Perhitungan penukar panas saat ini tidak lebih dari lima menit. Setiap organisasi yang memproduksi dan menjual peralatan seperti itu, sebagai suatu peraturan, menyediakan program seleksi mereka sendiri untuk setiap orang. Itu dapat diunduh secara gratis dari situs web perusahaan, atau teknisi mereka akan datang ke kantor Anda dan menginstalnya secara gratis. Namun, seberapa benar hasil perhitungan tersebut, dapat dipercaya dan apakah pabrikan tidak licik saat bertarung dalam tender dengan pesaingnya? Memeriksa kalkulator elektronik membutuhkan pengetahuan atau setidaknya pemahaman tentang metodologi untuk menghitung penukar panas modern. Mari kita coba memahami detailnya.
Apa itu penukar panas
Sebelum melakukan perhitungan penukar panas, mari kita ingat perangkat apa ini? Aparatus perpindahan panas dan massa (alias penukar panas, alias penukar panas, atau TOA) adalahperangkat untuk mentransfer panas dari satu pendingin ke yang lain. Dalam proses mengubah suhu pembawa panas, kerapatannya dan, karenanya, indikator massa zat juga berubah. Itulah sebabnya proses seperti itu disebut perpindahan panas dan massa.
Jenis perpindahan panas
Sekarang mari kita bicara tentang jenis perpindahan panas - hanya ada tiga di antaranya. Radiatif - perpindahan panas karena radiasi. Sebagai contoh, pertimbangkan untuk berjemur di pantai pada hari musim panas yang hangat. Dan penukar panas semacam itu bahkan dapat ditemukan di pasaran (pemanas udara tabung). Namun, paling sering untuk memanaskan tempat tinggal, kamar di apartemen, kami membeli radiator oli atau listrik. Ini adalah contoh jenis perpindahan panas lainnya - konveksi. Konveksi bisa alami, paksa (kap mesin, dan ada penukar panas di dalam kotak) atau digerakkan secara mekanis (dengan kipas, misalnya). Jenis yang terakhir ini jauh lebih efisien.
Namun, cara paling efisien untuk mentransfer panas adalah konduksi, atau, sebagaimana disebut juga, konduksi (dari bahasa Inggris. konduksi - "konduksi"). Setiap insinyur yang akan melakukan perhitungan termal penukar panas, pertama-tama, memikirkan cara memilih peralatan yang efisien dalam dimensi minimum. Dan dimungkinkan untuk mencapai ini secara tepat karena konduktivitas termal. Contohnya adalah TOA paling efisien saat ini - penukar panas pelat. Penukar panas pelat, menurut definisi, adalah penukar panas yang memindahkan panas dari satu pendingin ke pendingin lain melalui dinding yang memisahkannya. Maksimumkemungkinan area kontak antara dua media, bersama dengan bahan yang dipilih dengan benar, profil pelat dan ketebalan, memungkinkan meminimalkan ukuran peralatan yang dipilih sambil mempertahankan karakteristik teknis asli yang diperlukan dalam proses teknologi.
Jenis penukar panas
Sebelum menghitung heat exchanger ditentukan jenisnya. Semua TOA dapat dibagi menjadi dua kelompok besar: penukar panas penyembuhan dan regeneratif. Perbedaan utama antara keduanya adalah sebagai berikut: pada TOA regeneratif, pertukaran panas terjadi melalui dinding yang memisahkan dua pendingin, sedangkan pada media regeneratif, dua media memiliki kontak langsung satu sama lain, sering kali bercampur dan memerlukan pemisahan berikutnya dalam pemisah khusus. Penukar panas regeneratif dibagi menjadi pencampuran dan penukar panas dengan pengepakan (stasioner, jatuh atau menengah). Secara kasar, seember air panas, terkena embun beku, atau segelas teh panas, didinginkan di lemari es (jangan pernah lakukan ini!) - ini adalah contoh TOA pencampuran. Dan menuangkan teh ke dalam piring dan mendinginkannya dengan cara ini, kami mendapatkan contoh penukar panas regeneratif dengan nosel (piring dalam contoh ini memainkan peran nosel), yang pertama kali menghubungi udara di sekitarnya dan mengambil suhunya, dan kemudian menghilangkan sebagian panas dari teh panas yang dituangkan ke dalamnya, berusaha membawa kedua media ke dalam kesetimbangan termal. Namun, seperti yang telah kita ketahui sebelumnya, lebih efisien menggunakan konduktivitas termal untuk mentransfer panas dari satu media ke media lain, oleh karena ituPerpindahan panas yang lebih berguna (dan banyak digunakan) saat ini, tentu saja, adalah TOA regeneratif.
Desain termal dan struktural
Setiap perhitungan penukar panas penyembuhan dapat dilakukan berdasarkan hasil perhitungan termal, hidrolik, dan kekuatan. Mereka mendasar, wajib dalam desain peralatan baru dan membentuk dasar metodologi untuk menghitung model berikutnya dari garis perangkat serupa. Tugas utama perhitungan termal TOA adalah menentukan area permukaan pertukaran panas yang diperlukan untuk pengoperasian penukar panas yang stabil dan mempertahankan parameter media yang diperlukan di outlet. Cukup sering, dalam perhitungan seperti itu, insinyur diberi nilai sewenang-wenang dari karakteristik berat dan ukuran peralatan masa depan (bahan, diameter pipa, dimensi pelat, geometri bundel, jenis dan bahan sirip, dll.), Oleh karena itu, setelah perhitungan termal, mereka biasanya melakukan perhitungan konstruktif dari penukar panas. Lagi pula, jika pada tahap pertama insinyur menghitung luas permukaan yang diperlukan untuk diameter pipa tertentu, misalnya 60 mm, dan panjang penukar panas ternyata sekitar enam puluh meter, maka akan lebih logis untuk mengasumsikan transisi. ke penukar panas multi-pass, atau ke tipe shell-and-tube, atau untuk meningkatkan diameter tabung.
Perhitungan hidrolik
Hidraulik atau hidromekanik, serta perhitungan aerodinamis dilakukan untuk menentukan dan mengoptimalkan hidraulik(aerodinamis) kehilangan tekanan di penukar panas, serta menghitung biaya energi untuk mengatasinya. Perhitungan jalur, saluran, atau pipa apa pun untuk melewati pendingin merupakan tugas utama seseorang - untuk mengintensifkan proses perpindahan panas di area ini. Artinya, satu media harus mentransfer, dan yang lain menerima panas sebanyak mungkin dalam periode minimum alirannya. Untuk ini, permukaan pertukaran panas tambahan sering digunakan, dalam bentuk ribbing permukaan yang dikembangkan (untuk memisahkan sublapisan laminar batas dan meningkatkan turbulensi aliran). Rasio keseimbangan optimal dari rugi-rugi hidraulik, luas permukaan pertukaran panas, karakteristik berat dan ukuran, serta daya termal yang dihilangkan adalah hasil dari kombinasi perhitungan termal, hidraulik, dan struktural TOA.
Periksa perhitungan
Perhitungan verifikasi penukar panas dilakukan jika perlu untuk meletakkan margin dalam hal daya atau dalam hal luas permukaan pertukaran panas. Permukaan dicadangkan untuk berbagai alasan dan dalam situasi yang berbeda: jika diperlukan oleh kerangka acuan, jika pabrikan memutuskan untuk membuat margin tambahan untuk memastikan bahwa penukar panas seperti itu akan mencapai rezim dan meminimalkan kesalahan yang dibuat dalam perhitungan. Dalam beberapa kasus, redundansi diperlukan untuk membulatkan hasil dimensi konstruktif, sementara di kasus lain (evaporator, economizers), margin permukaan secara khusus dimasukkan ke dalam perhitungan daya penukar panas, untuk kontaminasi oleh oli kompresor yang ada di sirkuit pendingin.. Dan kualitas air yang burukharus diperhitungkan. Setelah beberapa waktu pengoperasian penukar panas tanpa gangguan, terutama pada suhu tinggi, kerak mengendap pada permukaan pertukaran panas peralatan, mengurangi koefisien perpindahan panas dan tak terhindarkan menyebabkan penurunan parasit dalam penghilangan panas. Oleh karena itu, seorang insinyur yang kompeten, ketika menghitung penukar panas air-ke-air, memberikan perhatian khusus pada redundansi tambahan dari permukaan pertukaran panas. Perhitungan verifikasi juga dilakukan untuk melihat bagaimana peralatan yang dipilih akan bekerja dalam mode sekunder lainnya. Misalnya, di AC sentral (unit suplai), pemanas pemanas pertama dan kedua, yang digunakan di musim dingin, sering digunakan di musim panas untuk mendinginkan udara yang masuk, memasok air dingin ke tabung penukar panas udara. Bagaimana mereka akan berfungsi dan parameter apa yang akan diberikan, memungkinkan Anda untuk mengevaluasi perhitungan verifikasi.
Perhitungan eksplorasi
Perhitungan penelitian TOA dilakukan berdasarkan hasil perhitungan termal dan verifikasi yang diperoleh. Mereka diperlukan, sebagai suatu peraturan, untuk membuat amandemen terakhir pada desain peralatan yang dirancang. Mereka juga dilakukan untuk mengoreksi setiap persamaan yang tergabung dalam model perhitungan yang diterapkan TOA, diperoleh secara empiris (menurut data eksperimen). Melakukan perhitungan penelitian melibatkan puluhan dan terkadang ratusan perhitungan sesuai dengan rencana khusus yang dikembangkan dan diimplementasikan dalam produksi sesuai denganteori matematika eksperimen perencanaan. Berdasarkan hasil tersebut terungkap pengaruh berbagai kondisi dan besaran fisis terhadap indikator efisiensi TOA.
Perhitungan lainnya
Saat menghitung luas penukar panas, jangan lupakan hambatan bahan. Perhitungan kekuatan TOA termasuk memeriksa unit yang dirancang untuk tegangan, torsi, untuk menerapkan momen kerja maksimum yang diizinkan ke bagian dan rakitan penukar panas masa depan. Dengan dimensi minimum, produk harus kuat, stabil, dan menjamin pengoperasian yang aman di berbagai kondisi pengoperasian yang paling berat sekalipun.
Perhitungan dinamis dilakukan untuk menentukan berbagai karakteristik penukar panas dalam mode operasi variabel.
Tipe desain penukar panas
TOA Recuperative dengan desain dapat dibagi menjadi beberapa kelompok yang cukup besar. Yang paling terkenal dan banyak digunakan adalah plate heat exchanger, air (tubular finned), shell-and-tube, tube-in-pipe heat exchanger, shell-and-plate dan lain-lain. Ada juga jenis yang lebih eksotis dan sangat khusus, seperti spiral (penukar panas koil) atau jenis tergores, yang bekerja dengan cairan kental atau non-Newtonian, serta banyak jenis lainnya.
Penukar panas pipa-dalam-pipa
Mari kita pertimbangkan perhitungan paling sederhana dari penukar panas "pipa dalam pipa". Secara struktural, TOA jenis ini disederhanakan secara maksimal. Sebagai aturan, mereka membiarkan ke dalam ban dalam peralatanpendingin panas, untuk meminimalkan kerugian, dan pendingin pendingin diluncurkan ke dalam casing, atau ke dalam pipa luar. Tugas insinyur dalam hal ini direduksi menjadi menentukan panjang penukar panas tersebut berdasarkan luas yang dihitung dari permukaan pertukaran panas dan diameter yang diberikan.
Di sini perlu ditambahkan bahwa dalam termodinamika konsep penukar panas yang ideal diperkenalkan, yaitu, sebuah peralatan dengan panjang tak terbatas, di mana pembawa panas bekerja dalam arus berlawanan, dan perbedaan suhu sepenuhnya ditentukan di antara mereka.. Desain pipa-dalam-pipa paling dekat untuk memenuhi persyaratan ini. Dan jika Anda menjalankan pendingin dalam arus berlawanan, maka itu akan menjadi apa yang disebut "aliran balik nyata" (dan tidak bersilangan, seperti pada pelat TOA). Kepala suhu paling efektif bekerja dengan organisasi gerakan seperti itu. Namun, ketika menghitung penukar panas "pipa dalam pipa", orang harus realistis dan tidak melupakan komponen logistik, serta kemudahan pemasangan. Panjang truk euro adalah 13,5 meter, dan tidak semua bangunan teknis disesuaikan dengan penyaradan dan pemasangan peralatan sepanjang ini.
Penukar panas shell and tube
Oleh karena itu, sangat sering perhitungan peralatan semacam itu mengalir dengan lancar ke dalam perhitungan penukar panas shell-and-tube. Ini adalah peralatan di mana seikat pipa terletak di satu rumahan (selubung), dicuci oleh berbagai pendingin, tergantung pada tujuan peralatan. Di kondensor, misalnya, refrigeran dialirkan ke cangkang, dan air dialirkan ke tabung. Dengan metode pergerakan media ini, lebih nyaman dan lebih efisien untuk mengontrolpengoperasian aparat. Di evaporator, sebaliknya, zat pendingin mendidih di dalam tabung, sementara mereka dicuci oleh cairan yang didinginkan (air, air asin, glikol, dll.). Oleh karena itu, perhitungan penukar panas shell-and-tube dikurangi untuk meminimalkan dimensi peralatan. Bermain dengan diameter cangkang, diameter dan jumlah pipa internal dan panjang peralatan, insinyur mencapai nilai yang dihitung dari luas permukaan pertukaran panas.
Penukar panas udara
Salah satu penukar panas yang paling umum saat ini adalah penukar panas bersirip tubular. Mereka juga disebut ular. Di mana mereka tidak hanya dipasang, mulai dari unit koil kipas (dari bahasa Inggris fan + coil, yaitu "fan" + "coil") di unit indoor sistem split dan diakhiri dengan recuperator gas buang raksasa (ekstraksi panas dari gas buang panas dan transmisi untuk kebutuhan pemanas) di pabrik boiler di CHP. Itulah sebabnya perhitungan penukar panas koil tergantung pada aplikasi di mana penukar panas ini akan beroperasi. Pendingin udara industri (HOP) yang dipasang di ruang pembekuan ledakan daging, freezer suhu rendah, dan fasilitas pendingin makanan lainnya memerlukan fitur desain tertentu dalam desainnya. Jarak antara lamela (sirip) harus sebesar mungkin untuk meningkatkan waktu operasi terus menerus antara siklus pencairan es. Evaporator untuk pusat data (pusat pemrosesan data), sebaliknya, dibuat sekompak mungkin dengan menjepit interlamellarjarak minimum. Penukar panas semacam itu beroperasi di "zona bersih", dikelilingi oleh filter halus (hingga kelas HEPA), oleh karena itu, perhitungan penukar panas tabung semacam itu dilakukan dengan penekanan pada meminimalkan dimensi.
Plat penukar panas
Saat ini, penukar panas pelat dalam permintaan stabil. Menurut desain mereka, mereka benar-benar dapat dilipat dan dilas setengah, disolder tembaga dan disolder nikel, dilas dan disolder dengan difusi (tanpa solder). Perhitungan termal penukar panas pelat cukup fleksibel dan tidak menimbulkan kesulitan khusus bagi seorang insinyur. Dalam proses pemilihan, Anda dapat bermain dengan jenis pelat, kedalaman saluran tempa, jenis sirip, ketebalan baja, bahan yang berbeda, dan yang paling penting, berbagai model ukuran standar perangkat dengan ukuran berbeda. Penukar panas semacam itu rendah dan lebar (untuk pemanasan uap air) atau tinggi dan sempit (pemisah penukar panas untuk sistem pendingin udara). Mereka juga sering digunakan untuk media perubahan fasa, yaitu sebagai kondensor, evaporator, desuperheater, precondensers, dll. Perhitungan termal penukar panas dua fasa sedikit lebih rumit daripada penukar panas cair-cair, namun, untuk insinyur berpengalaman, tugas ini dapat dipecahkan dan tidak menimbulkan kesulitan khusus. Untuk memfasilitasi perhitungan seperti itu, perancang modern menggunakan basis data komputer teknik, di mana Anda dapat menemukan banyak informasi yang diperlukan, termasuk diagram status zat pendingin apa pun dalam sapuan apa pun, misalnya, sebuah programCoolPack.
Contoh perhitungan penukar panas
Tujuan utama perhitungan adalah untuk menghitung luas permukaan pertukaran panas yang diperlukan. Daya termal (pendinginan) biasanya ditentukan dalam kerangka acuan, namun, dalam contoh kita, kita akan menghitungnya, dengan kata lain, untuk memeriksa kerangka acuan itu sendiri. Terkadang juga terjadi kesalahan yang dapat menyusup ke sumber data. Salah satu tugas seorang insinyur yang kompeten adalah menemukan dan memperbaiki kesalahan ini. Sebagai contoh, mari kita hitung pelat penukar panas tipe "cair-cair". Biarkan ini menjadi pemecah tekanan di gedung tinggi. Untuk menurunkan peralatan dengan tekanan, pendekatan ini sangat sering digunakan dalam konstruksi gedung pencakar langit. Di satu sisi penukar panas, kami memiliki air dengan suhu masuk Tin1=14 dan suhu keluar out1=9, dan dengan laju aliran G1=14.500 kg / jam, dan di sisi lain - juga air, tetapi hanya dengan parameter sebagai berikut: in2=8, out2=12, G2=18 125 kg/jam.
Kami menghitung daya yang dibutuhkan (Q0) menggunakan rumus keseimbangan panas (lihat gambar di atas, rumus 7.1), di mana adalah kapasitas panas spesifik (nilai tabel). Untuk mempermudah perhitungan, kami mengambil nilai pengurangan kapasitas panas=4,187 [kJ/kgᵒС]. Menghitung:
Q1=14.500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - di sisi pertama dan
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - di sisi kedua.
Perhatikan bahwa, menurut rumus (7.1), Q0=Q1=Q2, terlepas daridi sisi mana perhitungan dilakukan.
Selanjutnya, dengan menggunakan persamaan perpindahan panas utama (7.2), kami menemukan luas permukaan yang diperlukan (7.2.1), di mana k adalah koefisien perpindahan panas (diambil sama dengan 6350 [W/m 2]), dan av.log. - perbedaan suhu rata-rata logaritmik, dihitung menurut rumus (7.3):
ΔT log rata-rata.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F maka=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Ketika koefisien perpindahan panas tidak diketahui, perhitungan penukar panas pelat sedikit lebih rumit. Menurut rumus (7.4), kami menghitung kriteria Reynolds, di mana adalah densitas, [kg/m3], adalah viskositas dinamis, [Ns/m 2], v adalah kecepatan medium dalam saluran, [m/s], d cm adalah diameter basah saluran [m].
Menurut tabel, kami mencari nilai kriteria Prandtl [Pr] yang kami butuhkan dan, menggunakan rumus (7.5), kami memperoleh kriteria Nusselt, di mana n=0,4 - dalam kondisi pemanasan cair, dan n=0,3 - dalam kondisi pendinginan cairan
Selanjutnya, dengan menggunakan rumus (7.6), kita menghitung koefisien perpindahan panas dari masing-masing pendingin ke dinding, dan menggunakan rumus (7.7), kita menghitung koefisien perpindahan panas, yang kita substitusikan ke dalam rumus (7.2.1) untuk menghitung luas permukaan pertukaran panas.
Dalam rumus yang ditunjukkan, adalah koefisien konduktivitas termal, adalah ketebalan dinding saluran, 1 dan 2 adalah koefisien perpindahan panas dari masing-masing pembawa panas ke dinding.
