Le calcul de l'échangeur de chaleur ne prend actuellement pas plus de cinq minutes. En règle générale, toute organisation qui fabrique et vend de tels équipements propose à chacun son propre programme de sélection. Il peut être téléchargé gratuitement à partir du site Web de l'entreprise, ou leur technicien viendra à votre bureau et l'installera gratuitement. Cependant, dans quelle mesure le résultat de tels calculs est-il correct, peut-on lui faire confiance et le fabricant n'est-il pas rusé lorsqu'il se bat dans un appel d'offres avec ses concurrents ? La vérification d'un calculateur électronique nécessite une connaissance ou au moins une compréhension de la méthodologie de calcul des échangeurs de chaleur modernes. Essayons de comprendre les détails.
Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur
Avant d'effectuer le calcul de l'échangeur de chaleur, rappelons-nous de quel type d'appareil il s'agit ? Un appareil de transfert de chaleur et de masse (alias échangeur de chaleur, alias échangeur de chaleur ou TOA) estun dispositif pour transférer la chaleur d'un fluide caloporteur à un autre. Lors du changement de température des caloporteurs, leurs densités et, par conséquent, les indicateurs de masse des substances changent également. C'est pourquoi de tels processus sont appelés transfert de chaleur et de masse.
Types de transfert de chaleur
Parlons maintenant des types de transfert de chaleur - il n'y en a que trois. Radiatif - transfert de chaleur dû au rayonnement. Par exemple, pensez à prendre un bain de soleil sur la plage par une chaude journée d'été. Et de tels échangeurs de chaleur peuvent même être trouvés sur le marché (aérothermes à tubes). Cependant, le plus souvent pour chauffer des locaux d'habitation, des pièces d'un appartement, on achète des radiateurs au fioul ou électriques. Ceci est un exemple d'un autre type de transfert de chaleur - la convection. La convection peut être naturelle, forcée (hotte, et il y a un échangeur dans le caisson) ou mécanique (avec un ventilateur par exemple). Ce dernier type est beaucoup plus efficace.
Cependant, le moyen le plus efficace de transférer de la chaleur est la conduction, ou, comme on l'appelle aussi, la conduction (de l'anglais. conduction - "conduction"). Tout ingénieur qui va effectuer un calcul thermique d'un échangeur de chaleur réfléchit tout d'abord à la manière de sélectionner un équipement efficace dans des dimensions minimales. Et il est possible d'y parvenir précisément grâce à la conductivité thermique. Un exemple de ceci est le TOA le plus efficace aujourd'hui - les échangeurs de chaleur à plaques. Un échangeur de chaleur à plaques, selon la définition, est un échangeur de chaleur qui transfère la chaleur d'un fluide caloporteur à un autre à travers une paroi les séparant. Maximumla zone de contact possible entre les deux supports, associée à des matériaux, un profil et une épaisseur de plaque correctement sélectionnés, permet de minimiser la taille de l'équipement sélectionné tout en conservant les caractéristiques techniques d'origine requises dans le processus technologique.
Types d'échangeurs de chaleur
Avant de calculer l'échangeur de chaleur, il est déterminé avec son type. Tous les TOA peuvent être divisés en deux grands groupes: les échangeurs de chaleur récupérateurs et régénératifs. La principale différence entre eux est la suivante: dans les TOA régénératifs, l'échange de chaleur se produit à travers une paroi séparant deux fluides caloporteurs, tandis que dans les régénératifs, deux fluides sont en contact direct l'un avec l'autre, se mélangeant souvent et nécessitant une séparation ultérieure dans des séparateurs spéciaux. Les échangeurs de chaleur régénératifs sont divisés en échangeurs de mélange et échangeurs de chaleur avec garnissage (stationnaire, tombant ou intermédiaire). En gros, un seau d'eau chaude, exposé au gel, ou un verre de thé chaud, mis à refroidir au réfrigérateur (ne faites jamais ça !) - c'est un exemple d'un tel TOA de mélange. Et en versant du thé dans une soucoupe et en le refroidissant de cette manière, nous obtenons un exemple d'échangeur de chaleur régénératif avec une buse (la soucoupe dans cet exemple joue le rôle d'une buse), qui entre d'abord en contact avec l'air ambiant et prend sa température, puis enlève une partie de la chaleur du thé chaud qui y est versé, en cherchant à amener les deux milieux à l'équilibre thermique. Cependant, comme nous l'avons déjà découvert plus tôt, il est plus efficace d'utiliser la conductivité thermique pour transférer la chaleur d'un milieu à un autre, doncLes TOA les plus utiles (et largement utilisés) pour le transfert de chaleur d'aujourd'hui sont, bien sûr, les régénératifs.
Conception thermique et structurelle
Tout calcul d'un échangeur de chaleur récupérateur peut être effectué sur la base des résultats des calculs thermiques, hydrauliques et de résistance. Ils sont fondamentaux, obligatoires dans la conception de nouveaux équipements et constituent la base de la méthodologie de calcul des modèles ultérieurs d'une gamme d'appareils similaires. La tâche principale du calcul thermique de TOA est de déterminer la surface requise de la surface d'échange de chaleur pour le fonctionnement stable de l'échangeur de chaleur et de maintenir les paramètres requis du média à la sortie. Très souvent, dans de tels calculs, les ingénieurs reçoivent des valeurs arbitraires des caractéristiques de poids et de taille du futur équipement (matériau, diamètre du tuyau, dimensions de la plaque, géométrie du faisceau, type et matériau des ailettes, etc.), par conséquent, après le calcul thermique, ils effectuent généralement un calcul constructif de l'échangeur de chaleur. Après tout, si à la première étape l'ingénieur calculait la surface requise pour un diamètre de tuyau donné, par exemple 60 mm, et que la longueur de l'échangeur de chaleur s'avérait être d'environ soixante mètres, il serait alors plus logique de supposer une transition à un échangeur de chaleur multi-passes, ou à un type multitubulaire, ou pour augmenter le diamètre des tubes.
Calcul hydraulique
Des calculs hydrauliques ou hydromécaniques, ainsi qu'aérodynamiques sont effectués afin de déterminer et d'optimiser l'hydrauliqueles pertes de pression (aérodynamiques) dans l'échangeur de chaleur, ainsi que calculer les coûts énergétiques pour les surmonter. Le calcul de tout chemin, canal ou tuyau pour le passage du liquide de refroidissement pose une tâche principale pour une personne - intensifier le processus de transfert de chaleur dans cette zone. C'est-à-dire qu'un milieu doit transférer et l'autre recevoir autant de chaleur que possible pendant la période minimale de son écoulement. Pour cela, une surface d'échange thermique supplémentaire est souvent utilisée, sous la forme d'une nervure de surface développée (pour séparer la sous-couche laminaire limite et favoriser la turbulence d'écoulement). Le rapport d'équilibre optimal entre les pertes hydrauliques, la surface d'échange de chaleur, les caractéristiques de poids et de taille et la puissance thermique retirée est le résultat d'une combinaison de calculs thermiques, hydrauliques et structurels de TOA.
Vérifier le calcul
Le calcul de vérification de l'échangeur de chaleur est effectué dans le cas où il est nécessaire de prévoir une marge en termes de puissance ou en termes de surface de la surface d'échange de chaleur. La surface est réservée pour diverses raisons et dans différentes situations: si cela est exigé par le cahier des charges, si le constructeur décide de faire une marge supplémentaire afin d'être sûr qu'un tel échangeur atteindra le régime et minimisera les erreurs de les calculs. Dans certains cas, une redondance est nécessaire pour arrondir les résultats des cotes constructives, tandis que dans d'autres (évaporateurs, économiseurs), une marge surfacique est spécialement introduite dans le calcul de la puissance de l'échangeur, pour contamination par l'huile de compresseur présente dans le circuit frigorifique. Et la mauvaise qualité de l'eaudoit être pris en compte. Après un certain temps de fonctionnement ininterrompu des échangeurs de chaleur, en particulier à des températures élevées, le tartre se dépose sur la surface d'échange de chaleur de l'appareil, réduisant le coefficient de transfert de chaleur et entraînant inévitablement une diminution parasite de l'évacuation de la chaleur. Par conséquent, un ingénieur compétent, lors du calcul d'un échangeur de chaleur eau-eau, accorde une attention particulière à la redondance supplémentaire de la surface d'échange de chaleur. Un calcul de vérification est également effectué afin de voir comment l'équipement sélectionné fonctionnera dans d'autres modes secondaires. Par exemple, dans les climatiseurs centraux (unités d'alimentation), les premier et deuxième radiateurs de chauffage, qui sont utilisés pendant la saison froide, sont souvent utilisés en été pour refroidir l'air entrant, fournissant de l'eau froide aux tubes de l'échangeur de chaleur à air. Comment ils fonctionneront et quels paramètres donneront, vous permet d'évaluer le calcul de vérification.
Calculs exploratoires
Les calculs de recherche de TOA sont effectués sur la base des résultats obtenus des calculs thermiques et de vérification. Ils sont nécessaires, en règle générale, pour apporter les dernières modifications à la conception de l'appareil conçu. Elles sont également réalisées afin de corriger d'éventuelles équations qui sont incorporées dans le modèle de calcul de TOA implémenté, obtenu empiriquement (d'après des données expérimentales). Effectuer des calculs de recherche implique des dizaines et parfois des centaines de calculs selon un plan spécial élaboré et mis en œuvre en production conformément auxthéorie mathématique des expériences de planification. Sur la base des résultats, l'influence de diverses conditions et grandeurs physiques sur les indicateurs d'efficacité TOA est révélée.
Autres calculs
Lors du calcul de la surface de l'échangeur de chaleur, n'oubliez pas la résistance des matériaux. Les calculs de résistance TOA incluent la vérification de l'unité conçue pour la contrainte, la torsion, pour appliquer les moments de travail maximaux admissibles aux pièces et assemblages du futur échangeur de chaleur. Avec des dimensions minimales, le produit doit être solide, stable et garantir un fonctionnement sûr dans diverses conditions de fonctionnement, même les plus exigeantes.
Un calcul dynamique est effectué afin de déterminer les différentes caractéristiques de l'échangeur de chaleur dans des modes de fonctionnement variables.
Types de conception d'échangeur de chaleur
De par sa conception, le TOA récupérateur peut être divisé en un assez grand nombre de groupes. Les plus connus et les plus utilisés sont les échangeurs de chaleur à plaques, à air (à ailettes tubulaires), à coque et à tube, à tube dans le tuyau, à coque et à plaque et autres. Il existe également des types plus exotiques et hautement spécialisés, tels que le type spiral (échangeur de chaleur à serpentin) ou le type gratté, qui fonctionnent avec des fluides visqueux ou non newtoniens, ainsi que de nombreux autres types.
Échangeurs de chaleur pipe-in-pipe
Considérons le calcul le plus simple de l'échangeur de chaleur "pipe in pipe". Structurellement, ce type de TOA est simplifié au maximum. En règle générale, ils laissent entrer dans le tube intérieur de l'appareilcaloporteur chaud, pour minimiser les pertes, et un caloporteur de refroidissement est lancé dans le carter, ou dans la conduite extérieure. La tâche de l'ingénieur dans ce cas est réduite à déterminer la longueur d'un tel échangeur de chaleur en fonction de la surface calculée de la surface d'échange de chaleur et des diamètres donnés.
Ici, il convient d'ajouter qu'en thermodynamique, le concept d'échangeur de chaleur idéal est introduit, c'est-à-dire un appareil de longueur infinie, où les caloporteurs fonctionnent à contre-courant, et la différence de température est complètement calculée entre eux. La conception pipe-in-pipe répond le mieux à ces exigences. Et si vous faites fonctionner les liquides de refroidissement à contre-courant, alors ce sera le soi-disant "vrai contre-courant" (et non croisé, comme dans les TOA à plaques). La tête de température est plus efficace avec une telle organisation du mouvement. Cependant, lors du calcul de l'échangeur de chaleur «tuyau dans tuyau», il faut être réaliste et ne pas oublier la composante logistique, ainsi que la facilité d'installation. La longueur de l'eurotruck est de 13,5 mètres, et tous les locaux techniques ne sont pas adaptés au débardage et à l'installation d'équipements de cette longueur.
Échangeurs de chaleur à calandre et tube
Par conséquent, très souvent, le calcul d'un tel appareil se transforme en douceur dans le calcul d'un échangeur de chaleur à calandre et tube. Il s'agit d'un appareil dans lequel un faisceau de tuyaux est situé dans un seul boîtier (boîtier), lavé par divers liquides de refroidissement, en fonction de la destination de l'équipement. Dans les condenseurs, par exemple, le réfrigérant coule dans la coque et l'eau coule dans les tubes. Avec cette méthode de mouvement des médias, il est plus pratique et plus efficace de contrôlerfonctionnement de l'appareil. Dans les évaporateurs, au contraire, le fluide frigorigène bout dans les tubes, alors qu'ils sont lavés par le liquide refroidi (eau, saumures, glycols, etc.). Par conséquent, le calcul d'un échangeur de chaleur à calandre est réduit à la minimisation des dimensions de l'équipement. En jouant avec le diamètre de la coque, le diamètre et le nombre de tuyaux internes et la longueur de l'appareil, l'ingénieur parvient à la valeur calculée de la surface d'échange thermique.
Échangeurs de chaleur à air
L'un des échangeurs de chaleur les plus courants aujourd'hui est les échangeurs de chaleur tubulaires à ailettes. Ils sont aussi appelés serpents. Là où ils ne sont pas seulement installés, en commençant par des ventilo-convecteurs (de l'anglais fan + coil, c'est-à-dire "fan" + "coil") dans les unités intérieures des systèmes split et en terminant par des récupérateurs de fumées géants (extraction de la chaleur des fumées chaudes et transmission pour les besoins de chauffage) dans les chaufferies de cogénération. C'est pourquoi le calcul d'un échangeur de chaleur à serpentin dépend de l'application où cet échangeur de chaleur sera mis en service. Les refroidisseurs d'air industriels (HOP) installés dans les chambres de congélation rapide de la viande, les congélateurs à basse température et d'autres installations de réfrigération alimentaire nécessitent certaines caractéristiques de conception dans leur conception. L'espacement entre les lamelles (ailettes) doit être aussi grand que possible afin d'augmenter le temps de fonctionnement continu entre les cycles de dégivrage. Les évaporateurs pour centres de données (centres de traitement de données), au contraire, sont rendus aussi compacts que possible en serrant l'interlamellairedistance minimale. De tels échangeurs de chaleur fonctionnent dans des "zones propres", entourées de filtres fins (jusqu'à la classe HEPA), par conséquent, un tel calcul d'un échangeur de chaleur tubulaire est effectué en mettant l'accent sur la minimisation des dimensions.
Échangeurs de chaleur à plaques
Actuellement, les échangeurs de chaleur à plaques sont en demande stable. Selon leur conception, ils sont entièrement démontables et semi-soudés, brasés au cuivre et brasés au nickel, soudés et brasés par diffusion (sans soudure). Le calcul thermique d'un échangeur à plaques est assez souple et ne présente pas de difficulté particulière pour un ingénieur. Dans le processus de sélection, vous pouvez jouer avec le type de plaques, la profondeur des canaux de forgeage, le type d'ailettes, l'épaisseur de l'acier, les différents matériaux et, surtout, de nombreux modèles d'appareils de taille standard de différentes tailles. Ces échangeurs de chaleur sont bas et larges (pour le chauffage de l'eau à la vapeur) ou hauts et étroits (échangeurs de chaleur séparés pour les systèmes de climatisation). Ils sont également souvent utilisés pour les fluides à changement de phase, c'est-à-dire comme condenseurs, évaporateurs, désurchauffeurs, précondenseurs, etc. Le calcul thermique d'un échangeur de chaleur à deux phases est légèrement plus compliqué qu'un échangeur de chaleur liquide-liquide, cependant, pour un ingénieur expérimenté, cette tâche est résoluble et ne présente pas de difficulté particulière. Pour faciliter ces calculs, les concepteurs modernes utilisent des bases de données informatiques d'ingénierie, où vous pouvez trouver de nombreuses informations nécessaires, y compris des diagrammes d'état de tout réfrigérant dans n'importe quel balayage, par exemple, un programmeCoolPack.
Exemple de calcul d'échangeur de chaleur
Le but principal du calcul est de calculer la surface requise de la surface d'échange de chaleur. La puissance thermique (réfrigération) est généralement spécifiée dans les termes de référence, cependant, dans notre exemple, nous la calculerons, pour ainsi dire, pour vérifier les termes de référence eux-mêmes. Parfois, il arrive aussi qu'une erreur puisse se glisser dans les données source. L'une des tâches d'un ingénieur compétent est de trouver et de corriger cette erreur. A titre d'exemple, calculons un échangeur à plaques de type "liquide-liquide". Que ce soit un brise-pression dans un grand bâtiment. Afin de décharger des équipements par pression, cette approche est très souvent utilisée dans la construction de gratte-ciel. D'un côté de l'échangeur de chaleur, nous avons de l'eau avec une température d'entrée Tin1=14 ᵒС et une température de sortie Тout1=9 ᵒС, et avec un débit G1=14 500 kg / h, et de l'autre - également de l'eau, mais seulement avec les paramètres suivants: Тin2=8 ᵒС, Тout2=12 ᵒС, G2=18 125 kg/h.
Nous calculons la puissance requise (Q0) à l'aide de la formule du bilan thermique (voir la figure ci-dessus, formule 7.1), où Ср est la capacité thermique spécifique (valeur du tableau). Pour simplifier les calculs, nous prenons la valeur réduite de la capacité calorifique Срв=4,187 [kJ/kgᵒС]. Comptage:
Q1=14 500(14 - 9)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - du premier côté et
Q2=18 125(12 - 8)4, 187=303557. 5 [kJ/h]=84321, 53 W=84. 3 kW - du deuxième côté
Notez que, selon la formule (7.1), Q0=Q1=Q2, quel que soitde quel côté le calcul a été effectué.
De plus, en utilisant l'équation principale de transfert de chaleur (7.2), nous trouvons la surface requise (7.2.1), où k est le coefficient de transfert de chaleur (pris égal à 6350 [W/m 2]), et ΔТav.log. - différence de température logarithmique moyenne, calculée selon la formule (7.3):
ΔT journal moyen.=(2 - 1) / ln (2 / 1)=1 / ln2=1 / 0, 6931=1, 4428;
F alors=84321 / 63501, 4428=9,2 m2.
Lorsque le coefficient de transfert de chaleur est inconnu, le calcul de l'échangeur de chaleur à plaques est un peu plus compliqué. Selon la formule (7.4), on calcule le critère de Reynolds, où ρ est la masse volumique, [kg/m3], η est la viscosité dynamique, [Ns/m 2], v est la vitesse du fluide dans le canal, [m/s], d cm est le diamètre mouillé du canal [m].
Selon le tableau, nous recherchons la valeur du critère de Prandtl [Pr] dont nous avons besoin et, en utilisant la formule (7.5), nous obtenons le critère de Nusselt, où n=0,4 - dans des conditions de chauffage du liquide, et n=0,3 - dans des conditions de refroidissement liquide.
Ensuite, en utilisant la formule (7.6), nous calculons le coefficient de transfert de chaleur de chaque liquide de refroidissement au mur, et en utilisant la formule (7.7), nous calculons le coefficient de transfert de chaleur, que nous remplaçons dans la formule (7.2.1) pour calculer l'aire de la surface d'échange de chaleur.
Dans les formules indiquées, λ est le coefficient de conductivité thermique, ϭ est l'épaisseur de la paroi du canal, α1 et α2 sont les coefficients de transfert de chaleur de chacun des caloporteurs vers la paroi.
