Actualmente, el cálculo del intercambiador de calor no lleva más de cinco minutos. Cualquier organización que fabrique y venda dichos equipos, por regla general, proporciona a todos su propio programa de selección. Se puede descargar de forma gratuita desde el sitio web de la empresa, o su técnico irá a su oficina y lo instalará de forma gratuita. Sin embargo, ¿qué tan correcto es el resultado de tales cálculos, se puede confiar y el fabricante no está siendo astuto cuando pelea en una licitación con sus competidores? Verificar una calculadora electrónica requiere conocimiento o al menos una comprensión de la metodología para calcular los intercambiadores de calor modernos. Tratemos de entender los detalles.
¿Qué es un intercambiador de calor?
Antes de realizar el cálculo del intercambiador de calor, recordemos qué tipo de dispositivo es este. Un aparato de transferencia de calor y masa (también conocido como intercambiador de calor, también conocido como intercambiador de calor o TOA) esun dispositivo para transferir calor de un refrigerante a otro. En el proceso de cambio de temperatura de los portadores de calor, también cambian sus densidades y, en consecuencia, los indicadores de masa de las sustancias. Es por eso que tales procesos se denominan transferencia de calor y masa.
Tipos de transferencia de calor
Ahora hablemos de los tipos de transferencia de calor: solo hay tres. Radiativo - transferencia de calor debido a la radiación. Como ejemplo, considere tomar el sol en la playa en un cálido día de verano. Y estos intercambiadores de calor incluso se pueden encontrar en el mercado (calentadores de aire tubulares). Sin embargo, la mayoría de las veces para calentar locales residenciales, habitaciones en un apartamento, compramos radiadores de aceite o eléctricos. Este es un ejemplo de otro tipo de transferencia de calor: la convección. La convección puede ser natural, forzada (campana, y hay un intercambiador de calor en la caja) o accionada mecánicamente (con un ventilador, por ejemplo). El último tipo es mucho más eficiente.
Sin embargo, la forma más eficiente de transferir calor es la conducción o, como también se le llama, conducción (del inglés conduction - "conduction"). Cualquier ingeniero que vaya a realizar un cálculo térmico de un intercambiador de calor, en primer lugar, piensa en cómo seleccionar equipos eficientes en dimensiones mínimas. Y es posible lograr esto precisamente debido a la conductividad térmica. Un ejemplo de esto es el TOA más eficiente en la actualidad: los intercambiadores de calor de placas. Un intercambiador de calor de placas, según la definición, es un intercambiador de calor que transfiere calor de un refrigerante a otro a través de una pared que los separa. Máximola posible área de contacto entre los dos medios, junto con los materiales, el perfil y el espesor de la placa correctamente seleccionados, permite minimizar el tamaño del equipo seleccionado manteniendo las características técnicas originales requeridas en el proceso tecnológico.
Tipos de intercambiadores de calor
Antes de calcular el intercambiador de calor, se determina con su tipo. Todos los TOA se pueden dividir en dos grandes grupos: intercambiadores de calor recuperativos y regenerativos. La principal diferencia entre ellos es la siguiente: en los TOA regenerativos, el intercambio de calor se produce a través de una pared que separa dos refrigerantes, mientras que en los regenerativos, dos medios tienen contacto directo entre sí, muchas veces mezclándose y requiriendo su posterior separación en separadores especiales. Los intercambiadores de calor regenerativos se dividen en intercambiadores de calor de mezcla y de relleno (estacionarios, descendentes o intermedios). En términos generales, un balde de agua caliente, expuesto a las heladas, o un vaso de té caliente, puesto a enfriar en el refrigerador (¡nunca haga esto!): este es un ejemplo de un TOA de mezcla. Y al verter té en un platillo y enfriarlo de esta manera, obtenemos un ejemplo de un intercambiador de calor regenerativo con una boquilla (el platillo en este ejemplo desempeña el papel de una boquilla), que primero entra en contacto con el aire circundante y toma su temperatura, y luego le quita parte del calor al té caliente que se le vierte, buscando que ambos medios alcancen el equilibrio térmico. Sin embargo, como ya hemos descubierto anteriormente, es más eficiente utilizar la conductividad térmica para transferir calor de un medio a otro, por lo tantoLos TOA de transferencia de calor más útiles (y ampliamente utilizados) de hoy en día son, por supuesto, los regenerativos.
Diseño térmico y estructural
Cualquier cálculo de un intercambiador de calor recuperativo se puede realizar sobre la base de los resultados de los cálculos térmicos, hidráulicos y de resistencia. Son fundamentales, obligatorios en el diseño de nuevos equipos y forman la base de la metodología para el cálculo de modelos posteriores de una línea de dispositivos similares. La tarea principal del cálculo térmico de TOA es determinar el área requerida de la superficie de intercambio de calor para el funcionamiento estable del intercambiador de calor y el mantenimiento de los parámetros requeridos de los medios en la salida. Muy a menudo, en tales cálculos, los ingenieros reciben valores arbitrarios de las características de peso y tamaño del futuro equipo (material, diámetro de la tubería, dimensiones de la placa, geometría del paquete, tipo y material de las aletas, etc.), por lo tanto, después de la cálculo térmico, suelen realizar un cálculo constructivo del intercambiador de calor. Después de todo, si en la primera etapa el ingeniero calculó el área de superficie requerida para un diámetro de tubería dado, por ejemplo, 60 mm, y la longitud del intercambiador de calor resultó ser de unos sesenta metros, sería más lógico suponer una transición a un intercambiador de calor de múltiples pasos, o a un tipo de carcasa y tubos, o para aumentar el diámetro de los tubos.
Cálculo hidráulico
Se realizan cálculos hidráulicos o hidromecánicos, así como aerodinámicos con el fin de determinar y optimizar lospérdidas de presión (aerodinámicas) en el intercambiador de calor, así como calcular los costes energéticos para superarlas. El cálculo de cualquier ruta, canal o tubería para el paso del refrigerante plantea una tarea principal para una persona: intensificar el proceso de transferencia de calor en esta área. Es decir, un medio debe transferir y el otro recibir la mayor cantidad de calor posible en el período mínimo de su flujo. Para ello, a menudo se utiliza una superficie de intercambio de calor adicional, en forma de nervaduras superficiales desarrolladas (para separar la subcapa laminar límite y mejorar la turbulencia del flujo). La relación de equilibrio óptima de pérdidas hidráulicas, área de superficie de intercambio de calor, características de peso y tamaño y potencia térmica extraída es el resultado de una combinación de cálculo térmico, hidráulico y estructural de TOA.
Comprobar cálculo
El cálculo de verificación del intercambiador de calor se lleva a cabo en el caso de que sea necesario establecer un margen en términos de potencia o en términos del área de la superficie de intercambio de calor. La superficie se reserva por varias razones y en diferentes situaciones: si lo exigen los términos de referencia, si el fabricante decide hacer un margen adicional para asegurarse de que dicho intercambiador de calor alcance el régimen y minimice los errores cometidos en los cálculos. En algunos casos se requiere redundancia para redondear los resultados de dimensiones constructivas, mientras que en otros (evaporadores, economizadores), se introduce especialmente un margen de superficie en el cálculo de la potencia del intercambiador, por contaminación por aceite compresor presente en el circuito frigorífico.. y mala calidad del aguadebe ser tomado en cuenta. Después de algún tiempo de funcionamiento ininterrumpido de los intercambiadores de calor, especialmente a altas temperaturas, las incrustaciones se depositan en la superficie de intercambio de calor del aparato, lo que reduce el coeficiente de transferencia de calor y conduce inevitablemente a una disminución parásita en la eliminación de calor. Por lo tanto, un ingeniero competente, al calcular un intercambiador de calor agua-agua, presta especial atención a la redundancia adicional de la superficie de intercambio de calor. También se realiza un cálculo de verificación para ver cómo funcionará el equipo seleccionado en otros modos secundarios. Por ejemplo, en los acondicionadores de aire centrales (unidades de suministro), los calentadores de calefacción primero y segundo, que se usan en la estación fría, a menudo se usan en el verano para enfriar el aire entrante, suministrando agua fría a los tubos del intercambiador de calor de aire. Cómo funcionarán y qué parámetros darán, le permite evaluar el cálculo de verificación.
Cálculos exploratorios
Los cálculos de investigación de TOA se llevan a cabo sobre la base de los resultados obtenidos de los cálculos térmicos y de verificación. Son necesarios, por regla general, para realizar las últimas modificaciones en el diseño del aparato diseñado. También se realizan para corregir las ecuaciones que se incorporan en el modelo de cálculo de TOA implementado, obtenidas empíricamente (según datos experimentales). Realizar cálculos de investigación implica decenas y, a veces, cientos de cálculos de acuerdo con un plan especial desarrollado e implementado en la producción de acuerdo conteoría matemática de la planificación de experimentos. Con base en los resultados, se revela la influencia de diversas condiciones y cantidades físicas en los indicadores de eficiencia de TOA.
Otros cálculos
Al calcular el área del intercambiador de calor, no olvide la resistencia de los materiales. Los cálculos de resistencia de TOA incluyen la verificación de la unidad diseñada para el estrés, la torsión, para aplicar los momentos de trabajo máximos permitidos a las piezas y ensamblajes del futuro intercambiador de calor. Con dimensiones mínimas, el producto debe ser fuerte, estable y garantizar un funcionamiento seguro en diversas condiciones de funcionamiento, incluso en las más exigentes.
El cálculo dinámico se lleva a cabo para determinar las diversas características del intercambiador de calor en modos de funcionamiento variables.
Tipos de diseño de intercambiadores de calor
El TOA recuperativo por diseño se puede dividir en un número bastante grande de grupos. Los más famosos y ampliamente utilizados son los intercambiadores de calor de placas, aire (tubulares con aletas), intercambiadores de calor de carcasa y tubos, intercambiadores de calor de tubo en tubería, intercambiadores de calor de carcasa y placas y otros. También existen tipos más exóticos y altamente especializados, como el espiral (intercambiador de calor de bobina) o el tipo raspado, que funcionan con fluidos viscosos o no newtonianos, así como muchos otros tipos.
Intercambiadores de calor tubo en tubo
Consideremos el cálculo más simple del intercambiador de calor "tubería en tubería". Estructuralmente, este tipo de TOA se simplifica al máximo. Como regla general, dejan entrar el tubo interior del aparato.refrigerante caliente, para minimizar las pérdidas, y se lanza un refrigerante refrigerante en la carcasa o en la tubería exterior. La tarea del ingeniero en este caso se reduce a determinar la longitud de dicho intercambiador de calor en función del área calculada de la superficie de intercambio de calor y los diámetros dados.
Aquí vale la pena agregar que en termodinámica se introduce el concepto de un intercambiador de calor ideal, es decir, un aparato de longitud infinita, donde los portadores de calor trabajan en contracorriente, y la diferencia de temperatura se resuelve completamente entre ellos.. El diseño de tubería en tubería es el que más se acerca a estos requisitos. Y si ejecuta los refrigerantes en contracorriente, será el llamado "contraflujo real" (y no cruzado, como en los TOA de placa). El cabezal de temperatura se resuelve de manera más efectiva con tal organización de movimiento. Sin embargo, al calcular el intercambiador de calor “tubería en tubería”, se debe ser realista y no olvidarse del componente logístico, así como de la facilidad de instalación. La longitud del eurotruck es de 13,5 metros, y no todas las premisas técnicas están adaptadas al arrastre e instalación de equipos de esta longitud.
Intercambiadores de calor de carcasa y tubos
Por lo tanto, muy a menudo el cálculo de un aparato de este tipo fluye suavemente hacia el cálculo de un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Este es un aparato en el que un haz de tuberías está ubicado en una sola carcasa (carcasa), lavado por varios refrigerantes, según el propósito del equipo. En los condensadores, por ejemplo, el refrigerante pasa por la carcasa y el agua por los tubos. Con este método de movimiento de medios, es más conveniente y más eficiente controlarfuncionamiento del aparato. En los evaporadores, por el contrario, el refrigerante hierve en los tubos, mientras estos son lavados por el líquido enfriado (agua, salmueras, glicoles, etc.). Por tanto, el cálculo de un intercambiador de calor de carcasa y tubos se reduce a minimizar las dimensiones del equipo. Jugando con el diámetro de la carcasa, el diámetro y el número de tuberías internas y la longitud del aparato, el ingeniero llega al valor calculado de la superficie de intercambio de calor.
Intercambiadores de calor de aire
Uno de los intercambiadores de calor más comunes en la actualidad son los intercambiadores de calor tubulares con aletas. También se les llama serpientes. Donde no solo se instalan, partiendo de fancoils (del inglés fan+coil, es decir, "ventilador" + "coil") en las unidades interiores de sistemas split y terminando con gigantescos recuperadores de gases de combustión (extracción de calor a partir de gases de combustión calientes). y transmisión para necesidades de calefacción) en plantas de calderas en CHP. Es por eso que el cálculo de un intercambiador de calor de serpentín depende de la aplicación donde este intercambiador de calor entrará en operación. Los enfriadores de aire industriales (HOP) instalados en cámaras de congelación de carne, congeladores de baja temperatura y otras instalaciones de refrigeración de alimentos requieren ciertas características de diseño en su diseño. El espacio entre las láminas (aletas) debe ser lo más grande posible para aumentar el tiempo de funcionamiento continuo entre ciclos de descongelación. Los evaporadores para centros de datos (centros de procesamiento de datos), por el contrario, se hacen lo más compactos posible sujetando el interlaminardistancia minima. Dichos intercambiadores de calor operan en "zonas limpias", rodeadas de filtros finos (hasta la clase HEPA), por lo tanto, dicho cálculo de un intercambiador de calor tubular se lleva a cabo con énfasis en minimizar las dimensiones.
Intercambiadores de calor de placas
Actualmente, los intercambiadores de calor de placas tienen una demanda estable. Según su diseño, son completamente desmontables y semisoldados, de cobre y de níquel, soldados y por difusión (sin estaño). El cálculo térmico de un intercambiador de calor de placas es bastante flexible y no presenta ninguna dificultad particular para un ingeniero. En el proceso de selección, puede jugar con el tipo de placas, la profundidad de los canales de forja, el tipo de aletas, el grosor del acero, diferentes materiales y, lo que es más importante, numerosos modelos de dispositivos de tamaño estándar de diferentes tamaños. Dichos intercambiadores de calor son bajos y anchos (para calentar agua con vapor) o altos y estrechos (intercambiadores de calor separados para sistemas de aire acondicionado). También se utilizan a menudo para medios de cambio de fase, es decir, como condensadores, evaporadores, atemperadores, precondensadores, etc. esta tarea es solucionable y no presenta ninguna dificultad particular. Para facilitar tales cálculos, los diseñadores modernos utilizan bases de datos informáticas de ingeniería, donde puede encontrar mucha información necesaria, incluidos diagramas de estado de cualquier refrigerante en cualquier barrido, por ejemplo, un programaCoolPack.
Ejemplo de cálculo del intercambiador de calor
El propósito principal del cálculo es calcular el área requerida de la superficie de intercambio de calor. La potencia térmica (refrigeración) generalmente se especifica en los términos de referencia, sin embargo, en nuestro ejemplo, la calcularemos, por así decirlo, para verificar los términos de referencia en sí. A veces también sucede que un error puede infiltrarse en los datos de origen. Una de las tareas de un ingeniero competente es encontrar y corregir este error. Como ejemplo, calculemos un intercambiador de calor de placas del tipo "líquido-líquido". Que esto sea un interruptor de presión en un edificio alto. Para descargar equipos por presión, este enfoque se utiliza muy a menudo en la construcción de rascacielos. En un lado del intercambiador de calor, tenemos agua con una temperatura de entrada Tin1=14 ᵒС y una temperatura de salida Тout1=9 ᵒС, y con un caudal G1=14,500 kg / h, y en el otro - también agua, pero solo con los siguientes parámetros: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Calculamos la potencia requerida (Q0) usando la fórmula del balance de calor (vea la figura anterior, fórmula 7.1), donde Ср es la capacidad calorífica específica (valor de la tabla). Para simplificar los cálculos, tomamos el valor reducido de la capacidad calorífica Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Contando:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557,5 [kJ/h]=84321, 53 W=84,3 kW - en el primer lado y
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557,5 [kJ/h]=84321, 53 W=84,3 kW - en el segundo lado
Nótese que, según la fórmula (7.1), Q0=Q1=Q2, independientemente dede qué lado se hizo el cálculo.
Además, usando la ecuación principal de transferencia de calor (7.2), encontramos el área de superficie requerida (7.2.1), donde k es el coeficiente de transferencia de calor (considerado igual a 6350 [W/m 2]), y ΔТav.log. - diferencia de temperatura logarítmica media, calculada según la fórmula (7.3):
ΔT logaritmo medio.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F entonces=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Cuando se desconoce el coeficiente de transferencia de calor, el cálculo del intercambiador de calor de placas es un poco más complicado. Según la fórmula (7.4), calculamos el criterio de Reynolds, donde ρ es la densidad, [kg/m3], η es la viscosidad dinámica, [Ns/m 2], v es la velocidad del medio en el canal, [m/s], d cm es el diámetro húmedo del canal [m].
Según la tabla, buscamos el valor del criterio de Prandtl [Pr] que necesitamos y, usando la fórmula (7.5), obtenemos el criterio de Nusselt, donde n=0.4 - en condiciones de calentamiento del líquido, y n=0,3 - en condiciones de refrigeración líquida.
A continuación, usando la fórmula (7.6), calculamos el coeficiente de transferencia de calor de cada refrigerante a la pared, y usando la fórmula (7.7), calculamos el coeficiente de transferencia de calor, que sustituimos en la fórmula (7.2.1) para calcular el área de la superficie de intercambio de calor.
En las fórmulas indicadas, λ es el coeficiente de conductividad térmica, ϭ es el espesor de la pared del canal, α1 y α2 son los coeficientes de transferencia de calor de cada uno de los portadores de calor a la pared.
