Conceptes bàsics de transferència de calor per al càlcul dels intercanviadors de calor

Actualment, el càlcul de l’intercanviador de calor no dura més de cinc minuts. Qualsevol organització que fabriqui i ven aquests equips, per regla general, proporciona a tothom el seu propi programa de selecció. Podeu descarregar-lo de forma gratuïta des del lloc web de l’empresa o bé el seu tècnic vindrà a la vostra oficina i l’instal·larà gratuïtament. No obstant això, fins a quin punt és correcte el resultat d’aquests càlculs, és possible confiar-hi i el fabricant no és astut quan lluita en una licitació amb els seus competidors? La comprovació d’una calculadora electrònica requereix coneixements o, com a mínim, una comprensió de la metodologia de càlcul dels intercanviadors de calor moderns. Intentem esbrinar-ne els detalls.

Què és un intercanviador de calor

Abans de calcular l'intercanviador de calor, recordem, de quin tipus de dispositiu es tracta? Un aparell d’intercanvi de calor i massa (també conegut com a intercanviador de calor, també conegut com a intercanviador de calor o TOA) és un dispositiu per transferir calor d’un portador de calor a un altre. En el procés de canvi de les temperatures dels refrigerants, també canvien les seves densitats i, en conseqüència, els indicadors de massa de les substàncies. És per això que aquests processos s’anomenen transferència de calor i massa.

Menú principal

Hola! Un bescanviador de calor és un dispositiu en què l’intercanvi de calor es duu a terme entre dos o més portadors de calor o entre portadors de calor i sòlids (broquet, paret). El paper del refrigerant també el pot jugar l’entorn que envolta l’aparell. Segons el seu propòsit i disseny, els intercanviadors de calor poden ser molt diferents, des del més senzill (radiador) fins al més avançat (unitat de caldera). Segons el principi de funcionament, els intercanviadors de calor es subdivideixen en recuperadors, regeneratius i mescladors.

Els dispositius recuperatius s’anomenen dispositius en què flueixen simultàniament portadors de calor calents i freds, separats per una paret sòlida. Aquests dispositius inclouen escalfadors, calderes, condensadors, evaporadors, etc.

Els aparells en què la mateixa superfície escalfadora és rentada alternativament per líquids freds i calents s’anomenen regeneratius. En aquest cas, la calor acumulada per les parets de l’aparell durant la seva interacció amb el líquid calent es transmet al líquid fred. Un exemple d’aparells regeneratius són els escalfadors d’aire de fogons oberts i alts forns, forns de calefacció, etc.

Els dispositius recuperatius i regeneratius també s’anomenen superficials, ja que el procés de transferència de calor en ells s’associa inevitablement a la superfície d’un sòlid.

Els mescladors són dispositius en què la transferència de calor es realitza mitjançant la barreja directa de líquids freds i calents.

El moviment mutu dels refrigerants en els intercanviadors de calor pot ser diferent (figura 1.).

En funció d'això, es distingeix entre dispositius amb flux directe, contracorrent, flux creuat i amb una direcció de moviment complexa dels refrigerants (corrent mixt). Si els refrigerants flueixen en paral·lel en una direcció, aquest patró de moviment s’anomena flux cap endavant (figura 1.). Amb contracorrent, els refrigerants es mouen en paral·lel, però cap a l’altre. Si les direccions de moviment dels fluids es creuen, el patró de moviment s’anomena flux creuat. A més dels esquemes esmentats, també s’utilitzen altres de més complexos a la pràctica: flux i contracorrent simultanis, corrent creuat múltiple, etc.

En funció de la finalitat tecnològica i les característiques de disseny, els intercanviadors de calor es subdivideixen en escalfadors d’aigua, condensadors, calderes, evaporadors, etc. Però el més habitual és que tots serveixin per transferir calor d’un portador de calor a un altre, per tant, les disposicions bàsiques de càlcul tèrmic són els mateixos per a ells ... La diferència només pot ser l’objectiu final de la liquidació. Quan es dissenya un nou intercanviador de calor, la tasca de càlcul és determinar la superfície de la calefacció; en el càlcul tèrmic de verificació de l'intercanviador de calor existent, cal trobar la quantitat de calor transferida i les temperatures finals dels fluids de treball.

El càlcul de calor en ambdós casos es basa en les equacions del balanç de calor i l’equació de transferència de calor.

L’equació del balanç de calor de l’intercanviador de calor té la forma següent:

on M és el cabal massiu del refrigerant, kg / s; cpm - capacitat calorífica mitjana isobàrica de massa específica del refrigerant, J / (kg * ° С).

En endavant, el subíndex "1" indica els valors relacionats amb el líquid calent (portador de calor primari) i el subíndex "2" - amb el líquid fred (portador de calor secundari); la línia correspon a la temperatura del líquid a l’entrada de l’aparell i a dues a la sortida.

A l’hora de calcular els intercanviadors de calor, s’utilitza sovint el concepte de la capacitat calorífica total del cabal massiu del portador de calor (equivalent a l’aigua), igual a C = Mav W / ° C. De l’expressió (1) se’n desprèn

és a dir, la relació dels canvis de temperatura dels fluids de transferència de calor monofàsics és inversament proporcional a la proporció de les seves capacitats de calor de consum total (equivalents d’aigua).

L'equació de transferència de calor s'escriu de la següent manera: Q = k * F * (t1 - t2), on t1, t2 són les temperatures dels portadors de calor primaris i secundaris; F és la superfície de transmissió de calor.

Durant l'intercanvi de calor, en la majoria dels casos, les temperatures dels dos portadors de calor canvien i, per tant, canvia el cap de temperatura Δt = t1 - t2. El coeficient de transferència de calor sobre la superfície d’intercanvi de calor també tindrà un valor variable, per tant, els valors mitjans de la diferència de temperatura Δtav i el coeficient de transferència de calor kcp s’han de substituir en l’equació de transferència de calor, és a dir,

Q = kсp * F * Δtcp (3)

L’àrea d’intercanvi de calor F es calcula mitjançant la fórmula (3), mentre s’especifica el rendiment tèrmic Q. Per resoldre el problema, cal calcular el coeficient de transmissió de calor promediat sobre tota la superfície kсp i el capçal de temperatura Δtav.

A l’hora de calcular la diferència de temperatura mitjana, cal tenir en compte la naturalesa del canvi en les temperatures dels portadors de calor al llarg de la superfície d’intercanvi de calor. Per la teoria de la conductivitat tèrmica se sap que en una placa o una vareta cilíndrica en presència d’una diferència de temperatura als extrems (les superfícies laterals estan aïllades), la distribució de la temperatura al llarg de la longitud és lineal. Si l'intercanvi de calor té lloc a la superfície lateral o el sistema té fonts internes de calor, la distribució de la temperatura és curvilínia. Amb una distribució uniforme de les fonts de calor, el canvi de temperatura al llarg de la longitud serà parabòlic.

Per tant, en els intercanviadors de calor, la naturalesa del canvi de les temperatures dels portadors de calor difereix de la lineal i està determinada per les capacitats de calor totals C1 i C2 dels cabals massius dels portadors de calor i la direcció del seu moviment mutu. (Fig. 2).

Es pot veure a partir de les gràfiques que el canvi de temperatura al llarg de la superfície F no és el mateix. D'acord amb l'equació (2), major serà el canvi de temperatura per al portador de calor amb una menor capacitat calorífica del cabal massiu. Si els refrigerants són els mateixos, per exemple, en un intercanviador de calor aigua-a-aigua, la naturalesa del canvi de les temperatures dels refrigerants estarà completament determinada pels seus cabals i, a un cabal inferior, la temperatura el canvi serà gran.Amb el flux de cocurrent, la temperatura final t "2 del medi escalfat sempre és inferior a la temperatura t" 1 del medi escalfador a la sortida de l'aparell i, amb contracorrent, la temperatura final t "2 pot ser superior a la temperatura t "1 (consulteu el cas de contrafluència quan C1> C2). En conseqüència, a la mateixa temperatura inicial, el medi que s’ha d’escalfar amb flux de contracorrent es pot escalfar a una temperatura superior a la del flux de cocurrent.

Amb el flux de cocurrent, el cap de temperatura al llarg de la superfície escalfadora canvia en major mesura que amb el contracorrent. Al mateix temps, el seu valor mitjà en aquest darrer cas és major, per la qual cosa la superfície escalfadora de l’aparell amb contracorrent serà menor. Així, en condicions iguals, en aquest cas, es transferirà més calor. En funció d’això, s’hauria de donar preferència als dispositius amb contracorrent.

Com a resultat d’un estudi analític d’un intercanviador de calor que funciona d’acord amb l’esquema de flux directe, es va trobar que el cap de temperatura al llarg de la superfície d’intercanvi de calor canvia exponencialment, de manera que el cap de temperatura mitjà es pot calcular mitjançant la fórmula:

on Δtb és la gran diferència de temperatura entre el portador de calor fred i el calent (des d’un extrem de l’intercanviador de calor); Δtm: menor diferència de temperatura (des de l’altre extrem de l’intercanviador de calor).

Amb un flux cap endavant, Δtb = t'1 - t'2 i Δtm = t "1 - t" 2 (Fig. 2.). Aquesta fórmula també és vàlida per al contracorrent amb l'única diferència que en el cas de C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 i Δtm = t'1 - t "2.

La diferència de temperatura mitjana entre dos medis, calculada per la fórmula (4), s’anomena logarítmica mitjana. cap de temperatura. La forma de l’expressió es deu a la naturalesa del canvi de temperatura al llarg de la superfície calefactora (dependència curvilínia). Si la dependència fos lineal, el cap de temperatura s'hauria de determinar com a mitjana aritmètica (figura 3.). El valor del capçal mitjà aritmètic Δtа.av és sempre major que el logarítmic mitjà Δtl.av. No obstant això, en els casos en què el cap de temperatura al llarg de la longitud de l'intercanviador de calor canvia de forma insignificant, és a dir, que es compleixi la condició Δtb / Δtm <2, la diferència de temperatura mitjana es pot calcular com a mitjana aritmètica:

La mitjana de la diferència de temperatura per a dispositius amb corrents creuats i mixts es distingeix per la complexitat dels càlculs, per tant, per a diversos esquemes més habituals, els resultats de les solucions solen donar-se en forma de gràfics. Isp. Literatura: 1) Fonaments de l'enginyeria de l'energia tèrmica, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, ed. 2n, "Higher school", 1976. 3) Enginyeria tèrmica, ed. 2, sota la redacció general de. A Sushkina, Moscou, "Metal·lúrgia", 1973.

Tipus de transmissió de calor

Ara parlem dels tipus de transmissió de calor, només n’hi ha tres. Radiació: la transferència de calor a través de la radiació. Com a exemple, podeu pensar a prendre el sol a la platja un bon dia d’estiu. I aquests intercanviadors de calor es poden trobar fins i tot al mercat (escalfadors d’aire amb làmpades). No obstant això, la majoria de les vegades per escalfar els habitatges, les habitacions d’un apartament, comprem radiadors elèctrics o de petroli. Aquest és un exemple d’un altre tipus de transferència de calor: convecció. La convecció pot ser natural, forçada (capó d’escapament i hi ha un recuperador a la caixa) o induïda mecànicament (amb un ventilador, per exemple). Aquest últim tipus és molt més eficient.

Tanmateix, la forma més eficient de transferir calor és la conductivitat tèrmica o, com també se’n diu, la conducció (de l’anglès conduction - "conduction"). Qualsevol enginyer que realitzi un càlcul tèrmic d’un intercanviador de calor, en primer lloc, pensa en escollir un equipament eficient en les mínimes dimensions possibles. I això s’aconsegueix precisament a causa de la conductivitat tèrmica. Un exemple d'això és el TOA més eficaç actual: intercanviadors de calor de plaques. La placa TOA, per definició, és un intercanviador de calor que transfereix calor d’un refrigerant a un altre a través de la paret que els separa. La màxima superfície de contacte possible entre dos suports, juntament amb materials correctament seleccionats, el perfil de les plaques i el seu gruix, permet minimitzar la mida de l’equip seleccionat mantenint les característiques tècniques originals requerides en el procés tecnològic.

Tipus d’intercanviadors de calor

Abans de calcular l'intercanviador de calor, es determinen amb el seu tipus. Tots els TOA es poden dividir en dos grans grups: intercanviadors de calor recuperatius i regeneratius. La principal diferència entre ells és la següent: en el TOA recuperador, l’intercanvi de calor es produeix a través d’una paret que separa dos refrigerants i, en el TOA regeneratiu, els dos suports tenen contacte directe entre si, sovint es barregen i requereixen una separació posterior en separadors especials. Els intercanviadors de calor regeneratius es divideixen en mescladors i intercanviadors de calor amb embalatge (estacionari, caient o intermedi). En termes generals, una galleda d’aigua calenta exposada a les gelades o un got de te calent que es col·loca a la nevera per refredar (no ho feu mai!) És un exemple d’aquest tipus de mescles TOA. I abocant el te en un plat i refredant-lo d’aquesta manera, obtenim un exemple d’un intercanviador de calor regeneratiu amb un broc (el plat en aquest exemple fa el paper d’un broc), que primer entra en contacte amb l’aire ambiental i pren la seva temperatura , i després pren part de la calor del te calent que s'hi aboca, buscant portar els dos medis a l'equilibri tèrmic. Tanmateix, com ja hem descobert anteriorment, és més eficient utilitzar la conductivitat tèrmica per transferir calor d’un medi a un altre, per tant, els TOA més útils en termes de transferència de calor (i àmpliament utilitzats) avui en dia són, per descomptat, recuperador.

Determinació de la quantitat de calor

L'equació de transferència de calor utilitzada per a unitats de temps i processos d'estat estacionari és la següent:

Q = KFtcp (W)

En aquesta equació:

• K és el valor del coeficient de transmissió de calor (expressat en W / (m2 / K));
• tav - la diferència mitjana dels indicadors de temperatura entre diferents portadors de calor (el valor es pot donar tant en graus Celsius (0С) com en kelvin (K));
• F és el valor de la superfície per a la qual es produeix la transferència de calor (el valor es dóna en m2).

L’equació us permet descriure el procés durant el qual es transmet la calor entre els portadors de calor (de fred a fred). L'equació té en compte:

• transferència de calor del refrigerant (calent) a la paret;
• paràmetres de conductivitat tèrmica de la paret;
• transferència de calor de la paret al refrigerant (fred).

Càlcul tèrmic i estructural

Qualsevol càlcul d’un intercanviador de calor recuperador es pot fer a partir dels resultats dels càlculs tèrmics, hidràulics i de resistència. Són fonamentals, obligatoris en el disseny de nous equips i constitueixen la base del mètode de càlcul per a models posteriors de la línia del mateix tipus d’aparells. La tasca principal del càlcul tèrmic de TOA és determinar l’àrea necessària de la superfície d’intercanvi de calor per a un funcionament estable de l’intercanviador de calor i mantenir els paràmetres requerits del mitjà a la sortida. Molt sovint, en aquests càlculs, es dóna als enginyers valors arbitraris de les característiques de massa i mida dels futurs equips (material, diàmetre de la canonada, mides de les plaques, geometria de la biga, tipus i material d’aleta, etc.), per tant, després de tèrmic, normalment es realitza un càlcul constructiu de l’intercanviador de calor. De fet, si a la primera fase l’enginyer va calcular l’àrea de superfície necessària per a un diàmetre determinat de canonada, per exemple, 60 mm, i la longitud de l’intercanviador de calor va resultar, doncs, d’uns seixanta metres, llavors és més lògic suposar un transició cap a un intercanviador de calor de diversos passos, o cap a un tipus de carcassa i tub, o per augmentar el diàmetre dels tubs.

Mecanismes de transferència de calor en el càlcul dels intercanviadors de calor

Els tres tipus principals de transferència de calor són la convecció, la conducció de calor i la radiació.

En els processos d'intercanvi de calor que procedeixen d'acord amb els principis del mecanisme de conducció de calor, l'energia calorífica es transfereix en forma de transferència d'energia de vibracions elàstiques atòmiques i moleculars. La transferència d’aquesta energia entre diferents àtoms va en sentit de disminució.

El càlcul de les característiques de la transferència d’energia tèrmica segons el principi de conductivitat tèrmica es realitza d’acord amb la llei de Fourier

Les dades sobre superfície, conductivitat tèrmica, gradient de temperatura, període de flux s’utilitzen per calcular la quantitat d’energia calorífica.El concepte de gradient de temperatura es defineix com el canvi de temperatura en la direcció de la transferència de calor per una o altra unitat de longitud.

La conductivitat tèrmica és la velocitat del procés d’intercanvi de calor, és a dir, la quantitat d'energia tèrmica que travessa qualsevol unitat de superfície per unitat de temps.

Com ja sabeu, els metalls es caracteritzen pel coeficient de conductivitat tèrmica més alt en relació amb altres materials, cosa que s’ha de tenir en compte en qualsevol càlcul dels processos d’intercanvi de calor. Pel que fa als líquids, en general tenen un coeficient de conductivitat tèrmica relativament inferior en comparació amb els cossos en estat sòlid d’agregació.

És possible calcular la quantitat d'energia tèrmica transferida per al càlcul dels intercanviadors de calor, en què l'energia calorífica es transfereix entre diferents medis a través de la paret, mitjançant l'equació de Fourier. Es defineix com la quantitat d'energia calorífica que passa a través d'un pla que es caracteritza per un gruix molt petit:

Després de realitzar algunes operacions matemàtiques, obtenim la següent fórmula

Es pot concloure que la caiguda de temperatura a l'interior de la paret es realitza d'acord amb la llei d'una línia recta.

Càlcul hidràulic

Es realitzen càlculs hidràulics o hidromecànics i aerodinàmics per determinar i optimitzar les pèrdues de pressió hidràuliques (aerodinàmiques) a l'intercanviador de calor, així com per calcular els costos energètics per superar-los. El càlcul de qualsevol camí, canal o canonada per al pas del refrigerant suposa una tasca principal per a una persona: intensificar el procés de transferència de calor en aquesta zona. És a dir, un mitjà s’ha de transferir i l’altre ha de rebre tanta calor com sigui possible a l’interval mínim del seu flux. Per a això, sovint s’utilitza una superfície d’intercanvi de calor addicional, en forma de nervadures superficials desenvolupades (per separar la subcapa laminar límit i millorar la turbulització del flux). La relació d’equilibri òptima de pèrdues hidràuliques, superfície d’intercanvi de calor, característiques de pes i mida i potència tèrmica eliminada és el resultat d’una combinació de càlcul tèrmic, hidràulic i constructiu de TOA.

Càlcul de verificació

El càlcul de l'intercanviador de calor es realitza en el cas que sigui necessari establir un marge de potència o de l'àrea de la superfície d'intercanvi de calor. La superfície es reserva per diversos motius i en situacions diferents: si es requereix d'acord amb els termes de referència, si el fabricant decideix afegir un marge addicional per assegurar-se que aquest intercanviador de calor entrarà en funcionament i minimitzar errors comesos en els càlculs. En alguns casos, cal redundància per arrodonir els resultats de les dimensions del disseny, en altres (evaporadors, economitzadors), s’introdueix especialment un marge superficial en el càlcul de la capacitat de contaminació de l’intercanviador de calor amb oli del compressor present al circuit de refrigeració. I cal tenir en compte la baixa qualitat de l’aigua. Després d’un temps de funcionament ininterromput dels intercanviadors de calor, especialment a altes temperatures, l’escala s’assenta a la superfície d’intercanvi de calor de l’aparell, reduint el coeficient de transferència de calor i provocant inevitablement una disminució paràsita de l’eliminació de calor. Per tant, un enginyer competent, quan calcula l’intercanviador de calor aigua-aigua, presta especial atenció a la redundància addicional de la superfície d’intercanvi de calor. El càlcul de verificació també es realitza per tal de veure com funcionaran els equips seleccionats en altres modes secundaris. Per exemple, en els aparells de condicionament d’aire central (unitats de subministrament d’aire), el primer i el segon escalfador, que s’utilitzen a la temporada de fred, s’utilitzen sovint a l’estiu per refredar l’aire entrant subministrant aigua freda als tubs de l’intercanviador de calor d’aire.Com funcionaran i quins paràmetres donaran permet avaluar el càlcul de verificació.

Dispositiu i principi de funcionament

Els equips d’intercanvi de calor al mercat modern es presenten en una gran varietat.

Tot l'assortiment disponible de productes d'aquesta línia es pot dividir en dos tipus, com ara:

• agregats de plaques;
• dispositius shell-and-tube.

Aquesta última varietat, a causa de la seva baixa eficiència, així com de la seva gran mida, gairebé no es ven al mercat actualment. L'intercanviador de calor de plaques consta de plaques ondulades idèntiques que es fixen a un marc de metall resistent. Els elements es situen en una imatge de mirall relatius entre si, i entre ells hi ha segells d’acer i goma. La superfície útil d’intercanvi de calor depèn directament de la mida i del nombre de plaques.

Els dispositius de plaques es poden dividir en dues subespècies segons la configuració, com ara:

• unitats soldades;
• intercanviadors de calor juntes.

Els dispositius plegables es diferencien dels productes d’un tipus de muntatge soldat, ja que, tan aviat com sigui necessari, el dispositiu es pot actualitzar i ajustar a les necessitats personals, per exemple, afegir o treure un nombre determinat de plaques. Els intercanviadors de calor amb juntes són molt demandats a les zones on s’utilitza aigua dura per a necessitats domèstiques, a causa de les característiques de la qual s’acumulen begudes i diversos contaminants als elements de la unitat. Aquestes neoplàsies afecten negativament l’eficiència del dispositiu, per tant, cal netejar-les regularment i, gràcies a la seva configuració, sempre és possible.

Els dispositius no desmuntables es distingeixen per les funcions següents:

• alt nivell de resistència a altes pressions i fluctuacions de temperatura;
• llarga vida útil;
• pes lleuger.

Els conjunts soldats es netegen sense desmuntar tota l'estructura.

Basant-se en el càlcul del tipus i l’opció d’instal·lació de la unitat, s’han de distingir dos tipus d’intercanviadors de calor per a aigua calenta provinent de calefacció.

• Els intercanviadors de calor interns es troben en els propis dispositius de calefacció: forns, calderes i altres. La instal·lació d’aquest tipus permet obtenir la màxima eficiència durant el funcionament dels productes, ja que la pèrdua de calor per escalfar la caixa serà mínima. Com a regla general, aquests dispositius ja estan incorporats a la caldera en la fase de fabricació de les calderes. Això facilita enormement la instal·lació i la posada en marxa, ja que només cal ajustar el mode de funcionament requerit de l’intercanviador de calor.

• Els intercanviadors de calor externs s'han de connectar per separat de la font de calor. Aquests dispositius són rellevants per al seu ús en casos en què el funcionament del dispositiu depengui d’una font de calefacció remota. Les cases amb calefacció centralitzada en són un exemple. En aquesta forma de realització, la unitat domèstica que escalfa l'aigua actua com un dispositiu extern.

Tenint en compte el tipus de material amb què es fan les separacions, val la pena destacar els models següents:

• intercanviadors de calor d'acer;
• aparells de ferro colat.

A més, destaquen els sistemes de soldadura de coure. S'utilitzen per a la calefacció urbana en edificis d'apartaments.

Cal considerar les característiques següents dels equips de ferro colat:

• la matèria primera es refreda lentament, cosa que estalvia el funcionament de tot el sistema de calefacció;
• el material té una alta conductivitat tèrmica, tots els productes de ferro colat tenen propietats inherents en què s’escalfa molt ràpidament i desprèn calor a altres elements;
• la matèria primera és resistent a la formació d’escates a la base, a més, és més resistent a la corrosió;
• en instal·lar seccions addicionals, podeu augmentar la potència i la funcionalitat de la unitat en el seu conjunt;
• els productes d’aquest material es poden transportar per parts, dividint-lo en seccions, cosa que facilita el procés de lliurament, així com la instal·lació i manteniment de l’intercanviador de calor.

Us suggerim que us familiaritzeu amb: Quin costat heu de posar la barrera de vapor a - DOLGOSTROI.PRO
Com qualsevol altre producte, aquest dispositiu dependent té els següents desavantatges:

• el ferro colat és notable per la seva baixa resistència a les fortes fluctuacions de temperatura, aquests fenòmens poden estar plens de la formació d’esquerdes al dispositiu, que afectaran negativament el rendiment de l’intercanviador de calor;
• fins i tot amb grans dimensions, les unitats de ferro colat són molt fràgils, per tant, els danys mecànics, especialment durant el transport de productes, poden danyar-lo greument;
• el material és propens a la corrosió seca;
• la gran massa i les dimensions del dispositiu de vegades compliquen el desenvolupament i la instal·lació del sistema.

Els intercanviadors de calor d’acer per al subministrament d’aigua calenta són notables pels següents avantatges:

• alta conductivitat tèrmica;
• petita massa de productes. L'acer no fa que el sistema sigui més pesat, per tant, aquests dispositius són la millor opció quan es necessita un intercanviador de calor, la tasca del qual és donar servei a una àrea gran;
• les unitats d'acer són resistents a les tensions mecàniques;
• l'intercanviador de calor d'acer no reacciona a les fluctuacions de temperatura a l'interior de l'estructura;
• el material té bones característiques d’elasticitat, però, el contacte prolongat amb un medi molt escalfat o refredat pot provocar la formació d’esquerdes a la zona de les soldadures.

Els desavantatges dels dispositius inclouen les funcions següents:

• susceptibilitat a la corrosió electroquímica. Per tant, amb un contacte constant amb un entorn agressiu, la vida útil del dispositiu es reduirà significativament;
• els dispositius no tenen la capacitat d'augmentar l'eficiència del treball;
• la unitat d'acer perd calor molt ràpidament, amb un major consum de combustible per a un funcionament productiu;
• baix nivell de mantenibilitat. És gairebé impossible reparar el dispositiu amb les vostres pròpies mans;
• el muntatge final de l'intercanviador de calor d'acer es realitza en les condicions del taller on es va fabricar. Les unitats són blocs monolítics de grans dimensions, a causa dels quals hi ha dificultats per al seu lliurament.

Alguns fabricants, per augmentar la qualitat dels intercanviadors de calor d’acer, cobreixen les seves parets interiors amb ferro colat, augmentant així la fiabilitat de l’estructura.

Els intercanviadors de calor moderns són unitats el funcionament dels quals es basa en diferents principis:

• reg;
• submergible;
• brasat;
• superficial;
• plegable;
• lamel·lar acanalat;
• barreja;
• shell-and-tube i altres.

Però els intercanviadors de calor de plaques per al subministrament d’aigua calenta i la calefacció difereixen favorablement d’uns altres. Es tracta d’escalfadors de flux. Les instal·lacions són una sèrie de plaques, entre les quals es formen dos canals: calent i fred. Estan separats per una junta d’acer i goma, de manera que s’elimina la barreja de suports.

Les plaques es munten en un bloc. Aquest factor determina la funcionalitat del dispositiu. Les plaques tenen una mida idèntica, però situades a un gir de 180 graus, que és el motiu de la formació de cavitats per on es transporten els líquids. És així com es forma l’alternança de canals freds i calents i es forma un procés d’intercanvi de calor.

La recirculació d’aquest tipus d’equips és intensa. Les condicions en què s’utilitzarà l’intercanviador de calor per als sistemes de subministrament d’aigua calenta depèn del material de les juntes, del nombre de plaques, de la mida i del tipus. Les instal·lacions que preparen aigua calenta estan equipades amb dos circuits: un per a ACS i l’altre per escalfar espais. Les màquines de plaques són segures, productives i s’utilitzen en les següents àrees:

• preparació d'un transportador de calor en sistemes de subministrament, ventilació i calefacció d'aigua calenta;
• refredament de productes alimentaris i olis industrials;
• subministrament d'aigua calenta per a dutxes a les empreses;
• per a la preparació del transportador de calor en sistemes de calefacció per terra radiant;
• per a la preparació d'un transportador de calor en indústries alimentàries, químiques i farmacèutiques;
• escalfament d'aigua de la piscina i altres processos d'intercanvi de calor.

Càlculs de recerca

Els càlculs de recerca de TOA es realitzen sobre la base dels resultats obtinguts dels càlculs tèrmics i de verificació. Per regla general, són necessaris per fer les darreres modificacions del disseny de l’aparell projectat. També es duen a terme per tal de corregir qualsevol equació establerta en el model de càlcul implementat TOA, obtingut empíricament (segons dades experimentals). La realització de càlculs d'investigació implica desenes i, de vegades, centenars de càlculs segons un pla especial desenvolupat i implementat en producció segons la teoria matemàtica de la planificació d'experiments. Segons els resultats, es revela la influència de diverses condicions i quantitats físiques en els indicadors de rendiment de TOA.

Altres càlculs

A l’hora de calcular l’àrea de l’intercanviador de calor, no us oblideu de la resistència dels materials. Els càlculs de resistència TOA inclouen la comprovació de la tensió i la torsió de la unitat dissenyada per aplicar els moments màxims de funcionament admissibles a les peces i conjunts del futur intercanviador de calor. Amb unes dimensions mínimes, el producte ha de ser durador, estable i garantir un funcionament segur en diverses, fins i tot en les condicions de funcionament més estressants.

El càlcul dinàmic es realitza per tal de determinar les diverses característiques de l'intercanviador de calor en modes variables del seu funcionament.

Intercanviadors de calor tub a tub

Considerem el càlcul més senzill d’un intercanviador de calor tub a tub. Estructuralment, aquest tipus de TOA es simplifica al màxim. Com a regla general, es deixa entrar un refrigerant calent a la canonada interior de l’aparell per minimitzar les pèrdues i es llança un refrigerant de refrigeració a la carcassa o a la canonada exterior. La tasca de l'enginyer en aquest cas es redueix a determinar la longitud d'un bescanviador de calor basat en l'àrea calculada de la superfície d'intercanvi de calor i els diàmetres donats.

Cal afegir aquí que el concepte d’un intercanviador de calor ideal s’introdueix en termodinàmica, és a dir, un aparell de longitud infinita, on els refrigerants treballen en un contracorrent i la diferència de temperatura s’activa completament entre ells. El disseny tub a tub s’acosta més a aquests requisits. I si feu funcionar els refrigerants en un contracorrent, serà l'anomenat "contracorrent real" (i no pas de flux creuat, com a la placa TOA). El cap de temperatura s’activa de manera més eficient amb aquesta organització del moviment. No obstant això, quan es calcula un intercanviador de calor tub a tub, s’ha de ser realista i no oblidar-se del component logístic, així com de la facilitat d’instal·lació. La longitud de l’euro-camió és de 13,5 metres i no totes les sales tècniques s’adapten a la derrapada i a la instal·lació d’equips d’aquesta longitud.

Com es calcula l'intercanviador de calor

És imprescindible calcular l'intercanviador de calor de la bobina, en cas contrari la seva potència tèrmica pot no ser suficient per escalfar l'habitació. El sistema de calefacció està dissenyat per compensar la pèrdua de calor. En conseqüència, només podem esbrinar la quantitat exacta d’energia calorífica necessària en funció de la pèrdua de calor de l’edifici. És bastant difícil fer un càlcul, per tant, prenen de mitjana 100 W per 1 metre quadrat amb una alçada del sostre de 2,7 m.

Hi ha d’haver un buit entre els girs.

A més, calen els valors següents per al càlcul:

• Pi;
• el diàmetre de la canonada disponible (agafeu 10 mm);
• conductivitat tèrmica lambda del metall (per al coure 401 W / m * K);
• el delta de la temperatura de subministrament i de retorn del refrigerant (20 graus).

Per determinar la longitud de la canonada, heu de dividir la potència tèrmica total en W pel producte dels factors anteriors.Considerem l’ús d’un exemple d’un intercanviador de calor de coure amb una potència tèrmica requerida de 3 kW: 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (conductivitat tèrmica lambda) * 20 (temperatura delta) * 0,01 (diàmetre de la canonada en metres)

A partir d’aquest càlcul, resulta que necessiteu 11,91 m de canonada de coure amb un diàmetre de 10 mm perquè la potència de calor de la bobina sigui de 3 kW.

Intercanviadors de calor de carcassa i tub

Per tant, molt sovint el càlcul d’un aparell d’aquest tipus flueix amb fluïdesa en el càlcul d’un intercanviador de calor de canonada i tub. Es tracta d’un aparell en què es troba un feix de canonades en una sola carcassa (carcassa), rentada per diversos refrigerants, segons la finalitat de l’equip. En els condensadors, per exemple, el refrigerant passa a la camisa i l’aigua a les canonades. Amb aquest mètode de moviment dels suports, és més convenient i eficient controlar el funcionament de l’aparell. En els evaporadors, al contrari, el refrigerant bull als tubs i al mateix temps els renta el líquid refredat (aigua, salmorra, glicols, etc.). Per tant, el càlcul d’un intercanviador de calor de canonada i tub es redueix a minimitzar la mida de l’equip. Mentre juga amb el diàmetre de la carcassa, el diàmetre i el nombre de canonades interiors i la longitud de l’aparell, l’enginyer arriba al valor calculat de l’àrea de la superfície d’intercanvi de calor.

Intercanviadors de calor d'aire

Un dels intercanviadors de calor més comuns actualment són els intercanviadors de calor tubulars amb aletes. També s’anomenen bobines. Allà on no estiguin instal·lats, començant per les unitats de fan coil (de l'anglès fan + coil, és a dir, "fan" + "coil") als blocs interns dels sistemes dividits i acabant amb recuperadors gegants de gasos de combustió (extracció de calor dels transferiu-lo per a necessitats de calefacció) en plantes de calderes a CHP. És per això que el disseny d’un intercanviador de calor en bobina depèn de l’aplicació on entrarà en funcionament l’intercanviador de calor. Els refrigeradors d’aire industrials (VOP), instal·lats en càmeres de congelació de carn, en congeladors de baixa temperatura i en altres objectes de refrigeració d’aliments, requereixen certes característiques de disseny en el seu rendiment. La distància entre les làmines (aletes) ha de ser el més gran possible per augmentar el temps de funcionament continu entre els cicles de descongelació. Els evaporadors per als centres de dades (centres de processament de dades), al contrari, es fan el més compactes possible, reduint l’espai al mínim. Aquests intercanviadors de calor funcionen en "zones netes" envoltats de filtres fins (fins a la classe HEPA), per tant, aquest càlcul de l'intercanviador de calor tubular es realitza amb èmfasi a minimitzar la mida.

Tipus d’intercanviadors de calor en bobina

Un tovalloler escalfat també és un intercanviador de calor en bobina.

Podeu fer una bobina amb les vostres pròpies mans de diferents dissenys i de diversos tipus de metall (acer, coure, alumini, ferro colat). Els productes d’alumini i ferro colat s’estampen a les fàbriques, ja que les condicions requerides per treballar amb aquests metalls només es poden assolir en condicions de producció. Sense això, es podrà treballar només amb acer o coure. El millor és utilitzar coure, ja que és mal·leable i té un alt grau de conductivitat tèrmica. Hi ha dos esquemes per fer una bobina:

• cargol;
• paral·lel.

L’esquema helicoïdal implica la localització de les voltes en espiral al llarg d’una línia helicoïdal. El refrigerant en aquests bescanviadors de calor es mou en una direcció. Si cal, per augmentar la potència de calor, es poden combinar diverses espirals segons el principi de "canonada en canonada".

Per minimitzar al màxim la pèrdua de calor, heu de triar quin tipus d’aïllament és millor per aïllar la casa de l’exterior. També depèn del material de les parets.

Cal triar l’aïllament d’una casa de fusta en funció de la permeabilitat al vapor de l’aïllament tèrmic.

En un circuit paral·lel, el refrigerant canvia constantment la seva direcció de moviment. Aquest intercanviador de calor està format per canonades rectes connectades per un colze de 180 graus.En alguns casos, per exemple, per a la fabricació d'un registre de calefacció, no es poden utilitzar genolls giratoris. En lloc d’ells, s’instal·la una derivació directa que es pot localitzar tant en un com en els dos extrems de la canonada.

Mètodes de transferència de calor

El principi de funcionament d’un intercanviador de calor en bobina és escalfar una substància a costa de la calor d’una altra. Així, l’aigua de l’intercanviador de calor es pot escalfar mitjançant una flama oberta. En aquest cas, actuarà com un dissipador de calor. Però també la mateixa bobina pot actuar com a font de calor. Per exemple, quan un refrigerant flueix a través dels tubs, escalfat en una caldera o mitjançant un element de calefacció elèctric incorporat, i la seva calor es transfereix a l'aigua del sistema de calefacció. Bàsicament, l’objectiu final de la transferència de calor és escalfar l’aire interior.

Intercanviadors de calor de plaques

Actualment, els intercanviadors de calor de plaques tenen una demanda estable. Segons el seu disseny, són totalment plegables i semi-soldats, soldats amb coure i soldats amb níquel, soldats i soldats mitjançant el mètode de difusió (sense soldadura). El disseny tèrmic d’un intercanviador de calor de plaques és prou flexible i no és particularment difícil per a un enginyer. En el procés de selecció, podeu jugar amb el tipus de plaques, la profunditat de perforació dels canals, el tipus de nervadures, el gruix de l’acer, els diferents materials i, sobretot, nombrosos models de dispositius de mida estàndard. Aquests intercanviadors de calor són baixos i amplis (per escalfar l'aigua amb vapor) o alts i estrets (intercanviadors de calor separadors per a sistemes de climatització). S’utilitzen sovint per a mitjans de canvi de fase, és a dir, com a condensadors, evaporadors, desescalfadors, precondensadors, etc. -intercanviador de calor líquid, però per a un enginyer experimentat, aquesta tasca és resoluble i no és especialment difícil. Per facilitar aquests càlculs, els dissenyadors moderns utilitzen bases informàtiques d'enginyeria, on podeu trobar molta informació necessària, inclosos els diagrames de l'estat de qualsevol refrigerant en qualsevol exploració, per exemple, el programa CoolPack.