, размер трубы, внутренний диаметр оболочки и т. д.
4. Расчеты и моделирование теплообменника для получения выходных данных – температуры горячей/холодной жидкости на выходе, скорости теплопередачи, перепада давления на межтрубном пространстве и т. д.
5. Проверка выхода на соответствие требованиям процесса
   • Если производительность соответствует требованиям процесса, а стоимость находится в рамках бюджета, завершите проектирование процесса и подготовьте лист спецификаций теплообменника
   • Если проект не соответствует требованиям процесса или превышает бюджет, вернитесь к шагу 3, измените параметры проекта и повторите этот процесс еще раз.

Есть несколько уравнений, которые очень важны для расчетов, которые необходимо выполнить в процессе проектирования теплообменника.

Уравнения кожухотрубного теплообменника

Ниже приведен список всех важных уравнений кожухотрубного теплообменника.

Уравнение общей теплопередачи

Общая теплопередача в любом теплообменнике определяется следующим уравнением —

Уравнение-1

где, Q = общая скорость теплопередачи
U = общий коэффициент теплопередачи
_Общий = Общая поверхность теплопередачи, ары
LMTD = Средняя логарифмическая разность температур

Уравнение LMTD

Среднелогарифмическая разность температур представляет собой среднюю количественную оценку разности температур между кожухом и стенками трубы. Он рассчитывается по следующему уравнению.

Уравнение-2

Где,
ΔT ₁  → разность температур горячей и холодной жидкости на одном конце теплообменника
ΔT 2 0 разность температур горячей и холодной жидкости _{на другом конце теплообменника.}

LMTD с поправочным коэффициентом

Однако LMTD действителен только для теплообменников с одним проходом в кожухе и одним проходом в трубу. При множестве кожухотрубных проходов картина течения в теплообменнике не является ни прямоточной, ни чисто противоточной. Следовательно, чтобы учесть геометрическую неравномерность, среднелогарифмическую разность температур (LMTD) необходимо умножить на Поправочный коэффициент средней разности температур (MTD) (F _T )  для получения скорректированной средней разницы температур (Cкорректированная MTD).

Уравнение-3

Этот калькулятор поправочного коэффициента поможет вам быстро рассчитать поправочный коэффициент LMTD для кожухотрубного теплообменника с несколькими кожухотрубными проходами.

Количество трубок в зависимости от требуемой площади теплопередачи

Количество трубок, необходимых для кожухотрубного теплообменника (N _T ) можно рассчитать с помощью следующего уравнения, исходя из требований к общей площади теплопередачи.

Уравнение-4

Где мы получаем A _{Общая площадь} (требуемая общая площадь теплопередачи) из уравнения скорости теплопередачи (Уравнение-1).
OD — внешний диаметр трубы выбранного размера.
L — общая длина трубы.

Скорость жидкости со стороны трубы

Скорость жидкости со стороны трубы важна для оценки числа Рейнольдса со стороны трубы, а затем для получения коэффициента теплопередачи жидкости со стороны трубы. Мы можем использовать следующее уравнение для боковой скорости трубы.

Уравнение-5

Где, m = массовый расход на стороне трубы
N _P = количество проходов трубы
ID = внутренний диаметр трубы

Кроме того, число Рейнольдса для жидкости со стороны трубы рассчитывается как Уравнение коэффициента

Когда у нас есть дескриптор площади теплопередачи (A _{Суммарная} ) и разность температур (LMTD), единственным неизвестным в уравнении теплопередачи (Уравнение-1) остается общий коэффициент теплопередачи (U) . Мы можем использовать следующее уравнение, чтобы получить общий коэффициент теплопередачи для кожухотрубного теплообменника.

Уравнение-7

Где, H _O = коэффициент теплопередачи боковой передачи оболочки
H _I = Коэффициент бокового тепла в трубке
R _DO = Сторонный коэффициент DIRT
R _{DI DO = оболочка.} = коэффициент загрязнения со стороны трубы
OD и ID — соответственно внешний и внутренний диаметры для выбранного размера трубы
Ao и Ai — значения площади внешней и внутренней поверхности труб
k _w — значение сопротивления стенки трубы

Обратите внимание, что этот общий коэффициент теплопередачи рассчитывается на основе площади поверхности внешней трубы (Ao). Поэтому его необходимо умножить на значение Ao для использования в общем уравнении теплопередачи.

Расчет кожухотрубного теплообменника

Мы уже видели, что проектирование кожухотрубного теплообменника представляет собой итеративный процесс. Часто инженеры предпочитают использовать программное обеспечение для проектирования теплообменников для создания модели теплообменника. Затем вы можете использовать эту модель для имитации производительности теплообменника и проверки ее соответствия требованиям вашего процесса.

Однако, если вы решите вручную выполнить расчет параметров теплообменника, вот несколько калькуляторов и руководств, которые могут вам помочь.

Калькуляторы теплообменников

Обратите внимание, что все следующие калькуляторы предназначены для демонстрации. Чтобы получить доступ к фактически работающим калькуляторам, вам нужно будет создать логин на EnggCyclopedia.

1. Вот калькулятор размеров кожухотрубных теплообменников , который поможет вам рассчитать требуемую площадь теплопередачи на основе значений температуры на входе/выходе на кожухотрубных сторонах. Этот калькулятор предназначен для определения размера потока со стороны трубы на основе фиксированного потока со стороны кожуха . Другие требуемые входные данные: скорость потока, плотность, вязкость, значения удельной теплоемкости для жидкостей на межтрубном пространстве.
2. Этот другой калькулятор для межтрубного потока поможет вам рассчитать требуемую площадь поверхности, а также межтрубный поток, , когда у вас есть фиксированные условия на трубной стороне . Другие требуемые входные данные: скорость потока, плотность, вязкость, значения удельной теплоемкости для жидкостей на межтрубном пространстве.
3. Этот быстрый калькулятор LMTD помогает быстро рассчитать значение LMTD для обменника.
4. Затем есть еще один калькулятор для поправочного коэффициента LMTD.
5. Помимо этого, вам также потребуется рассчитать перепад давления на кожухе и трубе для вашего технического описания процесса. Этот калькулятор предназначен для расчета перепада давления на стороне корпуса.
6. Этот калькулятор можно использовать для определения перепада давления со стороны трубки.

Помимо этих калькуляторов, вы всегда можете использовать программное обеспечение для проектирования теплообменников, чтобы построить модель вашего теплообменника, а затем смоделировать его работу.

Учебники по расчету кожухотрубных теплообменников

Вот несколько пошаговых руководств о том, как использовать эти калькуляторы для расчетов кожухотрубных теплообменников. В этих руководствах мы будем использовать уравнения кожухотрубного теплообменника, рассмотренные выше.

1. Расчет общего коэффициента теплопередачи
2. Расчет толщины изоляции для стенки печи
3. Руководство по расчету LMTD
4. Расчет LMTD, когда формула не работает
5. Учебное пособие. Расчет перепада давления в кожухе теплообменника
6. Учебное пособие. Расчет перепада давления в трубном теплообменнике

Рекомендуемые шаги

Вот несколько рекомендуемых шагов для использования расчетных уравнений теплообменника —

1. Фиксация значений температуры на входе/выходе
2. Вычислить LMTD
3. Выберите трубку кожухотрубного теплообменника (ТЕМА)
4. Выбор геометрии кожуха и трубы
5. Расчет площади теплопередачи на основе выбранной геометрии (A _{Комбинезон} )
6. Получите общий коэффициент теплопередачи (U), используя подходящую эмпирическую корреляцию для данной жидкости, например уравнение Зидера-Тейта
7. Рассчитайте общую скорость теплопередачи (Q), используя уравнение-1
8. Проверка совпадения Q с потерями/приобретением тепла при изменении температуры на горячей и холодной стороне. Это основной энергетический баланс межтрубных/межтрубных жидкостей.
9. Проверьте падение давления на кожухе и трубе. Соответствует ли допустимый перепад давления технологическим требованиям?
10. Если проект соответствует технологическим требованиям, проверьте ориентировочную стоимость материалов. Они в рамках бюджета?
11. Если проверка проекта или бюджета не удалась, вернитесь к шагу 4 и повторяйте процесс, пока не получите удовлетворительную конструкцию кожухотрубного теплообменника.

Советы и указания по расчету теплообменника

• Боковые перегородки кожуха используются для обеспечения поперечного потока и улучшения теплообмена между двумя жидкостями. Расстояние между боковыми перегородками кожуха оказывает важное влияние на степень теплопередачи. Вы можете использовать эти рекомендации для выбора оптимального расстояния между боковыми перегородками корпуса. Обычно рекомендуется учитывать расстояние между перегородками от 0,3 до 0,6 внутреннего диаметра оболочки в соответствии со стандартами TEMA.
• Температура приближения к теплообменнику является важным фактором, влияющим на конструкцию теплообменника. Прежде чем приступать к расчету размеров, рекомендуется тщательно обдумать выбранную утилиту и соответствующую температуру приближения.

Взаимосвязь тепловой нагрузки теплообменника и паровой нагрузки

Насыщенный пар используется для обеспечения первичного тепла технологической жидкости в теплообменнике. Термин «теплообменник» используется для описания всех типов оборудования, в которых осуществляется передача тепла от одной жидкости к другой. Для удобства это широкое определение будет применяться к термину теплообменник. Хотя в основном речь идет о кожухотрубных теплообменниках и пластинчатых теплообменниках, останов может также иметь отношение к приложениям, включая батареи воздухонагревателей, змеевики погружных резервуаров, сосуды с рубашкой и накопительные калориферы.

Приложения с регулированием температуры

В приложениях с регулированием температуры температура вторичной жидкости на входе в теплообменник может меняться со временем. Это означает, что для поддержания постоянной температуры вторичной жидкости на выходе тепло, подводимое к теплообменнику, также должно изменяться. Этого можно добиться, используя регулирующий клапан на входе в первичную сторону теплообменника, как показано на Рисунок 13.2.1..

Регулирующий клапан используется для изменения расхода и давления пара таким образом, чтобы поступление тепла в теплообменник можно регулировать. Модулируя положение регулирующего клапана, можно регулировать температуру вторичной жидкости на выходе. Датчик на выпуске вторичной жидкости контролирует ее температуру и подает сигнал на контроллер. Контроллер сравнивает фактическую температуру с заданной температурой и в результате дает сигнал приводу отрегулировать положение регулирующего клапана.
 
При постоянной площади нагрева и коэффициенте теплопередачи скорость, с которой тепло передается от пара к вторичной жидкости для конкретного теплообменника, определяется средней разностью температур между двумя жидкостями. Большая разница в средних температурах создаст большую скорость теплопередачи и наоборот. При частичном закрытии регулирующего клапана давление пара и разность температур падают. И наоборот, если регулирующий клапан открыт, так что массовый расход пара и, следовательно, давление в теплообменнике повышаются, средняя разница температур между двумя жидкостями увеличивается.
 
Изменение давления пара также немного повлияет на количество тепловой энергии, доступной в конденсирующемся паре, поскольку энтальпия испарения фактически падает с увеличением давления. Это означает, что скрытая теплота, доступная на кг пара, уменьшается по мере увеличения давления пара. Если требуется точность расхода пара, это необходимо учитывать.

Пример 13.2.1

Изготовитель должен спроектировать теплообменник, в котором по спецификации требуется пар под давлением 4 бар изб. для нагрева вторичной воды с 10°C до 60°C. Расход воды должен быть постоянным при всех нагрузках на уровне 1,5 л/с. Предполагается, что 1 литр воды имеет массу 1 кг, поэтому массовый расход = 1,5 л/с x 1 кг/л = 1,5 кг/с.
Производитель использует коэффициент теплопередачи «U» для теплообменника 2 500 Вт/м² °C. Примите удельную теплоемкость воды равной 4,19 кДж/кг °C.

Определить:

(A) расчетную тепловую нагрузку.
(B) Соответствующий расход пара.
(C) Минимальная необходимая площадь обогрева.
Также, если минимальная тепловая нагрузка потребителя возникает при повышении температуры воды на входе до 30°C, определить:
(D) Минимальную тепловую нагрузку.
(E) Соответствующее давление пара в теплообменнике.
(F) Соответствующий расход пара.

Расчеты:

(A) Найдите расчетную тепловую нагрузку, используя уравнение расхода теплопередачи (уравнение 2.6.5):

температура при минимальной нагрузке.

Расчетные цифры ΔT _LM можно использовать для точного прогнозирования температуры пара при любых условиях нагрузки, но для этого необходимо использовать логарифмические расчеты. Однако, как только обменник 9Если размер 0307 фиксирован, а расчетные температуры известны, гораздо проще предсказать рабочие температуры, используя то, что можно назвать расчетной постоянной температуры теплообменника (TDC).
Метод TDC не требует логарифмических вычислений. Обратите внимание: TDC нельзя использовать в тех случаях, когда вторичный расход изменяется или где управление достигается за счет изменения уровня конденсата в паровом пространстве.

Примечание. При определении размера теплообменника производители теплообменников обычно используют ΔT _LM метод. После определения размера, зная площадь нагрева и рабочие температуры при полной нагрузке, TDC можно использовать для точного прогнозирования всех рабочих температур, возникающих в результате изменений нагрузки, как показано в следующем тексте.

Рабочие температуры также можно предсказать графически, используя так называемую «диаграмму сваливания». Этот метод обсуждается в модулях 13.5, 13.6 и 13. 7.

Расчетная постоянная температуры (ВМТ)

Для любого типа теплообменника с паровым нагревом, в котором вторичная жидкость течет с постоянной скоростью, ВМТ можно рассчитать на основе данных испытаний, указанных производителем для полной нагрузки. Если эти наборы данных недоступны, а теплообменник уже установлен в эксплуатации, TDC можно рассчитать, наблюдая за давлением пара (и определяя температуру пара по таблицам пара) и соответствующие температуры вторичного входа и выхода при любой нагрузке.
TDC – отношение температур пара к температуре воды на входе и выходе; и показано в уравнении 13.2.2.

Уравнение TDC можно транспонировать, чтобы найти любую переменную, если известны три другие переменные. Следующие уравнения выводятся из уравнения ВМТ (уравнение 13.2.2).
Чтобы найти температуру пара при любой нагрузке, используйте уравнение 13.2.3:

Чтобы найти температуру вторичной жидкости на входе при любой нагрузке, используйте уравнение 13. 2.4:

Чтобы найти температуру жидкости на выходе вторичного контура при любой нагрузке, используйте уравнение 13.2.5:

Для любого теплообменника с постоянным расходом вторичного контура рабочую температуру пара можно рассчитать для любой комбинации температуры на входе и температуре на выходе. .
В примере 13.2.1 температура вторичного контура на выходе остается равной 60°C, а минимальная нагрузка возникает при температуре на входе 30°C. Какова температура пара при минимальной нагрузке?
Температура на входе = 30°C
Температура на выходе = 60°C

(E) Найдите соответствующее давление пара и энтальпию пара теплообменника при минимальной нагрузке
Из таблиц пара:
Температура пара 115,2°C соответствует давлению пара 0,7 бар изб. .
Удельная энтальпия испарения при 0,7 бар изб. (hfg) = 2 215 кДж/кг

(F) Найдите расход пара при минимальной нагрузке:
Из (D) минимальная тепловая нагрузка составляет 188,5 кВт.
Из (E) hfg составляет 2 215 кДж/кг.

Используя уравнение 2.8.1:

Как рассчитать эффективность пластинчатого теплообменника?

Пластинчатые теплообменники представляют собой эффективные устройства рекуперации тепла, используемые в различных коммерческих, промышленных и жилых помещениях. Извлекая ощутимую энергию из отработанного воздуха и используя ее для охлаждения или нагрева входящего воздуха, пластинчатый теплообменник может значительно снизить затраты на энергию в здании и воздействие на окружающую среду. Они построены по простому инженерному принципу. Слои алюминиевых или полимерных пластин располагаются в теплообменном сердечнике с зазорами между ними, что позволяет воздуху свободно проходить. Отработанный воздух тщательно направляется между некоторыми слоями. В то же время поступающий воздух направляется в другом направлении между другими слоями. В зависимости от климата отработанный воздух нагревает или охлаждает пластины. Затем эта ощутимая энергия передается поступающему воздуху. Современные пластинчатые теплообменники могут рекуперировать большую часть разумной энергии, поэтому их влияние значительно.

обладают и другими значительными преимуществами. Поскольку в пластинчатом теплообменнике подача входящего и вытяжного воздуха разделена, отсутствует риск перекрестного загрязнения. Пластинчатые теплообменники Swiss Rotors, например, проходят испытания в соответствии со стандартом EN308, чтобы гарантировать отсутствие утечек. Они также имеют гигиенические сертификаты VDI 6022 и SWKI VA104-01. Поскольку мир борется с пандемией и все больше внимания уделяет обеспечению качественной и чистой вентиляции помещений, нельзя недооценивать влияние устранения перекрестного загрязнения.

также способны к обратимой рекуперации энергии, что делает их хорошо подходящими для более теплого климата, где основное внимание уделяется охлаждению, а не нагреву поступающего воздуха. Они популярны в жарких регионах, таких как Ближний Восток, где спрос на решения HVAC постоянно высок. Наконец, пластинчатые теплообменники доступны в различных размерах. Это означает, что они подходят для разных зданий, разных ситуаций и разных отраслей.

Почему пластинчатый теплообменник является наиболее эффективной установкой для рекуперации тепла?

Чтобы понять, насколько эффективен пластинчатый теплообменник, мы должны сначала определить, как будет выглядеть «идеальное» решение.
Почему? Потому что эффективность — это сравнение реальной производительности и идеальной производительности. Профессор Ахмад Факери определяет эффективность теплообменника как «отношение тепла, переданного в реальном теплообменнике, к теплу, которое было бы передано в идеальном теплообменнике». Идеальная производительность устанавливается с помощью моделирования и включает ограничения, налагаемые такими факторами, как второй закон термодинамики, который гласит, что все большее количество энергии тратится впустую каждый раз, когда она передается или преобразуется. Путем установления уровней, связанных с «идеальной» или «идеальной» эффективностью теплообменника, который передает максимальное количество тепла и создает минимальное количество энтропии, устанавливается эталон, по которому можно измерять существующие пластинчатые теплообменники.

С учетом этих факторов, включенных в отраслевые расчеты, пластинчатые теплообменники неизменно считаются наиболее эффективными из всех теплообменников. Как правило, они могут достигать коэффициента полезного действия около 90%. Это выше, чем эффективность, обеспечиваемая котловыми, трубчатыми, спиральными или кожухотрубными теплообменниками. И именно эта эффективность делает пластинчатые теплообменники столь привлекательными для управляющих зданиями, стремящихся снизить свои затраты на электроэнергию и снизить воздействие на окружающую среду. Тем не менее, семейство пластинчатых теплообменников по-прежнему имеет ряд характеристик. Старые модели могут иметь более низкую эффективность, в то время как противоточные теплообменники — последняя версия пластинчатых теплообменников — выводят производительность на новый уровень. Эти модели следующего поколения сочетают в себе лучшие производственные практики с наиболее эффективным выбором материалов, упаковки и общих производственных затрат. Противоточные теплообменники удлиняют путь обмена энергией, сохраняя при этом минимально возможный перепад давления. В этом секрет их высокого уровня эффективности. Наряду с высоким уровнем рекуперации энергии и нулевым перекрестным загрязнением, противоточные теплообменники также имеют двойное соединение пластин (что обеспечивает герметичность), пластины уникальной формы (предназначенные для эффективного распределения воздуха) и сравнительно низкие закупочные цены. .

Противоточные теплообменники Swiss Rotors изготавливаются из алюминиевых или композитных пластин. Размеры варьируются от 19,5 x 10,5 дюймов до 46,5 x 37,5 дюймов. Все модели протестированы в соответствии с EN308 и работают при температуре от -40°F до 158°F (алюминиевые пластины) и от -4°F до 122°F (композитные пластины).

Расчет эффективности пластинчатых теплообменников

Существуют две основные модели, помогающие рассчитать КПД пластинчатого теплообменника. Метод среднелогарифмической разности температур (LMTD) определяет скорость теплопередачи с помощью следующего расчета:

Q = UA(FΔT лм )

В этом уравнении U — общий коэффициент теплопередачи, A — общая площадь теплопередачи, ΔT lm — среднелогарифмическая разность температур, F — среднелогарифмическая температура поправочный коэффициент разницы. Подход LMTD чаще всего используется, когда установлены температуры на входе и выходе, но размер теплообменника еще не определен. В качестве альтернативы подходу LMTD метод тепловой эффективности определяет реальную теплопередачу, происходящую внутри теплообменника, по сравнению с максимально возможной теплопередачей. Он выражается в виде отношения.

E = Q / Qmax  

Этот подход наиболее распространен, когда руководители зданий или инженеры пытаются определить скорость теплопередачи и температуру жидкости на выходе и уже знают размер теплообменника и температуру на входе. Компания Swiss Rotors разработала бесплатный онлайн-инструмент, который поможет вам рассчитать эффективность вашего пластинчатого теплообменника. Просто введите данные о воздухе (объем, расход, температура, относительная влажность) вместе с типом теплообменника, расстоянием между пластинами и измерениями статического давления. Затем инструмент рассчитает уровни эффективности вашего обменника — совершенно бесплатно.

Как выбрать наиболее эффективный пластинчатый теплообменник

Выбор наиболее эффективного пластинчатого теплообменника зависит от вашего варианта использования и более широкой среды, в которой вы работаете.
Однако нет никаких сомнений в том, что пластинчатый теплообменник является наиболее эффективным типом теплообменника, представленным в настоящее время на рынке, и противоточные теплообменники Swiss Rotors поднимают эту производительность на новый уровень. Наши противоточные теплообменники предлагают дополнительные опции для повышения производительности в соответствии с вашими требованиями. Например, выберите расстояние между ребрами 2 мм, чтобы обеспечить максимально возможную эффективность.
Или выберите расстояние между ребрами 3 мм, чтобы гарантировать минимальную потерю давления. Больницы и лаборатории регулярно выбирают наши противоточные теплообменники просто из-за высокого уровня гигиены. Конструкция теплообменника гарантирует разделение воздушных потоков с помощью либо ультразвуковой сварки, либо двойных кромок и клея-расплава для предотвращения утечек и перекрестного загрязнения. Это подтверждено действующими сертификатами VDI 6022 и SWKI VA104-01. Кроме того, все наши теплообменники проверяются на герметичность в соответствии с EN308.

Доступен полный диапазон размеров для всех стандартных отраслевых форматов, а вариант из алюминия или полимера обеспечивает универсальность, способную удовлетворить различные потребности. Полимерные противоточные теплообменники, например, обычно дешевле и проще в обращении в процессе производства, что снижает цену конечного продукта. Они также более устойчивы к коррозии и проще в установке из-за своего меньшего веса. Между тем алюминиевые противоточные теплообменники предлагают более широкий диапазон рабочих температур. Они могут работать при температуре от -40ºC до 70ºC, и для очистки и текущего обслуживания им требуется воздушный компрессор, а не мойка высокого давления.

Предлагая реверсивную рекуперацию энергии, противоточные теплообменники подходят как для охлаждения, так и для обогрева зданий. Наш высокоавтоматизированный производственный процесс основан на гарантии швейцарской точности, конкурентоспособных цен и короткого двухнедельного срока поставки.

Хотите узнать больше? Узнайте все подробности о наших противоточных теплообменниках или в технических характеристиках .

Теория теплообменника и расчетное уравнение теплообменника

Введение

Расчетное уравнение теплообменника можно использовать для расчета необходимой площади поверхности теплопередачи для различных жидкостей, температур на входе и выходе, а также типов и конфигураций теплообменников, включая противоточные или параллельные потоки. Необходимо значение общего коэффициента теплопередачи для данного теплообменника, жидкостей и температур. Расчеты теплообменника могут быть выполнены для требуемой площади теплопередачи или скорости теплопередачи для теплообменника заданной площади.

Теория теплообменника приводит к основному уравнению расчета теплообменника: Q = U A ΔTlm, где

Q — скорость теплопередачи между двумя жидкостями в теплообменнике в бат/ч,

U — общая теплопередача коэффициент в Btu/hr-ft2-oF,

A – площадь поверхности теплопередачи в ft2,

и ΔTlm – среднелогарифмическая разность температур в oF, рассчитанная по температурам на входе и выходе обеих жидкостей.

При расчете теплообменников основное расчетное уравнение теплообменника можно использовать для расчета требуемой площади теплообменника при известных или расчетных значениях трех других параметров, Q, U и ΔTlm. Теперь мы кратко обсудим каждый из этих параметров.

Средняя логарифмическая разница температур

Движущей силой любого процесса теплопередачи является разница температур. Для теплообменников задействованы две жидкости, причем температуры обеих меняются при прохождении через теплообменник, поэтому необходим некоторый тип

средней разности температур. Во многих учебниках по теплопередаче есть вывод, показывающий, что среднелогарифмическая разность температур является правильной средней температурой для использования в расчетах теплообменника. Эта логарифмическая средняя температура определяется с точки зрения разницы температур, как показано в уравнении справа. THin и THout — температуры на входе и выходе горячей жидкости, а TCin и TCout — температуры на входе и выходе холодной жидкости. Эти четыре температуры показаны на диаграмме слева для прямотрубного двухходового кожухотрубного теплообменника с холодной жидкостью в качестве межтрубной жидкости и горячей жидкостью в качестве межтрубной жидкости.

Скорость теплопередачи, Q

Для расчетов теплообменника с расчетным уравнением теплообменника требуется значение скорости теплопередачи Q, которое можно рассчитать на основе известного расхода одной из жидкостей, ее теплоемкости и требуемое изменение температуры. Используемое уравнение:

Q = мН CpH (THin — THout) = mC CpC (TCout — TCin), где

mH = массовый расход горячей жидкости, порции/час,

CpH = теплоемкость горячей жидкости, БТЕ/слаг-oF

мКл = массовый расход холодной жидкости, порций/час,

CpC = теплоемкость холодной жидкости, БТЕ/поршень-oF,

и температуры определены в предыдущем разделе.

Требуемая скорость теплопередачи может быть определена по известному расходу, теплоемкости и изменению температуры горячей или холодной жидкости. Затем можно рассчитать либо расход другой жидкости при заданном изменении температуры, либо температуру на выходе при известных расходе и температуре на входе.

Общий коэффициент теплопередачи, U

Общий коэффициент теплопередачи, U, зависит от проводимости через стенку теплопередачи, разделяющую две жидкости, и

коэффициентов конвекции по обеим сторонам стенки теплопередачи. Например, для кожухотрубного теплообменника будет существовать коэффициент внутренней конвекции для жидкости со стороны труб и коэффициент внешней конвекции для жидкости со стороны кожуха. Коэффициент теплопередачи для данного теплообменника часто определяется эмпирически путем измерения всех других параметров в основном уравнении теплообменника и расчета U. Типичные диапазоны значений U для различных комбинаций теплообменник/жидкость доступны в учебниках, руководствах и на веб-сайтах. сайты. Выборка приведена в таблице справа для кожухотрубных теплообменников:

Резюме

Предварительный расчет теплообменника для оценки требуемой площади поверхности теплообменника может быть выполнен с использованием базового уравнения теплообменника Q = U A ΔTlm, если значения Q, U и ΔTlm известны или могут быть оценены. Теория теплообменников говорит нам, что ΔTlm – это правильная средняя разность температур.

Пример расчета предварительной конструкции теплообменника см. в статье «Пример предварительной конструкции теплообменника».

Шаблоны электронных таблиц Excel, которые можно загрузить для выполнения предварительных расчетов конструкции теплообменника, см. в статье: «Шаблоны электронных таблиц Excel для предварительного проектирования теплообменника».

Ссылки и кредит изображения

Ссылки для получения дополнительной информации:

1. Бенгтсон, Х., Основы теплообменников, онлайновый курс повышения квалификации для кредита PDH

2. Какак, С. и Лю, Х. ., Теплообменники: выбор, рейтинг и тепловой расчет , CRC Press, 2002.

3. Куппан, Т., Справочник по проектированию теплообменников , CRC Press, 2000.

Изображение предоставлено:

Прямая труба, двухходовой кожухотрубный теплообменник: https://www.e-steamboilers. com/en/shell_tube_heat_ex.asp

Этот пост является частью серии: Проект теплообменника

Проект теплообменника включает оценку площади теплообмена, необходимой для известной или расчетной скорости теплопередачи, общего коэффициента теплопередачи и логарифмической средней разницы температур. Также необходимо определить диаметр и длину трубы или трубы, а также перепад давления.

1. Основы теории и конструкции теплообменника
2. Пример предварительной конструкции теплообменника
3. Предварительное проектирование теплообменника – расчеты
4. Формулы Excel для расчета падения давления в конструкции кожухотрубного теплообменника
5. Расчеты для оценки общего коэффициента теплопередачи

Выбор теплообменника

Выбор охлаждающей жидкости

Для выбора правильный теплообменник или масляный радиатор, вы должны сначала определить требуемые тепловые характеристики для вашего приложения. Используйте пример, показанный ниже:

Шаг 1: Данные приложения

Тип жидкости: Вода
Требуемая тепловая нагрузка (Q): 3 300 Вт (11 263 БТЕ/ч)
Темп. поступающей жидкости (Tжидкость на входе): 80°C (176°F)
Темп. входящего воздуха (Tair in): 21°C (70°F)
Скорость потока жидкости: 2 гал/мин (7,6 л/мин)

Шаг 2. Выберите серию теплообменника

Выберите теплообменник из алюминия, меди или нержавеющей стали обменник на основе совместимости жидкости. Алюминиевые трубки обычно используются с легкими маслами или растворами этиленгликоля и воды. Медь обычно используется с водой. Нержавеющая сталь используется с деионизированной водой или агрессивными жидкостями.

Шаг 3: Расчет начальной разности температур

Вычтите температуру поступающего воздуха из температуры поступающей жидкости, когда она поступает в теплообменник.

ITD = Tжидкость на входе — Tair на входе = 80°C — 21°C = 59°C или (176°F — 70°F = 106°F)

Шаг 4: Расчет требуемой производительности (Q/ITD)

Разделите требуемую тепловую нагрузку (Q) на ITD, найденный выше в шаге 3.

Шаг 5: Выберите подходящую модель теплообменника

См. графики тепловых характеристик выбранных теплообменников (см. графики производительности для медных теплообменников — серии 6000 и теплообменников OEM, теплообменников из нержавеющей стали — серии Aspen и серии 4000 и алюминиевых теплообменников — серии ES). Подойдет любой теплообменник, мощность которого превышает 56 Вт/°C при 7,5 л/мин (2 гал/мин) (с использованием стандартного вентилятора). Как показано на следующем графике, теплообменник 6210 соответствует требуемой производительности, достигая 56 Вт/°C на пересечении линии вентиляторов Marin с частотой 60 Гц.

Шаг 6: Определение перепада давления жидкости

Из приведенных данных мы знаем, что наш насос должен подавать воду со скоростью 2 галлона в минуту (7,5 л/мин). Используя диаграмму падения давления на стороне жидкости для кривой 6210, точка, где вертикальная линия в точке 2 гал/мин (7,5 л/мин) на оси X пересекается с кривой 6210, показывает, что падение давления жидкости на 6210 составляет 8 фунтов на кв. дюйм (0,55 л/мин). бары). Выбранный насос должен преодолеть этот перепад давления, чтобы обеспечить расход 2 галлона в минуту (7,5 л/мин).

Шаг 7. Определение падения давления воздуха

Вертикальная линия на диаграмме тепловых характеристик указывает расход воздуха (190 кубических футов в минуту для вентилятора Marin), обеспечиваемый нашими стандартными вентиляторами при частоте 60 Гц. Точка пересечения этого расхода воздуха и графика падения давления со стороны воздуха 6210 показывает, что падение давления со стороны воздуха через 6210 составляет 0,24 дюйма водяного столба (55 паскалей).

Характеристики охлаждающего воздуха

При охлаждении шкафов воздух горячее жидкости. В этом случае ITD представляет собой разницу между горячим воздухом, поступающим в теплообменник, и холодной жидкостью, поступающей в теплообменник. Возможно, вам потребуется рассчитать повышение температуры, используя тепловую нагрузку и температуру холодного воздуха, поступающего в шкаф.

Пример: приложение для охлаждения шкафа

Вы охлаждаете шкаф, содержащий электронные компоненты, которые выделяют 2400 Вт тепла. Температура воздуха в шкафу не должна превышать 55°C. Какой теплообменник выбрать и какова температура холодного воздуха, поступающего в шкаф электроники?

Шаг 1: Данные по применению

Тип жидкости: Вода
Требуемая тепловая нагрузка (Q): 2400 Вт (8189 БТЕ/ч)
Темп. поступающей жидкости (Tжидкость на входе): 20°C (68°F)
Максимальная температура воздуха в шкафу (Tair на входе): 55°C (131°F) — это температура горячего воздуха, поступающего в теплообменник
Скорость потока жидкости: 2 галлона в минуту (7,6 л/мин)

Этап 2: Расчет начальной разности температур

Вычтите температуру поступающей жидкости из температуры поступающего воздуха, когда он поступает в теплообменник.

ITD = Tвход — Tвход = 55°C – 20°C = 35°C (или 131°F – 68°F = 63°F)

Шаг 3: Рассчитайте требуемую производительность (Q/ITD)

Разделите требуемую тепловую нагрузку (Q) на ITD, найденный выше в шаге 2.

Шаг 4: Выберите подходящую модель теплообменника

См. графики тепловых характеристик выбранных теплообменников (см. графики производительности для медных теплообменников — серии 6000 и теплообменников OEM, теплообменников из нержавеющей стали — серии Aspen и серии 4000 и алюминиевых теплообменников — серии ES). Подойдет любой теплообменник, мощность которого превышает 68,6 Вт/°C при расходе 2 гал/мин (7,6 л/мин) (с использованием стандартного вентилятора). При использовании воды в качестве хладагента рекомендуется медный теплообменник. Как показано на следующем графике, 6310 превосходит требуемую производительность, предлагая соотношение Q/ITD прибл. 76 Вт/°C при использовании нашего вентилятора Ostro.

Падение давления жидкости и воздуха можно определить так же, как и в предыдущем примере.

Шаг 5: Расчет температуры холодного воздуха, поступающего в шкаф

Теперь, чтобы рассчитать температуру холодного воздуха, поступающего в шкаф, используйте график изменения температуры воздуха. При тепловой нагрузке 2400 Вт и скорости потока 250 CFM (скорость потока стандартного вентилятора Ostro, рекомендуемого для использования с 6310) мы видим, что изменение температуры составляет 17°C. Это означает, что холодный воздух, поступающий в шкаф, будет иметь температуру: 55°C – 17°C = 38°C

Обратите внимание: эти графики предлагают простой графический способ оценки изменения температуры жидкости, если вы знаете свою тепловую нагрузку и расход, без необходимости выполнять расчеты. Графики для воды, воздуха, этиленгликоля/воды 50/50 и масла позволяют рассчитать изменение температуры воздуха и жидкости для всех типов теплообменников.

Шаг 6: Расчет температуры воды на выходе

Чтобы определить температуру воды на выходе, мы используем диаграмму «Расход воды», чтобы определить, что изменение температуры составляет примерно 5°C. Следовательно, температура воды на выходе 20°С + 5°С = 25°С.

Альтернативное уравнение расчета

Общее уравнение теплопередачи можно использовать для расчета тепловой нагрузки и изменения температуры жидкости с учетом расхода жидкости и удельной теплоемкости.

ṁ можно рассчитать для воды и воздуха с помощью следующих уравнений:

Графики изменения температуры, приведенные в нашем справочном руководстве по тепловым технологиям в технической библиотеке, отображают приведенное выше уравнение для обычных теплоносителей (воздух, вода, масло и 50 % смеси ЭГВ), обеспечивающий простой способ поиска ΔT, если вы знаете свою тепловую нагрузку и скорость потока жидкости.