Подробности

Расчет чиллера. Как расчитать холодопроизводительность или мощность чиллера и правильно осуществить его подбор.

Как правильно сделать , на что в первую очередь надо полагаться чтобы, среди множества предложений, произвести качественный ?

На этой странице мы дадим несколько рекомендаций, прислушавшись к которым вы приблизитесь к тому, чтобы сделать правильный .

Расчет холодопроизводительности чиллера. Расчет мощности чиллера - его мощности охлаждения.

В первую очередь по формуле , в которой участвует объем охлаждаемой жидкости; изменение температуры жидкости, которое надо обеспечить охладителем; теплоемкость жидкости; ну и конечно время за которое этот объем жидкости надо охладить - определяется мощность охлаждения:

Формула охлаждения, т.е. формула вычисления необходимой холодопроизводительности:

Q = G*(Т1- Т2)*C рж *pж / 3600

Q – холодопроизводительность, кВт/час

G - объёмный расход охлаждаемой жидкости, м 3 /час

Т2 - конечная температура охлаждаемой жидкости, о С

Т1 - начальная температура охлаждаемой жидкости, о С

C рж -удельная теплоёмкость охлаждаемой жидкости, кДж / (кг* о С)

pж - плотность охлаждаемой жидкости, кг/м 3

* Для воды C рж *pж = 4,2

По данной формуле определяется необходимая мощность охлаждения и она является основной при выборе чиллера.

• Формулы пересчета размерностей чтобы рассчитать холодопроизводительность водоохладителя :

1 кВт = 860 кКал/час

1 кКал/час = 4,19 кДж

1 кВт = 3,4121 кБТУ/час

Подбор чиллера

Для того, чтобы произвести подбор чиллера - очень важно выполнить правильное составление технического задания на расчет чиллера, в котором участвуют не только параметры самого водоохладителя, но и данные о его размещении и условии его совместной работы с потребителем. На основании выполненных вычислений можно - выбрать чиллер.

Не нужно забывать про то, в каком регионе Вы находитесь. Например, расчет для города Москва будет отличаться от расчета для города Мурманск так как максимальные температуры двух данных городов отличается.

П о таблицам параметров водоохлаждающих машин делаем первый выбор чиллера и знакомимся с его характеристиками. Далее, имея на руках основные характеристики выбранной машины, такие как: - холодопроизводительность чиллера , потребляемая им электрическая мощность, есть ли в его составе гидромодуль и его - подача и напор жидкости, объём проходящего через охладитель воздуха (который нагревается) в куб.метрах в секунду - Вы сможете проверить возможность установки охладителя воды на выделенной площадке. После того, как предполагаемый охладитель воды удовлетворит требованиям технического задания и вероятнее всего сможет работать на подготовленной для него площадке рекомендуем обратиться к специалистам, которые проверят Ваш выбор.

Выбор чиллера - особенности, которые надо предусмотреть при подборе чиллера.

Основные требования к месту будущей установки охладителя воды и схемы его работы с потребителем :

• Если запланированное место в помещении, то - возможно ли в нем обеспечить большой обмен воздуха, возможно ли в это помещение внести охладитель воды, возможно ли в нем будет его обслуживать?
• Если будущее размещение охладителя воды на улице - будет ли необходимость его работы в зимний период, возможно ли использование незамерзающих жидкостей, возможно ли обеспечить защиту охладителя воды от внешних воздействий (анти-вандальная, от листьев и веток деревьев, и т.д.) ?
• Если температура жидкости, до которой её надо охлаждать ниже +6 о С или она выше + 15 о С - чаще всего такой диапазон температур не входит в таблицы быстрого выбора. В этом случае рекомендуем обратиться к нашим специалистам.
• Следует определиться с расходом охлаждаемой воды и необходимым давлением, которое должен обеспечить гидромодуль охладителя воды - необходимое значение может отличаться от параметра выбранной машины.
• Если температуру жидкости необходимо понизить более чем на 5 градусов, то схема прямого охлаждения жидкости водоохладителем не применяется и необходим расчет и комплектация дополнительным оборудованием.
• Если охладитель будет использоваться круглосуточно и круглогодично, а конечная температура жидкости достаточно высока - на сколько целесообразно будет применение установки с ?
• В случае применения незамерзающих жидкостей высоких концентраций требуется дополнительный расчет производительности испарителя водоохладителя.

Программа подбора чиллера

К сведению: даёт только приближённое понимание о необходимой модели охладителя и соответствия его техническому заданию. Далее необходима проверка расчетов специалистом. При этом Вы можете ориентироваться на полученную в результате расчетов стоимость +/- 30% (в случаях с низкотемпературными моделями охладителей жидкости - указанная цифра ещё больше) . Оптимальная модель и стоимость будут определены только после проверки расчетов и сопоставления характеристик разных моделей и производителей нашим специалистом.

Подбор чиллера ОнЛайн

Вы можете сделать обратившись к нашему онлайн консультанту, который быстро и технически обоснованно даст ответ на Ваш вопрос. Также консультант может выполнить исходя из кратко написанных параметров технического задания расчет чиллера онлайн и дать приблизительно подходящую по параметрам модель.

Расчеты, произведённые не специалистом часто приводят к тому, что выбранный водоохладитель не соответствует в полной мере ожидаемым результатам.

Компания Питер Холод специализируется на комплексных решениях по обеспечению промышленных предприятий оборудованием, которое полностью удовлетворяет требования технического задания на поставку системы водоохлаждения. Мы производим сбор информации для наполнения технического задания, расчет холодопроизводительности чиллера, определение оптимально подходящего охладителя воды, проверку с выдачей рекомендаций по его установке на выделенной площадке, расчет и комплектацию всех дополнительных элементов для работы машины в системе с потребителем (расчет бака аккумулятора, гидромодуля, дополнительных, при необходимости теплообменников, трубопроводов и запирающей и регулирующей арматуры).

Накопив многолетний опыт расчетов и последующих внедрений систем охлаждения воды на различные предприятия мы обладаем знаниями, по решению любых стандартных и далеко не стандартных задач связанных с многочисленными особенностями установки на предприятие охладителей жидкости, объединения их с технологическими линиями, настройке специфических параметров работы оборудования.

Самым оптимальный и точный и соответственно определение модели водоохладителя можно сделать очень быстро, позвонив или послав заявку инженеру нашей компании.

Дополнительные формулы для расчета чиллера и определения схемы его подключения к потребителю холодной воды (расчет мощности чиллера)

• Формула расчёта температуры, при смешении 2-х жидкостей (формула смешения жидкостей):

Т смеш = (М1*С1*Т1+М2*С2*Т2) / (С1*M1+С2*М2)

Т смеш – температура смешанной жидкости, о С

М1 – масса 1-ой жидкости, кг

C1 - удельная теплоёмкость 1-ой жидкости, кДж/(кг* о С)

Т1 - температура 1-ой жидкости, о С

М2 – масса 2-ой жидкости, кг

C2 - удельная теплоёмкость 2-ой жидкости, кДж/(кг* о С)

Т2 - температура 2-ой жидкости, о С

Данная формула используется, если применяется аккумулирующая емкость в системе охлаждения, нагрузка непостоянна по времени и температуре (чаще всего при расчете необходимой мощности охлаждения автоклав и реакторов)

Мощность охлаждения чиллера.

Москва..... Воронеж..... Белгород..... Нижневартовск..... Новороссийск..... Екатеринбург..... в Ростове-на-Дону..... Смоленск..... Киров..... Ханты-Мансийск..... Ростов-на-Дону..... Пенза..... Владимир..... Астрахань..... Брянск..... Казань..... Самара..... Набережные Челны..... Рязань..... Нижний Тагил..... Краснодар..... Тольятти..... Чебоксары..... Волжский..... Нижегородская область..... Нижний Новгород..... Ростов на Дону..... Саратов..... Сургут..... Краснодарский край..... в Ростове на Дону..... Оренбург..... Калуга..... Ульяновск..... Томск..... Волгоград..... Тверь..... Марий Эл..... Тюмень..... Омск..... Уфа..... Сочи..... Ярославль..... Орел..... Новгородская область.....

Где испаритель предназначен для охлаждения жидкости, а не воздуха.

Испаритель в чиллере может быть нескольких типов:

• пластинчатый
• трубный - погружной
• кожухотрубный.

Чаще всего те, кто желает собрать чиллер самостоятельно , применяют погружной - витой испаритель, как наиболее дешевый и простой вариант, который можно изготовить самостоятельно. Вопрос, главным образом, в правильном изготовлении испарителя, относительно мощности компрессора, выборе диаметра и длины трубы, из которой будет изготавливаться будущий теплообменник.

Для подбора трубы и ее количества необходимо воспользоваться теплотехническим расчетом, который можно без особого труда найти в интернете. Для производства чиллеров мощностью до 15 кВт, с витым испарителем, наиболее применимы следующие диаметры медных труб 1/2; 5/8; 3/4. Трубы с большим диаметром (от 7/8) гнуть без специальных станков очень сложно, поэтому их для витых испарителей не применяют. Наиболее оптимальная по удобству работы и мощности на 1 метр длины - труба 5/8. Ни в коем случае нельзя допускать приблизительный расчет длины трубы. Если не верно изготовить испаритель чиллера , то не удастся добиться ни нужного перегрева, ни нужного переохлаждения, ни давления кипения фреона, как следствие чиллер будет работать не эффективно или вовсе не будет охлаждать.

Также еще один нюанс, так как охлаждаемая среда — вода (чаще всего), то температура кипения, при (использовании воды) не должна быть ниже -9С, при дельте не более 10K между температурой кипения фреона и температурой охлаждаемой воды. В этой связи и аварийное реле низкого давления следует настраивать на аварийную отметку не ниже давления используемого фреона, при температуре его кипения -9С. В противном случае, при погрешности датчика контроллера и снижении температуры воды ниже +1С, вода начнет намораживаться на испаритель что снизит, а со временем и сведет практически к нулю его теплообменную функции — водоохладитель будет работать некорректно.

При расчете проектируемого испарителя определяют его теплопередающую поверхность и объем циркулирующего рассола или воды.

Теплопередающую поверхность испарителя находят по формуле:

где F – теплопередающая поверхность испарителя, м 2 ;

Q 0 – холодопроизводительность машины, Вт;

Dt m – для кожухотрубных испарителей это средняя логарифмическая разность между температурами хладоносителя и кипения холодильного агента, а для панельных испарителей – арифметическая разность между температурами выходящего рассола и кипения холодильного агента, 0 С;

– плотность теплового потока, Вт/м 2 .

Для приближенных расчетов испарителей пользуются значениями коэффициентов теплопередачи, полученными опытным путем в Вт/(м 2 ×К):

для аммиачных испарителей:

кожухотрубных 450 – 550

панельных 550 – 650

для фреоновых кожухотрубных испарителей с накатными ребрами 250 – 350.

Среднюю логарифмическую разность температур хладоносителя и кипения холодильного агента в испарителе рассчитывают по формуле:

(5.2)

где t Р1 и t Р2 – температуры хладоносителя на входе и выходе из испарителя, 0 С;

t 0 – температура кипения холодильного агента, 0 С.

Для панельных испарителей, благодаря большому объему бака и интенсивной циркуляции хладоносителя, его средняя температура может быть принята равной температуре на выходе из бака t Р2 . Поэтому для этих испарителей

Объем циркулирующего хладоносителя определяют по формуле:

(5.3)

где V Р – объем циркулирующего теплоносителя, м 3 /с;

с Р – удельная теплоемкость рассола, Дж/(кг× 0 С);

r Р – плотность рассола, кг/м 3 ;

t Р2 и t Р1 – температура теплоносителя соответственно при входе в охлаждаемое помещение и выходе из него, 0 С;

Q 0 – холодопроизводительность машины.

Величины с Р и r Р находят по справочным данным для соответствующего хладоносителя в зависимости от его температуры и концентрации.

Температура хладоносителя при прохождении его через испаритель понижается на 2 – 3 0 С.

Расчет испарителей для охлаждения воздуха в холодильных камерах

Для распределения испарителей, входящих в комплект холодильной машины, определяют требуемую теплопередающую поверхность по формуле:

где SQ – суммарный теплоприток на камеру;

К – коэффициент теплопередачи камерного оборудования, Вт/(м 2 ×К);

Dt – расчетная разность температур между воздухом в камере и средней температурой хладоносителя при рассольном охлаждении, 0 С.

Коэффициент теплопередачи для батареи принимают 1,5–2,5 Вт/(м 2 К), для воздухоохладителей – 12–14 Вт/(м 2 К).

Расчетную разность температур для батарей - 14–16 0 С, для воздухоохладителей - 9–11 0 С.

Количество приборов охлаждения для каждой камеры определяют по формуле:

где n – требуемое количество приборов охлаждения, шт.;

f – теплопередающая поверхность одной батареи или воздухоохладителя (принимают исходя из технической характеристики машины).

Конденсаторы

Различают два основных типа конденсаторов: с во­дяным и воздушным охлаждением. В холодильных установ­ках большой производительности используются также конденсаторы с водо-воздушным охлаждением, называемые испарительными.

В холодильных агрегатах для торгового холодильного оборудования чаще всего применяют конденсаторы воздушного охлаждения. По сравнению с конденсатором водяного охлаждения они экономичны в работе, проще в монтаже и эксплуатации. Холодильные агрегаты, в состав которых входят конденсаторы водяного охлаждения, более компактны, чем агрегаты с конденсаторами воздушного охлаждения. Кроме того, при эксплуатации они издают меньше шума.

Конденсаторы с водяным охлаждением различают по характеру движения воды: проточного типа и оро­сительные, а по конструкции – кожухозмеевиковые, двухтрубные и кожухотрубные.

Основным типом являются горизонтальные кожухотрубные конден­саторы (рис. 5.3). В зависимости от вида хладагента в конструкции аммиачных и фреоновых конденсаторов есть некоторые отличия. По величи­не теплопередающей поверхности аммиачные конденсаторы охватывают диапазон, примерно от 30 до 1250 м 2 , а фреоновые – от 5 до 500 м 2 . Кроме того, выпускаются аммиачные вертикальные кожухотрубные конденсаторы с площадью теплопередающей поверхности от 50 до 250 м 2 .

Кожухотрубные конденсаторы используют в машинах средней и большой производительности. Горячие пары хладагента поступают че­рез патрубок 3 (рис. 5.3) в межтрубное пространство и конденсируются на наружной поверхности пучка горизонтальных труб.

Внутри труб под напором насоса циркулирует охлаждающая вода. Трубы развальцованы в трубных решетках, закрыты снаружи водяными крышками с перегородками, создающими несколько горизонтальных ходов (2-4-6). Вода поступает через патрубок 8 снизу и выходит через патрубок 7. На этой же водяной крышке имеется вентиль 6 для выпуска воздуха из водяного пространства и вентиль 9 для слива воды при реви­зии или ремонте конденсатора.

Рис.5.3 - Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы

Сверху аппарата имеется предохранительный клапан 1, соединяю­щий межтрубное пространство аммиачного конденсатора с трубопрово­дом, выведенным наружу, выше конька крыши самого высокого здания в радиусе 50 м. Через патрубок 2 подсоединяется уравнительная линия, соединяющая конденсатор с ресивером, куда выводится жидкий хлада­гент через патрубок 10 из нижней части аппарата. Снизу к корпусу при­варен маслосборник с патрубком 11 для слива масла. Уровень жидкого хладагента в нижней части кожуха контролируется с помощью указате­ля уровня 12. При нормальной работе весь жидкий хладагент должен сливаться в ресивер.

Сверху кожуха имеется вентиль 5 для спуска воздуха, а также пат­рубок для подсоединения манометра 4.

Вертикальные кожухотрубные конденсаторы применяются в аммиач­ных холодильных машинах большой производительности, они рассчитаны на тепловую нагрузку от 225 до 1150 кВт и устанавливаются снаружи ма­шинного зала, не занимая его полезную площадь.

В последнее время появились конденсаторы пластинчатого типа. Высокая интенсивность теплообмена в пластинчатых конденсато­рах, по сравнению с кожухотрубными, позволяет при одинаковой тепловой нагрузке примерно вдвое уменьшить металлоемкость аппарата и в 3–4 раза повысить компактность.

Воздушные конденсаторы применяют главным образом в машинах малой и средней производительности. По характеру движения воздуха их делят на два типа:

Со свободным движением воздуха; такие конденсаторы используют в машинах очень малой производительности (примерно до 500 Вт), применяемых в бытовых холодильниках;

С принудительным движением воздуха, то есть с обдувом теплопередающей поверхности с помощью осевых вентиляторов. Этот тип конденсатора наиболее применим в машинах малой и средней про­изводительности, однако в последнее время в связи с дефицитом воды они все больше используются и в машинах большой произво­дительности.

Конденсаторы воздушного типа применяют в холодильных агрегатах с сальниковыми, бессальниковыми и герметичными компрессорами. Конструкции конденсаторов однотипные. Конденсатор состоит из двух или более секций, соединенных последовательно калачами или параллельно коллекторами. Секции представляют собой прямые или U-образные трубки, собранные в змеевик с помощью калачей. Трубы – стальные, медные; ребра – стальные или алюминиевые.

Конденсаторы с принудительным движением воздуха используют в торговых холодильных агрегатах.

Расчет конденсаторов

При проектировании конденсатора расчет сводится к определению его теплопередающей поверхности и (если он с водяным охлаждением) количества расходуемой воды. Прежде всего подсчитывают действительную теп­ловую нагрузку на конденсатор

где Q к – действительная тепловая нагрузка на конденсатор, Вт;

Q 0 – холодопроизводительность компрессора, Вт;

N i – индикаторная мощность компрессора, Вт;

N е – эффективная мощность компрессора, Вт;

h м – механический к. п. д. компрессора.

В агрегатах с герметичными или бессальниковыми компрессорами тепловую нагрузку на конденсатор сле­дует определять но формуле:

(5.7)

где N э – электрическая мощность на клеммах электродвигателя компрессора, Вт;

h э – к. п. д. электродвигателя.

Теплопередающая поверхность конденсатора определяется по формуле:

(5.8)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м 2 ;

к – коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м 2 ×К);

Dt m – средняя логарифмическая разность между температурами конденсации холодильного агента и охлаждающей воды или воздуха, 0 С;

q F – плотность теплового потока, Вт/м 2 .

Среднюю логарифмическая разность определяют по формуле:

(5.9)

где t в1 – температура воды или воздуха на входе в конденсатор, 0 С;

t в2 – температура воды или воздуха на выходе из конденсатора, 0 С;

t к – температура конденсации холодильного агрегата, 0 С.

Коэффициенты теплопередачи различных типов конденсаторов приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 - Коэффициенты теплопередачи конденсаторов

Оросительный для аммиака

Испарительный для аммиака

С воздушным охлаждением (при принудительной циркуляции воздуха) для хладонов

800…1000 460…580 * 700…900 700…900 465…580 20…45 *

Значения к определены для оребренной поверхности.

Расчет теплообменника в настоящее время занимает не более пяти минут. Любая организация, производящая и продающая такое оборудование, как правило, предоставляет всем желающим свою собственную программу подбора. Ее можно бесплатно скачать с сайта компании, либо их технический специалист приедет к вам в офис и бесплатно её установит. Однако насколько корректен результат таких расчетов, можно ли ему доверять и не лукавит ли производитель, сражаясь в тендере со своими конкурентами? Проверка электронного калькулятора требует наличия знаний или как минимум понимания методики расчета современных теплообменников. Попробуем разобраться в деталях.

Что такое теплообменник

Прежде чем выполнять расчет теплообменника, давайте вспомним, а что же это за устройство такое? Тепломассообменный аппарат (он же теплообменник, он же или ТОА) - это устройство для передачи теплоты от одного теплоносителя другому. В процессе изменения температур теплоносителей меняются также их плотности и, соответственно, массовые показатели веществ. Именно поэтому такие процессы называют тепломассообменными.

Виды теплообмена

Теперь поговорим о - их всего три. Радиационный - передача теплоты за счет излучения. Как пример, можно вспомнить принятие солнечных ванн на пляже в теплый летний день. И такие теплообменники даже можно встретить на рынке (ламповые нагреватели воздуха). Однако чаще всего для обогрева жилых помещений, комнат в квартире мы покупаем масляные или электрические радиаторы. Это пример другого типа теплообмена - бывает естественной, вынужденной (вытяжка, а в коробе стоит рекуператор) или с механическим побуждением (с вентилятором, например). Последний тип намного эффективнее.

Однако самый эффективный способ передачи теплоты - это теплопроводность, или, как её ещё называют, кондукция (от англ. conduction - "проводимость"). Любой инженер, собирающийся провести тепловой расчет теплообменника, прежде всего задумывается о том, чтобы выбрать эффективное оборудование в минимальных габаритах. И достичь этого удаётся именно за счет теплопроводности. Примером тому служат самые эффективные на сегодняшний день ТОА - пластинчатые теплообменники. Пластинчатый ТОА, согласно определению, - это теплообменный аппарат, передающий теплоту от одного теплоносителя другому через разделяющую их стенку. Максимально возможная площадь контакта между двумя средами в совокупности с верно подобранными материалами, профилем пластин и их толщиной позволяет минимизировать размеры выбираемого оборудования при сохранении исходных технических характеристик, необходимых в технологическом процессе.

Типы теплообменников

Прежде чем проводить расчет теплообменника, определяются с его типом. Все ТОА можно разделить на две большие группы: рекуперативные и регенеративные теплообменники. Основное отличие между ними заключается в следующем: в рекуперативных ТОА теплообмен происходит через разделяющую два теплоносителя стенку, а в регенеративных две среды имеют непосредственный контакт между собой, часто смешиваясь и требуя последующего разделения в специальных сепараторах. подразделяются на смесительные и на теплообменники с насадкой (стационарной, падающей или промежуточной). Грубо говоря, ведро с горячей водой, выставленное на мороз, или стакан с горячим чаем, поставленный остужаться в холодильник (никогда так не делайте!) - это и есть пример такого смесительного ТОА. А наливая чай в блюдце и остужая его таким образом, мы получаем пример регенеративного теплообменника с насадкой (блюдце в этом примере играет роль насадки), которая сначала контактирует с окружающим воздухом и принимает его температуру, а потом отбирает часть теплоты от налитого в него горячего чая, стремясь привести обе среды в режим теплового равновесия. Однако, как мы уже выяснили ранее, эффективнее использовать теплопроводность для передачи теплоты от одной среды к другой, поэтому более полезные в плане теплопередачи (и широко используемые) ТОА на сегодняшний день - конечно же, рекуперативные.

Тепловой и конструктивный расчет

Любой расчет рекуперативного теплообменника можно провести на основе результатов теплового, гидравлического и прочностного вычислений. Они являются основополагающими, обязательны при проектировании нового оборудования и ложатся в основу методики расчета последующих моделей линейки однотипных аппаратов. Главной задачей теплового расчета ТОА является определение необходимой площади теплообменной поверхности для устойчивой работы теплообменника и поддержания необходимых параметров сред на выходе. Довольно часто при таких расчетах инженеры задаются произвольными значениями массогабаритных характеристик будущего оборудования (материал, диаметр труб, размеры пластин, геометрия пучка, тип и материал оребрения и др.), поэтому после теплового обычно проводят конструктивный расчет теплообменника. Ведь если на первой стадии инженер посчитал необходимую площадь поверхности при заданном диаметре трубы, например, 60 мм, и длина теплообменника при этом получилась порядка шестидесяти метров, то логичнее предположить переход к многоходовому теплообменнику, либо к кожухотрубному типу, либо увеличить диаметр трубок.

Гидравлический расчет

Гидравлические или гидромеханические, а также аэродинамические расчеты проводят с целью определить и оптимизировать гидравлические (аэродинамические) потери давления в теплообменнике, а также подсчитать энергетические затраты на их преодоление. Расчет любого тракта, канала или трубы для прохода теплоносителя ставит перед человеком первостепенную задачу - интенсифицировать процесс теплообмена на данном участке. То есть одна среда должна передать, а другая получить как можно больше тепла на минимальном промежутке его течения. Для этого часто применяют дополнительную поверхность теплообмена, в виде развитого оребрения поверхности (для отрыва пограничного ламинарного подслоя и усиления турбулизации потока). Оптимальное балансовое соотношение гидравлических потерь, площади теплообменной поверхности, массогабаритных характеристик и снимаемой тепловой мощности является результатом совокупности теплового, гидравлического и конструктивного расчета ТОА.

Исследовательские расчеты

Исследовательские расчеты ТОА проводят на основе полученных результатов теплового и поверочного расчетов. Они необходимы, как правило, для внесения последних поправок в конструкцию проектируемого аппарата. Их также проводят с целью корректировки каких-либо уравнений, закладываемых в реализуемой расчетной модели ТОА, полученной эмпирическим путём (по экспериментальным данным). Выполнение исследовательских расчетов предполагает проведение десятков, а иногда и сотен вычислений по специальному плану, разработанному и внедрённому на производстве согласно математической теории планирования экспериментов. По результатам выявляют влияние различных условий и физических величин на показатели эффективности ТОА.

Другие расчеты

Выполняя расчет площади теплообменника, не стоит забывать и о сопротивлении материалов. Прочностные расчеты ТОА включают проверку проектируемого агрегата на напряжение, на кручение, на прикладывание максимально допустимых рабочих моментов к деталям и узлам будущего теплообменника. При минимальных габаритах изделие должно быть прочным, устойчивым и гарантировать безопасную работу в различных, даже самых напряженных условиях эксплуатации.

Динамический расчет проводится с целью определения различных характеристик теплообменного аппарата на переменных режимах его работы.

Типы конструкции теплообменников

Рекуперативные ТОА по конструкции можно разделить на достаточно большое количество групп. Самые известные и широко применяемые - это пластинчатые теплообменники, воздушные (трубчатые оребрённые), кожухотрубные, теплообменники "труба в трубе", кожухо-пластинчатые и другие. Существуют и более экзотические и узкоспециализированные типы, например, спиральные (теплообменник-улитка) или скребковые, которые работают с вязкими или а также многие другие типы.

Теплообменники «труба в трубе»

Рассмотрим самый простой расчет теплообменника «труба в трубе». Конструктивно данный тип ТОА максимально упрощен. Во внутреннюю трубу аппарата пускают, как правило, горячий теплоноситель, для минимизации потерь, а в кожух, или в наружную трубу, запускают охлаждающий теплоноситель. Задача инженера в этом случае сводится к определению длины такого теплообменника исходя из рассчитанной площади теплообменной поверхности и заданных диаметров.

Здесь стоит добавить, что в термодинамике вводится понятие идеального теплообменника, то есть аппарата бесконечной длины, где теплоносители работают в противотоке, и между ними полностью срабатывается температурный напор. Конструкция «труба в трубе» ближе всего удовлетворяет этим требованиям. И если запустить теплоносители в противотоке, то это будет так называемый «реальный противоток» (а не перекрёстный, как в пластинчатых ТОА). Температурный напор максимально эффективно срабатывается при такой организации движения. Однако выполняя расчет теплообменника «труба в трубе», следует быть реалистами и не забывать о логистической составляющей, а также об удобстве монтажа. Длина еврофуры - 13,5 метров, да и не все технические помещения приспособлены к заносу и монтажу оборудования такой длины.

Кожухотрубные теплообменники

Поэтому очень часто расчет такого аппарата плавно перетекает в расчет кожухотрубного теплообменника. Это аппарат, в котором пучок труб находится в едином корпусе (кожухе), омываемым различными теплоносителями, в зависимости от назначения оборудования. В конденсаторах, например, хладагент запускают в кожух, а воду - в трубки. При таком способе движения сред удобнее и эффективнее контролировать работу аппарата. В испарителях, наоборот, хладагент кипит в трубках, а они при этом омываются охлаждаемой жидкостью (водой, рассолами, гликолями и др.). Поэтому расчет кожухотрубного теплообменника сводится к минимизации габаритов оборудования. Играя при этом диаметром кожуха, диаметром и количеством внутренних труб и длиной аппарата, инженер выходит на расчетное значение площади теплообменной поверхности.

Воздушные теплообменники

Один из самых распространённых на сегодняшний день теплообменных аппаратов - это трубчатые оребрённые теплообменники. Их ещё называют змеевиками. Где их только не устанавливают, начиная от фанкойлов (от англ. fan + coil, т.е. "вентилятор" + "змеевик") во внутренних блоках сплит-систем и заканчивая гигантскими рекуператорами дымовых газов (отбор теплоты от горячего дымового газа и передача его на нужды отопления) в котельных установках на ТЭЦ. Вот почему расчет змеевикового теплообменника зависит от того применения, куда этот теплообменник пойдёт в эксплуатацию. Промышленные воздухоохладители (ВОПы), устанавливаемые в камерах шоковой заморозки мяса, в морозильных камерах низких температур и на других объектах пищевого холодоснабжения, требуют определённых конструктивных особенностей в своём исполнении. Расстояния между ламелями (оребрением) должно быть максимальным, для увеличения времени непрерывной работы между циклами оттайки. Испарители для ЦОДов (центров обработки данных), наоборот, делают как можно более компактными, зажимая межламельные расстояния до минимума. Такие теплообменники работают в «чистых зонах», окруженные фильтрами тонкой очистки (вплоть до класса HEPA), поэтому такой расчет проводят с упором на минимизацию габаритов.

Пластинчатые теплообменники

В настоящее время стабильным спросом пользуются пластинчатые теплообменники. По своему конструктивному исполнению они бывают полностью разборными и полусварными, меднопаяными и никельпаяными, сварными и спаянными диффузионным методом (без припоя). Тепловой расчет пластинчатого теплообменника достаточно гибок и не представляет особой сложности для инженера. В процессе подбора можно играть типом пластин, глубиной штамповки каналов, типом оребрения, толщиной стали, разными материалами, а самое главное - многочисленными типоразмерными моделями аппаратов разных габаритов. Такие теплообменники бывают низкими и широкими (для парового нагрева воды) или высокими и узкими (разделительные теплообменники для систем кондиционирования). Их часто используют и под среды с фазовым переходом, то есть в качестве конденсаторов, испарителей, пароохладителей, предконденсаторов и т. д. Выполнить тепловой расчет теплообменника, работающего по двухфазной схеме, немного сложнее, чем теплообменника типа «жидкость-жидкость», однако для опытного инженера эта задача разрешима и не представляет особой сложности. Для облегчения таких расчетов современные проектировщики используют инженерные компьютерные базы, где можно найти много нужной информации, в том числе диаграммы состояния любого хладагента в любой развёртке, например, программу CoolPack.

Пример расчета теплообменника

Основной целью проведения расчета является вычисление необходимой площади теплообменной поверхности. Тепловая (холодильная) мощность обычно задается в техзадании, однако в нашем примере мы рассчитаем и её, для, скажем так, проверки самого техзадания. Иногда бывает и так, что в исходные данные может закрасться ошибка. Одна из задач грамотного инженера - эту ошибку найти и исправить. В качестве примера выполним расчет пластинчатого теплообменника типа «жидкость - жидкость». Пусть это будет разделитель контуров (pressure breaker) в высотном здании. Для того чтобы разгрузить оборудование по давлению, при строительстве небоскрёбов очень часто применяется такой подход. С одной стороны теплообменника имеем воду с температурой входа Твх1 = 14 ᵒС и выхода Твых1 = 9 ᵒС, и с расходом G1 = 14 500 кг/ч, а с другой - тоже воду, но только вот с такими параметрами: Твх2 = 8 ᵒС, Твых2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 кг/ч.

Необходимую мощность (Q0) рассчитаем по формуле теплового баланса (см. рис. выше, формула 7.1), где Ср - удельная теплоёмкость (табличное значение). Для простоты расчетов возьмём приведённое значение теплоёмкости Срв = 4,187 [кДж/кг*ᵒС]. Считаем:

Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по первой стороне и

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по второй стороне.

Обратите внимание, что, согласно формуле (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от того, по какой стороне проведён расчет.

Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k - коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м 2 ]), а ΔТср.лог. - среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):

ΔТ ср.лог. = (2 - 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м 2 .

В случае когда коэффициент теплопередачи неизвестен, расчет пластинчатого теплообменника немного усложняется. По формуле (7.4) считаем критерий Рейнольдса, где ρ - плотность, [кг/м 3 ], η - динамическая вязкость, [Н*с/м 2 ], v - скорость среды в канале, [м/с], d см - смачиваемый диаметр канала [м].

По таблице ищем необходимое нам значение критерия Прандтля и по формуле (7.5) получаем критерий Нуссельта, где n = 0,4 - в условиях нагрева жидкости, и n = 0,3 - в условиях охлаждения жидкости.

Далее по формуле (7.6) вычисляется коэффициент теплоотдачи от каждого теплоносителя к стенке, а по формуле (7.7) считаем коэффициент теплопередачи, который и подставляем в формулу (7.2.1) для вычисления площади теплообменной поверхности.

В указанных формулах λ - коэффициент теплопроводности, ϭ - толщина стенки канала, α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи от каждого из теплоносителей стенке.

Собственное производство установок охлаждения жидкости (чиллеров) было организовано в 2006 году. Первые установки имели холодопроизводительность по 60кВт и собирались на базе пластинчатых теплообменников. По необходимости, оснащались гидромодулем.

Гидромодуль представляет собой теплоизолированный бак ёмкостью от 500 литров (в зависимости от мощности, так для установки холодопроизводительностью 50-60кВт ёмкость бака должна составлять 1,2-1,5 м3) разделённый перегородкой специальной формы на две ёмкости «тёплой» и «охлаждённой» воды. Насос внутреннего контура, забирая воду из «тёплого» отсека бака, подаёт её в пластинчатый теплообменник, где она, проходя в противотоке с фреоном, охлаждается. Охлаждённая вода поступает в другую часть бака. Производительность внутреннего насоса должна быть не меньше чем производительность насоса внешнего контура. Специальная форма перегородки позволяет регулировать объем перелива в широких пределах при небольшом изменении уровня воды.

При использовании в качестве теплоносителя воды, подобные установки позволяют охлаждать её до +5ºC ÷ +7ºС. Соответственно, при стандартном расчёте оборудования, температура входящей воды (идущей от потребителя) предполагается равной +10ºC ÷ +12ºС. Мощность установки рассчитывается исходя из необходимого расхода воды.

Наше оборудование комплектуется многоступенчатыми системами защиты. Прессостаты защищают компрессор от перегрузки. Ограничитель низкого давления не позволяет кипящему фреону понизить свою температуру ниже минус 2ºС, защищая пластинчатый теплообменник от возможного замерзания воды. Установленное реле протока выключит холодильный компрессор при возникновении воздушной пробки, при засоре трубопроводов, при обмерзании пластин. Регулятор давления всасывания поддерживает температуру кипения фреона +1ºС ±0,2ºС.

Подобные устройства были нами установлены для охлаждения раствора рассольных ванн для засолки сыра на сырзаводах, для быстрого охлаждения молока после пастеризации на молокозаводах, для плавного понижения температуры воды в бассейнах на заводах по производству (разведению и выращиванию) рыбы.

В случае необходимости понижения температуры теплоносителя от +5ºC ÷ +7ºС до отрицательных и около нулевых температур, вместо воды в качестве теплоносителя используется раствор пропиленгликоля. Также его используют, если температура окружающей среды опускается ниже -5ºС, либо при необходимости время от времени выключать насос внутреннего контура (контур: буферный бак - теплообменник холодильного агрегата).

При расчете оборудования мы обязательно учитываем изменения таких свойств теплоносителя как теплоемкость и поверхностный коэффициент теплопередачи. УСТАНОВКА РАСЧИТАНАЯ НА РАБОТУ С ВОДОЙ БУДЕТ РАБОТАТЬ НЕКОРРЕКТНО ПРИ ЗАМЕНЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА РАСТВОРЫ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ, ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЯ ИЛИ РАССОЛА. И НАОБОРОТ .

Установка охлаждения парафина, собранная по данной схеме, работает совместно с воздушной системой охлаждения теплоносителя в зимнее время, с автоматическим отключением холодильного компрессора.

Мы имеем опыт разработки и изготовления чиллеров для решения задачи охлаждения в течение короткого промежутка времени, но с высокой мощностью охлаждения. Например, цеху приёмки молока требуются установки со временем работы 2 часа/сутки для охлаждения за это время 20 т. молока от +25ºC ÷ +30ºС до +6ºC ÷ +8ºС. Это, так называемая, задача об импульсном охлаждении.

При постановке задачи об импульсном охлаждении продукции экономически целесообразно изготовить чиллер с аккумулятором холода. Стандартно подобные установки мы делаем следующим образом:

А) Изготавливается теплоизолированный бак с объёмом 125-150% от рассчитанной буферной ёмкости, заполняемый водой на 90%;

Б) Внутрь его помещается испаритель, изготовленный из гнутых медных трубопроводов, или металлических пластин с выфрезерованными внутри канавками;

Подавая фреон с температурой -17ºC ÷ -25ºС, обеспечиваем намерзание льда необходимой толщины. Пришедшая от потребителя вода охлаждается в результате таяния льда. Для увеличения скорости таяния применяется барботирование.

Такая система позволяет использовать холодильные агрегаты мощностью в 5÷10 раз меньше чем величина импульсной мощности холодильной нагрузки. При этом надо понимать, что температура воды в баке может существенно отличаться от 0ºС, так как скорость таяния льда в воде с температурой даже +5ºС очень невелика. Также, к недостаткам этой системы можно отнести большой вес и размеры бака с испарителем, что объясняется необходимостью обеспечения большой площади теплообмена на границе лёд/вода.

При необходимости использования в качестве теплоносителя воды с около нулевой температурой (0ºС÷+1ºС), без возможности применения вместо неё растворов пропиленгликоля, этиленгликоля или рассолов(например, не герметичность системы или требования САНПиНа), мы изготавливаем чиллеры с применением плёночных теплообменников.

При такой системе, приходящая от потребителя вода, проходя через специальную систему коллекторов и форсунок, равномерно омывает охлаждённые фреоном до минус 5ºС металлические пластины большой площади. Стекая вниз, часть воды намерзает на пластинах, образуя тонкую плёнку льда, остальная вода, стекая по этой плёнке, охлаждается до нужной температуры и собирается в расположенном под пластинами теплоизолированном баке, откуда и поступает потребителю.

Подобные системы имеют жёсткие требования к уровню запылённости помещения, где устанавливается бак с испарителем и, по понятным причинам, требуют более высокого уровня потолков. Они характеризуются самыми большими габаритами и стоимостью.

Наша фирма решит любую поставленную Вами задачу по охлаждению жидкости. Мы соберём (или подберём готовую) установку с оптимальным принципом работы и минимальной стоимостью, как самой установки, так и её эксплуатации.