Calcolo di uno scambiatore di calore a piastre: come determinare correttamente i parametri?

Il calcolo dello scambiatore di calore attualmente richiede non più di cinque minuti. Qualsiasi organizzazione che produce e vende tali apparecchiature, di norma, fornisce a tutti il proprio programma di selezione. Puoi scaricarlo gratuitamente dal sito Web dell'azienda o il loro tecnico verrà nel tuo ufficio e lo installerà gratuitamente. Tuttavia, quanto è corretto il risultato di tali calcoli, è possibile fidarsi di esso e il produttore non è astuto quando combatte in una gara d'appalto con i suoi concorrenti? Il controllo di un calcolatore elettronico richiede la conoscenza o almeno la comprensione della metodologia di calcolo per i moderni scambiatori di calore. Proviamo a capire i dettagli.

Cos'è uno scambiatore di calore

Prima di calcolare lo scambiatore di calore, ricordiamo, che tipo di dispositivo è? Un apparato di scambio di calore e massa (noto anche come scambiatore di calore, anche noto come scambiatore di calore o TOA) è un dispositivo per trasferire il calore da un vettore di calore a un altro. Nel processo di modifica delle temperature dei refrigeranti, cambiano anche la loro densità e, di conseguenza, anche gli indicatori di massa delle sostanze. Questo è il motivo per cui tali processi sono chiamati trasferimento di calore e massa.

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Ciao! Uno scambiatore di calore è un dispositivo in cui viene effettuato lo scambio di calore tra due o più portatori di calore o tra portatori di calore e solidi (ugello, parete). Il ruolo del refrigerante può essere svolto anche dall'ambiente che circonda l'apparato. Gli scambiatori di calore, a seconda del loro scopo e del loro design, possono essere molto diversi, dal più semplice (radiatore) al più avanzato (gruppo caldaia). Secondo il principio di funzionamento, gli scambiatori di calore sono suddivisi in recuperativi, rigenerativi e miscelanti.

I dispositivi di recupero sono chiamati dispositivi in cui i portatori di calore caldo e freddo scorrono simultaneamente, separati da una parete solida. Questi dispositivi includono riscaldatori, caldaie, condensatori, evaporatori, ecc.

Gli apparecchi in cui la stessa superficie riscaldante viene lavata alternativamente da liquido caldo e freddo sono chiamati rigenerativi. In questo caso, il calore accumulato dalle pareti dell'apparecchio durante la loro interazione con il liquido caldo viene ceduto al liquido freddo. Un esempio di apparati rigenerativi sono i riscaldatori d'aria di focolari aperti e altiforni, forni di riscaldamento, ecc. Nei rigeneratori lo scambio di calore avviene sempre in condizioni non stazionarie, mentre gli apparati recuperatori funzionano per lo più in modalità stazionaria.

I dispositivi di recupero e rigenerazione sono anche chiamati superficiali, poiché il processo di trasferimento del calore in essi è inevitabilmente associato alla superficie di un solido.

I miscelatori sono dispositivi in cui il trasferimento di calore viene effettuato mediante miscelazione diretta di liquidi caldi e freddi.

Il movimento reciproco dei portatori di calore negli scambiatori di calore può essere diverso (Fig. 1.).

A seconda di ciò, si distingue tra dispositivi con flusso diretto, controcorrente, flusso incrociato e con una direzione di movimento complessa dei portatori di calore (corrente mista). Se i refrigeranti scorrono parallelamente in una direzione, tale schema di movimento viene chiamato flusso in avanti (Fig. 1.). Con controcorrente, i refrigeranti si muovono parallelamente, ma l'uno verso l'altro. Se le direzioni di movimento dei fluidi si intersecano, lo schema di movimento viene chiamato flusso incrociato. Oltre agli schemi nominati, nella pratica vengono utilizzati anche quelli più complessi: flusso diretto e controcorrente simultanei, correnti incrociate multiple, ecc.

A seconda dello scopo tecnologico e delle caratteristiche progettuali, gli scambiatori di calore sono suddivisi in scaldacqua, condensatori, gruppi caldaia, evaporatori, ecc. Ma la cosa comune è che servono tutti a trasferire calore da un vettore di calore all'altro, quindi, le disposizioni di base di calcolo termico sono gli stessi per loro. ... La differenza può essere solo lo scopo della transazione finale. Quando si progetta un nuovo scambiatore di calore, il compito di calcolo è determinare la superficie di riscaldamento; nel calcolo termico di verifica dello scambiatore esistente, è necessario trovare la quantità di calore trasferita e le temperature finali dei fluidi di lavoro.

Il calcolo del calore in entrambi i casi si basa sulle equazioni del bilancio termico e sull'equazione del trasferimento di calore.

L'equazione del bilancio termico dello scambiatore di calore ha la forma:

dove M è la portata massica del liquido di raffreddamento, kg / s; cpm - capacità termica media isobarica di massa specifica del liquido di raffreddamento, J / (kg * ° С).

Qui e in quanto segue, il pedice "1" indica i valori relativi al liquido caldo (vettore di calore primario), e il pedice "2" - al liquido freddo (vettore di calore secondario); una linea corrisponde alla temperatura del liquido all'ingresso dell'apparato e due linee - all'uscita.

Nel calcolo degli scambiatori di calore viene spesso utilizzato il concetto di capacità termica totale della portata massica del vettore di calore (equivalente in acqua), pari a C = Mav W / ° C. Dall'espressione (1) segue quello

ovvero, il rapporto tra le variazioni di temperatura dei fluidi termovettori monofase è inversamente proporzionale al rapporto delle loro capacità termiche di consumo totale (equivalenti in acqua).

L'equazione del trasferimento di calore è scritta come segue: Q = k * F * (t1 - t2), dove t1, t2 sono le temperature dei portatori di calore primario e secondario; F è l'area della superficie di trasferimento del calore.

Durante lo scambio termico, nella maggior parte dei casi, le temperature di entrambi i portatori di calore cambiano e, quindi, la prevalenza di temperatura Δt = t1 - t2 cambia. Anche il coefficiente di scambio termico sulla superficie di scambio termico avrà un valore variabile, quindi i valori medi della differenza di temperatura Δtav e del coefficiente di scambio termico kcp dovrebbero essere sostituiti nell'equazione di scambio termico, cioè

Q = kсp * F * Δtcp (3)

L'area di scambio termico F è calcolata dalla formula (3), mentre è specificata la prestazione termica Q. Per risolvere il problema, è necessario calcolare la media su tutta la superficie del coefficiente di scambio termico kсp e la prevalenza di temperatura Δtav.

Quando si calcola la differenza di temperatura media, è necessario tenere conto della natura della variazione delle temperature dei portatori di calore lungo la superficie di scambio termico. È noto dalla teoria della conducibilità termica che in una piastra o in un'asta cilindrica in presenza di una differenza di temperatura alle estremità (le superfici laterali sono isolate), la distribuzione della temperatura lungo la lunghezza è lineare. Se lo scambio termico avviene sulla superficie laterale o nel sistema sono presenti sorgenti di calore interne, la distribuzione della temperatura è curvilinea. Con una distribuzione uniforme delle fonti di calore, la variazione di temperatura lungo la lunghezza sarà parabolica.

Pertanto, negli scambiatori di calore, la natura della variazione delle temperature dei portatori di calore differisce da quella lineare ed è determinata dalle capacità termiche totali C1 e C2 delle portate massiche dei portatori di calore e dalla direzione del loro movimento reciproco (Fig. 2).

Si può vedere dai grafici che la variazione di temperatura lungo la superficie F non è la stessa. Secondo l'equazione (2), una variazione di temperatura maggiore sarà nel vettore di calore con una capacità termica inferiore del flusso di massa. Se i portatori di calore sono gli stessi, ad esempio, in uno scambiatore di calore acqua-acqua, la natura della variazione delle temperature dei portatori di calore sarà interamente determinata dalle loro portate, e ad una portata inferiore il il cambiamento di temperatura sarà grande.Con il co-flusso, la temperatura finale t "2 del mezzo riscaldato è sempre inferiore alla temperatura t" 1 del mezzo di riscaldamento all'uscita dell'apparecchio, e con il controcorrente, la temperatura finale t "2 può essere superiore alla temperatura t "1 (vedere per controcorrente il caso quando C1> C2). Di conseguenza, alla stessa temperatura iniziale, il mezzo da riscaldare con flusso in controcorrente può essere riscaldato ad una temperatura più alta rispetto al flusso in corrente.

Con il flusso in corrente, la prevalenza della temperatura lungo la superficie di riscaldamento cambia in misura maggiore rispetto al controcorrente. Allo stesso tempo, il suo valore medio in quest'ultimo caso è maggiore, per cui la superficie di riscaldamento dell'apparato con controcorrente sarà più piccola. Pertanto, a parità di condizioni, in questo caso, verrà trasferito più calore. Su questa base, la preferenza dovrebbe essere data ai dispositivi con un flusso in controcorrente.

A seguito di uno studio analitico di uno scambiatore di calore funzionante secondo lo schema a flusso diretto, si è riscontrato che la prevalenza di temperatura lungo la superficie di scambio termico varia in modo esponenziale, quindi la prevalenza di temperatura media può essere calcolata con la formula:

dove Δtb è la grande differenza di temperatura tra il vettore di calore caldo e freddo (da un'estremità dello scambiatore di calore); Δtm - differenza di temperatura minore (dall'altra estremità dello scambiatore di calore).

Con un flusso diretto, Δtb = t'1 - t'2 e Δtm = t "1 - t" 2 (Fig. 2.). Questa formula è valida anche per controcorrente con la sola differenza che nel caso in cui C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 e Δtm = t'1 - t "2.

La differenza di temperatura media tra due mezzi, calcolata dalla formula (4), è chiamata logaritmica media. testa di temperatura. La forma dell'espressione è dovuta alla natura della variazione di temperatura lungo la superficie riscaldante (dipendenza curvilinea). Se la dipendenza fosse lineare, il salto termico dovrebbe essere determinato come media aritmetica (Fig. 3.). Il valore della prevalenza media aritmetica Δtа.av è sempre maggiore della media logaritmica Δtl.av. Tuttavia, nei casi in cui la prevalenza di temperatura lungo la lunghezza dello scambiatore di calore cambia in modo insignificante, ovvero, la condizione Δtb / Δtm <2 è soddisfatta, la differenza di temperatura media può essere calcolata come media aritmetica:

La media della differenza di temperatura per dispositivi con flusso incrociato e corrente mista si distingue per la complessità dei calcoli, pertanto, per alcuni degli schemi più comuni, i risultati delle soluzioni sono solitamente forniti sotto forma di grafici. Isp. Letteratura: 1) Fondamenti di ingegneria dell'energia termica, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, ed. 2 °, "Scuola superiore", 1976. 3) Ingegneria del calore, a cura di 2, sotto la direzione generale di. IN Sushkina, Mosca "Metallurgia", 1973.

Tipi di trasferimento di calore

Ora parliamo dei tipi di trasferimento di calore: ce ne sono solo tre. Radiazione: il trasferimento di calore attraverso la radiazione. Un esempio è prendere il sole sulla spiaggia in una calda giornata estiva. E tali scambiatori di calore possono anche essere trovati sul mercato (riscaldatori d'aria per lampade). Tuttavia, il più delle volte per il riscaldamento di abitazioni, stanze in un appartamento, acquistiamo radiatori a petrolio o elettrici. Questo è un esempio di un altro tipo di trasferimento di calore: la convezione. La convezione può essere naturale, forzata (cappa e nella scatola è presente un recuperatore) o indotta meccanicamente (con un ventilatore, ad esempio). Quest'ultimo tipo è molto più efficiente.

Tuttavia, il modo più efficiente di trasferire il calore è la conduttività termica, o, come viene anche chiamata, conduzione (dall'inglese conduzione - "conduzione"). Qualsiasi ingegnere che sta per eseguire un calcolo termico di uno scambiatore di calore, prima di tutto, pensa a scegliere apparecchiature efficienti nelle dimensioni più piccole possibili. E questo si ottiene proprio grazie alla conduttività termica. Un esempio di ciò è il TOA più efficiente oggi - scambiatori di calore a piastre. La piastra TOA, per definizione, è uno scambiatore di calore che trasferisce il calore da un refrigerante all'altro attraverso la parete che li separa. La massima area di contatto possibile tra due supporti, unitamente ai materiali correttamente selezionati, al profilo delle piastre e al loro spessore, consente di ridurre al minimo le dimensioni dell'attrezzatura selezionata mantenendo le caratteristiche tecniche originali richieste nel processo tecnologico.

Tipi di scambiatori di calore

Prima di calcolare lo scambiatore di calore, vengono determinati con il suo tipo. Tutti i TOA possono essere suddivisi in due grandi gruppi: scambiatori di calore recuperativi e rigenerativi. La principale differenza tra loro è la seguente: nel TOA recuperativo, lo scambio termico avviene attraverso una parete che separa due refrigeranti, e nel TOA rigenerativo, i due mezzi sono a diretto contatto tra loro, spesso mescolandosi e richiedendo la successiva separazione in appositi separatori. Gli scambiatori di calore rigenerativi si dividono in miscelatori e scambiatori di calore a baderna (fissi, cadenti o intermedi). In parole povere, un secchio di acqua calda esposto al gelo o un bicchiere di tè caldo posto in frigorifero a raffreddare (non farlo mai!) È un esempio di tale miscelazione TOA. E versando il tè in un piattino e raffreddandolo in questo modo, otteniamo un esempio di scambiatore di calore rigenerativo con un ugello (il piattino in questo esempio svolge il ruolo di un ugello), che prima contatta l'aria ambiente e ne prende la temperatura , e poi prende parte del calore dal tè caldo versato in esso., cercando di portare entrambi i media in equilibrio termico. Tuttavia, come abbiamo già scoperto in precedenza, è più efficiente utilizzare la conduttività termica per trasferire il calore da un mezzo a un altro, quindi, i TOA che sono più utili in termini di trasferimento di calore (e ampiamente utilizzati) oggi sono, ovviamente, recuperativa.

Determinazione della quantità di calore

L'equazione del trasferimento di calore utilizzata per unità di tempo e processi stazionari è la seguente:

Q = KFtcp (W)

In questa equazione:

K è il valore del coefficiente di scambio termico (espresso in W / (m2 / K));
tav - la differenza media negli indicatori di temperatura tra diversi portatori di calore (il valore può essere fornito sia in gradi Celsius (0С) che in kelvin (K));
F è il valore della superficie per la quale avviene il trasferimento di calore (il valore è dato in m2).

L'equazione consente di descrivere il processo durante il quale il calore viene trasferito tra i portatori di calore (da caldo a freddo). L'equazione tiene conto:

trasferimento di calore dal refrigerante (caldo) alla parete;
parametri di conducibilità termica della parete;
trasferimento di calore dalla parete al refrigerante (freddo).

Calcolo termico e strutturale

Qualsiasi calcolo di uno scambiatore di calore recuperativo può essere effettuato sulla base dei risultati di calcoli termici, idraulici e di resistenza. Sono fondamentali, obbligatori nella progettazione di nuove apparecchiature e costituiscono la base del metodo di calcolo per i successivi modelli di linea della stessa tipologia di apparato. Il compito principale del calcolo termico del TOA è determinare l'area richiesta della superficie di scambio termico per il funzionamento stabile dello scambiatore di calore e mantenere i parametri richiesti del fluido all'uscita. Molto spesso, in tali calcoli, agli ingegneri vengono forniti valori arbitrari delle caratteristiche di massa e dimensioni dell'attrezzatura futura (materiale, diametro del tubo, dimensioni della piastra, geometria della trave, tipo e materiale di alettatura, ecc.), Pertanto, dopo il termico, di solito viene eseguito un calcolo costruttivo dello scambiatore di calore. Infatti, se nella prima fase l'ingegnere ha calcolato la superficie richiesta per un dato diametro del tubo, ad esempio 60 mm, e la lunghezza dello scambiatore di calore si è rivelata di circa sessanta metri, allora è più logico ipotizzare una transizione ad uno scambiatore di calore a più passaggi, oppure a fascio tubiero, o per aumentare il diametro dei tubi.

Meccanismi di trasferimento del calore nel calcolo degli scambiatori di calore

I tre tipi principali di trasferimento di calore sono la convezione, la conduzione del calore e l'irraggiamento.

Nei processi di scambio termico che procedono secondo i principi del meccanismo di conduzione del calore, l'energia termica viene trasferita sotto forma di trasferimento di energia di vibrazioni atomiche e molecolari elastiche. Il trasferimento di questa energia tra diversi atomi è nella direzione della diminuzione.

Il calcolo delle caratteristiche del trasferimento di energia termica secondo il principio della conducibilità termica viene effettuato secondo la legge di Fourier

I dati su area superficiale, conducibilità termica, gradiente di temperatura, periodo di flusso vengono utilizzati per calcolare la quantità di energia termica.Il concetto di gradiente di temperatura è definito come la variazione di temperatura nella direzione del trasferimento di calore di una o l'altra unità di lunghezza.

La conducibilità termica è la velocità del processo di scambio termico, ad es. la quantità di energia termica che passa attraverso qualsiasi unità di superficie per unità di tempo.

Come sapete, i metalli sono caratterizzati dal più alto coefficiente di conduttività termica rispetto ad altri materiali, che deve essere preso in considerazione in qualsiasi calcolo dei processi di scambio termico. Per quanto riguarda i liquidi, di regola hanno un coefficiente di conducibilità termica relativamente inferiore rispetto ai corpi allo stato solido di aggregazione.

È possibile calcolare la quantità di energia termica trasferita per il calcolo degli scambiatori di calore, in cui l'energia termica viene trasferita tra diversi mezzi attraverso la parete, utilizzando l'equazione di Fourier. È definita come la quantità di energia termica che passa attraverso un piano caratterizzato da uno spessore molto ridotto:

Dopo aver eseguito alcune operazioni matematiche, otteniamo la seguente formula

Si può concludere che la caduta di temperatura all'interno del muro viene eseguita secondo la legge di una linea retta.

Calcolo idraulico

Vengono eseguiti calcoli idraulici o idromeccanici, nonché aerodinamici per determinare e ottimizzare le perdite di pressione idrauliche (aerodinamiche) nello scambiatore di calore, nonché per calcolare i costi energetici per superarle. Il calcolo di qualsiasi percorso, canale o tubo per il passaggio del refrigerante rappresenta un compito primario per una persona: intensificare il processo di trasferimento del calore in quest'area. Cioè, un mezzo dovrebbe trasferire e l'altro dovrebbe ricevere quanto più calore possibile all'intervallo minimo del suo flusso. Per questo, viene spesso utilizzata una superficie di scambio termico aggiuntiva, sotto forma di una nervatura superficiale sviluppata (per separare il sottostrato laminare limite e migliorare la turbolizzazione del flusso). Il rapporto di bilanciamento ottimale tra perdite idrauliche, superficie di scambio termico, caratteristiche di peso e dimensioni e potenza termica rimossa è il risultato di una combinazione di calcolo termico, idraulico e costruttivo del TOA.

Calcolo di verifica

Il calcolo dello scambiatore di calore viene effettuato nel caso in cui sia necessario porre un margine per la potenza o per l'area della superficie di scambio termico. La superficie è riservata per vari motivi e in diverse situazioni: se questo è richiesto secondo i termini di riferimento, se il produttore decide di aggiungere un margine aggiuntivo per essere sicuro che tale scambiatore di calore entri in funzione e per ridurre al minimo gli errori fatto nei calcoli. In alcuni casi, è richiesta la ridondanza per arrotondare i risultati delle dimensioni di progetto, in altri (evaporatori, economizzatori), un margine superficiale viene appositamente introdotto nel calcolo della capacità dello scambiatore di calore di contaminazione da olio del compressore presente nel circuito frigorifero. E la bassa qualità dell'acqua deve essere presa in considerazione. Dopo un certo periodo di funzionamento ininterrotto degli scambiatori di calore, specialmente ad alte temperature, le incrostazioni si depositano sulla superficie di scambio termico dell'apparecchiatura, riducendo il coefficiente di scambio termico e portando inevitabilmente ad una diminuzione parassitaria nella rimozione del calore. Pertanto, un ingegnere competente, nel calcolare uno scambiatore di calore acqua-acqua, presta particolare attenzione alla ridondanza aggiuntiva della superficie di scambio termico. Il calcolo di verifica viene eseguito anche per vedere come funzionerà l'apparecchiatura selezionata in altre modalità secondarie. Ad esempio, nei condizionatori d'aria centrali (unità di alimentazione dell'aria), i riscaldatori del primo e del secondo riscaldamento, che vengono utilizzati nella stagione fredda, vengono spesso utilizzati in estate per raffreddare l'aria in entrata fornendo acqua fredda ai tubi dell'aria scambiatore di calore.Il modo in cui funzioneranno e quali parametri forniranno consente di valutare il calcolo di verifica.

Dispositivo e principio di funzionamento

Le apparecchiature di scambio termico sul mercato moderno sono presentate in un'ampia varietà.

L'intero assortimento disponibile di prodotti di questa linea può essere suddiviso in due tipologie, come ad esempio:

aggregati in lastre;
dispositivi a guscio e tubo.

Quest'ultima varietà, a causa del suo basso tasso di efficienza, nonché delle sue grandi dimensioni, oggi non è quasi venduta sul mercato. Lo scambiatore di calore a piastre è costituito da piastre ondulate identiche, fissate a un robusto telaio metallico. Gli elementi si trovano in un'immagine speculare l'uno rispetto all'altro e tra loro ci sono guarnizioni in acciaio e gomma. L'effettiva area di scambio termico dipende direttamente dalle dimensioni e dal numero di piastre.

I dispositivi a piastra possono essere suddivisi in due sottospecie in base alla configurazione, come ad esempio:

unità brasate;
scambiatori di calore con guarnizioni.

I dispositivi pieghevoli differiscono dai prodotti del tipo di assemblaggio brasato in quanto, non appena necessario, il dispositivo può essere aggiornato e adattato alle esigenze personali, ad esempio aggiungendo o rimuovendo un certo numero di piastre. Gli scambiatori di calore con guarnizioni sono richiesti nelle aree in cui l'acqua dura viene utilizzata per esigenze domestiche, a causa delle caratteristiche di cui bevanda e vari contaminanti si accumulano sugli elementi dell'unità. Queste neoplasie influiscono negativamente sull'efficienza del dispositivo, pertanto devono essere pulite regolarmente e, grazie alla loro configurazione, questo è sempre possibile.

I dispositivi non smontabili si distinguono per le seguenti caratteristiche:

alto livello di resistenza alle alte pressioni e alle fluttuazioni di temperatura;
lunga durata;
peso leggero.

I gruppi brasati vengono puliti senza smontare l'intera struttura.

In base al calcolo del tipo e dell'opzione di installazione dell'unità, è necessario distinguere due tipi di scambiatori di calore per l'acqua calda dal riscaldamento.

Gli scambiatori di calore interni si trovano negli stessi dispositivi di riscaldamento: forni, caldaie e altri. L'installazione di questo tipo consente di ottenere la massima efficienza durante il funzionamento dei prodotti, poiché la perdita di calore per il riscaldamento della custodia sarà minima. Di norma, tali dispositivi sono già integrati nella caldaia nella fase di produzione delle caldaie. Ciò facilita notevolmente l'installazione e la messa in servizio, poiché è sufficiente regolare la modalità di funzionamento richiesta dello scambiatore di calore.

Gli scambiatori di calore esterni devono essere collegati separatamente dalla fonte di calore. Tali dispositivi sono rilevanti per l'uso nei casi in cui il funzionamento del dispositivo dipende da una fonte di riscaldamento remota. Le case con riscaldamento centralizzato ne sono un esempio. In questa forma di realizzazione, l'unità domestica che riscalda l'acqua funge da dispositivo esterno.

Tenendo conto del tipo di materiale da cui sono realizzate le trame, vale la pena evidenziare i seguenti modelli:

scambiatori di calore in acciaio;
dispositivi in ghisa.

Inoltre, spiccano i sistemi brasati in rame. Sono utilizzati per il teleriscaldamento nei condomini.

Le seguenti caratteristiche dovrebbero essere considerate le caratteristiche delle apparecchiature in ghisa:

la materia prima si raffredda piuttosto lentamente, il che consente di risparmiare sul funzionamento dell'intero sistema di riscaldamento;
il materiale ha un'elevata conduttività termica, tutti i prodotti in ghisa hanno proprietà intrinseche in cui si riscalda molto rapidamente e cede calore ad altri elementi;
la materia prima è resistente alla formazione di incrostazioni sulla base, inoltre è più resistente alla corrosione;
installando sezioni aggiuntive, è possibile aumentare la potenza e la funzionalità dell'unità nel suo complesso;
i prodotti di questo materiale possono essere trasportati in parti, suddividendoli in sezioni, il che facilita il processo di consegna, nonché l'installazione e la manutenzione dello scambiatore di calore.

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Come qualsiasi altro prodotto, un tale dispositivo dipendente presenta i seguenti svantaggi:

la ghisa si distingue per la sua bassa resistenza a forti fluttuazioni di temperatura, tali fenomeni possono essere irti della formazione di crepe sul dispositivo, che influenzeranno negativamente le prestazioni dello scambiatore di calore;
pur avendo grandi dimensioni, le unità in ghisa sono molto fragili, quindi danni meccanici, soprattutto durante il trasporto dei prodotti, possono danneggiarla gravemente;
il materiale è soggetto a corrosione a secco;
la grande massa e le dimensioni del dispositivo a volte complicano lo sviluppo e l'installazione del sistema.

Gli scambiatori di calore in acciaio per la fornitura di acqua calda si distinguono per i seguenti vantaggi:

elevata conducibilità termica;
piccola massa di prodotti. L'acciaio non appesantisce il sistema, pertanto tali dispositivi sono l'opzione migliore quando è necessario uno scambiatore di calore, il cui compito è quello di servire una vasta area;
le unità in acciaio sono resistenti alle sollecitazioni meccaniche;
lo scambiatore di calore in acciaio non reagisce agli sbalzi di temperatura all'interno della struttura;
il materiale ha buone caratteristiche di elasticità, tuttavia il contatto prolungato con un mezzo altamente riscaldato o raffreddato può portare alla formazione di cricche nella zona delle saldature.

Gli svantaggi dei dispositivi includono le seguenti caratteristiche:

suscettibilità alla corrosione elettrochimica. Pertanto, con il contatto costante con un ambiente aggressivo, la vita operativa del dispositivo sarà notevolmente ridotta;
i dispositivi non hanno la capacità di aumentare l'efficienza del lavoro;
l'unità in acciaio perde calore molto rapidamente, il che è irto di un aumento del consumo di carburante per il funzionamento produttivo;
basso livello di manutenibilità. È quasi impossibile riparare il dispositivo con le proprie mani;
l'assemblaggio finale dello scambiatore di calore in acciaio viene eseguito nelle condizioni dell'officina in cui è stato fabbricato. Le unità sono blocchi monolitici di grandi dimensioni, a causa dei quali ci sono difficoltà con la loro consegna.

Alcuni produttori, al fine di aumentare la qualità degli scambiatori di calore in acciaio, rivestono le sue pareti interne con ghisa, aumentando così l'affidabilità della struttura.

I moderni scambiatori di calore sono unità il cui funzionamento si basa su diversi principi:

irrigazione;
sommergibile;
brasato;
superficiale;
collassabile;
lamellare rigato;
miscelazione;
shell-and-tube e altri.

Ma gli scambiatori di calore a piastre per la fornitura di acqua calda e il riscaldamento differiscono favorevolmente da molti altri. Questi sono riscaldatori a flusso continuo. Le installazioni sono una serie di piastre, tra le quali si formano due canali: caldo e freddo. Sono separati da una guarnizione in acciaio e gomma, quindi viene eliminata la miscelazione del mezzo.

Le piastre sono assemblate in un unico blocco. Questo fattore determina la funzionalità del dispositivo. Le piastre hanno dimensioni identiche, ma si trovano a una rotazione di 180 gradi, motivo per cui si formano cavità attraverso le quali vengono trasportati i liquidi. In questo modo si forma l'alternanza dei canali freddo e caldo e si forma un processo di scambio termico.

Il ricircolo in questo tipo di apparecchiature è intenso. Le condizioni in cui verrà utilizzato lo scambiatore di calore per sistemi di fornitura di acqua calda dipendono dal materiale delle guarnizioni, dal numero di piastre, dalla loro dimensione e tipo. Gli impianti che preparano l'acqua calda sono dotati di due circuiti: uno per l'acqua calda sanitaria, l'altro per il riscaldamento degli ambienti. Le macchine per lastre sono sicure, produttive e utilizzate nelle seguenti aree:

preparazione di un vettore di calore negli impianti di fornitura di acqua calda, ventilazione e riscaldamento;
raffreddamento di prodotti alimentari e oli industriali;
fornitura di acqua calda per docce presso imprese;
per la predisposizione del vettore di calore negli impianti di riscaldamento a pavimento;
per la preparazione di un vettore di calore nell'industria alimentare, chimica e farmaceutica;
riscaldamento dell'acqua della piscina e altri processi di scambio termico.

Calcoli di ricerca

I calcoli di ricerca di TOA vengono effettuati sulla base dei risultati ottenuti dei calcoli termici e di verifica. Di norma, sono necessari per apportare le ultime modifiche al design dell'apparato progettato. Vengono inoltre eseguiti per correggere eventuali equazioni previste dal modello di calcolo TOA implementato, ottenuto empiricamente (secondo dati sperimentali). L'esecuzione di calcoli di ricerca implica decine e talvolta centinaia di calcoli secondo un piano speciale sviluppato e implementato in produzione secondo la teoria matematica della pianificazione dell'esperimento. In base ai risultati, viene rivelata l'influenza di varie condizioni e quantità fisiche sugli indicatori di prestazione di TOA.

Altri calcoli

Quando si calcola l'area dello scambiatore di calore, non dimenticare la resistenza dei materiali. I calcoli di resistenza TOA includono il controllo dell'unità progettata per sollecitazione, torsione, per l'applicazione dei momenti operativi massimi consentiti alle parti e ai gruppi del futuro scambiatore di calore. Di dimensioni minime, il prodotto deve essere durevole, stabile e garantire un funzionamento sicuro in diverse condizioni operative anche le più stressanti.

Il calcolo dinamico viene eseguito per determinare le varie caratteristiche dello scambiatore di calore a modalità variabili del suo funzionamento.

Scambiatori di calore tubo in tubo

Consideriamo il calcolo più semplice di uno scambiatore di calore pipe-in-pipe. Strutturalmente, questo tipo di TOA è semplificato il più possibile. Di norma, un vettore di calore caldo è consentito nel tubo interno dell'apparato per ridurre al minimo le perdite e un vettore di calore di raffreddamento viene lanciato nell'involucro o nel tubo esterno. Il compito dell'ingegnere in questo caso è ridotto a determinare la lunghezza di tale scambiatore di calore in base all'area calcolata della superficie di scambio termico e ai diametri dati.

Va aggiunto qui che il concetto di scambiatore di calore ideale viene introdotto nella termodinamica, cioè un apparato di lunghezza infinita, dove i refrigeranti lavorano in controcorrente, e la differenza di temperatura è completamente innescata tra di loro. Il design tubo in tubo si avvicina di più a soddisfare questi requisiti. E se si fanno funzionare i refrigeranti in controcorrente, allora sarà il cosiddetto "vero controcorrente" (e non a flusso incrociato, come nella piastra TOA). La testa della temperatura viene attivata in modo più efficiente con una tale organizzazione del movimento. Tuttavia, quando si calcola uno scambiatore di calore pipe-in-pipe, è necessario essere realistici e non dimenticare la componente logistica, nonché la facilità di installazione. La lunghezza dell'eurotruck è di 13,5 metri e non tutti i locali tecnici sono adatti allo slittamento e all'installazione di apparecchiature di questa lunghezza.

Come calcolare lo scambiatore di calore

È fondamentale calcolare lo scambiatore di calore a serpentina, altrimenti la sua potenza termica potrebbe non essere sufficiente per riscaldare l'ambiente. Il sistema di riscaldamento è progettato per compensare la perdita di calore. Di conseguenza, possiamo solo scoprire la quantità esatta di energia termica richiesta in base alla perdita di calore dell'edificio. È abbastanza difficile fare un calcolo, quindi, in media, prendono 100 W per 1 metro quadrato con un'altezza del soffitto di 2,7 m.

Deve esserci uno spazio tra le curve.

Inoltre, i seguenti valori sono richiesti per il calcolo:

Pi;
il diametro del tubo disponibile (prendere 10 mm);
conducibilità termica lambda del metallo (per rame 401 W / m * K);
delta della temperatura di mandata e ritorno del liquido di raffreddamento (20 gradi).

Per determinare la lunghezza del tubo, è necessario dividere la potenza termica totale in W per il prodotto dei fattori di cui sopra.Consideriamo l'esempio di uno scambiatore di calore in rame con una potenza termica richiesta di 3 kW - questo è 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (conducibilità termica lambda) * 20 (delta temperatura) * 0,01 (diametro tubo in metri)

Da questo calcolo, risulta che sono necessari 11,91 m di tubo di rame con un diametro di 10 mm affinché la potenza termica della batteria sia di 3 kW.

Scambiatori di calore a fascio tubiero

Pertanto, molto spesso il calcolo di un tale apparecchio scorre senza problemi nel calcolo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Questo è un apparecchio in cui un fascio di tubi si trova in un unico alloggiamento (involucro), lavato da vari refrigeranti, a seconda dello scopo dell'apparecchiatura. Nei condensatori, ad esempio, il refrigerante scorre nella camicia e l'acqua nei tubi. Con questo metodo di spostamento del supporto, è più conveniente ed efficiente controllare il funzionamento dell'apparato. Negli evaporatori, al contrario, il refrigerante bolle nei tubi, e contemporaneamente vengono lavati dal liquido raffreddato (acqua, salamoia, glicoli, ecc.). Pertanto, il calcolo di uno scambiatore di calore a fascio tubiero si riduce a minimizzare le dimensioni dell'apparecchiatura. Giocando con il diametro dell'involucro, il diametro e il numero di tubi interni e la lunghezza dell'apparato, l'ingegnere raggiunge il valore calcolato dell'area della superficie di scambio termico.

Scambiatori di calore ad aria

Uno degli scambiatori di calore più comuni oggi sono gli scambiatori di calore tubolari alettati. Sono anche chiamate bobine. Ovunque non siano installati, a partire dai ventilconvettori (dall'inglese fan + coil, ovvero "fan" + "coil") nei blocchi interni degli impianti split e terminando con giganteschi recuperatori di fumi (estrazione di calore da fumi caldi e trasferirlo per esigenze termiche) in centrali termiche presso CHP. Questo è il motivo per cui il design di uno scambiatore di calore a serpentina dipende dall'applicazione in cui lo scambiatore di calore entrerà in funzione. I raffreddatori d'aria industriali (VOP), installati in camere di congelamento della carne, in congelatori a basse temperature e in altri oggetti di refrigerazione degli alimenti, richiedono determinate caratteristiche di progettazione nelle loro prestazioni. La distanza tra le lamelle (alette) dovrebbe essere la più ampia possibile per aumentare il tempo di funzionamento continuo tra i cicli di sbrinamento. Gli evaporatori per data center (centri elaborazione dati), al contrario, sono resi il più compatti possibile, mantenendo gli spazi al minimo. Tali scambiatori di calore operano in "zone pulite", circondate da filtri fini (fino alla classe HEPA), pertanto, un tale calcolo di uno scambiatore di calore tubolare viene eseguito ponendo l'accento sulla minimizzazione delle dimensioni.

Tipi di scambiatori di calore a serpentino

Un portasciugamani riscaldato è anche uno scambiatore di calore a batteria.

Puoi realizzare una bobina con le tue mani di diversi modelli e di diversi tipi di metallo (acciaio, rame, alluminio, ghisa). I prodotti in alluminio e ghisa vengono stampati nelle fabbriche, poiché le condizioni richieste per lavorare con questi metalli possono essere raggiunte solo in condizioni di produzione. Senza questo, sarà possibile lavorare solo con acciaio o rame. È meglio usare il rame in quanto è malleabile e ha un alto grado di conduttività termica. Esistono due schemi per realizzare una bobina:

vite;
parallelo.

Lo schema elicoidale implica la posizione delle spire della spirale lungo una linea elicoidale. Il liquido di raffreddamento in tali scambiatori di calore si muove in una direzione. Se necessario, per aumentare la resa termica, è possibile combinare più spirali secondo il principio "pipe in pipe".

Per ridurre al minimo la perdita di calore, è necessario scegliere quale tipo di isolamento è meglio isolare la casa dall'esterno. Dipende anche dal materiale delle pareti.
È necessario effettuare la scelta dell'isolamento per una casa in legno in base alla permeabilità al vapore dell'isolamento termico.

In un circuito parallelo, il liquido di raffreddamento cambia costantemente la sua direzione di movimento. Tale scambiatore di calore è costituito da tubi diritti collegati da un gomito di 180 gradi.In alcuni casi, ad esempio, per la produzione di un registro di riscaldamento, le ginocchia girevoli potrebbero non essere utilizzate. Invece di loro, è installato un bypass diretto, che può essere posizionato sia su una che su entrambe le estremità del tubo.

Metodi di trasferimento del calore

Il principio di funzionamento di uno scambiatore di calore a serpentina consiste nel riscaldare una sostanza a scapito del calore di un'altra. Pertanto, l'acqua nello scambiatore di calore può essere riscaldata da una fiamma libera. In questo caso, fungerà da dissipatore di calore. Ma anche la bobina stessa può fungere da fonte di calore. Ad esempio, quando un liquido di raffreddamento scorre attraverso i tubi, riscaldato in una caldaia o mediante un elemento riscaldante elettrico incorporato, e il suo calore viene trasferito all'acqua dall'impianto di riscaldamento. Fondamentalmente, lo scopo ultimo del trasferimento di calore è riscaldare l'aria interna.

Scambiatori di calore a piastre

Attualmente, la domanda di scambiatori di calore a piastre è stabile. Secondo il loro design, sono completamente pieghevoli e semisaldate, brasate con rame e brasate con nichel, saldate e brasate con il metodo di diffusione (senza saldatura). Il design termico di uno scambiatore di calore a piastre è abbastanza flessibile e non particolarmente difficile per un ingegnere. Nel processo di selezione, puoi giocare con il tipo di piastre, la profondità di punzonatura dei canali, il tipo di nervature, lo spessore dell'acciaio, i diversi materiali e, soprattutto, numerosi modelli di dimensioni standard di dispositivi di diverse dimensioni. Tali scambiatori di calore sono bassi e larghi (per il riscaldamento a vapore dell'acqua) o alti e stretti (scambiatori di calore a separazione per impianti di condizionamento). Sono spesso utilizzati per mezzi a cambiamento di fase, cioè come condensatori, evaporatori, desurriscaldatori, precondensatori, ecc. È un po 'più difficile eseguire il calcolo termico di uno scambiatore di calore che funziona secondo uno schema bifase rispetto a un liquido scambiatore di calore -to-liquido, ma per un ingegnere esperto, questo compito è risolvibile e non particolarmente difficile. Per facilitare tali calcoli, i progettisti moderni utilizzano basi informatiche di ingegneria, dove è possibile trovare molte informazioni necessarie, inclusi diagrammi dello stato di qualsiasi refrigerante in qualsiasi scansione, ad esempio il programma CoolPack.