A hőcserélők kiszámítása és kiválasztása
A hőcserélők kiszámítása
Termikus számítások
A hőcserélők termikus számításainak megkezdéséhez bizonyos kiindulási adatokkal kell rendelkezni az alkalmazott hőhordozókról (áramlásukról, kezdeti és végső hőmérsékletükről, fizikai és kémiai tulajdonságaikról). A többi értéket a termikus számítások során határozzuk meg.
A hőcserélők fő jellemzőinek meghatározásához a termikus számításokat használják: hőterhelésük, a hőhordozók fogyasztása, a hőhordozók hőmérsékletének átlagos különbsége, a hőátadási együttható. A felsorolt paraméterek számításai a hőmérlegegyenleten alapulnak.
A hőcserélők teljes számítási példáját lásd alább.
Az egyes hőcserélőkön belül a hőenergia átadása az egyik technológiai áramlásból (hőátadás) a másikba történik, ami fűtést vagy hűtést eredményez.
Q - a hőhordozó által kibocsátott vagy elnyelt hő [W],
hol
Gc, f - a hideg és meleg hőhordozók fogyasztása [kg/h];
сc, f - a hideg és meleg hőhordozók hőkapacitása [J/kg · fok];
tc, f i - a hideg és meleg hőhordozók kezdeti hőmérséklete [° C];
tc, f f - a hideg és meleg hőhordozók végső hőmérséklete [° C];
Figyelembe kell venni, hogy a kibocsátott/elnyelt hő a hőhordozók aggregációjának állapotától függ. Ha aggregációjuk állapota nem változik a hőcsere során, akkor a megadott képlet érvényes. Ha egy hőhordozó vagy mindkét hőhordozó megváltoztatja aggregációs állapotát (gőzzel történő melegítés), a kibocsátott vagy elnyelt hő számítását a következő képlet szerint kell elvégezni:
hol
r - a kondenzációs hő [J/kg];
сv, c - a gőz és a kondenzátum fajlagos hőteljesítménye [J/kg · fok];
tc - a kondenzátum hőmérséklete a készülék kimeneténél [° C].
Ha a kondenzátumot nem hűtötték le, az első és a harmadik tagot eltávolítják az egyenlet jobb oldaláról, és a következő egyenlet lesz:
A hőhordozók áramlási sebességét a következőképpen kell kiszámítani:
Gőzfűtés esetén annak áramlási sebességét a következő képlet szerint számítják ki:
hol
G - a megfelelő hőátadási áram [kg/h];
Q - a hő [W];
с - a hőhordozók fajlagos hőkapacitása [J/kg · fok];
r - a kondenzációs hő [J/kg];
tc, f i - a hideg és meleg hőhordozók kezdeti hőmérséklete [° C];
tc, f f - a hideg és meleg hőhordozók végső hőmérséklete [° C].
A hőcserélő folyamat hajtóereje a hőhordozók hőmérséklet-különbsége. Mivel hőmérsékletük és ennek megfelelően a hőmérsékletük közötti különbség az áramlások során változik, ennek átlagértékét használjuk a számításhoz. Az átlagos hőmérsékletkülönbséget az áramlási és az ellenáramú áramlások esetén logaritmikus átlagként számítják ki:
Ahol ∆ts, ∆ti a hőszivattyúk hőmérsékletének átlagos felső és alsó különbsége a készülék be- és kimeneténél.
A hőhordozók kereszt- és vegyes áramlása esetén a számításokat ugyanazon képlet alapján hajtják végre, amelyet kiegészít egy ∆tm = ∆tmfaj korrekciós tényező
A hőátadási együtthatót a következőképpen határozzák meg:
Az egyenletben:
δp - a falvastagság [mm];
λp - a fal anyagának hővezetési tényezője [W/m · grad];
α1,2 - a fal belső és külső oldalainak hőátadási együtthatói [W/m 2 · fok];
Rcont - a fal szennyeződési tényezője.
Tervezési számítások
A hőcserélők tervezési számításai hozzávetőlegesek és részletesek lehetnek.
A hozzávetőleges tervezési számítások a vezetők hőátadási együtthatójának hozzávetőleges értékeinek megválasztásából, a hőcserélő felület és a hőhordozók átjárási szakaszának méretének meghatározásából állnak.
A hőcserélő felület hozzávetőleges értékét a következőképpen kell kiszámítani:
A hőhordozók keresztmetszetét a következő képlet alapján határozzuk meg:
hol
G - a hőátadás áramlási sebessége [kg/h];
(w ρ) - a hőátadás áramának tömegsebessége [kg/m 2 s].
Az áramlási sebességet a hőhordozó típusa szerint számítják ki:
| Hőhordozó típus | Áramlási sebesség m/s-ban |
| Viszkózus folyadékok | két ]; d - a csövek átmérője [m]; |
Általában héj- és csőhőcserélő számítások esetén a csövek számát és átmérőjét vezetők alapján határozzák meg.
A belső átmérőt a következőképpen határozzák meg:
hol:
Di - a hőcserélő belső átmérője [m];
s - a csövek közötti távolság [m] (általában 1,2–1,5 dn);
de - a csövek külső átmérője [m];
b - a csövek száma [m] (b = 2а-1, ahol а a legnagyobb hatszögoldalon lévő csövek száma);
Ezután meghatározzuk a tubuláris és az intertubuláris tér területét.
hol:
St - a cső alakú tér területe [m 2];
d 2 i - a csövek belső átmérője [m];
np - a csövek száma egy lépésben;
hol:
Sit - az intertubuláris tér felülete [m 2];
D - a burok külső átmérője [m];
de - a csövek külső átmérője [m];
n - a csövek száma egy lépésben;
Abban az esetben, ha hosszirányú válaszfalak kerülnek az intertubuláris térbe a hőcsere intenzitásának növelése érdekében, a felületet a következőképpen határozzuk meg:.
hol:
N - a lépések száma particionálás esetén;
A tekercses hőcserélő tekercs tervezési számításai során meghatározzuk a tekercs teljes hosszát, a fordulatok számát és a szakaszokat.
hol:
L - a tekercs teljes hossza [m];
dc - a tekercscső számított átmérője [m];
hol:
n - a fordulatok száma;
A hőhordozó áramlási sebességének és a tekercscsőben belüli áramlásának sebességének kiszámításával kiszámítható a tekercs szakaszainak száma:
hol:
Vs - az áramlási sebesség [kg/h];
d –a tekercscső átmérője [m];
w - a hőhordozó áramlási sebessége a tekercscsőben [m/s];
A spirál hőcserélő számításai lehetővé teszik számos paraméter meghatározását: a csatornák szakaszát, a spirál szélességét, hosszát és magasságát, a fordulatok számát és a spirál külső átmérőjét.
hol
S - a csatorna szakasz [m 2];
G - a hőátadás áramlási sebessége [kg/h];
W - a hőátadás áramának tömegsebessége [kg/m 2 · sec].
Hidraulikus számítások
Amikor a technológiai áramlások áthaladnak a hőcserélőkön, az áramlások nyomásvesztesége alakul ki, ami a készülék hidraulikus ellenállásának köszönhető.