Cálculo de um trocador de calor de placas - como determinar os parâmetros corretos?

O cálculo do trocador de calor atualmente não leva mais do que cinco minutos. Qualquer organização que fabrica e vende tais equipamentos, via de regra, oferece a cada um seu próprio programa de seleção. Você pode baixá-lo gratuitamente no site da empresa ou o técnico irá até seu escritório e o instalará gratuitamente. Porém, quão correto é o resultado de tais cálculos, é possível confiar nele e o fabricante não é astuto ao brigar em um concurso com seus concorrentes? Verificar uma calculadora eletrônica requer conhecimento ou pelo menos uma compreensão da metodologia de cálculo para trocadores de calor modernos. Vamos tentar descobrir os detalhes.

O que é um trocador de calor

Antes de calcular o trocador de calor, vamos lembrar, que tipo de dispositivo é? Um aparelho de troca de calor e massa (também conhecido como trocador de calor, também conhecido como trocador de calor ou TOA) é um dispositivo para transferir calor de um transportador de calor para outro. No processo de mudança das temperaturas dos refrigerantes, suas densidades e, consequentemente, os indicadores de massa das substâncias também mudam. É por isso que tais processos são chamados de transferência de calor e massa.

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Olá! Um trocador de calor é um dispositivo no qual a troca de calor é realizada entre dois ou mais portadores de calor ou entre portadores de calor e sólidos (bocal, parede). O papel do refrigerante também pode ser desempenhado pelo ambiente ao redor do aparelho. De acordo com sua finalidade e design, os trocadores de calor podem ser muito diferentes, desde os mais simples (radiador) até os mais avançados (unidade de caldeira). De acordo com o princípio de funcionamento, os trocadores de calor são divididos em recuperativos, regenerativos e misturadores.

Os dispositivos recuperativos são chamados de dispositivos nos quais os portadores de calor quente e frio fluem simultaneamente, separados por uma parede sólida. Esses dispositivos incluem aquecedores, unidades de caldeira, condensadores, evaporadores, etc.

Os aparelhos nos quais a mesma superfície de aquecimento é lavada alternadamente por líquido quente e frio são chamados de regenerativos. Nesse caso, o calor acumulado pelas paredes do aparelho durante sua interação com o líquido quente é liberado para o líquido frio. Um exemplo de aparelhos regenerativos são aquecedores de ar de sola aberta e altos-fornos, fornos de aquecimento, etc. Em regeneradores, a troca de calor sempre ocorre em condições não estacionárias, enquanto os aparelhos recuperativos operam principalmente em um modo estacionário.

Os dispositivos recuperativos e regenerativos também são chamados de superfície, uma vez que o processo de transferência de calor neles está inevitavelmente associado à superfície de um sólido.

Os misturadores são dispositivos nos quais a transferência de calor é realizada pela mistura direta de líquidos quentes e frios.

O movimento mútuo de transportadores de calor em trocadores de calor pode ser diferente (Fig. 1.).

Em função disso, é feita uma distinção entre dispositivos com fluxo direto, contra fluxo, fluxo cruzado e com direção de movimento complexa de portadores de calor (corrente mista). Se os refrigerantes fluem em paralelo em uma direção, esse padrão de movimento é chamado de fluxo direto (Fig. 1.). Com o contrafluxo, os refrigerantes se movem em paralelo, mas em direção um ao outro. Se as direções de movimento dos fluidos se cruzam, o padrão de movimento é chamado de fluxo cruzado. Além dos esquemas nomeados, outros mais complexos também são usados na prática: fluxo direto e contrafluxo simultâneos, corrente cruzada múltipla, etc.

Dependendo da finalidade tecnológica e características do projeto, os trocadores de calor são subdivididos em aquecedores de água, condensadores, unidades de caldeira, evaporadores, etc. Mas o comum é que todos eles servem para transferir calor de um portador de calor para outro, portanto, as disposições básicas de cálculo térmico são os mesmos para eles. ... A diferença só pode ser o objetivo final do acordo. Ao projetar um novo trocador de calor, a tarefa de cálculo é determinar a superfície de aquecimento; no cálculo térmico de verificação do trocador de calor existente, é necessário encontrar a quantidade de calor transferida e as temperaturas finais dos fluidos de trabalho.

O cálculo de calor em ambos os casos é baseado nas equações de balanço de calor e na equação de transferência de calor.

A equação de equilíbrio de calor do trocador de calor tem a forma:

onde M é a vazão mássica do refrigerante, kg / s; cpm - capacidade térmica média isobárica da massa específica do refrigerante, J / (kg * ° С).

Daqui em diante, o subscrito "1" denota os valores relacionados com o líquido quente (portador de calor primário), e o subscrito "2" - para o líquido frio (portador de calor secundário); a linha corresponde à temperatura do líquido na entrada do aparelho, e duas linhas - na saída.

Ao calcular trocadores de calor, o conceito de capacidade total de calor da taxa de fluxo de massa do transportador de calor (equivalente água) é frequentemente usado, igual a C = Mav W / ° C. Da expressão (1) segue que

ou seja, a razão das mudanças de temperatura de fluidos de transferência de calor monofásicos é inversamente proporcional à razão de suas capacidades de consumo total de calor (equivalentes de água).

A equação de transferência de calor é escrita da seguinte forma: Q = k * F * (t1 - t2), onde t1, t2 são as temperaturas dos portadores de calor primário e secundário; F é a área da superfície de transferência de calor.

Durante a troca de calor, na maioria dos casos, as temperaturas de ambos os portadores de calor mudam e, portanto, a cabeça de temperatura Δt = t1 - t2 muda. O coeficiente de transferência de calor sobre a superfície de troca de calor também terá um valor variável, portanto, os valores médios da diferença de temperatura Δtav e do coeficiente de transferência de calor kcp devem ser substituídos na equação de transferência de calor, ou seja,

Q = kсp * F * Δtcp (3)

A área de troca de calor F é calculada pela fórmula (3), enquanto o desempenho térmico Q é especificado. Para resolver o problema, é necessário calcular a média do coeficiente de transferência de calor em toda a superfície kсp e a carga de temperatura Δtav.

Ao calcular a diferença média de temperatura, é necessário levar em consideração a natureza da mudança nas temperaturas dos portadores de calor ao longo da superfície de troca de calor. Sabe-se da teoria da condutividade térmica que em uma placa ou haste cilíndrica, na presença de diferença de temperatura nas extremidades (as superfícies laterais são isoladas), a distribuição da temperatura ao longo do comprimento é linear. Se a troca de calor ocorre na superfície lateral ou o sistema possui fontes internas de calor, então a distribuição da temperatura é curvilínea. Com uma distribuição uniforme das fontes de calor, a mudança na temperatura ao longo do comprimento será parabólica.

Assim, em trocadores de calor, a natureza da mudança nas temperaturas dos portadores de calor difere da linear e é determinada pelas capacidades de calor totais C1 e C2 das taxas de fluxo de massa dos portadores de calor e a direção de seu movimento mútuo (Figura 2).

Pode-se ver nos gráficos que a mudança de temperatura ao longo da superfície F não é a mesma. De acordo com a equação (2), quanto maior será a mudança de temperatura para o transportador de calor com menor capacidade de calor da taxa de fluxo de massa. Se os refrigerantes são os mesmos, por exemplo, em um trocador de calor água-água, então a natureza da mudança nas temperaturas dos refrigerantes será inteiramente determinada por suas taxas de fluxo, e em uma taxa de fluxo mais baixa, a temperatura a mudança será grande.Com fluxo de co-corrente, a temperatura final t "2 do meio aquecido é sempre menor do que a temperatura t" 1 do meio de aquecimento na saída do aparelho, e com contrafluxo, a temperatura final t "2 pode ser maior do que a temperatura t "1 (ver para contrafluxo o caso quando C1> C2). Consequentemente, na mesma temperatura inicial, o meio a ser aquecido com fluxo em contracorrente pode ser aquecido a uma temperatura mais alta do que com fluxo em co-corrente.

Com o fluxo de co-corrente, a cabeça de temperatura ao longo da superfície de aquecimento muda em maior extensão do que com o contrafluxo. Ao mesmo tempo, o seu valor médio neste último caso é maior, pelo que a superfície de aquecimento do aparelho com contrafluxo será menor. Assim, em igualdade de condições, neste caso, mais calor será transferido. Com base nisso, deve-se dar preferência aos dispositivos com contrafluxo.

Como resultado de um estudo analítico de um trocador de calor operando de acordo com o esquema de fluxo direto, foi descoberto que a cabeça de temperatura ao longo da superfície de troca de calor muda exponencialmente, então a cabeça de temperatura média pode ser calculada pela fórmula:

onde Δtb é a grande diferença de temperatura entre o transportador de calor quente e frio (de uma extremidade do trocador de calor); Δtm - menor diferença de temperatura (da outra extremidade do trocador de calor).

Com um fluxo direto, Δtb = t'1 - t'2 e Δtm = t "1 - t" 2 (Fig. 2.). Esta fórmula também é válida para o contrafluxo com a única diferença que para o caso quando C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 e Δtm = t'1 - t "2.

A diferença média de temperatura entre dois meios, calculada pela fórmula (4), é chamada de logarítmico médio. cabeça de temperatura. A forma da expressão é devido à natureza da mudança de temperatura ao longo da superfície de aquecimento (dependência curvilínea). Se a dependência for linear, a cabeça de temperatura deve ser determinada como uma média aritmética (Fig. 3.). O valor da média aritmética principal Δtа.av é sempre maior do que a média logarítmica Δtl.av. No entanto, nos casos em que a cabeça de temperatura ao longo do comprimento do trocador de calor muda insignificantemente, isto é, a condição Δtb / Δtm <2 é satisfeita, a diferença de temperatura média pode ser calculada como uma média aritmética:

O cálculo da média da diferença de temperatura para dispositivos com correntes cruzadas e mistas distingue-se pela complexidade dos cálculos, portanto, para vários dos esquemas mais comuns, os resultados das soluções são geralmente apresentados na forma de gráficos. Isp. Literatura: 1) Fundamentos de engenharia de energia térmica, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, ed. 2ª, "Higher school", 1976. 3) Heat engineering, ed. 2, sob a redação geral de. IN Sushkina, Moscou "Metalurgia", 1973.

Tipos de transferência de calor

Agora vamos falar sobre os tipos de transferência de calor - existem apenas três deles. Radiação - a transferência de calor por meio da radiação. Por exemplo, você pode pensar em tomar sol na praia em um dia quente de verão. E esses trocadores de calor podem até ser encontrados no mercado (aquecedores de ar para lâmpadas). No entanto, na maioria das vezes, para aquecer aposentos, quartos de um apartamento, compramos radiadores a óleo ou elétricos. Este é um exemplo de outro tipo de transferência de calor - convecção. A convecção pode ser natural, forçada (exaustor e há recuperador na caixa) ou induzida mecanicamente (com ventilador, por exemplo). O último tipo é muito mais eficiente.

No entanto, a forma mais eficiente de transferência de calor é a condutividade térmica, ou, como também é chamada, condução (do inglês condução - "condução"). Qualquer engenheiro que vai realizar um cálculo térmico de um trocador de calor, em primeiro lugar, pensa em escolher equipamentos eficientes nas menores dimensões possíveis. E isso é conseguido precisamente devido à condutividade térmica. Um exemplo disso é o TOA mais eficiente da atualidade - trocadores de calor a placas. A placa TOA, por definição, é um trocador de calor que transfere calor de um refrigerante para outro através da parede que os separa. A máxima área de contato possível entre dois meios, juntamente com os materiais corretamente selecionados, o perfil das placas e sua espessura, permite minimizar o tamanho do equipamento selecionado, mantendo as características técnicas originais exigidas no processo tecnológico.

Tipos de trocador de calor

Antes de calcular o trocador de calor, eles são determinados com seu tipo. Todos os TOA podem ser divididos em dois grandes grupos: trocadores de calor recuperativos e regenerativos. A principal diferença entre eles é a seguinte: no TOA recuperativo, a troca de calor ocorre através de uma parede que separa dois refrigerantes, e no TOA regenerativo, os dois meios têm contato direto um com o outro, muitas vezes se misturando e exigindo posterior separação em separadores especiais. Os trocadores de calor regenerativos são divididos em trocadores de calor e de mistura com empacotamento (estacionário, descendente ou intermediário). Grosso modo, um balde de água quente exposto à geada ou um copo de chá quente colocado na geladeira para esfriar (nunca faça isso!) É um exemplo de tal mistura de TOA. E ao colocar o chá em um pires e resfriá-lo desta forma, temos um exemplo de um trocador de calor regenerativo com um bico (o pires neste exemplo desempenha o papel de um bico), que primeiro entra em contato com o ar ambiente e mede sua temperatura e, em seguida, retira um pouco do calor do chá quente derramado nele, buscando colocar os dois meios em equilíbrio térmico. No entanto, como já descobrimos anteriormente, é mais eficiente usar a condutividade térmica para transferir calor de um meio para outro, portanto, TOA que são mais úteis em termos de transferência de calor (e amplamente utilizados) hoje são, é claro, recuperativo.

Determinação da quantidade de calor

A equação de transferência de calor usada para unidades de tempo e processos em estado estacionário é a seguinte:

Q = KFtcp (W)

Nesta equação:

K é o valor do coeficiente de transferência de calor (expresso em W / (m2 / K));
tav - a diferença média nos indicadores de temperatura entre diferentes portadores de calor (o valor pode ser dado em graus Celsius (0С) e em Kelvin (K));
F é o valor da área da superfície para a qual ocorre a transferência de calor (o valor é dado em m2).

A equação permite descrever o processo durante o qual o calor é transferido entre os portadores de calor (de quente para frio). A equação leva em consideração:

transferência de calor do refrigerante (quente) para a parede;
parâmetros de condutividade térmica da parede;
transferência de calor da parede para o refrigerante (frio).

Cálculo térmico e estrutural

Qualquer cálculo de um trocador de calor recuperativo pode ser feito com base nos resultados de cálculos térmicos, hidráulicos e de resistência. Eles são fundamentais, obrigatórios no projeto de novos equipamentos e formam a base do método de cálculo para os modelos posteriores da linha do mesmo tipo de aparelho. A principal tarefa do cálculo térmico de TOA é determinar a área necessária da superfície de troca de calor para operação estável do trocador de calor e manutenção dos parâmetros necessários do meio na saída. Muitas vezes, em tais cálculos, os engenheiros recebem valores arbitrários das características de massa e tamanho do futuro equipamento (material, diâmetro do tubo, tamanhos das placas, geometria do feixe, tipo e material da aleta, etc.), portanto, após o térmico, normalmente é realizado um cálculo construtivo do trocador de calor. De fato, se no primeiro estágio o engenheiro calculou a área de superfície necessária para um determinado diâmetro de tubo, por exemplo, 60 mm, e o comprimento do trocador de calor acabou sendo cerca de sessenta metros, então é mais lógico assumir um transição para um trocador de calor de múltiplas passagens, ou para um tipo de casca e tubo, ou para aumentar o diâmetro dos tubos.

Mecanismos de transferência de calor no cálculo de trocadores de calor

Os três principais tipos de transferência de calor são convecção, condução de calor e radiação.

Nos processos de troca de calor que seguem os princípios do mecanismo de condução de calor, a energia térmica é transferida na forma de transferência de energia de vibrações elásticas atômicas e moleculares. A transferência dessa energia entre diferentes átomos está no sentido de diminuir.

O cálculo das características de transferência de energia térmica de acordo com o princípio da condutividade térmica é realizado de acordo com a lei de Fourier.

Os dados de área de superfície, condutividade térmica, gradiente de temperatura e período de fluxo são usados para calcular a quantidade de energia térmica.O conceito de gradiente de temperatura é definido como a mudança na temperatura na direção da transferência de calor por uma ou outra unidade de comprimento.

A condutividade térmica é a taxa do processo de troca de calor, ou seja, a quantidade de energia térmica que passa por qualquer unidade de superfície por unidade de tempo.

Como você sabe, os metais são caracterizados pelo maior coeficiente de condutividade térmica em relação a outros materiais, o que deve ser levado em consideração em qualquer cálculo de processos de troca de calor. Quanto aos líquidos, eles, via de regra, apresentam um coeficiente de condutividade térmica relativamente inferior em relação aos corpos em estado sólido de agregação.

É possível calcular a quantidade de energia térmica transferida para o cálculo dos trocadores de calor, nos quais a energia térmica é transferida entre diferentes meios através da parede, usando a equação de Fourier. É definido como a quantidade de energia térmica que passa por um plano que se caracteriza por uma espessura muito pequena:

Depois de realizar algumas operações matemáticas, obtemos a seguinte fórmula

Pode-se concluir que a queda de temperatura no interior da parede é realizada de acordo com a lei da linha reta.

Cálculo hidráulico

Cálculos hidráulicos ou hidromecânicos, bem como aerodinâmicos são realizados para determinar e otimizar as perdas de pressão hidráulica (aerodinâmica) no trocador de calor, bem como calcular os custos de energia para superá-las. O cálculo de qualquer caminho, canal ou tubo para a passagem do refrigerante representa uma tarefa primária para uma pessoa - intensificar o processo de transferência de calor nesta área. Ou seja, um meio deve se transferir e o outro deve receber o máximo de calor possível no intervalo mínimo de seu fluxo. Para isso, uma superfície de troca de calor adicional é frequentemente usada, na forma de uma nervura de superfície desenvolvida (para separar a subcamada laminar de limite e aumentar a turbulização do fluxo). A relação de equilíbrio ideal de perdas hidráulicas, área de superfície de troca de calor, características de peso e tamanho e energia térmica removida é o resultado de uma combinação de cálculo térmico, hidráulico e construtivo de TOA.

Cálculo de verificação

O cálculo do trocador de calor é realizado no caso em que é necessário estabelecer uma margem para a potência ou para a área da superfície de troca de calor. A superfície é reservada por vários motivos e em diferentes situações: se isso for necessário de acordo com os termos de referência, se o fabricante decidir adicionar uma margem adicional para ter certeza de que tal trocador de calor entrará em operação, e para minimizar erros cometidos nos cálculos. Em alguns casos, a redundância é necessária para arredondar os resultados das dimensões do projeto, em outros (evaporadores, economizadores), uma margem de superfície é especialmente introduzida no cálculo da capacidade do trocador de calor de contaminação com óleo de compressor presente no circuito de refrigeração. E a baixa qualidade da água deve ser levada em consideração. Após algum tempo de operação ininterrupta dos trocadores de calor, especialmente em altas temperaturas, incrustações se depositam na superfície de troca de calor do aparelho, reduzindo o coeficiente de transferência de calor e inevitavelmente levando a uma diminuição parasitária na remoção de calor. Portanto, um engenheiro competente, ao calcular o trocador de calor água-água, presta atenção especial à redundância adicional da superfície de troca de calor. O cálculo de verificação também é realizado a fim de ver como o equipamento selecionado funcionará em outros modos secundários. Por exemplo, em condicionadores de ar centrais (unidades de fornecimento de ar), o primeiro e o segundo aquecedores, usados na estação fria, são frequentemente usados no verão para resfriar o ar que entra, fornecendo água fria aos tubos do trocador de calor de ar.Como eles funcionarão e quais parâmetros eles fornecerão permite que você avalie o cálculo de verificação.

Dispositivo e princípio de operação

Equipamentos de troca de calor no mercado moderno são apresentados em uma ampla variedade.

Todo o sortimento disponível de produtos dessa linha pode ser dividido em dois tipos, tais como:

agregados de placa;
dispositivos de concha e tubo.

Esta última variedade, devido ao seu baixo índice de eficiência, bem como ao seu grande tamanho, quase não é vendida no mercado hoje. O trocador de calor de placas consiste em placas corrugadas idênticas que são fixadas a uma estrutura de metal resistente. Os elementos estão localizados em uma imagem espelhada entre si, e entre eles há vedações de aço e borracha. A área útil de troca de calor depende diretamente do tamanho e do número de placas.

Os dispositivos de placa podem ser divididos em duas subespécies com base na configuração, como:

unidades brasadas;
trocadores de calor vedados.

Os dispositivos dobráveis diferem dos produtos de um tipo de montagem soldada em que, assim que necessário, o dispositivo pode ser atualizado e ajustado às necessidades pessoais, por exemplo, adicionar ou remover um determinado número de placas. Os trocadores de calor com gaxetas são procurados em áreas onde a água dura é usada para necessidades domésticas, devido às características das quais a bebida e vários contaminantes se acumulam nos elementos da unidade. Essas neoplasias afetam negativamente a eficiência do dispositivo, portanto, precisam ser limpas regularmente e, graças à sua configuração, isso sempre é possível.

Os dispositivos não desmontáveis são diferenciados pelos seguintes recursos:

alto nível de resistência a flutuações de alta pressão e temperatura;
longa vida útil;
peso leve.

Os conjuntos brasados são limpos sem desmontar toda a estrutura.

Com base no cálculo do tipo e opção de instalação da unidade, dois tipos de trocadores de calor para água quente de aquecimento devem ser distinguidos.

Os trocadores de calor internos estão localizados nos próprios dispositivos de aquecimento - fornos, caldeiras e outros. Uma instalação deste tipo permite obter a máxima eficiência durante o funcionamento dos produtos, uma vez que a perda de calor para aquecimento da caixa será mínima. Via de regra, tais dispositivos já estão embutidos na caldeira na fase de fabricação das caldeiras. Isso facilita muito a instalação e o comissionamento, pois você só precisa ajustar o modo de operação necessário do trocador de calor.

Os trocadores de calor externos devem ser conectados separadamente da fonte de calor. Esses dispositivos são relevantes para uso em casos em que a operação do dispositivo depende de uma fonte de aquecimento remota. Casas com aquecimento centralizado são um exemplo. Nesta modalidade, a unidade doméstica que aquece a água atua como um dispositivo externo.

Considerando o tipo de material com o qual são feitas as divisórias, vale destacar os seguintes modelos:

trocadores de calor de aço;
dispositivos em ferro fundido.

Além disso, os sistemas de brasagem de cobre se destacam. Eles são usados para aquecimento urbano em edifícios de apartamentos.

As seguintes características devem ser consideradas as características dos equipamentos de ferro fundido:

a matéria-prima esfria lentamente, o que economiza no funcionamento de todo o sistema de aquecimento;
o material tem alta condutividade térmica, todos os produtos de ferro fundido têm propriedades inerentes nas quais se aquece muito rapidamente e emite calor para outros elementos;
a matéria-prima é resistente à formação de incrustações na base, além disso, é mais resistente à corrosão;
instalando seções adicionais, você pode aumentar a potência e a funcionalidade da unidade como um todo;
os produtos desse material podem ser transportados em partes, dividindo-os em seções, o que facilita o processo de entrega, bem como a instalação e manutenção do trocador de calor.

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Como qualquer outro produto, esse dispositivo dependente tem as seguintes desvantagens:

o ferro fundido é notável por sua baixa resistência a oscilações bruscas de temperatura, tais fenômenos podem ser carregados com a formação de trincas no dispositivo, o que afetará negativamente o desempenho do trocador de calor;
mesmo tendo grandes dimensões, as unidades de ferro fundido são muito frágeis, portanto danos mecânicos, principalmente durante o transporte de produtos, podem danificá-las gravemente;
o material está sujeito à corrosão a seco;
a grande massa e dimensões do dispositivo às vezes complicam o desenvolvimento e a instalação do sistema.

Os trocadores de calor de aço para fornecimento de água quente são notáveis pelas seguintes vantagens:

alta condutividade térmica;
pequena massa de produtos. O aço não torna o sistema mais pesado, portanto tais dispositivos são a melhor opção quando é necessário um trocador de calor, cuja função é atender uma grande área;
unidades de aço são resistentes a tensões mecânicas;
o trocador de calor de aço não reage às flutuações de temperatura dentro da estrutura;
o material possui boas características de elasticidade, porém, o contato prolongado com um meio altamente aquecido ou resfriado pode levar à formação de trincas na área das soldas.

As desvantagens dos dispositivos incluem os seguintes recursos:

suscetibilidade à corrosão eletroquímica. Portanto, com o contato constante com um ambiente agressivo, a vida útil do dispositivo será reduzida significativamente;
os dispositivos não têm a capacidade de aumentar a eficiência do trabalho;
a unidade de aço perde calor muito rapidamente, o que aumenta o consumo de combustível para a operação produtiva;
baixo nível de manutenção. É quase impossível consertar o dispositivo com suas próprias mãos;
a montagem final do trocador de calor em aço é realizada nas condições da oficina onde foi fabricado. As unidades são blocos monolíticos de grande porte, pelo que existem dificuldades na sua entrega.

Alguns fabricantes, com o objetivo de aumentar a qualidade dos trocadores de calor em aço, cobrem suas paredes internas com ferro fundido, aumentando assim a confiabilidade da estrutura.

Os trocadores de calor modernos são unidades cuja operação é baseada em princípios diferentes:

irrigação;
submersível;
brasado;
superficial;
dobrável;
lamelar com nervuras;
mistura;
casco e tubo e outros.

Mas os trocadores de calor a placas para fornecimento de água quente e aquecimento diferem favoravelmente de vários outros. Estes são aquecedores de fluxo contínuo. As instalações são uma série de placas, entre as quais se formam dois canais: quente e frio. Eles são separados por uma gaxeta de aço e borracha, de forma que a mistura da mídia é eliminada.

As placas são montadas em um bloco. Este fator determina a funcionalidade do dispositivo. As placas são idênticas em tamanho, mas localizadas em um giro de 180 graus, razão pela qual se formam as cavidades pelas quais os líquidos são transportados. É assim que a alternância dos canais frio e quente é formada e um processo de troca de calor é formado.

A recirculação neste tipo de equipamento é intensa. As condições de utilização do permutador de calor para sistemas de abastecimento de água quente dependem do material das juntas, do número de placas, do seu tamanho e tipo. As instalações de preparação de água quente estão equipadas com dois circuitos: um para AQS e outro para aquecimento ambiente. As máquinas de chapas são seguras, produtivas e utilizadas nas seguintes áreas:

preparação de um transportador de calor em sistemas de abastecimento de água quente, ventilação e aquecimento;
resfriamento de produtos alimentícios e óleos industriais;
abastecimento de água quente para chuveiros nas empresas;
para a preparação do portador de calor em sistemas de piso radiante;
para a preparação de um portador de calor nas indústrias alimentar, química e farmacêutica;
aquecimento da água da piscina e outros processos de troca de calor.

Cálculos de pesquisa

Os cálculos de pesquisa de TOA são realizados com base nos resultados obtidos de cálculos térmicos e de verificação. Como regra, eles são necessários para fazer as últimas alterações no design do aparelho projetado. Também são realizados com o objetivo de corrigir eventuais equações previstas no modelo de cálculo TOA implementado, obtido empiricamente (de acordo com dados experimentais). A execução de cálculos de pesquisa envolve dezenas, e às vezes centenas de cálculos de acordo com um plano especial desenvolvido e implementado na produção de acordo com a teoria matemática do planejamento de experimentos. De acordo com os resultados, é revelada a influência de várias condições e grandezas físicas nos indicadores de desempenho do TOA.

Outros cálculos

Ao calcular a área do trocador de calor, não se esqueça da resistência dos materiais. Os cálculos de resistência TOA incluem a verificação da unidade projetada para tensão, torção, para aplicar os momentos de operação máximos permitidos às peças e conjuntos do futuro trocador de calor. Com dimensões mínimas, o produto deve ser durável, estável e garantir uma operação segura nas mais diversas condições de operação, mesmo nas mais estressantes.

O cálculo dinâmico é realizado para determinar as várias características do trocador de calor em vários modos de operação.

Trocadores de calor tubo-em-tubo

Vamos considerar o cálculo mais simples de um trocador de calor pipe-in-pipe. Estruturalmente, este tipo de TOA é simplificado tanto quanto possível. Como regra, um refrigerante quente é deixado no tubo interno do aparelho para minimizar as perdas, e um refrigerante de refrigeração é lançado no invólucro ou no tubo externo. A tarefa do engenheiro, neste caso, é reduzida para determinar o comprimento de tal trocador de calor com base na área calculada da superfície de troca de calor e diâmetros dados.

Deve-se acrescentar aqui que o conceito de trocador de calor ideal é introduzido na termodinâmica, ou seja, um aparelho de comprimento infinito, onde os refrigerantes trabalham em contrafluxo, e a diferença de temperatura é totalmente acionada entre eles. O projeto tubo-em-tubo é o que mais se aproxima de atender a esses requisitos. E se você operar os refrigerantes em um contrafluxo, então será o chamado "contrafluxo real" (e não contrafluxo, como na placa TOA). O cabeçote de temperatura é acionado de forma mais eficiente com essa organização de movimento. Porém, no cálculo de um trocador de calor pipe-in-pipe, deve-se ser realista e não se esquecer do componente logístico, bem como da facilidade de instalação. O comprimento do eurotruck é de 13,5 metros, sendo que nem todas as salas técnicas estão adaptadas ao arraste e instalação de equipamentos deste comprimento.

Como calcular o trocador de calor

É imprescindível calcular o trocador de calor da bobina, caso contrário sua potência térmica pode não ser suficiente para aquecer o ambiente. O sistema de aquecimento é projetado para compensar a perda de calor. Consequentemente, só podemos descobrir a quantidade exata de energia térmica necessária com base na perda de calor do edifício. É muito difícil fazer um cálculo, pois, em média, eles ocupam 100 W por 1 metro quadrado com um pé-direito de 2,7 m.

Deve haver um espaço entre as curvas.

Além disso, os seguintes valores são necessários para o cálculo:

Pi;
o diâmetro do tubo disponível (pegue 10 mm);
condutividade térmica lambda do metal (para cobre 401 W / m * K);
o delta da temperatura de alimentação e retorno do refrigerante (20 graus).

Para determinar o comprimento do tubo, você precisa dividir a potência térmica total em W pelo produto dos fatores acima.Vamos considerar o uso do exemplo de um trocador de calor de cobre com uma potência térmica necessária de 3 kW - isso é 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (condutividade térmica lambda) * 20 (temperatura delta) * 0,01 (diâmetro do tubo em metros)

A partir desse cálculo, verifica-se que você precisa de 11,91 m de tubo de cobre com um diâmetro de 10 mm para que a saída de calor da bobina seja de 3 kW.

Trocadores de calor de casco e tubo

Portanto, muitas vezes o cálculo de tal aparelho flui suavemente para o cálculo de um trocador de calor de casco e tubo. Trata-se de um aparelho no qual um feixe de tubos fica alojado em um único invólucro (invólucro), lavado por diversos refrigerantes, dependendo da finalidade do equipamento. Em condensadores, por exemplo, o refrigerante é conduzido para a camisa e a água para os tubos. Com este método de movimentação de mídia, é mais conveniente e mais eficaz controlar a operação do aparelho. Nos evaporadores, ao contrário, o refrigerante ferve nos tubos, e ao mesmo tempo são lavados pelo líquido resfriado (água, salmouras, glicóis, etc.). Portanto, o cálculo de um trocador de calor casco e tubo é reduzido para minimizar o tamanho do equipamento. Enquanto brinca com o diâmetro do invólucro, o diâmetro e o número de tubos internos e o comprimento do aparelho, o engenheiro atinge o valor calculado da área da superfície de troca de calor.

Trocadores de calor de ar

Um dos trocadores de calor mais comuns hoje são os trocadores de calor tubulares com aletas. Eles também são chamados de bobinas. Onde quer que não estejam instalados, a partir de unidades de fan coil (do inglês fan + coil, ou seja, "fan" + "coil") nos blocos internos de sistemas divididos e terminando com recuperadores de gás de combustão gigantes (extração de calor de gás de combustão quente e transferi-lo para necessidades de aquecimento) em plantas de caldeira na CHP. É por isso que o projeto de um trocador de calor em serpentina depende da aplicação onde o trocador de calor entrará em operação. Resfriadores de ar industrial (VOPs), instalados em câmaras de congelamento rápido de carne, em freezers de baixas temperaturas e em outros objetos de refrigeração de alimentos, requerem certas características de design em seu desempenho. A distância entre as lamelas (nervuras) deve ser a maior possível para aumentar o tempo de operação contínua entre os ciclos de degelo. Os evaporadores para data centers (centros de processamento de dados), ao contrário, são feitos o mais compactos possível, mantendo o espaçamento mínimo. Tais trocadores de calor operam em "zonas limpas" circundadas por filtros finos (até a classe HEPA), portanto, tal cálculo do trocador de calor tubular é feito com ênfase na minimização do tamanho.

Tipos de trocadores de calor de bobina

Um toalheiro aquecido também é um trocador de calor em serpentina.

Você pode fazer uma bobina com suas próprias mãos de diferentes designs e de vários tipos de metal (aço, cobre, alumínio, ferro fundido). Os produtos de alumínio e ferro fundido são estampados nas fábricas, pois as condições exigidas para o trabalho com esses metais só podem ser alcançadas em ambiente de produção. Sem isso, será possível trabalhar apenas com aço ou cobre. É melhor usar cobre porque é maleável e tem um alto grau de condutividade térmica. Existem dois esquemas para fazer uma bobina:

parafuso;
paralelo.

O esquema helicoidal implica a localização das voltas espirais ao longo de uma linha helicoidal. O refrigerante nesses trocadores de calor se move em uma direção. Se necessário, para aumentar a produção de calor, várias espirais podem ser combinadas de acordo com o princípio "tubo em tubo".

Para minimizar a perda de calor tanto quanto possível, você precisa escolher que tipo de isolamento é melhor para isolar a casa do lado de fora. Também depende do material das paredes.
É necessário fazer a escolha do isolamento para uma casa de madeira com base na permeabilidade ao vapor do isolamento térmico.

Em um circuito paralelo, o refrigerante muda constantemente sua direção de movimento. Esse trocador de calor é feito de tubos retos conectados por um cotovelo de 180 graus.Em alguns casos, por exemplo, para a fabricação de um registro de aquecimento, joelhos giratórios não podem ser usados. Em vez deles, é instalado um bypass direto, que pode ser localizado em uma ou em ambas as extremidades do tubo.

Métodos de transferência de calor

O princípio de operação de um trocador de calor em serpentina é aquecer uma substância às custas do calor de outra. Assim, a água no trocador de calor pode ser aquecida por uma chama aberta. Neste caso, funcionará como dissipador de calor. Mas também a própria bobina pode atuar como uma fonte de calor. Por exemplo, quando um refrigerante flui através dos tubos, aquecido em uma caldeira ou por meio de uma resistência elétrica embutida, e seu calor é transferido para a água do sistema de aquecimento. Basicamente, o objetivo final da transferência de calor é aquecer o ar interno.

Trocadores de calor de placas

Atualmente, trocadores de calor a placas estão em demanda estável. De acordo com seu projeto, eles são completamente dobráveis e semissoldados, brasados a cobre e a níquel, soldados e brasados pelo método de difusão (sem solda). O projeto térmico de um trocador de calor a placas é flexível o suficiente e não é particularmente difícil para um engenheiro. No processo de seleção, você pode brincar com o tipo de placas, a profundidade de punção dos canais, o tipo de nervuras, a espessura do aço, diferentes materiais e, o mais importante - vários modelos de tamanho padrão de dispositivos de diferentes dimensões. Esses trocadores de calor são baixos e largos (para aquecimento de água a vapor) ou altos e estreitos (separadores de trocadores de calor para sistemas de ar condicionado). Eles são frequentemente usados para meios de mudança de fase, ou seja, como condensadores, evaporadores, dessuperaquecedores, pré-condensadores, etc. É um pouco mais difícil realizar o cálculo térmico de um trocador de calor operando de acordo com um esquema de duas fases do que um líquido para um trocador de calor líquido, mas para um engenheiro experiente, essa tarefa pode ser resolvida e não é particularmente difícil. Para facilitar esses cálculos, os designers modernos usam bases de computadores de engenharia, onde é possível encontrar muitas informações necessárias, incluindo diagramas do estado de qualquer refrigerante em qualquer varredura, por exemplo, o programa CoolPack.