Konstruktivni izračun IT-a sastoji se u odabiru glavnih dimenzija MS-a i namota. Početni podaci za konstruktivni izračun su vrijednosti parametara ekvivalentnog kruga - induktivitet rasipanja, dinamički kapacitet i induktivitet magnetiziranja IT, dobiveni kao rezultat elektromagnetskog proračuna prema gore navedenoj metodi (vidi § 2.7). Prije početka konstruktivnog proračuna provjerava se izvedivost zahtjeva u pogledu produljenja fronte i naponskog udara na fronti transformiranog impulsa. Ako je tako, ti su zahtjevi u osnovi izvedivi. Ako je tada zahtjeve fundamentalno nemoguće ispuniti, budući da se IT ne može implementirati s negativnim ili nultim vrijednostima induktiviteta curenja i kapacitivnosti namota. Ako su ili tada zahtjevi za izobličenjem prednje strane pulsa djelomično ispunjeni: u nekim slučajevima može postojati prihvatljivo produljenje prednje strane, ali će val na prednjoj strani premašiti dopuštenu vrijednost, u drugima može biti obrnuto. Ako zahtjevi nisu izvedivi ili djelomično izvedivi, tada je potrebno revidirati izvorne podatke ili odustati od uporabe IT-a u pulsirajućoj instalaciji.
Konstruktivni proračun IT-a temelji se na općim formulama za proračun elektromagnetskih parametara IT ekvivalentnog kruga, koji se mogu prikazati u sljedećem općem obliku:
Isključivanje induktiviteta magnetiziranja iz razmatranja je zbog činjenice da smanjenje napona na vrhu impulsa, određeno ovim induktivitetom, u IT nije kritičan parametar izobličenja i, ako je potrebno, može se smanjiti.
Za područje poprečni presjek MS i duljine namota, iz formula
(2.3), (5.9) i (5.10) možemo dobiti sljedeće izraze:
Pri proračunu projektnih parametara IT sa pravokutnog oblika presjeka MS, prvo je potrebno prihvatiti odgovarajuću vrijednost omjera stranica presjeka uključenih u formulu (5.11). S tim u vezi, potrebno je utvrditi koliko odnos stranaka utječe na volumen MC-a. Sastaviti izraz za volumen MS-a iz formula (5.11) i (5.12), normalizirajući ga s obzirom na volumen MS-a osnovnog kvadratnog presjeka, tj. uz pretpostavku da je koeficijent iskorištenja duljine MS ne ovisi o omjeru stranica, dobivamo
U praktičnim IT dizajnima, vrijednost parametra je obično unutar granica (5.14) do ekstrema pokazuje da u području navedenih vrijednosti za postoji nejasno izražen minimum volumena MS: 18. % manji od MS volumena koji odgovara osnovnom kvadratnom presjeku. Međutim, teoretski moguće smanjenje volumena nije moguće ostvariti. To je zbog činjenice da prihvaćena pretpostavka da je koeficijent iskorištenja duljine MS-a neovisan o omjeru stranica presjeka nije ispunjena u stvarnim konstrukcijama, budući da s povećanjem omjera stranica duljina MS-a raste. smanjuje se i kao posljedica toga smanjuje se koeficijent iskorištenja same dužine. Stoga stvarno smanjenje volumena obično ne prelazi 7%, tj. beznačajno. Iz tog razloga, prilikom projektiranja IT-a, preporučljivo je usredotočiti se na korištenje tehnološki naprednijeg kvadratnog presjeka. Uzimajući to u obzir, pri proračunu treba uzeti koeficijent a pri određivanju projektnih parametara MS-a u procesu verifikacijskih proračuna, imajući na umu da određeno odstupanje oblika poprečnog presjeka od kvadrata doprinosi smanjenju volumena i stoga je koristan.
Nakon odabira omjera širine i visine MS-a, projektni parametri IT-a izračunavaju se sljedećim redoslijedom. Prvo se izračunavaju vrijednosti parametara A, a zatim pomoću formule
(5.11) - presjek MS, zatim prema formuli (2.3) - broj zavoja primarnog namota. Broj zavoja se zaokružuje, a uzimajući u obzir očekivanu učinkovitost IT izračunava se broj zavoja sekundarnog namota, a duljina namota izračunava se po formuli (5.12).
Pronađena duljina namota možda neće biti dovoljno velika da se dobije potrebna uzdužna električna čvrstoća namota ili normalno postavljanje namota duž duljine MS prozora. To se obično događa u IT relativno male snage s visokim naponima i dugim trajanjem impulsa, kada je broj zavoja u namotima, posebno u sekundaru, velik. U tom slučaju, duljina namota mora se povećati. Međutim, to mora biti učinjeno na način da se osiguraju tražene vrijednosti induktiviteta i kapaciteta rasipanja. U praksi postoji samo jedna mogućnost za to - povećanje veličine izolacijskih razmaka otprilike onoliko puta koliko je potrebno za povećanje duljine namota. To očito dovodi do povećanja volumena MS-a, ali u ovom slučaju ne postoji drugi način da se dobiju potrebne vrijednosti elektromagnetskih parametara namota. Nakon povećanja debljine izolacije, proračuni se ponavljaju zadanim redoslijedom dok se ne dobiju prihvatljivi rezultati. Duljina MS-a, bez obzira na značajke izračuna, odabire se tako da bude onoliko mala koliko je dopušteno iz razloga dizajna, ali tako da se zadovolji kritično ograničenje.
Moguć je i drugi rezultat proračuna opisanom metodom, u kojem duljina namota, uz određenu rezervu, zadovoljava zahtjeve uzdužne električne čvrstoće namota i dovoljna je za prilagodbu namota, a omjer je manji od kritičnog. Ako u ovom slučaju parametri nadomjesnog kruga utvrđeni elektromagnetskim proračunom odgovaraju kapacitivnom odzivu transformatorskog kruga, tada izračunate dimenzije presjeka MS i duljina namota zahtijevaju samo uobičajene konstrukcijske ili tehnološke dorade unutar nekoliko postotaka. . Međutim, ako induktivitet i kapacitet curenja odgovaraju induktivnom odzivu, tada postaje moguće smanjiti duljinu namota. To će dovesti do smanjenja kapacitivnosti i proporcionalnog povećanja induktiviteta rasipanja, što će povećati induktivni odziv kruga, koji je u ovom slučaju povoljan. Induktivnost curenja može se dovesti do zadane vrijednosti laganim povećanjem površine poprečnog presjeka MS-a i time smanjenjem broja zavoja primarnog namota. U tom će slučaju kapacitet namota i dalje biti nešto manji od onog određenog elektromagnetskim proračunima. Sve u svemu, ove će promjene povećati induktivni odziv kruga i stoga omogućiti smanjenje glasnoće MS-a. Ova situacija tipična je za relativno moćan IT.
S induktivnim odzivom kruga transformatora, projektni parametri IT-a mogu se izračunati zanemarivanjem svih
kapacitete, uključujući kapacitet IT namota. Problem proračuna u ovom je slučaju pojednostavljen i sastoji se od pronalaženja dizajna koji osigurava samo potrebnu induktivnost rasipanja s minimalnim volumenom MS-a, tj. s najvećim dopuštenim, kritičnim omjerom. Radi sigurnosti, ovaj omjer će se u nastavku uzeti kao jednak 1,5, ali neka odstupanja su prihvatljiva. Dakle, ako je iz nekog razloga prirast indukcije odabran da bude manji od maksimalno dopuštenog, određenog indukcijom zasićenja čelika MS, ili ako je dopušteno relativno veliko smanjenje napona na vrhu impulsa, tada omjer može biti odabran veći od kritičnog, do 1,8, au nekim slučajevima i do 2,0.
Postoje dvije moguće formulacije problema proračuna projektnih parametara IT-a, s ciljem osiguravanja zadanog induktiviteta rasipanja: proračun se može fokusirati ili na dobivanje minimalnog volumena MS-a ili na dobivanje dovoljne uzdužne električne čvrstoće i normalne postavljanje namota u MS prozor. Pri proračunu snažnog IT-a s velikim volumenom MS-a, oba posljednja zahtjeva obično su zadovoljena. Pri proračunu IT male snage najvećim dijelom moramo poći od zahtjeva za osiguranjem električne čvrstoće i normalnog postavljanja namota.
Prilikom postavljanja zadatka dobivanja minimalnog volumena MS-a, iz formule (5.9) može se odrediti ili broj zavoja primarnog namota koji odgovara minimalnom volumenu ili dimenzije poprečnog presjeka MS-a. Nešto je praktičnije prvo definirati potonje jer daju cjelovitiju sliku IT dizajna. Stoga, zamjenom broja zavoja primarnog namota u formuli (5.9) s njihovim izrazom iz formule (2.3), dobivamo sljedeću jednadžbu za izračunavanje presjeka.
Proračun izmjenjivača topline mora se napraviti tako da se mogu odrediti optimalne geometrijske dimenzije uređaja i iz njega dobiti tražena toplinska učinkovitost. Jesti tipični dijagram slijed radnji pri izračunavanju izmjenjivača topline, koji uključuje nekoliko faza.
Prva faza je pojašnjenje toplinske i tehnološke sheme, koja uključuje jedinicu. Ovdje se procjenjuje razina gubitka topline, uzimajući u obzir kombinaciju svih čimbenika. Nakon toga, na temelju vrijednosti materijalne bilance, utvrđuje se potrebna brzina protoka rashladnih sredstava, određujući njihove početne i konačne temperaturne uvjete, izrađujući toplinsku bilancu i određujući toplinsko opterećenje na njima.
Prilikom izračunavanja izmjenjivača topline morate uzeti u obzir parametre rashladnih tekućina:
- početne i završne temperature
- toksičnost
- stupanj agresivnog utjecaja dizajna izmjenjivača topline na materijale
- opća fizikalna i kemijska svojstva.
Na temelju dobivenih rezultata odabiru se materijali od kojih će se konstrukcija izraditi. Važno je odabrati ispravan smjer kretanja rashladnih tekućina jedna u odnosu na drugu. Ovdje morate obratiti pozornost na čimbenike kao što su:
- značajke dizajna izmjenjivača topline
- podaci o povratu topline
- svojstva rashladnih sredstava i temperatura svakog od njih.
Praksa pokazuje da je bolje dati prednost protustrujnom smjeru kretanja rashladnih tekućina, jer to omogućuje povećanje njihove toplinske produktivnosti ili smanjenje radne površine. Istodobno se povećava i temperaturna razlika, što znači da se smanjuje potrošnja rashladnog sredstva, a troškovi energije za njegov transport se smanjuju. Možete odabrati ispiranje snopova cijevi uzdužno ili poprečno rashladnim sredstvom izvana. Posebni izračuni pokazat će koja će vrsta biti isplativija u određenom slučaju.
Također trebamo izračunati prosječnu razliku između temperaturni uvjeti rashladne tekućine. Nakon toga odredite toplinski otpor površina za izmjenu topline. Da biste to učinili, potrebno je procijeniti koeficijente prijenosa topline kada rashladna tekućina dođe u dodir sa zidovima izmjenjivača topline.
Pri određivanju prosječnog koeficijenta potrebno je uzeti u obzir stupanj onečišćenja površine strukture. Ovaj izračun može biti točan samo ako je vrsta strukture već odabrana. Zatim je potrebno još jednom procijeniti podatke o prikladnosti materijala odabranog za izradu izmjenjivača topline. Ako je razlika između pokazatelja početnog i ponovljenog izračuna prevelika, tada trebate odabrati drugi materijal i ponovno izvršiti izračun za pojašnjenje.
Nakon toga se za površine za prijenos topline postavljaju vrijednost skice i prosječne temperature rashladnog sredstva. Ovi podaci se dobivaju izračunavanjem razlike između početne i konačne temperature uz konstantno agregatno stanje rashladne tekućine. ako se mijenja agregatno stanje, tada se temperatura određuje na temelju vrelišta, što ovisi o sastavu rashladnog sredstva i tlaku u izmjenjivaču topline.
Nakon utvrđivanja vrijednosti temperature, utvrđuju se vrijednosti gustoće rashladne tekućine i njihove količine u sekundi. Ako se gustoća mijenja s promjenama temperature, tada se vrijednost drugog volumena postavlja uzimajući u obzir prosječnu, konačnu i početnu temperaturu.
Sljedeća faza je odabir brzine cirkulirajuće rashladne tekućine. ako je izmjenjivač topline tipa školjke i cijevi, tada možete odabrati optimalnu brzinu samo za rashladnu tekućinu koja se kreće unutar snopa cijevi. U drugim vrstama izmjenjivača topline brzina se izračunava ovisno o rasporedu cijevi u cijevnim pločama. Prilikom određivanja najveće dopuštene brzine moraju se uzeti u obzir sljedeći čimbenici:
- hidraulički otpor jedinice
- erozija cijevi izmjenjivača topline pod utjecajem rashladne tekućine.
- odaberite prostor izmjenjivača topline u koji će se usmjeriti rashladna tekućina
- utvrditi promjer cijevi i njihovu duljinu, kao i potrebu za smanjenjem
- način rasporeda cijevi
- način njihovog pričvršćivanja i lomljenja
- položaj pregrada u poklopcima i pregradama cijevi (za grijače s više prolaza)
Posljednja faza izračuna bit će izrada skice. Ovdje se također konačno utvrđuju svi važni pokazatelji: broj cijevi, vrsta poklopca izmjenjivača topline i drugi parametri.
Zdravo! Izmjenjivač topline je uređaj u kojem se toplina izmjenjuje između dva ili više rashladnih sredstava ili između rashladnih sredstava i čvrste tvari(mlaznica, zid). Okolina koja okružuje uređaj također može poslužiti kao rashladno sredstvo. Po namjeni i izvedbi izmjenjivači topline mogu biti vrlo različiti, od najjednostavnijih (radijator) do najnaprednijih (kotlovska jedinica). Prema principu rada izmjenjivače topline dijelimo na rekuperativne, regenerativne i miješajuće.
Uređaji za rekuperaciju nazivaju se uređaji u kojima istovremeno teče topla i hladna rashladna tekućina, odvojena čvrstim zidom. Takvi uređaji uključuju grijače, kotlovske jedinice, kondenzatore, isparivače itd.
Regenerativnim uređajima nazivaju se uređaji kod kojih se ista ogrjevna površina naizmjenično pere toplom i hladnom tekućinom. U ovom slučaju, toplina akumulirana na stjenkama aparata tijekom njihove interakcije s vrućom tekućinom prenosi se na hladnu tekućinu. Primjeri regenerativnih uređaja su zagrijači zraka za otvoreno ložište i visoke peći, peći za grijanje itd. U regeneratorima se izmjena topline uvijek odvija u nestacionarnim uvjetima, dok uređaji za rekuperaciju uglavnom rade u stacionarnim uvjetima.
Uređaji za rekuperaciju i regeneraciju nazivaju se i površinski uređaji, budući da je proces prijenosa topline u njima neizbježno povezan s površinom čvrstog tijela.
Uređaji za miješanje su uređaji u kojima se toplina prenosi izravnim miješanjem tople i hladne tekućine.
Međusobno kretanje rashladnih sredstava u izmjenjivačima topline može biti različito (slika 1.).
Ovisno o tome, razlikuju se uređaji s izravnim kretanjem, protustrujnim kretanjem, poprečnim protokom i sa složenim smjerom kretanja rashladnog sredstva (mješovita struja). Ako rashladne tekućine teku paralelno u jednom smjeru, tada se ovaj uzorak kretanja naziva istostrujnim strujanjem (slika 1.). U protustruji se rashladne tekućine kreću paralelno, ali jedna prema drugoj. Ako se smjerovi gibanja tekućina sijeku, tada se obrazac gibanja naziva poprečnim strujanjem. Osim gore navedenih shema, u praksi se koriste i one složenije: istovremeni prednji i protutok, višestruka križna struja itd.
Ovisno o tehnološkoj namjeni i značajke dizajna izmjenjivači topline dijele se na grijače vode, kondenzatore, kotlovske jedinice, isparivače itd. Ali zajedničko je da svi služe za prijenos topline s jedne rashladne tekućine na drugu, stoga su osnovne odredbe toplinskih proračuna za njih iste. Razlika može biti samo u konačnoj namjeni obračuna. Pri projektiranju novog izmjenjivača topline proračunski zadatak je odrediti ogrjevnu površinu; Pri proračunu toplinskog proračuna postojećeg izmjenjivača topline potrebno je pronaći količinu prenesene topline i konačne temperature radnih fluida.
Toplinski proračuni u oba slučaja temelje se na jednadžbama toplinske bilance i jednadžbi prijenosa topline.
Jednadžba toplinske bilance izmjenjivača topline ima oblik:
gdje je M masa protoka rashladnog sredstva, kg/s; cpm - specifična masa izobarni prosječni toplinski kapacitet rashladnog sredstva, J/(kg*°C).
U daljnjem tekstu indeks “1” označava količine koje se odnose na vruća tekućina(primarna rashladna tekućina), a indeks "2" - na hladnu tekućinu (sekundarna rashladna tekućina); prazna crta odgovara temperaturi tekućine na ulazu u aparat, a dvije crtice temperaturi na izlazu.
Pri proračunu izmjenjivača topline često se koristi koncept ukupnog toplinskog kapaciteta masenog protoka rashladnog sredstva (vodeni ekvivalent), jednak C = Mcp W/°C. Iz izraza (1) slijedi da
odnosno omjer temperaturnih promjena jednofaznih rashladnih sredstava obrnuto je proporcionalan omjeru njihovih ukupnih potrošnih toplinskih kapaciteta (vodenih ekvivalenata).
Jednadžba prijenosa topline napisana je na sljedeći način: Q=k*F*(t1-t2), gdje su t1, t2 temperature primarnog i sekundarnog rashladnog sredstva; F je površina prijenosa topline.
Tijekom izmjene topline, u većini slučajeva, mijenjaju se temperature oba rashladna sredstva i, prema tome, mijenja se temperaturni tlak Δt = t1-t2. Koeficijent prijenosa topline preko površine prijenosa topline također će imati promjenjivu vrijednost, stoga prosječne vrijednosti temperaturne razlike Δtav i koeficijenta prijenosa topline ksp treba zamijeniti u jednadžbu prijenosa topline, tj.
Q = ksp*F*Δtcp (3)
Područje izmjene topline F izračunava se pomoću formule (3), toplinska izvedba Zatim se postavlja Q. Za rješavanje problema potrebno je izračunati prosječni koeficijent prolaza topline po cijeloj površini ksp i temperaturnu razliku Δtsr.
Pri izračunavanju prosječne temperaturne razlike potrebno je uzeti u obzir prirodu promjene temperatura rashladnog sredstva duž površine za izmjenu topline. Iz teorije toplinske vodljivosti poznato je da je u ploči ili cilindričnoj šipki, u prisutnosti temperaturne razlike na krajevima (bočne površine su izolirane), raspodjela temperature duž duljine linearna. Ako se izmjena topline odvija na bočnoj površini ili sustav ima unutarnje izvore topline, tada je raspodjela temperature krivocrtna. Uz jednoliku raspodjelu izvora topline, promjena temperature po duljini bit će parabolična.
Dakle, u izmjenjivačima topline priroda promjene temperatura rashladne tekućine razlikuje se od linearne i određena je ukupnim toplinskim kapacitetima C1 i C2 masenih protoka rashladne tekućine i smjerom njihovog međusobnog kretanja (slika 2).
Grafikoni pokazuju da promjena temperature duž površine F nije ista. Sukladno jednadžbi (2), veća promjena temperature dogodit će se za rashladno sredstvo s manjim toplinskim kapacitetom masenog protoka. Ako su rashladne tekućine iste, na primjer, u izmjenjivaču topline voda-voda, tada će priroda promjene temperature rashladnih tekućina u potpunosti biti određena njihovim brzinama protoka, a pri nižim brzinama protoka promjena temperature bit će veća . Kod prednjeg toka konačna temperatura t"2 zagrijanog medija uvijek je manja od temperature t"1 ogrjevnog medija na izlazu iz aparata, a kod protutoka konačna temperatura t"2 može biti viša od temperature t "1 (za protutok, vidi slučaj kada je C1 > C2) Dakle, pri istoj početnoj temperaturi, zagrijani medij s protustrujom može se zagrijati na više visoka temperatura nego s izravnim protokom.
S izravnim strujanjem mijenja se temperaturna razlika duž ogrjevne površine u većoj mjeri nego s protutokom. Istovremeno, njegova prosječna vrijednost u potonjem slučaju je veća, zbog čega će površina grijanja protustrujnog aparata biti manja. Dakle, ako su sve stvari jednake, u ovom slučaju će se prenijeti velika količina toplina. Na temelju toga prednost treba dati uređajima s protustrujom.
Kao rezultat analitičke studije izmjenjivača topline koji radi prema shemi izravnog protoka, utvrđeno je da se temperaturni tlak duž površine izmjene topline mijenja prema eksponencijalnom zakonu, stoga se prosječni temperaturni tlak može izračunati pomoću formule :
gdje je Δtb velika temperaturna razlika između vruće i hladne rashladne tekućine (s jednog ruba izmjenjivača topline); Δtm - manja temperaturna razlika (od drugog ruba izmjenjivača topline).
S strujanjem prema naprijed Δtb = t"1 - t"2 i Δtm = t""1 - t""2 (slika 2). Ova formula vrijedi i za protutok s jedinom razlikom što za slučaj kada C1< С2 Δtб = t"1 — t"2 (рис. 2.), а при С1 >C2 Δtb = t""1 - t"2 i Δtm = t"1 - t""2.
Prosječna temperaturna razlika između dva okoliša, izračunata pomoću formule (4), naziva se logaritamska sredina. temperaturni pritisak. Oblik izraza određen je prirodom promjene temperature duž površine grijanja (krivocrtna ovisnost). Ako bi ovisnost bila linearna, tada bi temperaturnu razliku trebalo odrediti kao aritmetičku sredinu (slika 3.). Vrijednost aritmetičkog srednjeg tlaka Δta.av uvijek je veća od logaritamske sredine Δtl.av. Međutim, u slučajevima kada se temperaturna razlika po duljini izmjenjivača topline neznatno mijenja, odnosno ispunjen je uvjet Δtb/ Δtm< 2, среднюю разность температур можно вычислять как среднеарифметическую:
Usrednjavanje temperaturne razlike za uređaje s križnom i mješovitom strujom karakterizira složenost izračuna, stoga se za niz najčešćih shema rezultati rješenja obično prikazuju u obliku grafikona. španjolski literatura: 1) Osnove termoenergetike, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958. 2) Toplinska tehnika, Bondarev V.A., Protsky A.E., Grinkevich R.N. Minsk, ur. 2., "Viša škola", 1976. 3) Toplinska tehnika, ur. 2, pod općim red. I.N. Suškina, Moskva “Metalurgija”, 1973.
Zadaci izvođenja konstrukcijskih proračuna ljuske i cijevi izmjenjivači topline
PROJEKTIRANJE OPREME ZA IZMJENJIVANJE TOPLINE
Zadatak konstruktivnog proračuna je određivanje geometrijskih dimenzija izmjenjivača topline pri nominalnom načinu rada i zadanom toplinskom učinku.
Prije početka projektiranja potrebno je razjasniti polazne podatke i sadržaj zadatka, proučiti uvjete rada i procijenjene kapitalne troškove, te na temelju analize odabrati temeljnu konstrukciju budućeg aparata.
Za izračune je bolje koristiti teorijske formule svedene na inženjerski oblik nego empirijske, prikladne samo za određene uvjete. Složen i važan izračun mora pratiti, ili još bolje, prethoditi gruboj procjeni reda tražene vrijednosti. Najčešće su pogreške u proračunima posljedica pogrešnih premisa, odstupanja računske metode od stvarnog tijeka opisanog procesa, pogrešaka u dimenzijama fizikalnih veličina i netočnog očitanja znakova na računskim instrumentima.
Kod projektiranja aparata jednako su važni proračun i dizajn, stoga se ne smije precijeniti važnost proračuna niti podcijeniti važnost dizajna. Široka uporaba standarda, Tehničke specifikacije(TU) i normale ubrzava i smanjuje troškove projektiranja, proizvodnje i rada opreme. Sve mjerne jedinice koje se koriste u projektu moraju biti u skladu s Međunarodnim sustavom jedinica SI.
Cijena dizajna mali je dio cijene same opreme. Stoga poboljšanje jedinice ne bi trebalo biti ograničeno tijekom projektiranja.
Crteže treba izraditi u strogom skladu s " Jedinstveni sustav projektna dokumentacija" (ESKD) i GOST. Trebate crtati sažeto, ne stavljati nepotrebne dimenzije i ne crtati nepotrebne projekcije.”
Postupak za izvođenje konstrukcijskih proračuna izmjenjivača topline je sljedeći:
1. Navedite tehnološke i toplinski krug, u kojem je jedan od elemenata i dotični izmjenjivač topline.
2. Procijeniti količinu puhanja, drenaže, drenaže, uzorke i druge gubitke te izraditi dijagrame tokova topline i materijala za proračunati aparat.
3. Izrađuje se toplinska bilanca uređaja, nakon čega se utvrđuju toplinski kapacitet, troškovi, početna i konačna temperatura rashladnih sredstava, njihova fizikalno-kemijska svojstva, toksičnost i agresivnost prema konstrukcijskim materijalima.
4. Dizajn izmjenjivača topline određuje se u skladu s tehnološkim svojstvima rashladnih sredstava, a odabire se kemijska agresivnost građevinski materijali za njegovu proizvodnju.
5. Ovisno o svojstvima i temperaturi rashladnih sredstava, stupnju povrata topline i dizajnu izmjenjivača topline, odabire se smjer relativne struje tvari koje izmjenjuju toplinu. Protustrujno kretanje rashladnih tekućina uvijek bi trebalo biti najpoželjnije pri projektiranju novog izmjenjivača topline, budući da, pod jednakim uvjetima, pridonosi povećanju učinka grijanja Q ili smanjiti radna površina aparat F.
Ako je iz tehnoloških, konstrukcijskih ili prostornih razloga nemoguće protustrujno usmjeriti rashladna sredstva, potrebno je težiti višestrukom unakrsnom strujanju s izmjenom topline na općem protustrujnom principu. Smjer protoka rashladnog sredstva nije značajan u izmjenjivačima topline s promjenom agregatnog stanja barem jednog od dva rashladna sredstva.
Smjer protoka rashladne tekućine utječe ne samo na ukupnu učinkovitost grijanja uređaja Q, ali i na promjene temperatura rashladne tekućine ∆t 1 i ∆t 2, te povećanje temperaturnih razlika pri konstantnom učinku grijanja. dovodi do smanjenja potrošnje rashladnih sredstava G 1 i G 2 i troškova energije za njihov transport.
Pri odlučivanju o izboru struje rashladnog sredstva u odnosu na površinu izmjene topline tijekom vanjskog ispiranja snopa cijevi treba se voditi sljedećim pravilom: kada je omjer Nu/Pr 0,4 >58, povoljniji je uzdužni, a kada je Nu/ Pr 0,4<58 – поперечное омывание.
6. Odredite prosječnu temperaturnu razliku rashladnih sredstava ∆t CP.
7. Na temelju iskustva ili uz pomoć referentnih knjiga o prijenosu topline, procjenjuju se vrijednosti koeficijenata prijenosa topline za rashladne tekućine i od vrućeg do zida (a 1) i od zida do hladnog (a 2).
8. Odredite toplinski otpor površine za izmjenu topline zajedno s onečišćenjima s obje strane:
gdje je d debljina svakog sloja koji čini zid, m; l – koeficijent toplinske vodljivosti materijala svakog sloja, W/(m K):
9. Uzimajući u obzir površinsku kontaminaciju, odredite približne vrijednosti koeficijenta prijenosa topline k:
za ravni zid
; (1)
za cilindrični zid
, (2)
gdje su d CP, d VN, d NAP prosječni, unutarnji i vanjski promjer cijevi, m.
10. Na temelju približne vrijednosti k određuje se preliminarna vrijednost skice površine izmjene topline F ES:
. (3)
11. Odrediti prosječne temperature rashladnih sredstava u aparatu. Ako se toplinski kapacitet može pretpostaviti konstantnim, tada se prosječna temperatura rashladnih sredstava može odrediti formulom:
s protutokom
; (4)
; (5)
s izravnim protokom
; (6)
; (7)
Dovoljno je, međutim, odrediti prosječnu temperaturu jednog rashladnog sredstva, budući da se prosječna temperatura drugog lako može pronaći iz jednakosti
(8)
U praktičnim izračunima prosječna temperatura rashladnog sredstva često se određuje kao aritmetička sredina njegovih početnih i konačnih vrijednosti. Ovo pojednostavljenje dovodi do kršenja relacije (8), što otežava ispravno određivanje temperature stijenke. Ako pretpostavimo da se u većini slučajeva k relativno malo mijenja s temperaturom, netočnost u određivanju prosječne temperature rashladnog sredstva beznačajno utječe na rezultat izračuna. Stoga se u slučaju protutoka smatra prihvatljivim odrediti prosječnu temperaturu rashladnog sredstva s manjom temperaturnom razlikom kao aritmetičku sredinu, a prosječnu temperaturu drugog rashladnog sredstva - prema formuli (8). Ponekad prakticirana metoda određivanja prosječne temperature rashladne tekućine u obliku logaritamske sredine njezine početne i konačne temperature potpuno je neopravdana i često dovodi do velikih pogrešaka.
12. Na temelju prosječnih temperatura rashladnih tekućina i referentnih tablica pronađite vrijednosti gustoće r, a zatim druge količine rashladnih tekućina
Za rashladne tekućine čija gustoća značajno varira s temperaturom, drugi volumeni moraju se odrediti početnom, prosječnom i konačnom temperaturom za odgovarajuće dijelove izmjenjivača topline.
13. Odaberite brzinu rashladnog sredstva. U cijevnom aparatu samo jedno rashladno sredstvo može imati optimalnu brzinu (obično unutar cijevi), a brzina drugog (u međucijevnom prostoru) dobiva se ovisno o načinu rasporeda cijevi u cijevni list. Na temelju uvjeta turbulencije režima protoka rashladnog sredstva i iz ekonomskih razloga mogu se preporučiti sljedeće prosječne vrijednosti brzine rashladnog sredstva:
Najbolja metoda za odabir brzine rashladne tekućine temelji se na tehničko-ekonomskom proračunu: troškovi energije za pumpanje rashladne tekućine rastu s povećanjem brzine, a cijena površine za izmjenu topline opada.
Veličina brzine rashladnog sredstva utječe na koeficijent prijenosa topline ne samo za plinove i tekućine, već i za paru. VTI eksperimenti su pokazali da kada se kondenzirajuća para dovodi u tankim mlazovima pri velikoj brzini, koeficijent prijenosa topline se povećava za 3 do 10 puta. S povećanjem brzine pare, film nastalog kondenzata se stanji i odvaja od površine, zbog čega se smanjuje otpor prijenosu topline s pare na stijenku.
Gornja granica brzine tekućina i plinova ograničena je optimalnim hidrauličkim otporom aparata, kao i erozijom materijala cijevi kao posljedicom utjecaja strujanja.
Dinamički pritisak mlaza na cijev
(10)
U turbinskim kondenzatorima dinamički tlak doseže 300 Pa (pri brzini pare do 100 m / s), au hladnjacima ulja - 450 Pa (pri brzini ulja od oko 1 m / s). Ako se tlak ovog reda uzme kao dopušten za poprečno strujanje oko mjedenih cijevi, tada će optimalna brzina rashladnog sredstva, m/s, iz uvjeta dopuštene erozije biti jednaka (r = 1/n):
. (11)
Za uzdužno strujanje možemo poći od dopuštene brzine kretanja vode u mjedenim cijevima od 2,5 m/s, što odgovara dinamičkom tlaku od 3200 Pa. Dopuštena brzina pare ili plina, m/s, tijekom uzdužnog strujanja oko mjedenih cijevi ili pri kretanju u cijevima bit će:
. (12)
Za čelične cijevi, brzine pare mogu se odabrati veće iz uvjeta dopuštene erozije.
14. Odaberite smjer protoka rashladne tekućine u jedan ili drugi prostor izmjenjivača topline. Povećane brzine lakše je postići unutar cijevi, pa je u izmjenjivačima topline "tekućina-tekućina" bolje usmjeriti rashladnu tekućinu s nižim koeficijentom prijenosa topline ili niskim protokom u prostor cijevi; u izmjenjivačima topline “plin-tekućina” tekućina se obično dovodi u cijevni prostor, a plin se dovodi u međucijevni prostor. Onečišćenu rashladnu tekućinu treba unijeti u cijevi, a čistu rashladnu tekućinu u međucijevni prostor, budući da je čišćenje unutarnje površine cijevi, posebno ravnih, lako izvedivo. Korozivne tekućine treba unijeti u cijevi. U ovom slučaju, samo će poklopci uređaja i cijevi zahtijevati materijal ili premaz otporan na koroziju. Najvažnija komponenta - tijelo uređaja - nije podložna koroziji.
Poželjno je usmjeriti rashladnu tekućinu visokog tlaka i temperature u cijevi, što pomaže smanjiti mehaničko opterećenje na tijelu uređaja i smanjiti gubitke topline u okoliš. Naprotiv, ako je uređaj dizajniran za hlađenje tvari, tada je poželjno vruću rashladnu tekućinu usmjeriti u međucijevni prostor, budući da se otpuštanjem topline u okolinu može smanjiti potrošnja rashladne tekućine.
15. Odaberite promjer cijevi i odredite njihovu duljinu i broj. U industrijskim izmjenjivačima topline rijetko se koriste cijevi vanjskog promjera manjeg od 17 mm. Najčešće se ugrađuju cijevi vanjskog promjera 22, 25, 32 i 38 mm (zadnje dvije veličine odnose se na čelične cijevi). Za onečišćene tekućine i plinove koriste se cijevi vanjskog promjera 44,5, 51, 57 i 76 mm. Pri projektiranju izmjenjivača topline mora se imati na umu da se cijevi od obojenih metala trebaju koristiti samo u posebno važnim slučajevima.
16. Odabrati način pričvršćivanja i način podjele cijevi u cijevnoj ploči te planirati površine za pregrade u cijevnoj ploči i poklopcima višeprolaznih uređaja. Pričvršćivanje cijevi u cijevni lim treba osigurati nepropusnost i čvrstoću spoja, kao i mogućnost jednostavne zamjene neispravnih cijevi. Najčešća metoda pričvršćivanja cijevi u industrijskim izmjenjivačima topline je spaljivanje. Proračun mora biti popraćen provjerom čvrstoće cijevnih ploča.
Za preliminarni razvoj dizajna, možete uzeti debljinu cijevne ploče, mm
, (21)
gdje je C = 10 za čelik i C = 20 za bakrene cijevne ploče.
Za visokotemperaturne procese ili visoko fluidne rashladne tekućine, cijevi se učvršćuju u cijevne ploče elektro ili plinskim zavarivanjem ili lemljenjem, međutim kod ovih metoda je otežana izmjena cijevi, a same metode su tehnološki složene. U nekim slučajevima, krajevi cijevi su zabrtvljeni u cijevnu ploču pomoću uvodnica.
Cijevi se polažu na ravninu cijevne ploče nakon odabira razmaka između cijevi duž vrhova jednakostraničnog trokuta (rombski cijevni snop) ili duž koncentričnih kružnica (koncentrični cijevni snop). Rombični raspored cijevi po obodu pravilnih šesterokuta s brojem šesterokuta (ovisno o popunjavanju segmenata) povoljniji je od postavljanja duž koncentričnih krugova.
Korak između središta cijevi t uzima se iz uvjeta čvrstoće cijevne ploče da bude najmanje 1,3 d N. Ovisno o vanjskom promjeru cijevi d H, sljedeće vrijednosti koraka t mogu preporučiti:
U jednoprolaznom izmjenjivaču topline s rombičnim rasporedom cijevi, sa stranicom unutarnjeg šesterokuta jednakom razmaku između cijevi t i s brojem upisanih šesterokuta m, ukupan broj cijevi (uzimajući u obzir jedan središnji cijev) jednaka je (slika 1):
Sl. 1. Razbijanje cijevne ploče.
a – šesterokutima; b – po koncentričnim kružnicama; c – most između cijevi.
Broj šesterokuta za postavljanje cijevi
. (22)
Broj cijevi duž dijagonale najvećeg šesterokuta bit će
Preporučljivo je segmente između ruba cijevne ploče i stranica vanjskog šesterokuta ispuniti cijevima.
Cijevi su postavljene u koncentričnim krugovima tako da se održi radijalni korak t, tj. udaljenost između krugova i približno isti korak između cijevi po obodu.
Na radijalnom koraku t polumjeri krugova bit će:
Prema tome, duljine krugova bit će jednake:
c 1 = 2 točke; c 2 = 4 točke; c 3 = 6 pt; … c i = 2 jame.
Broj cijevi po obodu s korakom približno jednakim t bit će:
(24)
Broj cijevi postavljenih u tijelo aparata s unutarnjim promjerom D B može se približno odrediti:
kada se postavi duž vrhova trokuta
kada se postavi duž vrhova kvadrata
gdje je j faktor punjenja cijevne ploče; j = 0,7÷1,0.
Razdvajanje cijevi na pravilne kvadrate koristi se kod korištenja jako onečišćenih rashladnih sredstava u prstenastom prostoru, budući da takva podjela olakšava čišćenje prstenastog prostora.
17. Nacrtajte skicu izmjenjivača topline. Odabrani broj udaraca određuje vrstu poklopca uređaja. Pomoću skice cijevne ploče s označenim raščlanjenjem cijevi i slobodnim (bez rupa) površinama za pregrade poklopca određuje se broj cijevi u svakom potezu, nastojeći postići njihovu približnu jednakost. Postoji nekoliko načina za raspodjelu cijevi među prolazima u višeprolaznom izmjenjivaču topline. U poklopcima dvo- i četveroprolaznih izmjenjivača topline, prolazi mogu biti odvojeni paralelnim pregradama (Sl. 2- A,b). Na slici pune linije prikazuju pregrade u prednjem poklopcu (sa strane gdje rashladna tekućina ulazi u prostor cijevi), a isprekidane linije prikazuju pregrade u stražnjem poklopcu. Brojevi označavaju redoslijed poteza. U uređajima s četiri ili više takta koristi se podjela cijevi na sektore (Sl. 2- V) ili složenije, kombinirane metode postavljanja particija (Sl. 2- G).
sl.2. Mogućnosti ugradnje pregrada u poklopac.
sl.3. Vrste veza između poklopca i tijela uređaja i cjevovoda.
Poklopci izmjenjivača topline mogu biti različitih oblika s različitim mjestima ugradnje mlaznica. Poklopac s cijevi, čija je os okomita na ravninu priključka (Sl. 3- A), nezgodno je jer njegovo uklanjanje iz tijela uključuje rastavljanje cjevovoda. Prilikom uklanjanja poklopca s bočnom cijevi (Sl. 3- b) zahtijeva samo odvajanje cijevi od poklopca. Uklonjivo dno poklopca-kolektora a (Sl. 3- V) omogućuje pregled i čišćenje uređaja bez odvajanja od cjevovoda, međutim, prisutnost dodatnog prirubničkog priključka komplicira dizajn uređaja. Ako napravite poklopac s jednim odvojivim priključkom iznad mlaznica (Sl. 3- G), onda se možete ograničiti na ovaj jedan priključak. Međutim, to je manje prikladno kada se mijenjaju i razvaljuju cijevi.
18. Na temelju odabranih brzina rashladne tekućine, koje mogu biti bliske brzinama u aparatu, određuju se protočni presjeci cijevi. Njihove dimenzije trebaju biti usklađene s dimenzijama cjevovoda koji se dovode do uređaja. Koristeći jednadžbu kontinuiteta protoka, volumenski protok rashladnog sredstva, m 3 /s, izražavamo kao
. (26)
Protočna površina mlaznice, m2, odakle je promjer mlaznice
gdje je promjer cijevi?
. (28)
19. Odredite unutarnji promjer kućišta izmjenjivača topline D B pomoću formule
, (29)
gdje je D" najveći promjer kruga središta cijevi s prstenastim rasporedom ili najveća dijagonala šesterokuta s rombičnim rasporedom cijevi; m je prstenasti razmak između vanjskih cijevi i unutarnje stijenke kućišta.
Za uređaje sa zavarenim cijevnim listovima i stegnutim između prirubnica (bez plutajuće komore), prstenasti razmak m uzima se minimalnim, ali ne manjim od 6 mm. U uređajima s plutajućom komorom, razmak je određen dizajnom i dimenzijama prirubnice plutajuće komore. U uređajima s poprečnim pregradama u prstenastom prostoru, prstenasti razmak se određuje izračunavanjem optimalne brzine protoka rashladnog sredstva kroz njega (vidi paragraf 20).
20. Odaberite izvedbu i odredite dimenzije međucijevnih prostora čiji se presjek u aparatu bez pregrada može odrediti iz jednakosti
. (30)
Brzina rashladnog sredstva duž cijevi u prstenastom prostoru nalazi se pomoću jednadžbe
. (31)
Promjena brzine w; međutim, to je vrlo beznačajno i može se postići samo mijenjanjem koraka između cijevi.
Pomoću uzdužnih pregrada paralelnih s osi cijevi moguće je stvoriti protustrujno kretanje rashladnih tekućina i povećati brzinu jedne od njih. Ako uzdužni udarci postanu z, tada će površina protoka međucijevnih prostora postati z puta manja; brzina rashladne tekućine će se povećati za isti iznos:
. (32)
Uzdužne pregrade rijetko se ugrađuju u izmjenjivače topline.
Poprečne pregrade su jednostavne za proizvodnju i jednostavne za ugradnju. Uz njihovu pomoć postiže se povećanje brzine i poprečno ispiranje cijevi rashladnom tekućinom, tj. povećanje koeficijenta prolaza topline. Veličine prstenova i diskova za pregrade u međucijevnom prostoru treba odabrati na temelju dobivanja iste brzine rashladnog sredstva u tri dijela: između cijevi unutar prstena, između prstena i diska kada se cijevi ispiraju poprečno i u prstenastom dijelu. razmak između tijela i diska.
21. Navedena je skica izmjenjivača topline i njegove konstrukcijske dimenzije: duljina snopa cijevi, broj cijevi u svakom taktu i u cijelom aparatu, unutarnji promjer tijela, stvarni protočni presjeci cijevi i međucijevni prostor (ili prolazi); odrediti odgovarajuće brzine rashladnog sredstva; razviti jedinice aparata i detalje njihove artikulacije.
22. Konačno, poznavajući ažurirane vrijednosti brzina i temperatura, fizičke konstante rashladnih tekućina, prirodu njihovog međusobnog kretanja i dimenzije kanala, koristeći formule poznate iz tijeka prijenosa topline, vrijednosti određuju se koeficijenti prolaza topline a i prolaz topline k. Kod određivanja koeficijenata prolaza topline za kondenzirajuću paru ili kipuću tekućinu, kada je potrebno znati ili unaprijed postaviti temperaturu stijenke, a zatim provjeriti prihvaćenu vrijednost, preporučljivo je koristiti grafičko-analitičku metodu za određivanje koeficijenta prolaza topline k.
23. Na temelju toplinske snage Q, prosječne temperaturne razlike rashladnih sredstava ∆t CP i koeficijenta prijenosa topline k, određuje se izračunata površina prijenosa topline F P:
. (33)
U slučaju kada se izračunata vrijednost površine F P pokaže jednakom projektiranoj površini F ES-a na crtežu skice ili 10 - 15% manje, određivanje glavnih dimenzija uređaja može se smatrati dovršenim. Ako se pokaže da je F R >F ES, tada je potrebno povećati površinu izmjene topline za 10 - 15% u odnosu na onu dobivenu na temelju toplinskih proračuna. Najlakši način za povećanje površine skice je produljenje snopa cijevi. U tom će slučaju svi napravljeni izračuni ostati točni, a toplinski proračun izmjenjivača topline može se smatrati dovršenim. Ako se razlika između površina projektiranih na skici i izračunatih pokaže da je veća od 15%, potrebno je ponovno izvršiti toplinski proračun uz navođenje početnih vrijednosti, uzimajući u obzir rezultate dobivene njihovom usporedbom.
24. Izvršite hidrauličke proračune. Ukupni hidraulički otpor izmjenjivača topline ∆r određen je izrazom
gdje je ∆r T – otpor trenja o stijenke; ∆r M – lokalni otpor; ∆r U – gubici zbog ubrzanja protoka; ∆r S – otpor sile teže.
25. Ako je pad tlaka za projektirani izmjenjivač topline određen i ograničen u vrijednosti, tada saznajte dopuštenost korištenja dizajna uređaja utvrđenog proračunom. Ako otpor izmjenjivača topline premašuje navedenu vrijednost, potrebno je promijeniti dizajn ili paralelno spojiti nekoliko izmjenjivača topline, izvršivši ponovni izračun, jer će promjena brzina dovesti do promjene koeficijenta prijenosa topline i potrebne izmjene topline. površinski.
Na temelju izračunatog ukupnog hidrauličkog otpora kanala, moguće je odrediti snagu, W, potrebnu za pomicanje rashladnih tekućina:
, (35)
gdje je G – protok fluida, kg/s; r – gustoća rashladne tekućine ispred kompresora, kg/m3; h – učinkovitost ventilator ili pumpa.
Jednadžba (35) je primjenjiva i za ventilatore i za pumpe.
26. Za sve dijelove izmjenjivača topline odabiru se strukturni materijali i izračunava se njihova čvrstoća, koja može biti dvije vrste: proračunska i kalibracijska. Tijekom projektnih proračuna utvrđuju se minimalne potrebne dimenzije elemenata projektiranog aparata. Tijekom verifikacijskog proračuna provjerava se čvrstoća pojedinih elemenata postojećeg aparata i utvrđuje mogućnost njegovog korištenja u određenim uvjetima izmijenjenog tehnološkog procesa.
27. Nacrtati nacrt aparata; izraditi specifikacije; sastaviti karakteristike svih prirubnica s naznakom njihove namjene, radnog tlaka dizanog medija i područja protoka; odrediti masu dijelova i cjelokupnog aparata.
28. Izraditi projekt i odabrati materijale za toplinsku izolaciju izmjenjivača topline. Provode se toplinski i konstrukcijski proračuni toplinske izolacije.
29. Razvijaju sustav za nadzor i automatsku regulaciju tehnološkog procesa u izmjenjivaču topline.
30. Odabrati elemente instrumentacije i automatizacije, zaporne i upravljačke uređaje, sigurnosne ventile, dodavače, separatore, odvode kondenzata, dovodne i odvodne spremnike i drugu pomoćnu opremu.
31. Projektirati i odabrati ljestve i platforme za održavanje, ograde, uređaje za podizanje i transport, posebna sredstva za sigurno održavanje i protupožarnu opremu.
32. Po potrebi projektirati lokalnu rasvjetu i klimatizaciju.
Stranica 1
Konstrukcijski proračun uključuje određivanje veličine plamenika pri minimalno potrebnom ili pri zadanom tlaku plina, kao i pri zadanim regulacijskim granicama i tlaku plina ispred mlaznice.
Dizajn i izvedba zubaca ubodnih provlaka obično je isti kao kod provlaka s više klinova. Kada radite s pločicama s ključevima, mogu se koristiti pojedinačni ili skupni uzorci za rezanje slojeva. Ovdje je najracionalnija shema grupna s brojem zuba u skupini 2 i s dva kutna skošenja na prvom zubu, kao što je prikazano na sl. Posljednji kalibracijski zub obično se izrađuje jednake duljine 1 5 t, gdje je t korak zuba.
Strukturni proračun uključuje određivanje dimenzija šipki pomoću zavisnih parametara. Potonji su jednostavno povezani s parcijalnim linearnim kapacitetima šipki.
Strukturni proračuni provode se pri projektiranju novih izmjenjivača topline.
Strukturni proračuni provode se nakon toplinskih proračuna izmjenjivača topline. Kod cijevnih uređaja to se svodi na određivanje broja ili duljine cijevi, njihovo postavljanje u cijevni lim (uzimajući u obzir broj udaraca) i pronalaženje glavnih dimenzija (promjera i visine) uređaja. Tijekom konstrukcijskog proračuna također se određuju promjeri armature izmjenjivača topline.
Konstruktivni proračun sastoji se od sljedećih faza.
Strukturni proračun elektrodinamičkog emitera provodi se na sljedeći način.
Strukturni proračuni provode se u sljedećem redoslijedu.
Strukturni proračuni provode se nakon toplinskih proračuna izmjenjivača topline. Kod cijevnih uređaja to se svodi na određivanje broja ili duljine cijevi, njihovo postavljanje u cijevni lim (uzimajući u obzir broj udaraca) i pronalaženje glavnih dimenzija (promjera i visine) uređaja. Tijekom konstrukcijskog proračuna također se određuju promjeri armature izmjenjivača topline.
Strukturni proračuni provode se nakon toplinskih proračuna izmjenjivača topline. Kod cijevnih uređaja to se svodi na određivanje broja ili duljine cijevi, njihovo postavljanje u cijevni lim (uzimajući u obzir broj udaraca) i pronalaženje glavnih dimenzija (promjera i visine) uređaja. Tijekom konstrukcijskog proračuna također se određuju promjeri armature izmjenjivača topline.