O cálculo do trocador de calor atualmente não leva mais de cinco minutos. Qualquer organização que fabrica e vende esses equipamentos, via de regra, fornece a todos seu próprio programa de seleção. Ele pode ser baixado gratuitamente no site da empresa, ou o técnico deles irá ao seu escritório e o instalará gratuitamente. No entanto, quão correto é o resultado de tais cálculos, pode ser confiável e o fabricante não está sendo astuto ao lutar em uma licitação com seus concorrentes? Verificar uma calculadora eletrônica requer conhecimento ou pelo menos uma compreensão da metodologia para calcular os trocadores de calor modernos. Vamos tentar entender os detalhes.
O que é um trocador de calor
Antes de realizar o cálculo do trocador de calor, vamos lembrar que tipo de aparelho é esse? Um aparelho de transferência de calor e massa (também conhecido como trocador de calor, também conhecido como trocador de calor ou TOA) éum dispositivo para transferir calor de um refrigerante para outro. No processo de alteração das temperaturas dos transportadores de calor, suas densidades e, consequentemente, os indicadores de massa das substâncias também mudam. É por isso que tais processos são chamados de transferência de calor e massa.
Tipos de transferência de calor
Agora vamos falar sobre os tipos de transferência de calor - existem apenas três deles. Radiativo - transferência de calor devido à radiação. Como exemplo, considere tomar sol na praia em um dia quente de verão. E esses trocadores de calor podem ser encontrados no mercado (aquecedores de ar de tubo). No entanto, na maioria das vezes, para aquecer instalações residenciais, quartos em um apartamento, compramos radiadores a óleo ou elétricos. Este é um exemplo de outro tipo de transferência de calor - convecção. A convecção pode ser natural, forçada (exaustor e há trocador de calor na caixa) ou acionada mecanicamente (com ventilador, por exemplo). O último tipo é muito mais eficiente.
No entanto, a maneira mais eficiente de transferir calor é a condução, ou, como também é chamada, condução (do inglês. condução - "condução"). Qualquer engenheiro que vá realizar um cálculo térmico de um trocador de calor, antes de tudo, pensa em como selecionar equipamentos eficientes em dimensões mínimas. E é possível conseguir isso precisamente devido à condutividade térmica. Um exemplo disso é o TOA mais eficiente atualmente - trocadores de calor a placas. Um trocador de calor de placas, de acordo com a definição, é um trocador de calor que transfere calor de um refrigerante para outro através de uma parede que os separa. Máximoa possível área de contato entre os dois meios, juntamente com materiais corretamente selecionados, perfil e espessura da chapa, permite minimizar o tamanho do equipamento selecionado mantendo as características técnicas originais exigidas no processo tecnológico.
Tipos de trocadores de calor
Antes de calcular o trocador de calor, ele é determinado com seu tipo. Todos os TOA podem ser divididos em dois grandes grupos: trocadores de calor recuperativos e regenerativos. A principal diferença entre eles é a seguinte: nos TOAs regenerativos, a troca de calor ocorre através de uma parede separando dois refrigerantes, enquanto nos regenerativos, dois meios têm contato direto um com o outro, muitas vezes se misturando e exigindo posterior separação em separadores especiais. Os trocadores de calor regenerativos são divididos em trocadores de mistura e trocadores de calor com empacotamento (estacionário, descendente ou intermediário). Grosso modo, um balde de água quente, exposto ao gelo, ou um copo de chá quente, colocado para esfriar na geladeira (nunca faça isso!) - este é um exemplo de TOA de mistura. E despejando o chá em um pires e resfriando-o dessa maneira, temos um exemplo de trocador de calor regenerativo com um bico (o pires neste exemplo desempenha o papel de um bico), que primeiro entra em contato com o ar circundante e mede sua temperatura, e, em seguida, retira parte do calor do chá quente nele despejado, buscando trazer ambos os meios ao equilíbrio térmico. No entanto, como já descobrimos anteriormente, é mais eficiente usar a condutividade térmica para transferir calor de um meio para outro, portantoOs TOAs mais úteis para transferência de calor (e amplamente usados) de hoje são, obviamente, os regenerativos.
Projeto térmico e estrutural
Qualquer cálculo de um trocador de calor de recuperação pode ser realizado com base nos resultados dos cálculos térmicos, hidráulicos e de resistência. Eles são fundamentais, obrigatórios no projeto de novos equipamentos e formam a base da metodologia de cálculo de modelos subsequentes de uma linha de dispositivos similares. A principal tarefa do cálculo térmico do TOA é determinar a área necessária da superfície de troca de calor para a operação estável do trocador de calor e manter os parâmetros necessários da mídia na saída. Muitas vezes, em tais cálculos, os engenheiros recebem valores arbitrários das características de peso e tamanho do futuro equipamento (material, diâmetro do tubo, dimensões da placa, geometria do feixe, tipo e material das aletas, etc.), portanto, após o cálculo térmico, eles geralmente realizam um cálculo construtivo do trocador de calor. Afinal, se no primeiro estágio o engenheiro calculasse a área de superfície necessária para um determinado diâmetro de tubo, por exemplo, 60 mm, e o comprimento do trocador de calor fosse de cerca de sessenta metros, seria mais lógico supor uma transição para um trocador de calor multi-pass, ou para um tipo casco e tubo, ou para aumentar o diâmetro dos tubos.
Cálculo hidráulico
Cálculos hidráulicos ou hidromecânicos, bem como aerodinâmicos são realizados para determinar e otimizar(aerodinâmica) perdas de pressão no trocador de calor, bem como calcular os custos de energia para superá-las. O cálculo de qualquer caminho, canal ou tubo para a passagem do refrigerante representa uma tarefa primária para uma pessoa - intensificar o processo de transferência de calor nessa área. Ou seja, um meio deve transferir e o outro receber o máximo de calor possível no período mínimo de seu fluxo. Para isso, uma superfície de troca de calor adicional é frequentemente usada, na forma de uma nervura de superfície desenvolvida (para separar a subcamada laminar limite e aumentar a turbulência do fluxo). A relação de equilíbrio ideal de perdas hidráulicas, área de superfície de troca de calor, características de peso e tamanho e energia térmica removida é o resultado de uma combinação de cálculo térmico, hidráulico e estrutural de TOA.
Verificar cálculo
O cálculo de verificação do trocador de calor é realizado no caso em que é necessário estabelecer uma margem em termos de potência ou em termos de área da superfície de troca de calor. A superfície é reservada por vários motivos e em diferentes situações: se for exigido pelos termos de referência, se o fabricante decidir fazer uma margem adicional para ter certeza de que tal trocador de calor atingirá o regime e minimizará os erros cometidos no os cálculos. Em alguns casos, a redundância é necessária para arredondar os resultados das dimensões construtivas, enquanto em outros (evaporadores, economizadores), uma margem de superfície é especialmente introduzida no cálculo da potência do trocador de calor, para contaminação por óleo do compressor presente no circuito de refrigeração. E má qualidade da águadeve ser levado em conta. Após algum tempo de operação ininterrupta dos trocadores de calor, especialmente em altas temperaturas, a incrustação se instala na superfície de troca de calor do aparelho, reduzindo o coeficiente de transferência de calor e levando inevitavelmente a uma diminuição parasitária na remoção de calor. Portanto, um engenheiro competente, ao calcular um trocador de calor água-água, presta atenção especial à redundância adicional da superfície de troca de calor. Um cálculo de verificação também é realizado para ver como o equipamento selecionado funcionará em outros modos secundários. Por exemplo, em condicionadores de ar centrais (unidades de suprimento), o primeiro e o segundo aquecedores de aquecimento, usados na estação fria, são frequentemente usados no verão para resfriar o ar de entrada, fornecendo água fria aos tubos do trocador de calor de ar. Como eles funcionarão e quais parâmetros fornecerão, permite avaliar o cálculo de verificação.
Cálculos exploratórios
Os cálculos de pesquisa do TOA são realizados com base nos resultados obtidos dos cálculos térmicos e de verificação. Eles são necessários, via de regra, para fazer as últimas alterações no projeto do aparelho projetado. Eles também são realizados para corrigir quaisquer equações que são incorporadas no modelo de cálculo do TOA implementado, obtido empiricamente (de acordo com dados experimentais). A realização de cálculos de pesquisa envolve dezenas e às vezes centenas de cálculos de acordo com um plano especial desenvolvido e implementado na produção de acordo comteoria matemática do planejamento de experimentos. Com base nos resultados, revela-se a influência de diversas condições e grandezas físicas nos indicadores de eficiência do TOA.
Outros cálculos
Ao calcular a área do trocador de calor, não se esqueça da resistência dos materiais. Os cálculos de resistência do TOA incluem a verificação da unidade projetada quanto à tensão, à torção, para aplicar os momentos de trabalho máximos permitidos às peças e conjuntos do futuro trocador de calor. Com dimensões mínimas, o produto deve ser forte, estável e garantir operação segura em várias condições de operação, mesmo as mais exigentes.
O cálculo dinâmico é realizado para determinar as diversas características do trocador de calor em modos de operação variáveis.
Tipos de projeto do trocador de calor
O TOA Recuperativo por design pode ser dividido em um número bastante grande de grupos. Os mais famosos e amplamente utilizados são os trocadores de calor de placas, de ar (tubulares aletados), casco e tubo, trocadores de calor tubo em tubo, casco e placas e outros. Existem também tipos mais exóticos e altamente especializados, como espiral (trocador de calor de bobina) ou tipo raspado, que funcionam com fluidos viscosos ou não newtonianos, além de muitos outros tipos.
Trocadores de calor pipe-in-pipe
Vamos considerar o cálculo mais simples do trocador de calor "pipe in pipe". Estruturalmente, esse tipo de TOA é simplificado ao máximo. Como regra, eles deixam entrar no tubo interno do aparelhorefrigerante quente, para minimizar as perdas, e um refrigerante de resfriamento é lançado na carcaça ou no tubo externo. A tarefa do engenheiro neste caso é reduzida a determinar o comprimento de tal trocador de calor com base na área calculada da superfície de troca de calor e nos diâmetros fornecidos.
Aqui vale acrescentar que em termodinâmica é introduzido o conceito de um trocador de calor ideal, ou seja, um aparato de comprimento infinito, onde os transportadores de calor trabalham em contracorrente, e a diferença de temperatura é completamente trabalhada entre eles. O projeto pipe-in-pipe está mais próximo de atender a esses requisitos. E se você executar os refrigerantes em contracorrente, será o chamado "contrafluxo real" (e não cruzado, como nos TOAs de placa). A cabeça de temperatura é mais eficazmente trabalhada com essa organização de movimento. No entanto, ao calcular o trocador de calor “pipe in pipe”, deve-se ser realista e não esquecer o componente logístico, bem como a facilidade de instalação. O comprimento do eurotruck é de 13,5 metros, e nem todas as instalações técnicas estão adaptadas à derrapagem e instalação de equipamentos deste comprimento.
Trocadores de calor casco e tubo
Portanto, muitas vezes o cálculo de tal aparelho flui suavemente para o cálculo de um trocador de calor de casco e tubo. Este é um aparelho no qual um feixe de tubos está localizado em uma única carcaça (invólucro), lavado por vários refrigerantes, dependendo da finalidade do equipamento. Em condensadores, por exemplo, o refrigerante é executado no invólucro e a água é executada nos tubos. Com este método de movimentação de mídia, é mais conveniente e eficiente controlarfuncionamento do aparelho. Nos evaporadores, ao contrário, o refrigerante ferve nos tubos, enquanto eles são lavados pelo líquido resfriado (água, salmouras, glicóis, etc.). Portanto, o cálculo de um trocador de calor casco e tubo é reduzido para minimizar as dimensões do equipamento. Jogando com o diâmetro do casco, o diâmetro e o número de tubos internos e o comprimento do aparelho, o engenheiro chega ao valor calculado da área de superfície de troca de calor.
Trocadores de calor de ar
Um dos trocadores de calor mais comuns atualmente são os trocadores de calor tubulares com aletas. Eles também são chamados de cobras. Onde eles não são apenas instalados, começando por unidades ventilo-convectoras (do inglês fan + coil, ou seja, "fan" + "coil") nas unidades internas de sistemas split e terminando com recuperadores de gases de combustão gigantes (extração de calor de gases de combustão quentes e transmissão para necessidades de aquecimento) nas caldeiras da CHP. É por isso que o cálculo de um trocador de calor de bobina depende da aplicação onde este trocador de calor entrará em operação. Refrigeradores de ar industriais (HOPs) instalados em câmaras de congelamento rápido de carne, freezers de baixa temperatura e outras instalações de refrigeração de alimentos exigem certos recursos de design em seu design. O espaçamento entre as lamelas (aletas) deve ser o maior possível para aumentar o tempo de operação contínua entre os ciclos de degelo. Os evaporadores para centros de dados (centros de processamento de dados), pelo contrário, são feitos o mais compactos possível prendendo-se o interlamelardistância mínima. Tais trocadores de calor operam em “zonas limpas”, cercadas por filtros finos (até classe HEPA), portanto, tal cálculo de um trocador de calor tubular é realizado com ênfase na minimização de dimensões.
Trocadores de calor de placas
Atualmente, os trocadores de calor a placas estão em demanda estável. De acordo com o seu design, são totalmente desmontáveis e semi-soldadas, soldadas a cobre e a níquel, soldadas e soldadas por difusão (sem solda). O cálculo térmico de um trocador de calor a placas é bastante flexível e não apresenta nenhuma dificuldade particular para um engenheiro. No processo de seleção, você pode jogar com o tipo de placas, a profundidade dos canais de forjamento, o tipo de aletas, a espessura do aço, diferentes materiais e, o mais importante, vários modelos de dispositivos de tamanho padrão de diferentes tamanhos. Esses trocadores de calor são baixos e largos (para aquecimento a vapor de água) ou altos e estreitos (trocadores de calor de separação para sistemas de ar condicionado). Eles também são frequentemente usados para meios de mudança de fase, ou seja, como condensadores, evaporadores, dessuperaquecedores, pré-condensadores, etc. esta tarefa é solucionável e não apresenta nenhuma dificuldade particular. Para facilitar esses cálculos, os designers modernos usam bancos de dados de computadores de engenharia, onde você pode encontrar muitas informações necessárias, incluindo diagramas de estado de qualquer refrigerante em qualquer varredura, por exemplo, um programaCoolPack.
Exemplo de cálculo de trocador de calor
O principal objetivo do cálculo é calcular a área necessária da superfície de troca de calor. A potência térmica (refrigeração) geralmente é especificada nos termos de referência, porém, em nosso exemplo, vamos calculá-la, por assim dizer, para verificar os próprios termos de referência. Às vezes também acontece que um erro pode se infiltrar nos dados de origem. Uma das tarefas de um engenheiro competente é encontrar e corrigir esse erro. Como exemplo, vamos calcular um trocador de calor de placas do tipo "líquido-líquido". Deixe este ser um disjuntor de pressão em um prédio alto. Para descarregar equipamentos por pressão, essa abordagem é muito usada na construção de arranha-céus. De um lado do trocador de calor, temos água com temperatura de entrada Tin1=14 ᵒС e temperatura de saída Тout1=9 ᵒС, e com vazão G1=14.500 kg / h, e do outro - também água, mas apenas com os seguintes parâmetros: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Calculamos a potência necessária (Q0) usando a fórmula do balanço térmico (veja a figura acima, fórmula 7.1), onde Ср é a capacidade calorífica específica (valor da tabela). Para simplificar os cálculos, tomamos o valor reduzido da capacidade calorífica Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Contando:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557, 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - no primeiro lado e
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557, 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84, 3 kW - no segundo lado.
Observe que, de acordo com a fórmula (7.1), Q0=Q1=Q2, independente dede que lado o cálculo foi feito.
Além disso, usando a equação principal de transferência de calor (7.2), encontramos a área de superfície necessária (7.2.1), onde k é o coeficiente de transferência de calor (considerado igual a 6350 [W/m 2]), e ΔТav.log. - diferença de temperatura logarítmica média, calculada de acordo com a fórmula (7.3):
ΔT log médio.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F então=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Quando o coeficiente de transferência de calor é desconhecido, o cálculo do trocador de calor a placas é um pouco mais complicado. De acordo com a fórmula (7.4), calculamos o critério de Reynolds, onde ρ é a densidade, [kg/m3], η é a viscosidade dinâmica, [Ns/m 2], v é a velocidade do meio no canal, [m/s], d cm é o diâmetro molhado do canal [m].
De acordo com a tabela, procuramos o valor do critério de Prandtl [Pr] que precisamos e, usando a fórmula (7.5), obtemos o critério de Nusselt, onde n=0,4 - em condições de aquecimento do líquido, e n=0,3 - sob condições de resfriamento líquido.
A seguir, usando a fórmula (7.6), calculamos o coeficiente de transferência de calor de cada refrigerante para a parede e, usando a fórmula (7.7), calculamos o coeficiente de transferência de calor, que substituímos na fórmula (7.2.1) para calcular a área da superfície de troca de calor.
Nas fórmulas indicadas, λ é o coeficiente de condutividade térmica, ϭ é a espessura da parede do canal, α1 e α2 são os coeficientes de transferência de calor de cada um dos transportadores de calor para a parede.
