حساب مبادل حراري لوحة - كيفية تحديد المعلمات الصحيحة؟

لا يستغرق حساب المبادل الحراري حاليًا أكثر من خمس دقائق. أي منظمة تصنع وتبيع هذه المعدات ، كقاعدة عامة ، توفر للجميع برنامج الاختيار الخاص بها. يمكنك تنزيله مجانًا من موقع الشركة على الويب ، أو سيأتي فنيهم إلى مكتبك ويقوم بتثبيته مجانًا. ومع ذلك ، ما مدى صحة نتيجة مثل هذه الحسابات ، هل يمكن الوثوق بها ، وهل المصنع لا يكره عندما يتنافس في مناقصة مع منافسيه؟ يتطلب التحقق من الآلة الحاسبة الإلكترونية معرفة أو على الأقل فهمًا لمنهجية الحساب للمبادلات الحرارية الحديثة. دعنا نحاول معرفة التفاصيل.

ما هو مبادل حراري

قبل حساب المبادل الحراري ، دعونا نتذكر ، ما هو نوع الجهاز؟ جهاز التبادل الحراري والكتل (المعروف أيضًا باسم المبادل الحراري ، أو المبادل الحراري ، أو TOA) هو جهاز لنقل الحرارة من ناقل حراري إلى آخر. في عملية تغيير درجات حرارة المبردات ، تتغير أيضًا كثافتها ، وبالتالي ، مؤشرات كتلة المواد. هذا هو السبب في أن مثل هذه العمليات تسمى نقل الحرارة والكتلة.

القائمة الرئيسية

مرحبا! المبادل الحراري هو جهاز يتم فيه التبادل الحراري بين اثنين أو أكثر من ناقلات الحرارة أو بين ناقلات الحرارة والمواد الصلبة (فوهة ، جدار). يمكن أيضًا أن تلعب البيئة المحيطة بالجهاز دور المبرد. وفقًا للغرض والتصميم ، يمكن أن تكون المبادلات الحرارية مختلفة تمامًا ، بدءًا من الأبسط (المبرد) إلى الأكثر تقدمًا (وحدة الغلاية). وفقًا لمبدأ التشغيل ، تنقسم المبادلات الحرارية إلى تعافي وتجديد وخلط.

تسمى الأجهزة الاستشفائية الأجهزة التي تتدفق فيها ناقلات الحرارة الساخنة والباردة في وقت واحد ، مفصولة بجدار صلب. تشمل هذه الأجهزة السخانات ووحدات الغلايات والمكثفات والمبخرات وما إلى ذلك.

الجهاز الذي يتم فيه غسل نفس سطح التسخين بالتناوب بواسطة سائل ساخن وبارد يسمى متجدد. في هذه الحالة ، يتم إطلاق الحرارة المتراكمة بواسطة جدران الجهاز أثناء تفاعلها مع السائل الساخن إلى السائل البارد. مثال على الأجهزة المتجددة هي سخانات الهواء في أفران الموقد المفتوح وأفران الصهر ، وأفران التسخين ، وما إلى ذلك. في المجدد ، يحدث التبادل الحراري دائمًا في ظروف غير ثابتة ، بينما تعمل أجهزة الاسترداد في الغالب في وضع ثابت.

وتسمى الأجهزة المستعادة والمتجددة أيضًا السطح ، نظرًا لأن عملية نقل الحرارة فيها ترتبط حتمًا بسطح المادة الصلبة.

الخلاطات عبارة عن أجهزة يتم فيها نقل الحرارة عن طريق الخلط المباشر للسوائل الساخنة والباردة.

يمكن أن تكون الحركة المتبادلة للحاملات الحرارية في المبادلات الحرارية مختلفة (الشكل 1.).

بناءً على ذلك ، يتم التمييز بين الأجهزة ذات التدفق المباشر والتدفق المضاد والتدفق المتقاطع والاتجاه المعقد لحركة ناقلات الحرارة (التيار المختلط). إذا كانت المبردات تتدفق بالتوازي في اتجاه واحد ، فإن نمط الحركة هذا يسمى التدفق الأمامي (الشكل 1.). مع التدفق المعاكس ، تتحرك المبردات بالتوازي ، ولكن باتجاه بعضها البعض. إذا تقاطعت اتجاهات حركة السوائل ، فإن نمط الحركة يسمى التدفق العرضي. بالإضافة إلى المخططات المسماة ، يتم أيضًا استخدام المخططات الأكثر تعقيدًا في الممارسة: التدفق الأمامي المتزامن والتدفق المعاكس ، التيار المتقاطع المتعدد ، إلخ.

اعتمادًا على الغرض التكنولوجي وخصائص التصميم ، تنقسم المبادلات الحرارية إلى سخانات مياه ، ومكثفات ، ووحدات غلاية ، ومبخرات ، وما إلى ذلك ، لكن الشيء الشائع هو أنها تعمل جميعًا على نقل الحرارة من ناقل حراري إلى آخر ، وبالتالي ، فإن الأحكام الأساسية الحسابات الحرارية هي نفسها بالنسبة لهم. ... يمكن أن يكون الفرق هو الغرض النهائي فقط من التسوية. عند تصميم مبادل حراري جديد ، تتمثل مهمة الحساب في تحديد سطح التسخين ؛ في حساب التحقق الحراري للمبادل الحراري الحالي ، من الضروري إيجاد كمية الحرارة المنقولة ودرجات الحرارة النهائية لسوائل العمل.

يعتمد حساب الحرارة في كلتا الحالتين على معادلات توازن الحرارة ومعادلة نقل الحرارة.

معادلة توازن الحرارة للمبادل الحراري لها الشكل:

حيث M هو معدل التدفق الكتلي لسائل التبريد ، كجم / ث ؛ cpm - متوسط السعة الحرارية متساوي الضغط لسائل التبريد ، J / (كجم * درجة مئوية).

فيما يلي ، يشير الرمز "1" إلى القيم المتعلقة بالسائل الساخن (الناقل الحراري الأولي) ، والرمز "2" - إلى السائل البارد (ناقل الحرارة الثانوي) ؛ يتوافق الخط مع درجة حرارة السائل عند مدخل الجهاز ، وخطين - عند المخرج.

عند حساب المبادلات الحرارية ، غالبًا ما يتم استخدام مفهوم السعة الحرارية الإجمالية لمعدل تدفق الكتلة للحامل الحراري (مكافئ الماء) ، أي ما يعادل C = Mav W / ° C. من التعبير (1) يتبع ذلك

أي أن نسبة التغيرات في درجة حرارة سوائل نقل الحرارة أحادية الطور تتناسب عكسياً مع نسبة السعات الحرارية لاستهلاكها الإجمالي (مكافئ الماء).

تتم كتابة معادلة نقل الحرارة على النحو التالي: Q = k * F * (t1 - t2) ، حيث t1، t2 هي درجات حرارة حاملات الحرارة الأولية والثانوية ؛ F هي مساحة سطح نقل الحرارة.

أثناء التبادل الحراري ، في معظم الحالات ، تتغير درجات حرارة كل من ناقلات الحرارة ، وبالتالي تتغير درجة الحرارة headt = t1 - t2. سيكون لمعامل نقل الحرارة فوق سطح التبادل الحراري أيضًا قيمة متغيرة ، لذلك يجب استبدال متوسط قيم فرق درجة الحرارة Δtav ومعامل نقل الحرارة kcp في معادلة نقل الحرارة ، أي

س = kсp * F * Δtcp (3)

يتم حساب منطقة التبادل الحراري F بالصيغة (3) ، بينما يتم تحديد الأداء الحراري Q. لحل المشكلة ، من الضروري حساب متوسط معامل انتقال الحرارة على السطح بأكمله kсp ورأس درجة الحرارة Δtav.

عند حساب متوسط فرق درجة الحرارة ، من الضروري مراعاة طبيعة التغير في درجات حرارة حاملات الحرارة على طول سطح التبادل الحراري. من المعروف من نظرية التوصيل الحراري أنه في صفيحة أو قضيب أسطواني في حالة وجود اختلاف في درجة الحرارة في النهايات (الأسطح الجانبية معزولة) ، يكون توزيع درجة الحرارة على طول الطول خطيًا. إذا حدث تبادل حراري على السطح الجانبي أو كان للنظام مصادر داخلية للحرارة ، فإن توزيع درجة الحرارة يكون منحنيًا. مع التوزيع المنتظم لمصادر الحرارة ، فإن التغير في درجة الحرارة على طول الطول سيكون مكافئًا.

وهكذا ، في المبادلات الحرارية ، تختلف طبيعة التغيير في درجات حرارة الناقلات الحرارية عن الخطية ويتم تحديدها من خلال السعات الحرارية الإجمالية C1 و C2 لمعدلات التدفق الكتلي للحوامل الحرارية واتجاه حركتها المتبادلة (الصورة 2).

يمكن أن نرى من الرسوم البيانية أن التغير في درجة الحرارة على طول السطح F ليس هو نفسه. وفقًا للمعادلة (2) ، كلما زاد التغير في درجة الحرارة بالنسبة للناقل الحراري ذي السعة الحرارية المنخفضة لمعدل التدفق الكتلي. إذا كانت المبردات هي نفسها ، على سبيل المثال ، في مبادل حراري من الماء إلى الماء ، فسيتم تحديد طبيعة التغيير في درجات حرارة المبردات بالكامل من خلال معدلات تدفقها ، وبمعدل تدفق أقل ، درجة الحرارة التغيير سيكون كبيرا.مع التدفق المشترك ، تكون درجة الحرارة النهائية t "2 للوسط المسخن دائمًا أقل من درجة الحرارة t" 1 لوسط التسخين عند مخرج الجهاز ، ومع التدفق المعاكس ، قد تكون درجة الحرارة النهائية t "2 أعلى من درجة الحرارة t "1 (راجع حالة التدفق المعاكس عند C1> C2). وبالتالي ، عند نفس درجة الحرارة الأولية ، يمكن تسخين الوسيط المراد تسخينه بتدفق التيار المعاكس إلى درجة حرارة أعلى من التدفق المشترك.

مع تدفق cocurrent ، يتغير رأس درجة الحرارة على طول سطح التسخين إلى حد أكبر من التدفق المعاكس. في الوقت نفسه ، يكون متوسط قيمته في الحالة الأخيرة أكبر ، ونتيجة لذلك سيكون سطح تسخين الجهاز مع التدفق المعاكس أصغر. وبالتالي ، في ظل ظروف متساوية ، في هذه الحالة ، سيتم نقل المزيد من الحرارة. بناءً على ذلك ، يجب إعطاء الأفضلية للأجهزة ذات التدفق المعاكس.

نتيجة لدراسة تحليلية لمبادل حراري يعمل وفقًا لمخطط التدفق المباشر ، وجد أن رأس درجة الحرارة على طول سطح التبادل الحراري يتغير بشكل كبير ، لذلك يمكن حساب متوسط درجة الحرارة بالصيغة:

حيث Δtb هو الاختلاف الكبير في درجة الحرارة بين حاملة الحرارة الساخنة والباردة (من أحد طرفي المبادل الحراري) ؛ Δtm - فرق أصغر في درجة الحرارة (من الطرف الآخر للمبادل الحراري).

مع التدفق الأمامي ، Δtb = t'1 - t'2 و Δtm = t "1 - t" 2 (الشكل 2.). هذه الصيغة صالحة أيضًا للتدفق المعاكس مع الاختلاف الوحيد في الحالة عندما يكون C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 و Δtm = t'1 - t "2.

يُطلق على متوسط فرق درجة الحرارة بين وسيطين ، محسوبًا بالصيغة (4) ، متوسط اللوغاريتمي. رأس درجة الحرارة. يرجع شكل التعبير إلى طبيعة تغير درجة الحرارة على طول سطح التسخين (الاعتماد المنحني). إذا كان الاعتماد خطيًا ، فيجب تحديد رأس درجة الحرارة كمتوسط حسابي (الشكل 3.). قيمة المتوسط الحسابي للرأس Δtа.av دائمًا أكبر من المتوسط اللوغاريتمي Δtl.av. ومع ذلك ، في الحالات التي يتغير فيها رأس درجة الحرارة على طول طول المبادل الحراري بشكل ضئيل ، أي أن الشرط tb / Δtm <2 مستوفى ، يمكن حساب متوسط فرق درجة الحرارة كمتوسط حسابي:

يتميز متوسط فرق درجة الحرارة للأجهزة ذات التيارات المتقاطعة والمختلطة بتعقيد الحسابات ، لذلك ، بالنسبة لعدد من المخططات الأكثر شيوعًا ، يتم تقديم نتائج الحلول عادةً في شكل رسوم بيانية. ISP. الأدب: 1) أساسيات هندسة الطاقة الحرارية ، ص. Litvin، Gosenergoizdat، 1958.2) Teplotekhnika، Bondarev V.A.، Protskiy A.E.، Grinkevich R.N. مينسك ، أد. الثاني ، "المدرسة العليا" ، 1976. 3) الهندسة الحرارية ، الطبعة 2 ، تحت التحرير العام. في سوشكينا ، موسكو "علم المعادن" ، 1973.

أنواع انتقال الحرارة

الآن دعنا نتحدث عن أنواع نقل الحرارة - هناك ثلاثة منهم فقط. الإشعاع - انتقال الحرارة من خلال الإشعاع. على سبيل المثال ، يمكنك التفكير في حمامات الشمس على الشاطئ في يوم صيفي دافئ. ويمكن حتى العثور على مثل هذه المبادلات الحرارية في السوق (سخانات هواء المصباح). ومع ذلك ، في أغلب الأحيان لتدفئة أماكن المعيشة ، والغرف في الشقة ، نشتري الزيت أو المشعات الكهربائية. هذا مثال على نوع آخر من نقل الحرارة - الحمل الحراري. يمكن أن يكون الحمل الحراري طبيعيًا أو قسريًا (شفاط العادم ، وهناك جهاز تعافي في الصندوق) أو ناتجًا ميكانيكيًا (باستخدام مروحة ، على سبيل المثال) النوع الأخير أكثر كفاءة.

ومع ذلك ، فإن الطريقة الأكثر فعالية لنقل الحرارة هي التوصيل الحراري ، أو كما يطلق عليه أيضًا التوصيل (من التوصيل الإنجليزي - "التوصيل"). يفكر أي مهندس يقوم بإجراء حساب حراري لمبادل حراري ، أولاً وقبل كل شيء ، في اختيار معدات فعالة في أصغر أبعاد ممكنة. ويتم تحقيق ذلك على وجه التحديد بسبب التوصيل الحراري. مثال على ذلك هو أكثر TOA كفاءة اليوم - المبادلات الحرارية للوحة. لوحة TOA ، بحكم تعريفها ، عبارة عن مبادل حراري ينقل الحرارة من مبرد إلى آخر عبر الجدار الذي يفصل بينهما. تتيح لك أقصى منطقة اتصال ممكنة بين وسيطين ، جنبًا إلى جنب مع المواد المختارة بشكل صحيح ، وملف تعريف الألواح وسمكها ، تقليل حجم المعدات المحددة مع الحفاظ على الخصائص التقنية الأصلية المطلوبة في العملية التكنولوجية.

أنواع المبادلات الحرارية

قبل حساب المبادل الحراري ، يتم تحديدها بنوعها. يمكن تقسيم كل TOA إلى مجموعتين كبيرتين: المبادلات الحرارية الاسترداد والمتجددة. الفرق الرئيسي بينهما هو كما يلي: في TOA التعافي ، يحدث التبادل الحراري من خلال جدار يفصل بين اثنين من المبردات ، وفي TOA التجديدي ، يكون للوسيطين اتصال مباشر مع بعضهما البعض ، وغالبًا ما يتم الخلط ويتطلب فصلًا لاحقًا في فواصل خاصة. تنقسم المبادلات الحرارية المتجددة إلى مبادلات خلط ومبادلات حرارية مع تعبئة (ثابتة أو ساقطة أو وسيطة). بشكل تقريبي ، دلو من الماء الساخن معرض للصقيع أو كوب من الشاي الساخن يوضع في الثلاجة ليبرد (لا تفعل ذلك أبدًا!) هو مثال على خلط TOA. وعن طريق سكب الشاي في صحن وتبريده بهذه الطريقة ، نحصل على مثال لمبادل حراري متجدد بفوهة (يلعب الصحن في هذا المثال دور الفوهة) ، الذي يتلامس أولاً مع الهواء المحيط ويأخذ درجة حرارته ، ثم يأخذ بعض الحرارة من الشاي الساخن الذي يُسكب فيه ، في محاولة لإحضار كلا الوسطين إلى التوازن الحراري. ومع ذلك ، كما اكتشفنا سابقًا ، من الأكثر كفاءة استخدام الموصلية الحرارية لنقل الحرارة من وسيط إلى آخر ، وبالتالي ، فإن TOA الأكثر فائدة من حيث نقل الحرارة (والمستخدمة على نطاق واسع) اليوم ، بالطبع ، متعافي.

تحديد مقدار الحرارة

معادلة نقل الحرارة المستخدمة لوحدات الوقت المستقرة والعمليات كما يلي:

س = KFtcp (W)

في هذه المعادلة:

K هي قيمة معامل انتقال الحرارة (معبرًا عنها بـ W / (m2 / K)) ؛
tav - متوسط الفرق في مؤشرات درجة الحرارة بين ناقلات الحرارة المختلفة (يمكن إعطاء القيمة بالدرجات المئوية (0 درجة مئوية) وكلفن (ك)) ؛
F هي قيمة مساحة السطح التي يحدث فيها انتقال الحرارة (القيمة معطاة بالمتر المربع).

تسمح لك المعادلة بوصف العملية التي يتم خلالها نقل الحرارة بين ناقلات الحرارة (من الساخنة إلى الباردة). تأخذ المعادلة بعين الاعتبار:

انتقال الحرارة من المبرد (ساخن) إلى الحائط ؛
معلمات التوصيل الحراري للجدار ؛
انتقال الحرارة من الجدار إلى المبرد (بارد).

الحساب الحراري والبنيوي

يمكن إجراء أي حساب لمبادل حراري استرداد بناءً على نتائج الحسابات الحرارية والهيدروليكية وحسابات القوة. إنها أساسية وإلزامية في تصميم المعدات الجديدة وتشكل أساس طريقة الحساب للنماذج اللاحقة لخط نفس النوع من الأجهزة. تتمثل المهمة الرئيسية للحساب الحراري لـ TOA في تحديد المساحة المطلوبة لسطح التبادل الحراري للتشغيل المستقر للمبادل الحراري والحفاظ على المعلمات المطلوبة للوسائط عند المنفذ. في كثير من الأحيان ، في مثل هذه الحسابات ، يتم إعطاء المهندسين قيمًا عشوائية للكتلة وخصائص الحجم للمعدات المستقبلية (المواد ، قطر الأنبوب ، أحجام الألواح ، هندسة الحزمة ، نوع ومواد الزعانف ، إلخ) ، وبالتالي ، بعد واحد حراري ، وعادة ما يتم إجراء حساب بناء للمبادل الحراري. في الواقع ، إذا قام المهندس في المرحلة الأولى بحساب مساحة السطح المطلوبة لقطر أنبوب معين ، على سبيل المثال ، 60 مم ، وكان طول المبادل الحراري حوالي ستين مترًا ، فمن المنطقي أكثر افتراض الانتقال إلى مبادل حراري متعدد التمريرات ، أو إلى نوع غلاف وأنبوب ، أو لزيادة قطر الأنابيب.

آليات نقل الحرارة في حساب المبادلات الحرارية

الأنواع الثلاثة الرئيسية لانتقال الحرارة هي الحمل الحراري والتوصيل الحراري والإشعاع.

في عمليات التبادل الحراري التي تسير وفقًا لمبادئ آلية التوصيل الحراري ، يتم نقل الطاقة الحرارية في شكل نقل طاقة الاهتزازات الذرية والجزيئية المرنة. إن انتقال هذه الطاقة بين الذرات المختلفة في اتجاه التناقص.

يتم حساب خصائص نقل الطاقة الحرارية وفقًا لمبدأ التوصيل الحراري وفقًا لقانون فورييه

تُستخدم البيانات المتعلقة بمساحة السطح ، والتوصيل الحراري ، وتدرج درجة الحرارة ، وفترة التدفق لحساب كمية الطاقة الحرارية.يُعرَّف مفهوم التدرج الحراري بأنه التغير في درجة الحرارة في اتجاه انتقال الحرارة بواسطة وحدة أو أخرى من وحدات الطول.

الموصلية الحرارية هي معدل عملية التبادل الحراري ، أي مقدار الطاقة الحرارية التي تمر عبر أي وحدة سطح لكل وحدة زمنية.

كما تعلم ، تتميز المعادن بأعلى معامل التوصيل الحراري بالنسبة للمواد الأخرى ، والتي يجب أن تؤخذ في الاعتبار في أي حسابات لعمليات التبادل الحراري. أما بالنسبة للسوائل ، فهي ، كقاعدة عامة ، لها معامل توصيل حراري أقل نسبيًا مقارنة بالأجسام في حالة تجمع صلبة.

من الممكن حساب كمية الطاقة الحرارية المنقولة لحساب المبادلات الحرارية ، حيث يتم نقل الطاقة الحرارية بين الوسائط المختلفة عبر الجدار باستخدام معادلة فورييه. يتم تعريفه على أنه مقدار الطاقة الحرارية التي تمر عبر مستوى يتميز بسمك صغير جدًا:

بعد إجراء بعض العمليات الحسابية ، نحصل على الصيغة التالية

يمكن الاستنتاج أن انخفاض درجة الحرارة داخل الجدار يتم وفقًا لقانون الخط المستقيم.

الحساب الهيدروليكي

يتم إجراء الحسابات الهيدروليكية أو الميكانيكية المائية ، وكذلك الحسابات الديناميكية الهوائية من أجل تحديد وتحسين خسائر الضغط الهيدروليكي (الديناميكي الهوائي) في المبادل الحراري ، وكذلك لحساب تكاليف الطاقة للتغلب عليها. يشكل حساب أي مسار أو قناة أو أنبوب لمرور المبرد مهمة أساسية للشخص - لتكثيف عملية نقل الحرارة في هذه المنطقة. بمعنى ، يجب أن ينتقل أحد الوسطاء ، ويجب أن يتلقى الآخر أكبر قدر ممكن من الحرارة عند أدنى فترة زمنية لتدفقه. لهذا ، غالبًا ما يتم استخدام سطح إضافي للتبادل الحراري ، في شكل تضليع سطحي متطور (لفصل الطبقة الفرعية الصفحية الحدودية وتعزيز اضطراب التدفق). إن نسبة التوازن الأمثل للخسائر الهيدروليكية ، ومساحة سطح التبادل الحراري ، وخصائص الوزن والحجم والقوة الحرارية التي تمت إزالتها هي نتيجة مزيج من الحساب الحراري والهيدروليكي والبناء لـ TOA.

حساب التحقق

يتم حساب المبادل الحراري في الحالة التي يكون فيها من الضروري وضع هامش للطاقة أو لمنطقة سطح التبادل الحراري. السطح محجوز لأسباب مختلفة وفي مواقف مختلفة: إذا كان ذلك مطلوبًا وفقًا للاختصاصات ، إذا قررت الشركة المصنعة إضافة هامش إضافي للتأكد من أن مثل هذا المبادل الحراري سيبدأ التشغيل ، وللتقليل أخطاء في الحسابات. في بعض الحالات ، يكون التكرار مطلوبًا لتقريب نتائج أبعاد التصميم ، وفي حالات أخرى (المبخرات ، المقتصدات) ، يتم إدخال هامش سطحي بشكل خاص في حساب سعة المبادل الحراري للتلوث بزيت الضاغط الموجود في دائرة التبريد. ويجب أن تؤخذ جودة المياه المنخفضة في الاعتبار. بعد مرور بعض الوقت من التشغيل المتواصل للمبادلات الحرارية ، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة ، يستقر المقياس على سطح التبادل الحراري للجهاز ، مما يقلل من معامل نقل الحرارة ويؤدي حتماً إلى انخفاض طفيلي في إزالة الحرارة. لذلك ، فإن المهندس المختص ، عند حساب المبادل الحراري من الماء إلى الماء ، يولي اهتمامًا خاصًا للتكرار الإضافي لسطح التبادل الحراري. يتم إجراء حساب التحقق أيضًا لمعرفة كيفية عمل الجهاز المحدد في أوضاع ثانوية أخرى. على سبيل المثال ، في مكيفات الهواء المركزية (وحدات إمداد الهواء) ، غالبًا ما تستخدم سخانات التدفئة الأولى والثانية ، المستخدمة في موسم البرد ، في فصل الصيف لتبريد الهواء الوارد عن طريق توفير الماء البارد لأنابيب المبادل الحراري للهواء.كيف سيعملون وما هي المعلمات التي سيقدمونها تسمح لك بتقييم حساب التحقق.

الجهاز ومبدأ العملية

يتم تقديم معدات التبادل الحراري في السوق الحديثة في مجموعة متنوعة.

يمكن تقسيم المجموعة الكاملة المتاحة من منتجات هذا الخط إلى نوعين ، مثل:

مجاميع الألواح
أجهزة قذيفة وأنبوب.

الصنف الأخير ، بسبب معدل كفاءته المنخفضة ، وكذلك حجمه الكبير ، يكاد لا يباع في السوق اليوم. يتكون المبادل الحراري للوحة من ألواح مموجة متطابقة مثبتة بإطار معدني قوي. توجد العناصر في صورة معكوسة بالنسبة لبعضها البعض ، وبينها أختام من الصلب والمطاط. تعتمد منطقة التبادل الحراري المفيدة بشكل مباشر على حجم وعدد اللوحات.

يمكن تقسيم الأجهزة اللوحية إلى نوعين فرعيين بناءً على التكوين ، مثل:

وحدات من النحاس
مبادلات حرارية مغلفة.

تختلف الأجهزة القابلة للطي عن المنتجات من نوع التجميع الملحوم ، حيث يمكن ترقية الجهاز وتعديله وفقًا للاحتياجات الشخصية ، على سبيل المثال ، إضافة أو إزالة عدد معين من اللوحات. هناك حاجة إلى المبادلات الحرارية ذات الحشوات في المناطق التي يتم فيها استخدام الماء العسر للاحتياجات المنزلية ، نظرًا للسمات التي يتراكم فيها الشراب والملوثات المختلفة على عناصر الوحدة. تؤثر هذه الأورام سلبًا على كفاءة الجهاز ، وبالتالي ، يجب تنظيفها بانتظام ، وبفضل تكوينها ، يكون هذا ممكنًا دائمًا.

تتميز الأجهزة غير القابلة للفك بالميزات التالية:

مقاومة عالية للضغط العالي وتقلبات درجات الحرارة ؛
عمر خدمة طويل
وزن خفيف.

يتم تنظيف التركيبات النحاسية دون تفكيك الهيكل بأكمله.

بناءً على حساب نوع الوحدة وخيار التثبيت ، يجب التمييز بين نوعين من المبادلات الحرارية للمياه الساخنة من التسخين.

توجد المبادلات الحرارية الداخلية في أجهزة التدفئة نفسها - الأفران والغلايات وغيرها. يتيح لك التثبيت من هذا النوع الحصول على أقصى قدر من الكفاءة أثناء تشغيل المنتجات ، نظرًا لأن فقدان الحرارة لتسخين العلبة سيكون ضئيلًا. كقاعدة عامة ، يتم بالفعل دمج هذه الأجهزة في المرجل في مرحلة تصنيع الغلايات. هذا يسهل إلى حد كبير التثبيت والتشغيل ، لأنك تحتاج فقط إلى ضبط وضع التشغيل المطلوب للمبادل الحراري.

يجب توصيل المبادلات الحرارية الخارجية بشكل منفصل عن مصدر الحرارة. هذه الأجهزة مناسبة للاستخدام في الحالات التي يعتمد فيها تشغيل الجهاز على مصدر تدفئة عن بعد. ومن الأمثلة على ذلك المنازل ذات التدفئة المركزية. في هذا النموذج ، تعمل الوحدة المنزلية التي تسخن الماء كجهاز خارجي.

مع الأخذ في الاعتبار نوع المواد التي تصنع منها الأجزاء ، يجدر إبراز النماذج التالية:

مبادلات حرارية من الصلب
أجهزة مصنوعة من الحديد الزهر.

بالإضافة إلى ذلك ، تبرز أنظمة النحاس الملحومة. يتم استخدامها لتدفئة المناطق السكنية في المباني السكنية.

يجب مراعاة الخصائص التالية في ميزات معدات الحديد الزهر:

تبرد المادة الخام ببطء إلى حد ما ، مما يوفر تشغيل نظام التدفئة بالكامل ؛
تتميز المادة بموصلية حرارية عالية ، وجميع منتجات الحديد الزهر لها خصائص متأصلة تسخن بسرعة كبيرة وتطلق الحرارة إلى عناصر أخرى ؛
المواد الخام مقاومة لتشكيل المقياس على القاعدة ، بالإضافة إلى أنها أكثر مقاومة للتآكل ؛
عن طريق تثبيت أقسام إضافية ، يمكنك زيادة قوة ووظائف الوحدة ككل ؛
يمكن نقل المنتجات من هذه المادة إلى أجزاء ، وتقسيمها إلى أقسام ، مما يسهل عملية التسليم ، بالإضافة إلى تركيب وصيانة المبادل الحراري.

نقترح عليك أن تتعرف على: أي جانب لوضع حاجز البخار أ - DOLGOSTROI.PRO
مثل أي منتج آخر ، فإن هذا الجهاز المعتمد له العيوب التالية:

يتميز الحديد الزهر بمقاومته المنخفضة للتقلبات الحادة في درجات الحرارة ، ويمكن أن تكون هذه الظواهر محفوفة بتكوين تشققات على الجهاز ، مما سيؤثر سلبًا على أداء المبادل الحراري ؛
حتى مع وجود أبعاد كبيرة ، فإن وحدات الحديد الزهر هشة للغاية ، وبالتالي فإن التلف الميكانيكي ، خاصة أثناء نقل المنتجات ، يمكن أن يؤدي إلى إتلافها بشكل خطير ؛
المواد عرضة للتآكل الجاف ؛
تؤدي الكتلة والأبعاد الكبيرة للجهاز أحيانًا إلى تعقيد تطوير النظام وتثبيته.

تتميز المبادلات الحرارية الفولاذية لإمداد الماء الساخن بالمزايا التالية:

الموصلية الحرارية العالية
كتلة صغيرة من المنتجات. لا يجعل الفولاذ النظام أثقل ، وبالتالي فإن هذه الأجهزة هي الخيار الأفضل عند الحاجة إلى مبادل حراري ، وتتمثل مهمته في خدمة مساحة كبيرة ؛
الوحدات الفولاذية مقاومة للإجهاد الميكانيكي ؛
لا يتفاعل المبادل الحراري الفولاذي مع تقلبات درجة الحرارة داخل الهيكل ؛
تتمتع المادة بخصائص مرونة جيدة ، ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي التلامس المطول مع وسيط شديد التسخين أو التبريد إلى تكوين تشققات في منطقة اللحامات.

تشمل عيوب الأجهزة الميزات التالية:

القابلية للتآكل الكهروكيميائي. لذلك ، مع الاتصال المستمر ببيئة عدوانية ، سيتم تقليل العمر التشغيلي للجهاز بشكل كبير ؛
الأجهزة ليس لديها القدرة على زيادة كفاءة العمل ؛
تفقد الوحدة الفولاذية الحرارة بسرعة كبيرة ، وهو أمر محفوف بزيادة استهلاك الوقود للتشغيل الإنتاجي ؛
مستوى منخفض من الصيانة. يكاد يكون من المستحيل إصلاح الجهاز بيديك ؛
يتم إجراء التجميع النهائي للمبادل الحراري الفولاذي في ظروف ورشة العمل التي تم تصنيعها فيها. الوحدات عبارة عن كتل متجانسة كبيرة الحجم ، بسبب وجود صعوبات في تسليمها.

بعض الشركات المصنعة ، من أجل زيادة جودة المبادلات الحرارية الفولاذية ، تقوم بتغطية جدرانها الداخلية بالحديد الزهر ، وبالتالي زيادة موثوقية الهيكل.

المبادلات الحرارية الحديثة عبارة عن وحدات يعتمد تشغيلها على مبادئ مختلفة:

الري.
غاطسة.
ملحوم.
سطحي.
انهيار؛
رقائقي مضلع
خلط؛
قذيفة وأنبوب وغيرها.

لكن المبادلات الحرارية للألواح لإمداد الماء الساخن والتدفئة تختلف بشكل إيجابي عن عدد من المبادلات الأخرى. هذه سخانات تتدفق من خلال. التركيبات عبارة عن سلسلة من الألواح ، يتم تشكيل قناتين بينهما: الساخنة والباردة. يتم فصلها بواسطة حشية من الصلب والمطاط ، لذلك يتم التخلص من خلط الوسائط.

يتم تجميع الألواح في كتلة واحدة. يحدد هذا العامل وظائف الجهاز. الصفائح متطابقة في الحجم ، ولكنها تقع عند دوران 180 درجة ، وهذا هو سبب تكوين التجاويف التي يتم من خلالها نقل السوائل. هذه هي الطريقة التي يتم بها تشكيل تبديل القنوات الباردة والساخنة وتشكيل عملية التبادل الحراري.

إعادة الدوران في هذا النوع من المعدات عملية مكثفة. تعتمد الظروف التي سيتم فيها استخدام المبادل الحراري لأنظمة إمداد الماء الساخن على مادة الحشيات وعدد الألواح وحجمها ونوعها. تم تجهيز المنشآت التي تقوم بإعداد الماء الساخن بدائرتين: إحداهما ل DHW والأخرى لتدفئة المساحات. ماكينات الألواح آمنة ومنتجة وتستخدم في المجالات التالية:

تحضير حامل حراري في أنظمة الإمداد بالمياه الساخنة والتهوية والتدفئة ؛
تبريد المنتجات الغذائية والزيوت الصناعية ؛
إمدادات المياه الساخنة للاستحمام في الشركات ؛
لتحضير الناقل الحراري في أنظمة التدفئة تحت الأرضية ؛
لتحضير ناقل حراري في الصناعات الغذائية والكيميائية والصيدلانية ؛
تسخين مياه المسبح وعمليات التبادل الحراري الأخرى.

حسابات البحث

يتم إجراء حسابات البحث لـ TOA على أساس النتائج التي تم الحصول عليها من الحسابات الحرارية والتحقق. كقاعدة عامة ، فهي ضرورية لإجراء أحدث التعديلات على تصميم الجهاز المتوقع. يتم تنفيذها أيضًا من أجل تصحيح أي معادلات منصوص عليها في نموذج الحساب المنفذ TOA ، والتي تم الحصول عليها تجريبياً (وفقًا للبيانات التجريبية). يتضمن إجراء حسابات البحث عشرات ، وأحيانًا مئات الحسابات وفقًا لخطة خاصة تم تطويرها وتنفيذها في الإنتاج وفقًا للنظرية الرياضية لتخطيط التجربة. وفقًا للنتائج ، تم الكشف عن تأثير الظروف المختلفة والكميات المادية على مؤشرات أداء TOA.

حسابات أخرى

عند حساب مساحة المبادل الحراري ، لا تنس مقاومة المواد. تتضمن حسابات قوة TOA فحص الوحدة المصممة للضغط والالتواء لتطبيق أقصى لحظات التشغيل المسموح بها على أجزاء وتجميعات المبادل الحراري المستقبلي. مع الحد الأدنى من الأبعاد ، يجب أن يكون المنتج متينًا ومستقرًا ويضمن التشغيل الآمن في مختلف ، وحتى في ظروف التشغيل الأكثر إرهاقًا.

يتم إجراء الحساب الديناميكي من أجل تحديد الخصائص المختلفة للمبادل الحراري في أوضاع متغيرة من تشغيله.

المبادلات الحرارية الأنبوبية في الأنبوب

دعنا نفكر في أبسط عملية حسابية لمبادل حراري أنبوب في أنبوب. من الناحية الهيكلية ، يتم تبسيط هذا النوع من TOA قدر الإمكان. كقاعدة عامة ، يُسمح بمبرد ساخن في الأنبوب الداخلي للجهاز لتقليل الخسائر ، ويتم إطلاق مبرد تبريد في الغلاف أو في الأنبوب الخارجي. يتم تقليل مهمة المهندس في هذه الحالة إلى تحديد طول هذا المبادل الحراري بناءً على المساحة المحسوبة لسطح التبادل الحراري والأقطار المحددة.

يجب أن نضيف هنا أن مفهوم المبادل الحراري المثالي يتم إدخاله في الديناميكا الحرارية ، أي جهاز ذو طول لانهائي ، حيث تعمل المبردات في تدفق معاكس ، ويتم تشغيل فرق درجة الحرارة بشكل كامل بينهما. تصميم الأنبوب في الأنبوب هو الأقرب لتلبية هذه المتطلبات. وإذا قمت بتشغيل المبردات بتدفق معاكس ، فسيكون هذا ما يسمى بـ "التدفق المعاكس الحقيقي" (وليس التدفق المتقاطع ، كما هو الحال في لوحة TOA). يتم تشغيل رأس درجة الحرارة بشكل أكثر كفاءة مع مثل هذا التنظيم للحركة. ومع ذلك ، عند حساب مبادل حراري في الأنبوب ، يجب أن يكون المرء واقعيًا ولا ينسى عنصر اللوجستيات ، فضلاً عن سهولة التثبيت. يبلغ طول الشاحنة الأوروبية 13.5 مترًا ، ولم يتم تكييف جميع الغرف الفنية مع معدات الانزلاق وتركيب المعدات بهذا الطول.

كيفية حساب المبادل الحراري

من الضروري حساب المبادل الحراري للملف ، وإلا فقد لا تكون قوته الحرارية كافية لتسخين الغرفة. تم تصميم نظام التسخين لتعويض فقد الحرارة. وفقًا لذلك ، يمكننا فقط معرفة المقدار الدقيق للطاقة الحرارية المطلوبة بناءً على فقد حرارة المبنى. من الصعب إجراء حساب ، لذلك ، في المتوسط ، يأخذون 100 واط لكل متر مربع مع ارتفاع سقف 2.7 متر.

يجب أن يكون هناك فجوة بين المنعطفات.

أيضًا ، القيم التالية مطلوبة للحساب:

بي ؛
قطر الأنبوب المتاح (خذ 10 مم) ؛
الموصلية الحرارية لامدا للمعدن (للنحاس 401 واط / م * كلفن) ؛
دلتا الإمداد وعودة درجة حرارة المبرد (20 درجة).

لتحديد طول الأنبوب ، تحتاج إلى قسمة إجمالي الطاقة الحرارية في W على ناتج العوامل المذكورة أعلاه.دعونا نفكر في استخدام مثال مبادل حراري نحاسي بقوة حرارية مطلوبة تبلغ 3 كيلو واط - هذا 3000 واط.

3000 / 3.14 (Pi) * 401 (التوصيل الحراري لامدا) * 20 (دلتا درجة الحرارة) * 0.01 (قطر الأنبوب بالمتر)

من هذا الحساب ، اتضح أنك بحاجة إلى 11.91 مترًا من الأنابيب النحاسية بقطر 10 ملم حتى يكون خرج الحرارة للملف 3 كيلو واط.

المبادلات الحرارية ذات الغلاف والأنبوب

لذلك ، في كثير من الأحيان يتدفق حساب مثل هذا الجهاز بسلاسة في حساب المبادل الحراري للقذيفة والأنبوب. هذا جهاز توجد فيه حزمة من الأنابيب في غلاف واحد (غلاف) ، يتم غسلها بواسطة مبردات مختلفة ، اعتمادًا على الغرض من الجهاز. في المكثفات ، على سبيل المثال ، يتم تشغيل المبرد في الغلاف والماء في الأنابيب. باستخدام طريقة تحريك الوسائط هذه ، يكون التحكم في تشغيل الجهاز أكثر ملاءمة وكفاءة. في المبخرات ، على العكس من ذلك ، يغلي المبرد في الأنابيب ، وفي نفس الوقت يتم غسله بالسائل المبرد (الماء ، المحاليل الملحية ، الجليكول ، إلخ). لذلك ، يتم تقليل حساب المبادل الحراري للقذيفة والأنبوب لتقليل حجم الجهاز. أثناء اللعب بقطر الغلاف وقطر وعدد الأنابيب الداخلية وطول الجهاز ، يصل المهندس إلى القيمة المحسوبة لمساحة سطح التبادل الحراري.

مبادلات حرارة الهواء

واحدة من أكثر المبادلات الحرارية شيوعًا اليوم هي المبادلات الحرارية الأنبوبية ذات الزعانف. وتسمى أيضًا ملفات. أينما لم يتم تركيبها ، بدءًا من وحدات ملف المروحة (من المروحة الإنجليزية + الملف ، أي "المروحة" + "الملف") في الكتل الداخلية للأنظمة المنقسمة وتنتهي بأجهزة استرداد غاز المداخن العملاقة (استخلاص الحرارة من غاز المداخن الساخن و نقله لاحتياجات التدفئة) في محطات الغلايات في CHP. هذا هو السبب في أن تصميم مبادل حراري ملفي يعتمد على التطبيق حيث سيتم تشغيل المبادل الحراري. مبردات الهواء الصناعية (VOPs) ، المثبتة في غرف تجميد اللحوم ، في المجمدات ذات درجات الحرارة المنخفضة وفي أشياء أخرى لتبريد الطعام ، تتطلب ميزات تصميم معينة في أدائها. يجب أن تكون المسافة بين الصفائح (الزعانف) كبيرة بقدر الإمكان لزيادة وقت التشغيل المستمر بين دورات تذويب الجليد. على العكس من ذلك ، فإن المبخرات الخاصة بمراكز البيانات (مراكز معالجة البيانات) تكون مضغوطة قدر الإمكان ، مما يؤدي إلى تباعد الحد الأدنى. تعمل مثل هذه المبادلات الحرارية في "مناطق نظيفة" محاطة بمرشحات دقيقة (حتى فئة HEPA) ، وبالتالي ، يتم إجراء مثل هذا الحساب للمبادل الحراري الأنبوبي مع التركيز على تقليل الحجم.

أنواع المبادلات الحرارية الملفوفة

سكة المنشفة المسخنة هي أيضًا مبادل حراري للملف.

يمكنك صنع اللفافة بأيديكم من تصميمات مختلفة ومن عدة أنواع من المعدن (الفولاذ والنحاس والألمنيوم والحديد الزهر). يتم ختم منتجات الألمنيوم والحديد الزهر في المصانع ، حيث لا يمكن تحقيق الشروط المطلوبة للعمل مع هذه المعادن إلا في ظروف الإنتاج. بدون هذا ، سيكون من الممكن العمل فقط مع الفولاذ أو النحاس. من الأفضل استخدام النحاس لأنه قابل للطرق ولديه درجة عالية من التوصيل الحراري. هناك نوعان من المخططات لعمل ملف:

أفسد؛
موازى.

يشير المخطط الحلزوني إلى موقع الدوران اللولبي على طول خط حلزوني. المبرد في مثل هذه المبادلات الحرارية يتحرك في اتجاه واحد. إذا لزم الأمر ، لزيادة ناتج الحرارة ، يمكن دمج العديد من الحلزونات وفقًا لمبدأ "الأنبوب في الأنبوب".

لتقليل فقد الحرارة قدر الإمكان ، تحتاج إلى اختيار نوع العزل الأفضل لعزل المنزل عن الخارج. يعتمد أيضًا على مادة الجدران.
من الضروري اختيار العزل لمنزل خشبي بناءً على نفاذية بخار العزل الحراري.

في دائرة موازية ، يغير المبرد باستمرار اتجاه حركته. هذا المبادل الحراري مصنوع من أنابيب مستقيمة متصلة بواسطة كوع 180 درجة.في بعض الحالات ، على سبيل المثال ، لتصنيع سجل التدفئة ، لا يجوز استخدام الركبتين الدوارة. بدلاً من ذلك ، يتم تثبيت تجاوز مباشر ، والذي يمكن أن يكون موجودًا في أحد طرفي الأنبوب.

طرق نقل الحرارة

مبدأ تشغيل المبادل الحراري للملف هو تسخين مادة على حساب حرارة مادة أخرى. وبالتالي ، يمكن تسخين الماء في المبادل الحراري بواسطة اللهب المكشوف. في هذه الحالة ، سيكون بمثابة المشتت الحراري. ولكن يمكن أيضًا أن يعمل الملف نفسه كمصدر للحرارة. على سبيل المثال ، عندما يتدفق المبرد عبر الأنابيب ، يتم تسخينه في غلاية أو عن طريق عنصر تسخين كهربائي مدمج ، ويتم نقل حرارته إلى الماء من نظام التدفئة. في الأساس ، الغرض النهائي من نقل الحرارة هو تسخين الهواء الداخلي.

المبادلات الحرارية للوحة

حاليا ، المبادلات الحرارية للألواح مطلوبة بشكل مستقر وفقًا لتصميمها ، فهي قابلة للطي تمامًا وشبه ملحومة ، ولحام بالنحاس ولحام بالنيكل ، ولحام ولحام بالنحاس بطريقة الانتشار (بدون لحام). التصميم الحراري للمبادل الحراري للوحة مرن بدرجة كافية وليس صعبًا بشكل خاص بالنسبة للمهندس. في عملية الاختيار ، يمكنك اللعب بنوع الألواح ، وعمق التثقيب للقنوات ، ونوع التضليع ، وسمك الفولاذ ، والمواد المختلفة ، والأهم من ذلك - العديد من النماذج ذات الحجم القياسي للأجهزة ذات الأبعاد المختلفة. هذه المبادلات الحرارية منخفضة وعريضة (لتسخين المياه بالبخار) أو عالية وضيقة (مبادلات حرارية منفصلة لأنظمة تكييف الهواء). غالبًا ما تُستخدم لوسائط تغيير الطور ، أي كمكثفات ، مبخرات ، أجهزة إزالة حرارة ، مكثفات مسبقة ، إلخ. من الأصعب قليلاً إجراء الحساب الحراري لمبادل حراري يعمل وفقًا لمخطط ثنائي الطور من السائل - مبادل حراري سائل ، ولكن بالنسبة للمهندس المتمرس ، هذه المهمة قابلة للحل وليست صعبة بشكل خاص. لتسهيل مثل هذه الحسابات ، يستخدم المصممون الحديثون قواعد الكمبيوتر الهندسية ، حيث يمكنك العثور على الكثير من المعلومات الضرورية ، بما في ذلك الرسوم البيانية لحالة أي مبرد في أي مسح ، على سبيل المثال برنامج CoolPack.