El cálculo del intercambiador de calor actualmente no lleva más de cinco minutos. Cualquier organización que fabrique y venda dicho equipo, por regla general, proporciona a todos su propio programa de selección. Puede descargarlo gratis desde el sitio web de la compañía, o su técnico vendrá a su oficina y lo instalará gratis. Sin embargo, ¿qué tan correcto es el resultado de tales cálculos? ¿Es posible confiar en él y el fabricante no es astuto al pelear en una licitación con sus competidores? Verificar una calculadora electrónica requiere conocimiento o al menos comprensión de la metodología de cálculo de los intercambiadores de calor modernos. Intentemos averiguar los detalles.
Que es un intercambiador de calor
Antes de calcular el intercambiador de calor, recordemos, ¿qué tipo de dispositivo es? Un aparato de intercambio de calor y masa (también conocido como intercambiador de calor, también conocido como intercambiador de calor o TOA) es un dispositivo para transferir calor de un portador de calor a otro. En el proceso de cambiar las temperaturas de los refrigerantes, también cambian sus densidades y, en consecuencia, los indicadores de masa de las sustancias. Es por eso que tales procesos se denominan transferencia de calor y masa.
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¡Hola! Un intercambiador de calor es un dispositivo en el que el intercambio de calor se realiza entre dos o más portadores de calor o entre portadores de calor y sólidos (boquilla, pared). El papel del refrigerante también puede ser desempeñado por el entorno que rodea al aparato. Según su finalidad y diseño, los intercambiadores de calor pueden ser muy diferentes, desde los más sencillos (radiador) hasta los más avanzados (unidad de caldera). Según el principio de funcionamiento, los intercambiadores de calor se subdividen en recuperativos, regenerativos y de mezcla.
Los dispositivos recuperadores se denominan dispositivos en los que los portadores de calor frío y caliente fluyen simultáneamente, separados por una pared sólida. Estos dispositivos incluyen calentadores, unidades de calderas, condensadores, evaporadores, etc.
Los aparatos en los que la misma superficie de calentamiento se lava alternativamente con líquido frío y caliente se denominan regenerativos. En este caso, el calor acumulado por las paredes del aparato durante su interacción con el líquido caliente se libera al líquido frío. Un ejemplo de aparatos regenerativos son los calentadores de aire de solera abierta y altos hornos, hornos de calefacción, etc. En los regeneradores, el intercambio de calor siempre ocurre en condiciones no estacionarias, mientras que los aparatos recuperadores operan mayoritariamente en modo estacionario.
Los dispositivos recuperadores y regenerativos también se denominan de superficie, ya que el proceso de transferencia de calor en ellos está inevitablemente asociado con la superficie de un sólido.
Los mezcladores son dispositivos en los que la transferencia de calor se realiza mediante la mezcla directa de líquidos fríos y calientes.
El movimiento mutuo de los refrigerantes en los intercambiadores de calor puede ser diferente (Fig. 1.).
Dependiendo de esto, se distingue entre dispositivos con flujo directo, contraflujo, flujo cruzado y con una dirección de movimiento compleja de los refrigerantes (corriente mixta). Si los refrigerantes fluyen en paralelo en una dirección, ese patrón de movimiento se llama flujo hacia adelante (Fig. 1). Con contraflujo, los refrigerantes se mueven en paralelo, pero uno hacia el otro. Si las direcciones de movimiento de los fluidos se cruzan, entonces el patrón de movimiento se llama flujo cruzado. Además de los esquemas mencionados anteriormente, en la práctica también se utilizan otros más complejos: flujo directo y contraflujo simultáneos, corriente cruzada múltiple, etc.
Dependiendo de la finalidad tecnológica y las características de diseño, los intercambiadores de calor se subdividen en calentadores de agua, condensadores, unidades de caldera, evaporadores, etc. Pero lo común es que todos sirven para transferir calor de un portador de calor a otro, por lo tanto, las disposiciones básicas de cálculo térmico son los mismos para ellos. ... La diferencia solo puede ser el propósito de la liquidación final. Al diseñar un nuevo intercambiador de calor, la tarea de cálculo es determinar la superficie de calentamiento; en el cálculo térmico de verificación del intercambiador de calor existente, se requiere encontrar la cantidad de calor transferido y las temperaturas finales de los fluidos de trabajo.
El cálculo de calor en ambos casos se basa en las ecuaciones de balance de calor y la ecuación de transferencia de calor.
La ecuación de balance de calor del intercambiador de calor tiene la forma:
donde M es el caudal másico del refrigerante, kg / s; cpm - capacidad calorífica media isobárica de masa específica del refrigerante, J / (kg * ° С).
En adelante, el subíndice "1" indica los valores relacionados con el líquido caliente (portador de calor primario) y el subíndice "2" - con el líquido frío (portador de calor secundario); una línea corresponde a la temperatura del líquido en la entrada del aparato, y dos líneas, en la salida.
Al calcular los intercambiadores de calor, a menudo se utiliza el concepto de la capacidad calorífica total del caudal másico del portador de calor (equivalente en agua), igual a C = Mav W / ° C. De la expresión (1) se sigue que
es decir, la relación de cambios de temperatura de los fluidos caloportadores monofásicos es inversamente proporcional a la relación de sus capacidades caloríficas de consumo total (equivalentes de agua).
La ecuación de transferencia de calor se escribe de la siguiente manera: Q = k * F * (t1 - t2), donde t1, t2 son las temperaturas de los portadores de calor primarios y secundarios; F es el área de la superficie de transferencia de calor.
Durante el intercambio de calor, en la mayoría de los casos, las temperaturas de ambos portadores de calor cambian y, por lo tanto, cambia la altura de temperatura Δt = t1 - t2. El coeficiente de transferencia de calor sobre la superficie de intercambio de calor también tendrá un valor variable, por lo tanto, los valores promedio de la diferencia de temperatura Δtav y el coeficiente de transferencia de calor kcp deben sustituirse en la ecuación de transferencia de calor, es decir
Q = kсp * F * Δtcp (3)
El área de intercambio de calor F se calcula mediante la fórmula (3), mientras que el rendimiento térmico Q se especifica. Para resolver el problema, es necesario calcular el promedio sobre toda la superficie del coeficiente de transferencia de calor kсp y la altura de temperatura Δtav.
Al calcular la diferencia de temperatura promedio, es necesario tener en cuenta la naturaleza del cambio en las temperaturas de los portadores de calor a lo largo de la superficie de intercambio de calor. Se sabe por la teoría de la conductividad térmica que en una placa o una varilla cilíndrica en presencia de una diferencia de temperatura en los extremos (las superficies laterales están aisladas), la distribución de temperatura a lo largo de la longitud es lineal. Si el intercambio de calor tiene lugar en la superficie lateral o el sistema tiene fuentes internas de calor, entonces la distribución de temperatura es curvilínea. Con una distribución uniforme de las fuentes de calor, el cambio de temperatura a lo largo de la longitud será parabólico.
Así, en los intercambiadores de calor, la naturaleza del cambio en las temperaturas de los portadores de calor difiere de la lineal y está determinada por las capacidades caloríficas totales C1 y C2 de los caudales másicos de los portadores de calor y la dirección de su movimiento mutuo. (Figura 2).
Puede verse en los gráficos que el cambio de temperatura a lo largo de la superficie F no es el mismo. De acuerdo con la ecuación (2), mayor será el cambio de temperatura para el portador de calor con menor capacidad calorífica del flujo másico. Si los refrigerantes son los mismos, por ejemplo, en un intercambiador de calor de agua a agua, entonces la naturaleza del cambio en las temperaturas de los refrigerantes estará completamente determinada por sus caudales y, a un caudal más bajo, la temperatura el cambio será grande.Con flujo a contracorriente, la temperatura final t "2 del medio calentado es siempre menor que la temperatura t" 1 del medio de calentamiento a la salida del aparato, y con contraflujo, la temperatura final t "2 puede ser mayor que la temperatura t "1 (consulte el caso de contraflujo cuando C1> C2). En consecuencia, a la misma temperatura inicial, el medio a calentar con flujo en contracorriente se puede calentar a una temperatura más alta que con flujo en contracorriente.
Con flujo a contracorriente, la altura de temperatura a lo largo de la superficie de calentamiento cambia en mayor medida que con contraflujo. Al mismo tiempo, su valor medio en este último caso es mayor, por lo que la superficie de calentamiento del aparato con contraflujo será menor. Así, en igualdad de condiciones, en este caso, se transferirá más calor. En base a esto, se debe dar preferencia a los dispositivos con contraflujo.
Como resultado de un estudio analítico de un intercambiador de calor que opera según el esquema de flujo directo, se encontró que la altura de temperatura a lo largo de la superficie de intercambio de calor cambia exponencialmente, por lo que la altura de temperatura promedio se puede calcular mediante la fórmula:
donde Δtb es la gran diferencia de temperatura entre el portador de calor frío y caliente (desde un extremo del intercambiador de calor); Δtm: menor diferencia de temperatura (desde el otro extremo del intercambiador de calor).
Con un flujo hacia adelante, Δtb = t'1 - t'2 y Δtm = t "1 - t" 2 (Fig. 2.). Esta fórmula también es válida para contraflujo con la única diferencia que para el caso en que C1
La diferencia de temperatura promedio entre dos medios, calculada mediante la fórmula (4), se denomina logarítmica media. cabeza de temperatura. La forma de la expresión se debe a la naturaleza del cambio de temperatura a lo largo de la superficie de calentamiento (dependencia curvilínea). Si la dependencia fuera lineal, entonces la altura de temperatura debería determinarse como media aritmética (Fig. 3.). El valor de la altura media aritmética Δtа.av es siempre mayor que la media logarítmica Δtl.av. Sin embargo, en los casos en que la altura de temperatura a lo largo del intercambiador de calor cambia de manera insignificante, es decir, se cumple la condición Δtb / Δtm <2, la diferencia de temperatura promedio se puede calcular como una media aritmética:
El promedio de la diferencia de temperatura para dispositivos con corrientes cruzadas y mixtas se distingue por la complejidad de los cálculos, por lo tanto, para varios de los esquemas más comunes, los resultados de las soluciones generalmente se dan en forma de gráficos. Isp. Literatura: 1) Fundamentos de la ingeniería de energía térmica, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958.2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, ed. 2nd, "Higher school", 1976. 3) Heat engineering, ed. 2, bajo la dirección general de. EN Sushkina, Moscú "Metalurgia", 1973.
Tipos de transferencia de calor
Ahora hablemos de los tipos de transferencia de calor: solo hay tres de ellos. Radiación: la transferencia de calor a través de la radiación. Como ejemplo, puede pensar en tomar el sol en la playa en un cálido día de verano. Y estos intercambiadores de calor incluso se pueden encontrar en el mercado (calentadores de aire de tubo). Sin embargo, la mayoría de las veces para calentar viviendas, habitaciones de un apartamento, compramos radiadores de aceite o eléctricos. Este es un ejemplo de otro tipo de transferencia de calor: la convección. La convección puede ser natural, forzada (campana extractora y recuperador en la caja) o inducida mecánicamente (con ventilador, por ejemplo). El último tipo es mucho más eficiente.
Sin embargo, la forma más eficiente de transferir calor es la conductividad térmica o, como también se le llama, conducción (del inglés conducción - "conducción"). Cualquier ingeniero que vaya a realizar un cálculo térmico de un intercambiador de calor, en primer lugar, piensa en elegir equipos eficientes en las dimensiones más pequeñas posibles. Y esto se consigue precisamente gracias a la conductividad térmica. Un ejemplo de esto es el TOA más eficiente de la actualidad: los intercambiadores de calor de placas. Plate TOA, según la definición, es un intercambiador de calor que transfiere calor de un portador de calor a otro a través de la pared que los separa. La máxima superficie de contacto posible entre dos soportes, junto con los materiales correctamente seleccionados, el perfil de las placas y su espesor, permite minimizar el tamaño del equipo seleccionado manteniendo las características técnicas originales requeridas en el proceso tecnológico.
Tipos de intercambiadores de calor
Antes de calcular el intercambiador de calor, se determinan con su tipo. Todos los TOA se pueden dividir en dos grandes grupos: intercambiadores de calor recuperativos y regenerativos. La principal diferencia entre ellos es la siguiente: en el TOA recuperativo, el intercambio de calor ocurre a través de una pared que separa dos refrigerantes, y en el TOA regenerativo, los dos medios tienen contacto directo entre sí, a menudo mezclándose y requiriendo separación posterior en separadores especiales. Los intercambiadores de calor regenerativos se dividen en intercambiadores de calor de mezcla e intercambiadores de calor con empaquetadura (estacionarios, descendentes o intermedios). En términos generales, un balde de agua caliente expuesto a la escarcha o un vaso de té caliente colocado en el refrigerador para que se enfríe (¡nunca hagas eso!) Es un ejemplo de este tipo de mezcla de TOA. Y al verter té en un platillo y enfriarlo de esta manera, obtenemos un ejemplo de un intercambiador de calor regenerativo con una boquilla (el platillo en este ejemplo desempeña el papel de una boquilla), que primero contacta con el aire ambiente y toma su temperatura. , y luego toma parte del calor del té caliente vertido en él., buscando llevar ambos medios a un equilibrio térmico. Sin embargo, como ya hemos descubierto anteriormente, es más eficiente usar la conductividad térmica para transferir calor de un medio a otro, por lo tanto, los TOA que son más útiles en términos de transferencia de calor (y ampliamente utilizados) hoy son, por supuesto, recuperativo.
Determinación de la cantidad de calor.
La ecuación de transferencia de calor utilizada para las unidades de tiempo y procesos en estado estable es la siguiente:
Q = KFtcp (W)
En esta ecuación:
- K es el valor del coeficiente de transferencia de calor (expresado en W / (m2 / K));
- tav: la diferencia promedio en los indicadores de temperatura entre diferentes portadores de calor (el valor se puede dar tanto en grados Celsius (0С) como en kelvin (K));
- F es el valor del área de la superficie para la cual ocurre la transferencia de calor (el valor se da en m2).
La ecuación le permite describir el proceso durante el cual se transfiere calor entre los portadores de calor (de caliente a frío). La ecuación tiene en cuenta:
- transferencia de calor del refrigerante (caliente) a la pared;
- parámetros de conductividad térmica de la pared;
- transferencia de calor de la pared al refrigerante (frío).
Cálculo térmico y estructural
Cualquier cálculo de un intercambiador de calor recuperativo se puede realizar basándose en los resultados de los cálculos térmicos, hidráulicos y de resistencia. Son fundamentales, obligatorios en el diseño de nuevos equipos y forman la base del método de cálculo para modelos posteriores de la línea del mismo tipo de aparato. La tarea principal del cálculo térmico de TOA es determinar el área requerida de la superficie de intercambio de calor para un funcionamiento estable del intercambiador de calor y mantener los parámetros requeridos del medio en la salida. Muy a menudo, en tales cálculos, los ingenieros reciben valores arbitrarios de las características de masa y tamaño del equipo futuro (material, diámetro de la tubería, dimensiones de la placa, geometría de la viga, tipo y material de aleteo, etc.), por lo tanto, después de la térmico, se suele realizar un cálculo constructivo del intercambiador de calor. De hecho, si en la primera etapa el ingeniero calculó el área de superficie requerida para un diámetro de tubería dado, por ejemplo, 60 mm, y la longitud del intercambiador de calor resultó ser de aproximadamente sesenta metros, entonces es más lógico suponer un transición a un intercambiador de calor de múltiples pasos, o al tipo de carcasa y tubos, o para aumentar el diámetro de los tubos.
Mecanismos de transferencia de calor en el cálculo de intercambiadores de calor.
Los tres tipos principales de transferencia de calor son convección, conducción de calor y radiación.
En los procesos de intercambio de calor que proceden de acuerdo con los principios del mecanismo de conducción de calor, la energía térmica se transfiere en forma de transferencia de energía de vibraciones atómicas y moleculares elásticas. La transferencia de esta energía entre diferentes átomos va en dirección decreciente.
El cálculo de las características de la transferencia de energía térmica por el principio de conductividad térmica se realiza de acuerdo con la ley de Fourier.
Los datos sobre la superficie, la conductividad térmica, el gradiente de temperatura y el período de flujo se utilizan para calcular la cantidad de energía térmica.El concepto de gradiente de temperatura se define como el cambio de temperatura en la dirección de la transferencia de calor en una u otra unidad de longitud.
La conductividad térmica es la tasa del proceso de intercambio de calor, es decir la cantidad de energía térmica que pasa a través de cualquier unidad de superficie por unidad de tiempo.
Como sabe, los metales se caracterizan por el mayor coeficiente de conductividad térmica en relación con otros materiales, que debe tenerse en cuenta en cualquier cálculo de los procesos de intercambio de calor. En cuanto a los líquidos, por regla general, tienen un coeficiente de conductividad térmica relativamente más bajo en comparación con los cuerpos en un estado sólido de agregación.
Es posible calcular la cantidad de energía térmica transferida para calcular los intercambiadores de calor, en los que la energía térmica se transfiere entre diferentes medios a través de la pared, utilizando la ecuación de Fourier. Se define como la cantidad de energía térmica que pasa a través de un plano que se caracteriza por un espesor muy pequeño:
Después de realizar algunas operaciones matemáticas, obtenemos la siguiente fórmula
Se puede concluir que la caída de temperatura dentro de la pared se realiza de acuerdo con la ley de la línea recta.
Cálculo hidráulico
Se realizan cálculos hidráulicos o hidromecánicos, así como aerodinámicos con el fin de determinar y optimizar las pérdidas de presión hidráulica (aerodinámica) en el intercambiador de calor, así como calcular los costes energéticos para superarlas. El cálculo de cualquier camino, canal o tubería para el paso del refrigerante plantea una tarea principal para una persona: intensificar el proceso de transferencia de calor en esta área. Es decir, un medio debe transferir y el otro debe recibir la mayor cantidad de calor posible en el intervalo mínimo de su flujo. Para ello, a menudo se utiliza una superficie de intercambio de calor adicional, en forma de nervadura de superficie desarrollada (para separar la subcapa laminar límite y mejorar la turbulización del flujo). La relación de equilibrio óptima de pérdidas hidráulicas, área de superficie de intercambio de calor, características de peso y tamaño y potencia térmica eliminada es el resultado de una combinación de cálculo térmico, hidráulico y constructivo de TOA.
Cálculo de verificación
El cálculo del intercambiador de calor se lleva a cabo en el caso de que sea necesario dejar un margen para la potencia o para el área de la superficie de intercambio de calor. La superficie está reservada por varias razones y en diferentes situaciones: si esto es requerido de acuerdo con los términos de referencia, si el fabricante decide agregar un margen adicional para asegurarse de que dicho intercambiador de calor entrará en funcionamiento y minimizar errores cometidos en los cálculos. En algunos casos, se requiere redundancia para redondear los resultados de las dimensiones de diseño, en otros (evaporadores, economizadores), se introduce especialmente un margen de superficie en el cálculo de la capacidad del intercambiador de calor de contaminación con aceite de compresor presente en el circuito de refrigeración. Y hay que tener en cuenta la baja calidad del agua. Después de algún tiempo de funcionamiento ininterrumpido de los intercambiadores de calor, especialmente a altas temperaturas, las incrustaciones se depositan en la superficie de intercambio de calor del aparato, lo que reduce el coeficiente de transferencia de calor y conduce inevitablemente a una disminución parásita de la eliminación de calor. Por lo tanto, un ingeniero competente, al calcular un intercambiador de calor de agua a agua, presta especial atención a la redundancia adicional de la superficie de intercambio de calor. El cálculo de verificación también se realiza para ver cómo funcionará el equipo seleccionado en otros modos secundarios. Por ejemplo, en los acondicionadores de aire centrales (unidades de suministro de aire), los primeros y segundos calentadores de calefacción, utilizados en la estación fría, se utilizan a menudo en el verano para enfriar el aire entrante suministrando agua fría a los tubos del intercambiador de calor de aire.Cómo funcionarán y qué parámetros darán le permite evaluar el cálculo de verificación.
Dispositivo y principio de funcionamiento.
Los equipos de intercambio de calor en el mercado moderno se presentan en una amplia variedad.
Todo el surtido disponible de productos de esta línea se puede dividir en dos tipos, tales como:
- agregados de placa;
- dispositivos de carcasa y tubo.
Esta última variedad, debido a su bajo índice de eficiencia, así como a su gran tamaño, casi no se vende en el mercado hoy en día. El intercambiador de calor de placas consta de placas onduladas idénticas, que se fijan a un marco de metal resistente. Los elementos están ubicados en una imagen especular entre sí, y entre ellos hay sellos de acero y goma. El área útil de intercambio de calor depende directamente del tamaño y número de placas.
Los dispositivos de placa se pueden dividir en dos subespecies según la configuración, como:
- unidades soldadas;
- intercambiadores de calor con juntas.
Los dispositivos plegables se diferencian de los productos de un tipo de ensamblaje soldado en que, tan pronto como sea necesario, el dispositivo se puede actualizar y ajustar a las necesidades personales, por ejemplo, agregar o quitar una cierta cantidad de placas. Los intercambiadores de calor con juntas tienen demanda en áreas donde se usa agua dura para necesidades domésticas, debido a las características de las cuales se acumulan bebidas y diversos contaminantes en los elementos de la unidad. Estas neoplasias afectan negativamente la eficiencia del dispositivo, por lo tanto, deben limpiarse regularmente y, debido a su configuración, esto siempre es posible.
Los dispositivos no desmontables se distinguen por las siguientes características:
- alto nivel de resistencia a las fluctuaciones de alta presión y temperatura;
- larga vida útil;
- peso ligero.
Los conjuntos soldados se limpian sin desmontar toda la estructura.
Según el cálculo del tipo y la opción de instalación de la unidad, se deben distinguir dos tipos de intercambiadores de calor para agua caliente de calefacción.
- Los intercambiadores de calor internos están ubicados en los propios dispositivos de calefacción: hornos, calderas y otros. La instalación de este tipo le permite obtener la máxima eficiencia durante el funcionamiento de los productos, ya que la pérdida de calor para calentar la carcasa será mínima. Como regla general, dichos dispositivos ya están integrados en la caldera en la etapa de fabricación de las calderas. Esto facilita enormemente la instalación y la puesta en servicio, ya que solo necesita ajustar el modo de funcionamiento requerido del intercambiador de calor.
- Los intercambiadores de calor externos deben conectarse por separado de la fuente de calor. Dichos dispositivos son relevantes para su uso en casos en los que el funcionamiento del dispositivo depende de una fuente de calefacción remota. Las casas con calefacción centralizada son un ejemplo. En esta realización, la unidad doméstica que calienta el agua actúa como un dispositivo externo.
Teniendo en cuenta el tipo de material del que se hacen las separaciones, cabe destacar los siguientes modelos:
- intercambiadores de calor de acero;
- dispositivos hechos de hierro fundido.
Además, destacan los sistemas de cobre soldado. Se utilizan para calefacción urbana en edificios de apartamentos.
Las siguientes características deben considerarse las características de los equipos de hierro fundido:
- la materia prima se enfría bastante lentamente, lo que ahorra el funcionamiento de todo el sistema de calefacción;
- el material tiene una alta conductividad térmica, todos los productos de hierro fundido tienen propiedades inherentes en las que se calienta muy rápidamente y emite calor a otros elementos;
- la materia prima es resistente a la formación de incrustaciones en la base, además, es más resistente a la corrosión;
- al instalar secciones adicionales, puede aumentar la potencia y la funcionalidad de la unidad en su conjunto;
- los productos de este material se pueden transportar en partes, dividiéndolo en secciones, lo que facilita el proceso de entrega, así como la instalación y mantenimiento del intercambiador de calor.
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Como cualquier otro producto, dicho dispositivo dependiente tiene las siguientes desventajas:
- el hierro fundido se destaca por su baja resistencia a las fluctuaciones bruscas de temperatura, tales fenómenos pueden estar plagados de la formación de grietas en el dispositivo, lo que afectará negativamente el rendimiento del intercambiador de calor;
- incluso teniendo grandes dimensiones, las unidades de hierro fundido son muy frágiles, por lo que los daños mecánicos, especialmente durante el transporte de productos, pueden dañarlo gravemente;
- el material es propenso a la corrosión seca;
- la gran masa y las dimensiones del dispositivo a veces complican el desarrollo y la instalación del sistema.
Los intercambiadores de calor de acero para suministro de agua caliente se caracterizan por las siguientes ventajas:
- alta conductividad térmica;
- pequeña masa de productos. El acero no hace que el sistema sea más pesado, por lo que estos dispositivos son la mejor opción cuando se necesita un intercambiador de calor, cuya tarea es dar servicio a un área grande;
- las unidades de acero son resistentes a la tensión mecánica;
- el intercambiador de calor de acero no reacciona a las fluctuaciones de temperatura dentro de la estructura;
- el material tiene buenas características de elasticidad, sin embargo, el contacto prolongado con un medio muy calentado o enfriado puede conducir a la formación de grietas en el área de las soldaduras.
Las desventajas de los dispositivos incluyen las siguientes características:
- susceptibilidad a la corrosión electroquímica. Por lo tanto, con el contacto constante con un entorno agresivo, la vida útil del dispositivo se reducirá significativamente;
- los dispositivos no tienen la capacidad de aumentar la eficiencia del trabajo;
- la unidad de acero pierde calor muy rápidamente, lo que conlleva un mayor consumo de combustible para una operación productiva;
- bajo nivel de mantenibilidad. Es casi imposible reparar el dispositivo con sus propias manos;
- El montaje final del intercambiador de calor de acero se realiza en las condiciones del taller donde fue fabricado. Las unidades son bloques monolíticos de grandes tamaños, por lo que existen dificultades con su entrega.
Algunos fabricantes, para aumentar la calidad de los intercambiadores de calor de acero, cubren sus paredes internas con hierro fundido, lo que aumenta la confiabilidad de la estructura.
Los intercambiadores de calor modernos son unidades cuyo funcionamiento se basa en diferentes principios:
- irrigación;
- sumergible;
- soldado
- superficial;
- plegable;
- laminar acanalado;
- mezclar;
- shell-and-tube y otros.
Pero los intercambiadores de calor de placas para el suministro de agua caliente y la calefacción se diferencian favorablemente de otros. Estos son calentadores de flujo continuo. Las instalaciones son una serie de placas, entre las que se forman dos canales: caliente y frío. Están separados por una junta de acero y goma, por lo que se elimina la mezcla de los medios.
Las placas se ensamblan en un bloque. Este factor determina la funcionalidad del dispositivo. Las placas son de idéntico tamaño, pero ubicadas en un giro de 180 grados, razón por la cual se forman las cavidades por donde se transportan los líquidos. Así es como se forma la alternancia de canales fríos y calientes y se forma un proceso de intercambio de calor.
La recirculación en este tipo de equipos es intensiva. Las condiciones en las que se utilizará el intercambiador de calor para sistemas de suministro de agua caliente dependen del material de las juntas, el número de placas, su tamaño y tipo. Las instalaciones que preparan agua caliente están equipadas con dos circuitos: uno para ACS y otro para calefacción de habitaciones. Las máquinas de planchas son seguras, productivas y se utilizan en las siguientes áreas:
- preparación de un portador de calor en sistemas de suministro de agua caliente, ventilación y calefacción;
- enfriamiento de productos alimenticios y aceites industriales;
- suministro de agua caliente para duchas en empresas;
- para la preparación del portador de calor en sistemas de calefacción por suelo radiante;
- para la preparación de un portador de calor en las industrias alimentaria, química y farmacéutica;
- calentamiento del agua de la piscina y otros procesos de intercambio de calor.
Cálculos de investigación
Los cálculos de investigación de TOA se llevan a cabo sobre la base de los resultados obtenidos de los cálculos térmicos y de verificación. Por lo general, deben realizar las últimas modificaciones en el diseño del aparato proyectado. También se realizan con el fin de corregir las ecuaciones establecidas en el modelo de cálculo TOA implementado, obtenido empíricamente (según datos experimentales). La realización de cálculos de investigación implica decenas y, a veces, cientos de cálculos de acuerdo con un plan especial desarrollado e implementado en la producción de acuerdo con la teoría matemática de la planificación de experimentos. Según los resultados, se revela la influencia de diversas condiciones y cantidades físicas en los indicadores de rendimiento de TOA.
Otros calculos
Al calcular el área del intercambiador de calor, no se olvide de la resistencia de los materiales. Los cálculos de resistencia TOA incluyen verificar la unidad diseñada para tensión, torsión, para aplicar los momentos operativos máximos permitidos a las partes y ensamblajes del futuro intercambiador de calor. Con dimensiones mínimas, el producto debe ser duradero, estable y garantizar un funcionamiento seguro en diversas condiciones de funcionamiento, incluso las más estresantes.
El cálculo dinámico se realiza para determinar las diversas características del intercambiador de calor en modos de funcionamiento variables.
Intercambiadores de calor de tubo en tubo
Consideremos el cálculo más simple de un intercambiador de calor de tubería en tubería. Estructuralmente, este tipo de TOA se simplifica tanto como sea posible. Como regla general, se deja entrar un refrigerante caliente en el tubo interior del aparato para minimizar las pérdidas, y se lanza un refrigerante de refrigeración a la carcasa o al tubo exterior. La tarea del ingeniero en este caso se reduce a determinar la longitud de dicho intercambiador de calor en función del área calculada de la superficie de intercambio de calor y los diámetros dados.
Cabe agregar aquí que en termodinámica se introduce el concepto de intercambiador de calor ideal, es decir, un aparato de longitud infinita, donde los refrigerantes trabajan en contracorriente y la diferencia de temperatura se dispara por completo entre ellos. El diseño de tubo en tubo es el que más se acerca a cumplir con estos requisitos. Y si hace funcionar los refrigerantes en contracorriente, entonces será el llamado "contraflujo real" (y no el flujo cruzado, como en la placa TOA). El cabezal de temperatura se activa de manera más eficiente con tal organización de movimiento. Sin embargo, al calcular un intercambiador de calor de tubería en tubería, uno debe ser realista y no olvidarse del componente logístico, así como de la facilidad de instalación. La longitud del eurotruck es de 13,5 metros, y no todas las salas técnicas están adaptadas al arrastre e instalación de equipos de esta longitud.
Cómo calcular el intercambiador de calor
Es imperativo calcular el intercambiador de calor de la bobina, de lo contrario, su potencia térmica puede no ser suficiente para calentar la habitación. El sistema de calefacción está diseñado para compensar la pérdida de calor. En consecuencia, solo podemos averiguar la cantidad exacta de energía térmica requerida en función de la pérdida de calor del edificio. Es bastante difícil hacer un cálculo, por lo tanto, en promedio, toman 100 W por 1 metro cuadrado con una altura de techo de 2,7 m.
Debe haber un espacio entre las vueltas.
Además, se requieren los siguientes valores para el cálculo:
- Pi;
- el diámetro de la tubería que está disponible (tome 10 mm);
- conductividad térmica lambda del metal (para cobre 401 W / m * K);
- el delta de la temperatura de suministro y retorno del refrigerante (20 grados).
Para determinar la longitud de la tubería, debe dividir la potencia térmica total en W por el producto de los factores anteriores.Consideremos usar el ejemplo de un intercambiador de calor de cobre con una potencia térmica requerida de 3 kW, esto es 3000 W.
3000 / 3,14 (Pi) * 401 (conductividad térmica lambda) * 20 (delta de temperatura) * 0,01 (diámetro de la tubería en metros)
A partir de este cálculo, resulta que necesita 11,91 m de tubería de cobre con un diámetro de 10 mm para que la salida de calor de la bobina sea de 3 kW.
Intercambiadores de calor de carcasa y tubos
Por lo tanto, muy a menudo el cálculo de dicho aparato fluye suavemente hacia el cálculo de un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Se trata de un aparato en el que se ubica un haz de tubos en una sola carcasa (carcasa), lavados con varios refrigerantes, según la finalidad del equipo. En los condensadores, por ejemplo, el refrigerante se introduce en la camisa y el agua en las tuberías. Con este método de mover medios, es más conveniente y más efectivo controlar el funcionamiento del aparato. En los evaporadores, por el contrario, el refrigerante hierve en los tubos, y al mismo tiempo son lavados por el líquido enfriado (agua, salmueras, glicoles, etc.). Por lo tanto, el cálculo de un intercambiador de calor de carcasa y tubos se reduce a minimizar el tamaño del equipo. Mientras juega con el diámetro de la carcasa, el diámetro y número de tubos internos y la longitud del aparato, el ingeniero alcanza el valor calculado del área de la superficie de intercambio de calor.
Intercambiadores de calor de aire
Uno de los intercambiadores de calor más comunes en la actualidad son los intercambiadores de calor tubulares con aletas. También se les llama bobinas. Donde no estén instalados, comenzando por las unidades fan coil (del inglés fan + coil, es decir, "fan" + "coil") en los bloques internos de los sistemas split y terminando con recuperadores gigantes de gases de combustión (extracción de calor de los gases de combustión calientes y transferirlo para necesidades de calefacción) en plantas de calderas en CHP. Es por eso que el diseño de un intercambiador de calor de serpentín depende de la aplicación donde el intercambiador de calor entrará en funcionamiento. Los enfriadores de aire industriales (VOP), instalados en cámaras de congelación rápida de carne, en congeladores de bajas temperaturas y en otros objetos de refrigeración de alimentos, requieren ciertas características de diseño en su desempeño. La distancia entre las laminillas (nervaduras) debe ser lo más grande posible para aumentar el tiempo de funcionamiento continuo entre los ciclos de descongelación. Los evaporadores para centros de datos (centros de procesamiento de datos), por el contrario, se fabrican lo más compactos posible, manteniendo el espacio al mínimo. Dichos intercambiadores de calor operan en "zonas limpias" rodeadas por filtros finos (hasta la clase HEPA), por lo tanto, dicho cálculo del intercambiador de calor tubular se lleva a cabo con énfasis en minimizar el tamaño.
Tipos de intercambiadores de calor de bobina
Un toallero calefactado también es un intercambiador de calor de serpentín.
Puede hacer una bobina con sus propias manos de diferentes diseños y de varios tipos de metal (acero, cobre, aluminio, hierro fundido). Los productos de aluminio y hierro fundido se estampan en las fábricas, ya que las condiciones requeridas para trabajar con estos metales solo se pueden lograr en un entorno de producción. Sin esto, solo funcionará con acero o cobre. Es mejor usar cobre ya que es maleable y tiene un alto grado de conductividad térmica. Hay dos esquemas para hacer una bobina:
- tornillo;
- paralelo.
El esquema helicoidal implica la ubicación de los giros en espiral a lo largo de una línea helicoidal. El refrigerante en dichos intercambiadores de calor se mueve en una dirección. Si es necesario, para aumentar la producción de calor, se pueden combinar varias espirales de acuerdo con el principio "tubería en tubería".
Para minimizar la pérdida de calor tanto como sea posible, debe elegir qué tipo de aislamiento es mejor para aislar la casa del exterior. También depende del material de las paredes.
Es necesario elegir el aislamiento para una casa de madera en función de la permeabilidad al vapor del aislamiento térmico.
En un circuito paralelo, el refrigerante cambia constantemente su dirección de movimiento. Dicho intercambiador de calor está hecho de tubos rectos conectados por un codo de 180 grados.En algunos casos, por ejemplo, para la fabricación de un registro de calefacción, es posible que no se utilicen rodillas giratorias. En lugar de ellos, se instala un bypass directo, que se puede ubicar tanto en uno como en ambos extremos de la tubería.
Métodos de transferencia de calor
El principio de funcionamiento de un intercambiador de calor de bobina es calentar una sustancia a expensas del calor de otra. Por lo tanto, el agua en el intercambiador de calor se puede calentar con una llama abierta. En este caso, actuará como disipador de calor. Pero también la propia bobina puede actuar como fuente de calor. Por ejemplo, cuando un refrigerante fluye a través de los tubos, se calienta en una caldera o por medio de un elemento calefactor eléctrico incorporado, y su calor se transfiere al agua desde el sistema de calefacción. Básicamente, el propósito final de la transferencia de calor es calentar el aire interior.
Intercambiadores de calor de placas
Actualmente, los intercambiadores de calor de placas tienen una demanda estable. De acuerdo con su diseño, son completamente colapsables y semisoldados, soldados con cobre y níquel, soldados y soldados por el método de difusión (sin soldadura). El diseño térmico de un intercambiador de calor de placas es lo suficientemente flexible y no es particularmente difícil para un ingeniero. En el proceso de selección, puede jugar con el tipo de placas, la profundidad de perforación de los canales, el tipo de nervadura, el grosor del acero, diferentes materiales y, lo más importante, numerosos modelos de tamaño estándar de dispositivos de diferentes dimensiones. Dichos intercambiadores de calor son bajos y anchos (para calentar agua con vapor) o altos y estrechos (intercambiadores de calor separadores para sistemas de aire acondicionado). A menudo se utilizan para medios de cambio de fase, es decir, como condensadores, evaporadores, atemperadores, precondensadores, etc. Es un poco más difícil realizar el cálculo térmico de un intercambiador de calor que funciona según un esquema de dos fases que un intercambiador de calor líquido-líquido, pero para un ingeniero experimentado, esta tarea tiene solución y no es particularmente difícil. Para facilitar tales cálculos, los diseñadores modernos utilizan bases de ingeniería informática, donde puede encontrar mucha información necesaria, incluidos diagramas del estado de cualquier refrigerante en cualquier escaneo, por ejemplo, el programa CoolPack.
