Hesabu ya kibadilisha joto kwa sasa huchukua si zaidi ya dakika tano. Shirika lolote linalotengeneza na kuuza vifaa hivyo, kama sheria, hutoa kila mtu na mpango wao wa uteuzi. Inaweza kupakuliwa bila malipo kutoka kwa tovuti ya kampuni, au fundi wao atakuja ofisini kwako na kuiweka bila malipo. Hata hivyo, matokeo ya hesabu hizo ni sahihi kiasi gani, inaweza kuaminiwa na mtengenezaji hana ujanja wakati wa kupigana katika zabuni na washindani wake? Kuangalia kikokotoo cha elektroniki kunahitaji maarifa au angalau ufahamu wa mbinu ya kuhesabu vibadilishaji joto vya kisasa. Hebu tujaribu kuelewa maelezo.
Kibadilisha joto ni nini
Kabla ya kufanya hesabu ya kibadilisha joto, tukumbuke hiki ni kifaa cha aina gani? Kifaa cha uhamishaji joto na wingi (kinachojulikana pia kama kibadilisha joto, kinachojulikana kama kibadilisha joto, au TOA) nikifaa cha kuhamisha joto kutoka kwa baridi moja hadi nyingine. Katika mchakato wa kubadilisha hali ya joto ya flygbolag za joto, wiani wao na, ipasavyo, viashiria vya wingi wa vitu pia hubadilika. Ndiyo maana michakato kama hii inaitwa joto na uhamishaji wa wingi.
Aina za uhamishaji joto
Sasa hebu tuzungumze kuhusu aina za uhamishaji joto - kuna tatu tu kati yao. Radiative - uhamisho wa joto kutokana na mionzi. Kwa mfano, fikiria kuchomwa na jua kwenye ufuo siku ya joto ya kiangazi. Na wabadilishaji joto vile wanaweza kupatikana kwenye soko (hita za hewa za bomba). Hata hivyo, mara nyingi kwa ajili ya kupokanzwa majengo ya makazi, vyumba katika ghorofa, tunununua radiators za mafuta au umeme. Hii ni mfano wa aina nyingine ya uhamisho wa joto - convection. Convection inaweza kuwa ya asili, kulazimishwa (hood, na kuna mchanganyiko wa joto kwenye sanduku) au inaendeshwa kwa mitambo (kwa shabiki, kwa mfano). Aina ya mwisho ni bora zaidi.
Hata hivyo, njia bora zaidi ya kuhamisha joto ni upitishaji, au, kama inavyoitwa pia, upitishaji (kutoka kwa Kiingereza. conduction - "conduction"). Mhandisi yeyote ambaye atafanya hesabu ya joto ya mchanganyiko wa joto, kwanza kabisa, anafikiri juu ya jinsi ya kuchagua vifaa vya ufanisi katika vipimo vya chini. Na inawezekana kufikia hili kwa usahihi kutokana na conductivity ya mafuta. Mfano wa hii ni TOA yenye ufanisi zaidi leo - kubadilishana joto la sahani. Mchanganyiko wa joto la sahani, kulingana na ufafanuzi, ni mchanganyiko wa joto ambao huhamisha joto kutoka kwa baridi moja hadi nyingine kupitia ukuta unaowatenganisha. Upeo wa juueneo linalowezekana la mawasiliano kati ya vyombo viwili vya habari, pamoja na nyenzo zilizochaguliwa kwa usahihi, wasifu wa sahani na unene, huruhusu kupunguza ukubwa wa kifaa kilichochaguliwa huku ukidumisha sifa za awali za kiufundi zinazohitajika katika mchakato wa teknolojia.
Aina za vibadilisha joto
Kabla ya kuhesabu kibadilisha joto, hubainishwa kulingana na aina yake. TOA zote zinaweza kugawanywa katika vikundi viwili vikubwa: kubadilishana joto na regenerative. Tofauti kuu kati yao ni kama ifuatavyo: katika TOA za kuzaliwa upya, ubadilishanaji wa joto hufanyika kupitia ukuta unaotenganisha baridi mbili, wakati katika zile za kuzaliwa upya, vyombo vya habari viwili vina mawasiliano ya moja kwa moja na kila mmoja, mara nyingi huchanganya na kuhitaji utengano unaofuata katika watenganishaji maalum. Wafanyabiashara wa joto wa kuzaliwa upya wamegawanywa katika kuchanganya na kubadilishana joto na kufunga (stationary, kuanguka au kati). Kwa kusema, ndoo ya maji ya moto, inakabiliwa na baridi, au glasi ya chai ya moto, iliyowekwa kwenye jokofu (kamwe usifanye hivi!) - hii ni mfano wa TOA ya kuchanganya vile. Na kumwaga chai ndani ya sufuria na kuiweka baridi kwa njia hii, tunapata mfano wa mchanganyiko wa joto wa kuzaliwa upya na pua (sahani katika mfano huu ina jukumu la pua), ambayo kwanza huwasiliana na hewa inayozunguka na kuchukua joto lake; na kisha huondoa sehemu ya joto kutoka kwa chai ya moto iliyotiwa ndani yake, ikitafuta kuleta vyombo vyote viwili vya habari katika usawa wa joto. Walakini, kama tulivyogundua hapo awali, ni bora zaidi kutumia conductivity ya mafuta kuhamisha joto kutoka kwa njia moja hadi nyingine, kwa hivyo. Uhamisho wa joto unaofaa zaidi (na unaotumiwa sana) TOA za leo, bila shaka, ni za kuzaliwa upya.
Muundo wa joto na muundo
Hesabu yoyote ya kibadilisha joto kinachorudishwa inaweza kufanywa kwa misingi ya matokeo ya hesabu za joto, majimaji na nguvu. Wao ni wa msingi, wa lazima katika muundo wa vifaa vipya na hufanya msingi wa mbinu ya kuhesabu mifano inayofuata ya mstari wa vifaa sawa. Kazi kuu ya hesabu ya mafuta ya TOA ni kuamua eneo linalohitajika la uso wa kubadilishana joto kwa operesheni thabiti ya kibadilishaji joto na kudumisha vigezo vinavyohitajika vya media kwenye duka. Mara nyingi, katika mahesabu kama haya, wahandisi hupewa maadili ya kiholela ya uzito na saizi ya vifaa vya baadaye (nyenzo, kipenyo cha bomba, vipimo vya sahani, jiometri ya kifungu, aina na nyenzo za mapezi, nk), kwa hivyo, baada ya hesabu ya joto, kwa kawaida hufanya hesabu ya kujenga ya mchanganyiko wa joto. Baada ya yote, ikiwa katika hatua ya kwanza mhandisi alihesabu eneo la uso linalohitajika kwa kipenyo cha bomba kilichopewa, kwa mfano, 60 mm, na urefu wa mchanganyiko wa joto uligeuka kuwa karibu mita sitini, basi itakuwa busara zaidi kuchukua mpito. kwa kibadilisha joto cha pasi nyingi, au kwa aina ya ganda-na-tube, au kuongeza kipenyo cha mirija.
Hesabu ya Hydraulic
Haidroli au hidromenikaniki, pamoja na mahesabu ya aerodynamics hufanywa ili kubainisha na kuboresha hydraulic.(aerodynamic) hasara za shinikizo katika mchanganyiko wa joto, pamoja na kuhesabu gharama za nishati ili kuzishinda. Hesabu ya njia yoyote, chaneli au bomba la kupitisha baridi huleta kazi ya msingi kwa mtu - kuimarisha mchakato wa kuhamisha joto katika eneo hili. Hiyo ni, kati moja lazima ihamishe, na nyingine kupokea joto nyingi iwezekanavyo katika kipindi cha chini cha mtiririko wake. Kwa hili, uso wa ziada wa kubadilishana joto hutumiwa mara nyingi, kwa namna ya ribbing ya uso iliyoendelea (ili kutenganisha sublayer ya lamina ya mpaka na kuimarisha turbulence ya mtiririko). Uwiano bora wa usawa wa hasara za majimaji, eneo la uso wa kubadilishana joto, uzito na sifa za ukubwa na nguvu ya joto iliyoondolewa ni matokeo ya mchanganyiko wa hesabu ya joto, ya maji na ya miundo ya TOA.
Angalia hesabu
Hesabu ya uthibitishaji wa kibadilisha joto hufanyika katika kesi wakati inahitajika kuweka ukingo kulingana na nguvu au kwa suala la eneo la uso wa kubadilishana joto. Uso huo umehifadhiwa kwa sababu mbalimbali na katika hali tofauti: ikiwa inahitajika na masharti ya kumbukumbu, ikiwa mtengenezaji anaamua kufanya kiasi cha ziada ili kuhakikisha kuwa mtoaji wa joto kama huyo atafikia utawala na kupunguza makosa yaliyofanywa ndani. mahesabu. Katika baadhi ya matukio, upungufu unahitajika ili kuzunguka matokeo ya vipimo vya kujenga, wakati kwa wengine (evaporators, economizers), ukingo wa uso huletwa maalum katika hesabu ya nguvu ya mchanganyiko wa joto, kwa kuchafuliwa na mafuta ya compressor yaliyopo kwenye mzunguko wa friji.. Na ubora duni wa majilazima izingatiwe. Baada ya muda fulani wa uendeshaji usioingiliwa wa wabadilishanaji wa joto, haswa kwa joto la juu, kiwango hukaa kwenye uso wa kubadilishana joto wa vifaa, kupunguza mgawo wa uhamishaji wa joto na bila shaka husababisha kupungua kwa vimelea katika kuondolewa kwa joto. Kwa hiyo, mhandisi mwenye uwezo, wakati wa kuhesabu mchanganyiko wa joto la maji kwa maji, hulipa kipaumbele maalum kwa upungufu wa ziada wa uso wa kubadilishana joto. Hesabu ya uthibitishaji pia inafanywa ili kuona jinsi vifaa vilivyochaguliwa vitafanya kazi katika njia zingine, za sekondari. Kwa mfano, katika viyoyozi vya kati (vitengo vya ugavi), hita za joto za kwanza na za pili, ambazo hutumiwa katika msimu wa baridi, mara nyingi hutumiwa katika majira ya joto ili kupunguza hewa inayoingia, kusambaza maji baridi kwenye zilizopo za kubadilishana joto. Jinsi zitafanya kazi na ni vigezo gani vitatoa, hukuruhusu kutathmini hesabu ya uthibitishaji.
Mahesabu ya uchunguzi
Mahesabu ya utafiti wa TOA hufanywa kwa msingi wa matokeo yaliyopatikana ya hesabu za joto na uthibitishaji. Wao ni muhimu, kama sheria, kufanya marekebisho ya mwisho kwa muundo wa vifaa vilivyoundwa. Pia hufanywa ili kusahihisha milinganyo yoyote ambayo imejumuishwa katika modeli iliyotekelezwa ya hesabu ya TOA, iliyopatikana kwa nguvu (kulingana na data ya majaribio). Kufanya mahesabu ya utafiti huhusisha makumi na wakati mwingine mamia ya hesabu kulingana na mpango maalum ulioandaliwa na kutekelezwa katika uzalishaji kwa mujibu wanadharia ya hisabati ya majaribio ya kupanga. Kulingana na matokeo, ushawishi wa hali mbalimbali na kiasi cha kimwili kwenye viashiria vya ufanisi vya TOA hufunuliwa.
Mahesabu mengine
Unapohesabu eneo la kibadilisha joto, usisahau kuhusu upinzani wa nyenzo. Mahesabu ya nguvu ya TOA ni pamoja na kuangalia kitengo kilichoundwa kwa dhiki, kwa torsion, kwa kutumia muda wa juu unaoruhusiwa wa kufanya kazi kwa sehemu na mikusanyiko ya kibadilishaji joto cha siku zijazo. Kwa vipimo vya chini zaidi, ni lazima bidhaa iwe thabiti, thabiti na ihakikishe utendakazi salama katika hali mbalimbali, hata katika hali ngumu zaidi za uendeshaji.
Hesabu inayobadilika inafanywa ili kubainisha sifa mbalimbali za kibadilisha joto katika hali tofauti za uendeshaji.
Aina za muundo wa kibadilisha joto
TOA ya Kupona kwa muundo inaweza kugawanywa katika idadi kubwa ya vikundi. Maarufu zaidi na hutumiwa sana ni kubadilishana joto la sahani, hewa (tubular finned), shell-na-tube, tube-in-pipe exchangers joto, shell-na-sahani na wengine. Pia kuna aina za kigeni na zilizobobea sana, kama vile spiral (coil heat exchanger) au aina iliyokwaruzwa, ambayo hufanya kazi na vimiminiko viscous au visivyo vya Newtonian, pamoja na aina nyingine nyingi.
Vibadilisha joto vya bomba kwenye bomba
Hebu tuzingatie hesabu rahisi zaidi ya kibadilisha joto cha "bomba kwenye bomba". Kimuundo, aina hii ya TOA hurahisishwa kwa kiwango cha juu zaidi. Kama sheria, huingia kwenye bomba la ndani la kifaakipozea moto, ili kupunguza hasara, na kipoezaji huzinduliwa kwenye kabati, au kwenye bomba la nje. Kazi ya mhandisi katika kesi hii inapunguzwa ili kuamua urefu wa kibadilisha joto kama hicho kulingana na eneo lililohesabiwa la uso wa kubadilishana joto na vipenyo vilivyotolewa.
Hapa inafaa kuongeza kuwa katika thermodynamics dhana ya kibadilishaji joto bora huletwa, ambayo ni, kifaa cha urefu usio na kipimo, ambapo vibeba joto hufanya kazi kwa kulinganisha, na tofauti ya joto hutatuliwa kabisa kati yao.. Muundo wa bomba kwenye bomba ni karibu zaidi kukidhi mahitaji haya. Na ikiwa utaendesha viboreshaji kwa njia ya kukabiliana, basi itakuwa ile inayoitwa "counterflow halisi" (na sio kuvuka, kama kwenye TOAs za sahani). Kichwa cha joto kinafanywa kwa ufanisi zaidi na shirika kama hilo la harakati. Hata hivyo, wakati wa kuhesabu mchanganyiko wa joto "bomba katika bomba", mtu anapaswa kuwa wa kweli na usisahau kuhusu sehemu ya vifaa, pamoja na urahisi wa ufungaji. Urefu wa eurotruck ni mita 13.5, na sio majengo yote ya kiufundi ambayo yamebadilishwa kwa kuteleza na usakinishaji wa vifaa vya urefu huu.
Shell na vibadilisha joto vya bomba
Kwa hivyo, mara nyingi sana hesabu ya kifaa kama hicho hutiririka vizuri hadi kwenye hesabu ya kibadilisha joto cha shell-na-tube. Hii ni kifaa ambacho kifungu cha mabomba iko katika nyumba moja (casing), iliyoosha na baridi mbalimbali, kulingana na madhumuni ya vifaa. Katika condensers, kwa mfano, jokofu ni kukimbia ndani ya shell, na maji ni kukimbia ndani ya zilizopo. Kwa njia hii ya harakati za vyombo vya habari, ni rahisi zaidi na ufanisi zaidi kudhibitiuendeshaji wa kifaa. Katika evaporators, kinyume chake, majipu ya friji kwenye zilizopo, wakati huosha na kioevu kilichopozwa (maji, brines, glycols, nk). Kwa hiyo, hesabu ya mchanganyiko wa joto wa shell-na-tube hupunguzwa ili kupunguza vipimo vya vifaa. Akicheza na kipenyo cha ganda, kipenyo na idadi ya mirija ya ndani na urefu wa kifaa, mhandisi hufikia thamani iliyokokotwa ya eneo la uso wa kubadilishana joto.
Vibadilisha joto hewa
Mojawapo ya vibadilisha joto vinavyojulikana zaidi leo ni vibadilisha joto vilivyo na tubular. Pia huitwa nyoka. Ambapo hazijasakinishwa tu, kuanzia vitengo vya coil vya shabiki (kutoka kwa feni ya Kiingereza + coil, yaani "feni" + "coil") katika vitengo vya ndani vya mifumo ya mgawanyiko na kuishia na viboreshaji vikubwa vya gesi ya flue (uchimbaji wa joto kutoka kwa gesi ya moshi moto. na usambazaji wa mahitaji ya kupokanzwa) katika mimea ya boiler huko CHP. Ndiyo maana hesabu ya mchanganyiko wa joto la coil inategemea maombi ambapo mchanganyiko huu wa joto utaanza kufanya kazi. Vipozezi vya viwandani (HOPs) vilivyosakinishwa kwenye vyumba vya kufungia nyama, vifriji vya halijoto ya chini na vifaa vingine vya friji za chakula vinahitaji vipengele fulani vya muundo katika muundo wao. Nafasi kati ya lamellas (mapezi) inapaswa kuwa kubwa iwezekanavyo ili kuongeza muda wa operesheni inayoendelea kati ya mizunguko ya defrost. Wavukizaji wa vituo vya data (vituo vya usindikaji wa data), kinyume chake, hufanywa kuwa compact iwezekanavyo kwa kubana interlamela.umbali wa chini. Wafanyabiashara hao wa joto hufanya kazi katika "kanda safi", zikizungukwa na filters nzuri (hadi darasa la HEPA), kwa hiyo, hesabu hiyo ya mchanganyiko wa joto la tubular hufanyika kwa msisitizo wa kupunguza vipimo.
Vibadilisha joto vya sahani
Kwa sasa, vibadilisha joto kwenye sahani vinahitajika kwa uthabiti. Kwa mujibu wa muundo wao, wao ni collapsible kabisa na nusu-svetsade, shaba-soldered na nickel-soldered, svetsade na soldered na kuenea (bila solder). Hesabu ya joto ya kibadilisha joto cha sahani ni rahisi kubadilika na haitoi ugumu wowote kwa mhandisi. Katika mchakato wa uteuzi, unaweza kucheza na aina ya sahani, kina cha njia za kughushi, aina ya mapezi, unene wa chuma, vifaa tofauti, na muhimu zaidi, mifano mingi ya ukubwa wa vifaa vya ukubwa tofauti. Wafanyabiashara wa joto vile ni chini na pana (kwa ajili ya kupokanzwa kwa mvuke ya maji) au juu na nyembamba (kutenganisha mchanganyiko wa joto kwa mifumo ya hali ya hewa). Pia hutumiwa mara nyingi kwa vyombo vya habari vya mabadiliko ya awamu, yaani kama condensers, evaporators, desuperheaters, precondensers, nk. Hesabu ya joto ya mchanganyiko wa joto wa awamu mbili ni ngumu zaidi kuliko mchanganyiko wa joto la kioevu-kioevu, hata hivyo, kwa mhandisi mwenye ujuzi, kazi hii inaweza kutatuliwa na haitoi ugumu wowote. Ili kuwezesha mahesabu kama haya, wabunifu wa kisasa hutumia hifadhidata za kompyuta za uhandisi, ambapo unaweza kupata habari nyingi muhimu, pamoja na michoro ya hali ya jokofu yoyote katika kufagia yoyote, kwa mfano, programu. CoolPack.
Mfano wa hesabu ya kichanga joto
Kusudi kuu la hesabu ni kukokotoa eneo linalohitajika la uso wa kubadilishana joto. Nguvu ya joto (jokofu) kawaida hutajwa katika masharti ya kumbukumbu, hata hivyo, kwa mfano wetu, tutahesabu, kwa kusema, kuangalia masharti ya kumbukumbu yenyewe. Wakati mwingine pia hutokea kwamba hitilafu inaweza kuingia kwenye data ya chanzo. Moja ya kazi za mhandisi mwenye uwezo ni kupata na kusahihisha kosa hili. Kwa mfano, hebu tuhesabu kibadilisha joto cha sahani cha aina ya "kioevu-kioevu". Hebu hii iwe kivunja shinikizo katika jengo refu. Ili kupakua vifaa kwa shinikizo, njia hii hutumiwa mara nyingi katika ujenzi wa skyscrapers. Kwa upande mmoja wa mchanganyiko wa joto, tuna maji yenye joto la kuingiza Tin1=14 ᵒС na joto la plagi Тout1=9 ᵒС, na kwa kiwango cha mtiririko G1=14,500 kg / h, na kwa upande mwingine - pia maji, lakini tu. yenye vigezo vifuatavyo: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Tunakokotoa nishati inayohitajika (Q0) kwa kutumia fomula ya mizani ya joto (ona kielelezo hapo juu, fomula 7.1), ambapo Ср ni uwezo mahususi wa joto (thamani ya jedwali). Kwa unyenyekevu wa mahesabu, tunachukua thamani iliyopunguzwa ya uwezo wa joto Срв=4.187 [kJ/kgᵒС]. Kuhesabu:
Q1=14,500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - kwa upande wa kwanza na
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - kwa upande wa pili.
Kumbuka kwamba, kulingana na fomula (7.1), Q0=Q1=Q2, bila kujalihesabu ilifanywa upande gani.
Zaidi, kwa kutumia mlingano mkuu wa uhamishaji joto (7.2), tunapata eneo la uso linalohitajika (7.2.1), ambapo k ni mgawo wa uhamishaji joto (unaochukuliwa sawa na 6350 [W/m 2]), na ΔТav.log. - wastani wa tofauti ya halijoto ya logarithmic, inayokokotolewa kulingana na fomula (7.3):
ΔT wastani wa kumbukumbu.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F basi=84321 / 63501, 4428=9.2 m2.
Wakati mgawo wa uhamishaji joto haujulikani, hesabu ya kibadilisha joto cha sahani ni ngumu zaidi. Kulingana na fomula (7.4), tunakokotoa kigezo cha Reynolds, ambapo ρ ni msongamano, [kg/m3], η ni mnato unaobadilika, [Ns/m 2], v ni kasi ya kati katika chaneli, [m/s], d cm ni kipenyo kilicholoweshwa na chaneli [m].
Kulingana na jedwali, tunatafuta thamani ya kigezo cha Prandtl [Pr] tunachohitaji na, kwa kutumia fomula (7.5), tunapata kigezo cha Nusselt, ambapo n=0.4 - chini ya hali ya joto la kioevu, na n=0.3 - chini ya hali ya ubaridi wa kioevu.
Inayofuata, kwa kutumia fomula (7.6), tunakokotoa mgawo wa uhamishaji joto kutoka kwa kila kipozeo hadi ukutani, na kwa kutumia fomula (7.7), tunakokotoa mgawo wa uhamishaji joto, ambao tunabadilisha kuwa fomula (7.2.1) kuhesabu eneo la uso wa kubadilishana joto.
Katika fomula zilizoonyeshwa, λ ni mgawo wa upitishaji joto, ϭ ni unene wa ukuta wa kituo, α1 na α2 ni vigawo vya uhamishaji joto kutoka kwa kila kibeba joto hadi ukutani.
