Concepts de base du transfert de chaleur pour le calcul des échangeurs de chaleur

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 fournit à chacun son propre programme de sélection. Vous pouvez le télécharger gratuitement sur le site Web de l'entreprise, ou leur technicien se rendra à votre bureau et l'installera gratuitement. Cependant, dans quelle mesure le résultat de ces calculs est-il correct, est-il possible de 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 des connaissances ou au moins une compréhension de la méthodologie de calcul pour les échangeurs de chaleur modernes. Essayons de comprendre les détails.

Qu'est-ce qu'un échangeur de chaleur

Avant de calculer l'échangeur de chaleur, rappelons-nous, de quel type d'appareil s'agit-il? Un appareil d'échange de chaleur et de masse (alias un échangeur de chaleur, alias un échangeur de chaleur, ou TOA) est un dispositif de transfert de chaleur d'un caloporteur à un autre. Lors du changement des températures des liquides de refroidissement, 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.

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Bonjour! Un échangeur de chaleur est un dispositif dans lequel un échange de chaleur est réalisé entre deux ou plusieurs caloporteurs ou entre des caloporteurs et des solides (buse, paroi). Le rôle du liquide de refroidissement peut également être joué par l'environnement entourant l'appareil. Selon leur destination et leur conception, les échangeurs de chaleur peuvent être très différents, allant du plus simple (radiateur) au plus avancé (chaudière). Selon le principe de fonctionnement, les échangeurs de chaleur sont subdivisés en récupérateur, régénérateur et mélangeur.

Les dispositifs de récupération sont appelés dispositifs dans lesquels des vecteurs de chaleur chauds et froids circulent simultanément, séparés par une paroi solide. Ces appareils comprennent des appareils de chauffage, des chaudières, des condenseurs, des évaporateurs, etc.

Les appareils dans lesquels la même surface chauffante est alternativement lavée par un liquide chaud et froid sont appelés régénératifs. Dans ce cas, la chaleur accumulée par les parois de l'appareil lors de leur interaction avec le liquide chaud est transmise au liquide froid. Un exemple d'appareils de régénération sont les aérothermes de fours ouverts et de hauts fourneaux, les fours de chauffage, etc.

Les dispositifs de récupération et de régénération sont également appelés dispositifs de surface, car le processus de transfert de chaleur en eux est inévitablement associé à la surface d'un solide.

Les mélangeurs sont des dispositifs dans lesquels le transfert de chaleur est effectué par mélange direct de liquides chauds et froids.

Le mouvement mutuel des liquides de refroidissement dans les échangeurs de chaleur peut être différent (Fig. 1).

En fonction de cela, une distinction est faite entre les appareils à flux direct, à contre-courant, à flux transversal et à sens de déplacement complexe des liquides de refroidissement (courant mixte). Si les liquides de refroidissement s'écoulent en parallèle dans une direction, un tel schéma de mouvement est appelé écoulement vers l'avant (Fig. 1). À contre-courant, les liquides de refroidissement se déplacent en parallèle, mais l'un vers l'autre. Si les directions de mouvement des fluides se croisent, alors le modèle de mouvement est appelé écoulement transversal. En plus des schémas mentionnés ci-dessus, des schémas plus complexes sont également utilisés dans la pratique: flux aller et contre-courant simultanés, courants croisés multiples, etc.

En fonction de l'objectif technologique et des caractéristiques de conception, les échangeurs de chaleur sont subdivisés en chauffe-eau, condenseurs, chaudières, évaporateurs, etc. Mais le point commun est qu'ils servent tous à transférer la chaleur d'un caloporteur à un autre, par conséquent, les dispositions de base du calcul thermique sont les mêmes pour eux. ... La différence ne peut être que le but final du règlement. Lors de la conception d'un nouvel échangeur de chaleur, la tâche de calcul consiste à déterminer la surface de chauffage; dans le calcul thermique de vérification de l'échangeur de chaleur existant, il est nécessaire de trouver la quantité de chaleur transférée et les températures finales des fluides de travail.

Le calcul de la chaleur dans les deux cas est basé sur les équations du bilan thermique et l'équation du transfert de chaleur.

L'équation du bilan thermique de l'échangeur de chaleur a la forme:

où M est le débit massique du liquide de refroidissement, en kg / s; cpm - capacité thermique moyenne isobare de masse spécifique du liquide de refroidissement, J / (kg * ° С).

Ci-après, l'indice "1" désigne les valeurs liées au liquide chaud (caloporteur primaire), et l'indice "2" - au liquide froid (caloporteur secondaire); une ligne correspond à la température du liquide à l'entrée de l'appareil, et deux lignes - à la sortie.

Lors du calcul des échangeurs de chaleur, le concept de la capacité thermique totale du débit massique du caloporteur (équivalent en eau) est souvent utilisé, égal à C = Mav W / ° C. De l'expression (1), il s'ensuit que

c'est-à-dire que le rapport des variations de température des fluides caloporteurs monophasés est inversement proportionnel au rapport de leurs capacités calorifiques de consommation totale (équivalents en eau).

L'équation de transfert de chaleur s'écrit comme suit: Q = k * F * (t1 - t2), où t1, t2 sont les températures des caloporteurs primaires et secondaires; F est la surface de transfert de chaleur.

Pendant l'échange de chaleur, dans la plupart des cas, les températures des deux caloporteurs changent et, par conséquent, la température de tête Δt = t1 - t2 change. Le coefficient de transfert de chaleur sur la surface d'échange de chaleur aura également une valeur variable, par conséquent, les valeurs moyennes de la différence de température Δtav et du coefficient de transfert de chaleur kcp doivent être substituées dans l'équation de transfert de chaleur, c'est-à-dire

Q = kсp * F * Δtcp (3)

La zone d'échange thermique F est calculée par la formule (3), tandis que la performance thermique Q est spécifiée. Pour résoudre le problème, il est nécessaire de calculer la moyenne sur toute la surface du coefficient de transfert thermique kсp et de la température de tête Δtav.

Lors du calcul de la différence de température moyenne, il est nécessaire de prendre en compte la nature du changement des températures des caloporteurs le long de la surface d'échange thermique. Il est connu de la théorie de la conductivité thermique que dans une plaque ou une tige cylindrique en présence d'une différence de température aux extrémités (les surfaces latérales sont isolées), la répartition de la température sur la longueur est linéaire. Si un échange de chaleur a lieu sur la surface latérale ou si le système possède des sources de chaleur internes, la distribution de la température est curviligne. Avec une répartition uniforme des sources de chaleur, le changement de température le long de la longueur sera parabolique.

Ainsi, dans les échangeurs de chaleur, la nature de la variation des températures des caloporteurs diffère de celle linéaire et est déterminée par les capacités calorifiques totales C1 et C2 des débits massiques des caloporteurs et le sens de leur mouvement mutuel. (Fig. 2).

On peut voir sur les graphiques que le changement de température le long de la surface F n'est pas le même. Conformément à l'équation (2), plus le changement de température sera important pour le caloporteur avec la capacité calorifique inférieure du débit massique. Si les liquides de refroidissement sont les mêmes, par exemple, dans un échangeur de chaleur eau-eau, alors la nature du changement des températures des liquides de refroidissement sera entièrement déterminée par leurs débits, et à un débit inférieur, la température le changement sera important.A cocourant, la température finale t "2 du milieu chauffé est toujours inférieure à la température t" 1 du fluide chauffant à la sortie de l'appareil, et à contre-courant, la température finale t "2 peut être supérieure à la température t "1 (voir pour contre-courant le cas où C1> C2). Par conséquent, à la même température initiale, le milieu à chauffer à contre-courant peut être chauffé à une température plus élevée qu'avec un courant à cocourant.

Avec un écoulement à cocourant, la hauteur de température le long de la surface chauffante change dans une plus grande mesure qu'avec un écoulement à contre-courant. Dans le même temps, sa valeur moyenne dans ce dernier cas est plus élevée, ce qui entraîne une plus petite surface de chauffage de l'appareil à contre-courant. Ainsi, dans des conditions égales, dans ce cas, plus de chaleur sera transférée. Sur cette base, la préférence doit être donnée aux appareils à contre-courant.

À la suite d'une étude analytique d'un échangeur de chaleur fonctionnant selon le schéma d'écoulement direct, il a été constaté que la hauteur de température le long de la surface d'échange de chaleur change de manière exponentielle, de sorte que la hauteur de température moyenne peut être calculée par la formule:

où Δtb est la grande différence de température entre le caloporteur chaud et froid (d'une extrémité de l'échangeur de chaleur); Δtm - différence de température plus petite (de l'autre extrémité de l'échangeur de chaleur).

Avec un flux aller, Δtb = t'1 - t'2 et Δtm = t "1 - t" 2 (Fig. 2.). Cette formule est également valable pour le contre-courant à la seule différence que pour le cas où C1 C2 Δtb = t" 1 - t'2 et Δtm = t'1 - t "2.

La différence de température moyenne entre deux milieux, calculée par la formule (4), est appelée la moyenne logarithmique. tête de température. La forme de l'expression est due à la nature du changement de température le long de la surface chauffante (dépendance curviligne). Si la dépendance était linéaire, alors la tête de température devrait être déterminée comme une moyenne arithmétique (Fig. 3.). La valeur de la tête moyenne arithmétique Δtа.av est toujours supérieure à la moyenne logarithmique Δtl.av. Cependant, dans les cas où la tête de température sur la longueur de l'échangeur de chaleur change de manière insignifiante, c'est-à-dire que la condition Δtb / Δtm <2 est satisfaite, la différence de température moyenne peut être calculée comme une moyenne arithmétique:

La moyenne de la différence de température pour les appareils à courants croisés et mixtes se distingue par la complexité des calculs.Par conséquent, pour un certain nombre des schémas les plus courants, les résultats des solutions sont généralement donnés sous forme de graphiques. Isp. Littérature: 1) Fondamentaux de l'ingénierie de l'énergie thermique, A.M. Litvin, Gosenergoizdat, 1958, 2) Teplotekhnika, Bondarev V.A., Protskiy A.E., Grinkevich R.N. Minsk, éd. 2ème, "Ecole supérieure", 1976. 3) Génie thermique, éd. 2, sous la direction générale de. À Sushkina, Moscou "Métallurgie", 1973.

Types de transfert de chaleur

Parlons maintenant des types de transfert de chaleur - il n'y en a que trois. Radiation - le transfert de chaleur par rayonnement. Par exemple, vous pouvez penser 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 les pièces à vivre, les pièces d'un appartement, nous achetons des radiateurs au mazout ou électriques. Ceci est un exemple d'un autre type de transfert de chaleur - la convection. La convection peut être naturelle, forcée (hotte aspirante, il y a un récupérateur dans le caisson) ou induite mécaniquement (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 conductivité thermique, 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 pense tout d'abord à choisir un équipement performant dans les plus petites dimensions possibles. Et ceci est réalisé précisément grâce à la conductivité thermique. Un exemple de ceci est le TOA le plus efficace aujourd'hui - les échangeurs de chaleur à plaques. La plaque TOA, selon la définition, est un échangeur de chaleur qui transfère la chaleur d'un caloporteur à un autre à travers la paroi qui les sépare. La zone de contact maximale possible entre deux supports, ainsi que les matériaux correctement sélectionnés, le profil des plaques et leur épaisseur, vous 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, ils sont déterminés avec son type. Tous les TOA peuvent être divisés en deux grands groupes: les échangeurs de chaleur à récupération et à régénération. La principale différence entre eux est la suivante: dans le TOA récupérateur, l'échange de chaleur se produit à travers une paroi séparant deux réfrigérants, et dans le TOA régénérateur, les deux milieux 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 à régénération sont divisés en échangeurs de mélange et échangeurs de chaleur avec garnissage (stationnaire, descendant ou intermédiaire). En gros, un seau d'eau chaude exposé au gel ou un verre de thé chaud placé au réfrigérateur pour refroidir (ne faites jamais ça!) Est un exemple d'un tel mélange TOA. Et en versant le thé dans une soucoupe et en le refroidissant de cette manière, on obtient 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 prend une partie de la chaleur du thé chaud qui y est versé., cherchant à amener les deux milieux en équilibre thermique. Cependant, comme nous l'avons déjà découvert précédemment, il est plus efficace d'utiliser la conductivité thermique pour transférer la chaleur d'un milieu à un autre, par conséquent, les TOA qui sont plus utiles en termes de transfert de chaleur (et largement utilisés) aujourd'hui sont, bien sûr, récupératrice.

Détermination de la quantité de chaleur

L'équation de transfert de chaleur utilisée pour les unités de temps et les processus en régime permanent est la suivante:

Q = KFtcp (W)

Dans cette équation:

• K est la valeur du coefficient de transfert thermique (exprimé en W / (m2 / K));
• tav - la différence moyenne des indicateurs de température entre les différents vecteurs de chaleur (la valeur peut être donnée à la fois en degrés Celsius (0С) et en kelvin (K));
• F est la valeur de la surface pour laquelle le transfert de chaleur se produit (la valeur est donnée en m2).

L'équation vous permet de décrire le processus au cours duquel la chaleur est transférée entre les caloporteurs (du chaud au froid). L'équation prend en compte:

• transfert de chaleur du liquide de refroidissement (chaud) au mur;
• paramètres de conductivité thermique des murs;
• transfert de chaleur du mur vers le liquide de refroidissement (froid).

Calcul thermique et structurel

Tout calcul d'un échangeur de chaleur à récupération 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 méthode de calcul pour les modèles ultérieurs de la ligne du même type d'appareil. La tâche principale du calcul thermique du TOA est de déterminer la surface requise de la surface d'échange de chaleur pour un fonctionnement stable de l'échangeur de chaleur et le maintien des paramètres requis du milieu à la sortie. Très souvent, dans de tels calculs, les ingénieurs reçoivent des valeurs arbitraires des caractéristiques de masse 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 thermique, un calcul constructif de l'échangeur de chaleur est généralement effectué. En effet, 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 se révélait ainsi être d'une soixantaine de mètres, alors il est plus logique de supposer un transition vers un échangeur de chaleur multi-passes, ou vers un type tube-tube, ou pour augmenter le diamètre des tubes.

Mécanismes de transfert de chaleur dans le calcul des échangeurs de chaleur

Les trois principaux types de transfert de chaleur sont la convection, la conduction thermique et le rayonnement.

Dans les processus d'échange de chaleur se déroulant conformément aux principes du mécanisme de conduction thermique, l'énergie thermique est transférée sous forme de transfert d'énergie de vibrations atomiques et moléculaires élastiques. Le transfert de cette énergie entre différents atomes est dans le sens de la décroissance.

Le calcul des caractéristiques du transfert d'énergie thermique par le principe de conductivité thermique est effectué selon la loi de Fourier

Les données sur la surface, la conductivité thermique, le gradient de température, la période d'écoulement sont utilisées pour calculer la quantité d'énergie thermique.Le concept de gradient de température est défini comme le changement de température dans le sens du transfert de chaleur par une ou une autre unité de longueur.

La conductivité thermique est la vitesse du processus d'échange thermique, c'est-à-dire la quantité d'énergie thermique traversant une unité de surface par unité de temps.

Comme vous le savez, les métaux sont caractérisés par le coefficient de conductivité thermique le plus élevé par rapport aux autres matériaux, qui doit être pris en compte dans tout calcul des processus d'échange de chaleur. Quant aux liquides, ils ont en règle générale un coefficient de conductivité thermique relativement plus faible que les corps à l'état solide d'agrégation.

Il est possible de calculer la quantité d'énergie thermique transférée pour le calcul des échangeurs de chaleur, dans lesquels l'énergie thermique est transférée entre différents médias à travers la paroi, en utilisant l'équation de Fourier. Elle est définie comme la quantité d'énergie thermique traversant un plan qui se caractérise par une très faible épaisseur:

Après avoir effectué quelques opérations mathématiques, nous obtenons la formule suivante

On peut conclure que la baisse de température à l'intérieur du mur est réalisée selon la loi de la ligne droite.

Calcul hydraulique

Des calculs hydrauliques ou hydromécaniques, ainsi que aérodynamiques sont effectués afin de déterminer et d'optimiser les pertes de charge hydrauliques (aérodynamiques) dans l'échangeur de chaleur, ainsi que de 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. Autrement dit, un milieu doit être transféré et l'autre doit recevoir autant de chaleur que possible à l'intervalle minimum 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 améliorer la turbulisation de l'écoulement). Le rapport d'équilibre optimal des pertes hydrauliques, de la surface d'échange thermique, des caractéristiques de poids et de taille et de la puissance thermique retirée est le résultat d'une combinaison de calculs thermiques, hydrauliques et constructifs du TOA.

Calcul de vérification

Le calcul de l'échangeur de chaleur est effectué dans le cas où il est nécessaire de prévoir une marge pour la puissance ou pour la surface de la surface d'échange de chaleur. La surface est réservée pour diverses raisons et dans des situations différentes: si cela est requis selon les termes de référence, si le constructeur décide d'ajouter une marge supplémentaire afin d'être sûr qu'un tel échangeur de chaleur se mettra en service, et de minimiser erreurs commises dans les calculs. Dans certains cas, une redondance est nécessaire pour arrondir les résultats des dimensions de conception, dans d'autres (évaporateurs, économiseurs), une marge de surface est spécialement introduite dans le calcul de la capacité de contamination de l'échangeur de chaleur par l'huile de compresseur présente dans le circuit frigorifique. Et la mauvaise qualité de l'eau doit être prise 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 conduisant inévitablement à 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 thermique. Le 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 en air), les premier et deuxième appareils de chauffage, utilisés pendant la saison froide, sont souvent utilisés en été pour refroidir l'air entrant en fournissant de l'eau froide aux tubes de l'échangeur de chaleur à air.Comment ils fonctionneront et quels paramètres ils donneront vous permet d'évaluer le calcul de vérification.

Appareil et principe de fonctionnement

Les équipements d'échange de chaleur sur le marché moderne sont présentés dans une grande variété.

L'ensemble de l'assortiment disponible de produits de cette ligne peut être divisé en deux types, tels que:

• agrégats de plaques;
• dispositifs à coque et tube.

Cette dernière variété, en raison de son faible taux d'efficacité, ainsi que de sa grande taille, n'est presque pas vendue sur le marché aujourd'hui. L'échangeur de chaleur à plaques se compose de plaques ondulées identiques, qui sont fixées à un cadre métallique robuste. Les éléments sont situés dans une image miroir les uns par rapport aux autres, et entre eux se trouvent des joints en acier et en caoutchouc. La zone d'échange thermique utile dépend directement de la taille et du nombre de plaques.

Les dispositifs à plaques peuvent être divisés en deux sous-espèces en fonction de la configuration, telles que:

• unités brasées;
• échangeurs de chaleur à joints.

Les dispositifs pliables diffèrent des produits d'un type d'assemblage soudé en ce que, dès que nécessaire, le dispositif peut être mis à niveau et ajusté aux besoins personnels, par exemple, ajouter ou supprimer un certain nombre de plaques. Les échangeurs de chaleur à joints sont demandés dans les zones où l'eau dure est utilisée pour les besoins domestiques, en raison des caractéristiques dont la boisson et divers contaminants s'accumulent sur les éléments de l'unité. Ces néoplasmes nuisent à l'efficacité du dispositif, par conséquent, ils doivent être régulièrement nettoyés et, en raison de leur configuration, cela est toujours possible.

Les appareils non démontables se distinguent par les caractéristiques suivantes:

• haut niveau de résistance aux fluctuations de pression et de température élevées;
• longue durée de vie;
• poids léger.

Les assemblages brasés sont nettoyés sans démonter toute la structure.

Sur la base du calcul du type et de l'option d'installation de l'unité, il convient de distinguer deux types d'échangeurs de chaleur pour l'eau chaude de chauffage.

• Les échangeurs de chaleur internes sont situés dans les appareils de chauffage eux-mêmes - fours, chaudières et autres. Une installation de ce type vous permet d'obtenir une efficacité maximale pendant le fonctionnement des produits, car la perte de chaleur pour chauffer le boîtier sera minime. En règle générale, de tels dispositifs sont déjà intégrés à la chaudière au stade de la fabrication des chaudières. Cela facilite grandement l'installation et la mise en service, car il vous suffit d'ajuster le mode de fonctionnement requis de l'échangeur de chaleur.

• Les échangeurs de chaleur externes doivent être connectés séparément de la source de chaleur. De tels dispositifs sont pertinents pour une utilisation dans les cas où le fonctionnement de l'appareil dépend d'une source de chauffage à distance. Les maisons avec chauffage centralisé en sont un exemple. Dans ce mode de réalisation, l'unité domestique qui chauffe l'eau agit comme un dispositif externe.

Compte tenu du type de matériau à partir duquel les séparations sont faites, il convient de mettre en évidence les modèles suivants:

• échangeurs de chaleur en acier;
• dispositifs en fonte.

De plus, les systèmes brasés au cuivre se démarquent. Ils sont utilisés pour le chauffage urbain dans les immeubles à appartements.

Les caractéristiques suivantes doivent être considérées comme les caractéristiques des équipements en fonte:

• la matière première refroidit assez lentement, ce qui économise sur le fonctionnement de l'ensemble du système de chauffage;
• le matériau a une conductivité thermique élevée, tous les produits en fonte ont des propriétés inhérentes dans lesquelles il chauffe très rapidement et dégage de la chaleur vers d'autres éléments;
• la matière première est résistante à la formation de tartre sur la base, en outre, elle est plus résistante à la corrosion;
• en installant des sections supplémentaires, vous pouvez augmenter la puissance et la fonctionnalité de l'unité dans son ensemble;
• les produits de ce matériau peuvent être transportés en plusieurs parties, en le divisant en sections, ce qui facilite le processus de livraison, ainsi que l'installation et la maintenance de l'échangeur de chaleur.

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Comme tout autre produit, un tel appareil dépendant présente les inconvénients suivants:

• la fonte se distingue par sa faible résistance aux fortes fluctuations de température, de tels phénomènes peuvent entraîner la formation de fissures sur le dispositif, ce qui affectera négativement les performances de l'échangeur de chaleur;
• même ayant de grandes dimensions, les éléments en fonte sont très fragiles, par conséquent des dommages mécaniques, notamment lors du transport des produits, peuvent l'endommager gravement;
• le matériau est sujet à la corrosion sèche;
• la masse et les dimensions importantes de l'appareil compliquent parfois le développement et l'installation du système.

Les échangeurs de chaleur en acier pour l'alimentation en eau chaude se distinguent par les avantages suivants:

• conductivité thermique élevée;
• petite masse de produits. L'acier n'alourdit pas le système, c'est pourquoi de tels dispositifs sont la meilleure option lorsqu'un échangeur de chaleur est nécessaire, dont la tâche est de desservir une grande surface;
• les éléments en acier résistent aux contraintes mécaniques;
• l'échangeur de chaleur en acier ne réagit pas aux variations de température à l'intérieur de la structure;
• le matériau présente de bonnes caractéristiques d'élasticité, cependant, un contact prolongé avec un milieu fortement chauffé ou refroidi peut conduire à la formation de fissures dans la zone des soudures.

Les inconvénients des appareils comprennent les caractéristiques suivantes:

• susceptibilité à la corrosion électrochimique. Par conséquent, avec un contact constant avec un environnement agressif, la durée de vie de l'appareil sera considérablement réduite;
• les appareils n'ont pas la capacité d'augmenter l'efficacité du travail;
• l'unité en acier perd très rapidement de la chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la consommation de carburant pour un fonctionnement productif;
• faible niveau de maintenabilité. Il est presque impossible de réparer l'appareil de vos propres mains;
• l'assemblage final de l'échangeur de chaleur en acier est réalisé dans les conditions de l'atelier où il a été fabriqué. Les unités sont des blocs monolithiques de grandes tailles, en raison desquels il y a des difficultés avec leur livraison.

Certains fabricants, afin d'augmenter la qualité des échangeurs de chaleur en acier, recouvrent ses parois internes de fonte, augmentant ainsi la fiabilité de la structure.

Les échangeurs de chaleur modernes sont des unités dont le fonctionnement repose sur différents principes:

• irrigation;
• submersible;
• brasé;
• superficiel;
• pliant;
• lamellaire nervuré;
• mélange;
• shell-and-tube et autres.

Mais les échangeurs de chaleur à plaques pour l'alimentation en eau chaude et le chauffage diffèrent favorablement d'un certain nombre d'autres. Ce sont des appareils de chauffage à circulation. Les installations sont une série de plaques, entre lesquelles se forment deux canaux: chaud et froid. Ils sont séparés par un joint en acier et en caoutchouc, ce qui élimine le mélange des fluides.

Les plaques sont assemblées en un seul bloc. Ce facteur détermine la fonctionnalité de l'appareil. Les plaques sont de taille identique, mais situées à 180 degrés, ce qui explique la formation de cavités à travers lesquelles les liquides sont transportés. C'est ainsi que se forme l'alternance des canaux froids et chauds et un processus d'échange de chaleur se forme.

La recirculation dans ce type d'équipement est intensive. Les conditions dans lesquelles l'échangeur de chaleur pour les systèmes d'alimentation en eau chaude sera utilisé dépendent du matériau des joints, du nombre de plaques, de leur taille et de leur type. Les installations qui préparent de l'eau chaude sont équipées de deux circuits: l'un pour l'eau chaude sanitaire, l'autre pour le chauffage des locaux. Les machines à plaques sont sûres, productives et utilisées dans les domaines suivants:

• préparation d'un caloporteur dans les systèmes d'alimentation en eau chaude, de ventilation et de chauffage;
• refroidissement de produits alimentaires et d'huiles industrielles;
• alimentation en eau chaude pour les douches des entreprises;
• pour la préparation du caloporteur dans les systèmes de chauffage par le sol;
• pour la préparation d'un caloporteur dans les industries alimentaire, chimique et pharmaceutique;
• chauffage de l'eau de piscine et autres procédés d'échange de chaleur.

Calculs de recherche

Les calculs de recherche de TOA sont effectués sur la base des résultats obtenus des calculs thermiques et de vérification. En règle générale, ils sont tenus d'apporter les dernières modifications à la conception de l'appareil projeté. Ils sont également réalisés afin de corriger d'éventuelles équations posées dans le modèle de calcul implémenté TOA, obtenu de manière empirique (d'après des données expérimentales). Effectuer des calculs de recherche implique des dizaines, et parfois des centaines de calculs selon un plan spécial développé et mis en œuvre en production selon la théorie mathématique de la planification des expériences. Selon les résultats, l'influence de diverses conditions et grandeurs physiques sur les indicateurs de performance de 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 les contraintes, la torsion, pour appliquer les moments de fonctionnement maximum admissibles aux pièces et assemblages du futur échangeur de chaleur. Avec des dimensions minimales, le produit doit être durable, stable et garantir un fonctionnement sûr dans diverses conditions de fonctionnement, même les plus stressantes.

Un calcul dynamique est effectué afin de déterminer les différentes caractéristiques de l'échangeur de chaleur à des modes de fonctionnement variables.

Échangeurs de chaleur tube à tube

Considérons le calcul le plus simple d'un échangeur de chaleur pipe-in-pipe. Structurellement, ce type de TOA est simplifié au maximum. En règle générale, un réfrigérant chaud est introduit dans le tuyau intérieur de l'appareil pour minimiser les pertes, et un réfrigérant de refroidissement est lancé dans le boîtier ou dans le tuyau extérieur. 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 thermique et des diamètres donnés.

Il faut ajouter ici que le concept d'échangeur de chaleur idéal est introduit en thermodynamique, c'est-à-dire un appareil de longueur infinie, où les fluides de refroidissement travaillent à contre-courant, et la différence de température est pleinement déclenchée entre eux. La conception tube-dans-tube se rapproche le plus de ces exigences. Et si vous exécutez les liquides de refroidissement dans un contre-courant, alors ce sera le soi-disant "contre-courant réel" (et non le flux croisé, comme dans la plaque TOA). La tête de température est déclenchée le plus efficacement avec une telle organisation du mouvement. Cependant, lors du calcul d'un échangeur de chaleur tuyau-dans-tuyau, il faut être réaliste et ne pas oublier le composant 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 dérapage et à l'installation d'équipements de cette longueur.

Comment calculer l'échangeur de chaleur

Il est impératif de calculer l'échangeur de chaleur à serpentin, sinon sa puissance thermique risque de ne pas suffire à chauffer la pièce. Le système de chauffage est conçu pour compenser les pertes de chaleur. Par conséquent, nous ne pouvons connaître la quantité exacte d'énergie thermique requise qu'en fonction de la perte de chaleur du bâtiment. Il est assez difficile de faire un calcul, par conséquent, en moyenne, ils prennent 100 W pour 1 mètre carré avec une hauteur de plafond de 2,7 m.

Il doit y avoir un écart entre les virages.

De plus, les valeurs suivantes sont requises pour le calcul:

• Pi;
• le diamètre du tuyau disponible (prenez 10 mm);
• conductivité thermique lambda du métal (pour le cuivre 401 W / m * K);
• le delta de la température d'alimentation et de retour du liquide de refroidissement (20 degrés).

Pour déterminer la longueur du tuyau, vous devez diviser la puissance thermique totale en W par le produit des facteurs ci-dessus.Prenons l'exemple d'un échangeur de chaleur en cuivre d'une puissance thermique requise de 3 kW - soit 3000 W.

3000 / 3,14 (Pi) * 401 (conductivité thermique lambda) * 20 (delta de température) * 0,01 (diamètre du tuyau en mètres)

À partir de ce calcul, il s'avère que vous avez besoin de 11,91 m de tuyau en cuivre d'un diamètre de 10 mm pour que la puissance calorifique de la bobine soit de 3 kW.

Échangeurs de chaleur à calandre et à tubes

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 à 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 est acheminé dans la chemise et l'eau dans les tuyaux. Avec cette méthode de déplacement de supports, il est plus pratique et plus efficace de contrôler le fonctionnement de l'appareil. Dans les évaporateurs, au contraire, le réfrigérant bout dans les tubes, et en même temps ils sont lavés par le liquide refroidi (eau, saumures, glycols, etc.). Par conséquent, le calcul d'un échangeur de chaleur tubulaire se réduit à minimiser la taille de l'équipement. En jouant avec le diamètre de l'enveloppe, le diamètre et le nombre de tuyaux intérieurs et la longueur de l'appareil, l'ingénieur atteint la valeur calculée de la surface 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 également appelés bobines. Partout où ils ne sont pas installés, en commençant par des ventilo-convecteurs (de l'anglais fan + coil, c'est-à-dire "fan" + "coil") dans les blocs internes des systèmes split et se terminant par des récupérateurs géants le transférer pour les besoins de chauffage) dans les chaudières de CHP. C'est pourquoi la conception d'un échangeur de chaleur à serpentin dépend de l'application dans laquelle l'échangeur de chaleur sera mis en service. Les refroidisseurs d'air industriels (VOP), installés dans des chambres de surgélation de viande, dans des congélateurs à basse température et sur d'autres objets de réfrigération alimentaire, nécessitent certaines caractéristiques de conception dans leurs performances. La distance entre les lamelles (nervures) doit être aussi grande que possible pour 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 gardant l'espacement au minimum. De tels échangeurs de chaleur fonctionnent dans des "zones propres" entourées de filtres fins (jusqu'à la classe HEPA), par conséquent, un tel calcul de l'échangeur de chaleur tubulaire est effectué en mettant l'accent sur la minimisation de la taille.

Types d'échangeurs de chaleur à serpentin

Un sèche-serviettes est également un échangeur de chaleur à serpentin.

Vous pouvez fabriquer vous-même une bobine de différents modèles et de plusieurs types de métaux (acier, cuivre, aluminium, fonte). Les produits en aluminium et en fonte sont estampés dans les usines, car les conditions requises pour travailler avec ces métaux ne peuvent être atteintes que dans un environnement de production. Sans cela, il ne fonctionnera qu'avec de l'acier ou du cuivre. Il est préférable d'utiliser du cuivre car il est malléable et possède un degré élevé de conductivité thermique. Il existe deux schémas pour fabriquer une bobine:

• visser;
• parallèle.

Le schéma hélicoïdal implique l'emplacement des spires en spirale le long d'une ligne hélicoïdale. Le liquide de refroidissement dans de tels échangeurs de chaleur se déplace dans une direction. Si nécessaire, pour augmenter la puissance calorifique, plusieurs spirales peuvent être combinées selon le principe "pipe in pipe".

Pour minimiser au maximum les pertes de chaleur, vous devez choisir le type d'isolation le mieux adapté pour isoler la maison de l'extérieur. Cela dépend également du matériau des murs.

Il est nécessaire de faire le choix de l'isolation pour une maison en bois en fonction de la perméabilité à la vapeur de l'isolation thermique.

Dans un circuit parallèle, le liquide de refroidissement change constamment de sens de déplacement. Un tel échangeur de chaleur est constitué de tuyaux droits reliés par un coude à 180 degrés.Dans certains cas, par exemple, pour la fabrication d'un registre chauffant, les genoux pivotants peuvent ne pas être utilisés. Au lieu d'eux, un bypass direct est installé, qui peut être situé à la fois à une et aux deux extrémités du tuyau.

Méthodes de transfert de chaleur

Le principe de fonctionnement d'un échangeur de chaleur à serpentin est de chauffer une substance au détriment de la chaleur d'une autre. Ainsi, l'eau dans l'échangeur de chaleur peut être chauffée par une flamme nue. Dans ce cas, il agira comme un dissipateur thermique. Mais la bobine elle-même peut également servir de source de chaleur. Par exemple, lorsqu'un liquide de refroidissement s'écoule à travers les tubes, chauffé dans une chaudière ou au moyen d'un élément chauffant électrique intégré, et sa chaleur est transférée à l'eau du système de chauffage. Fondamentalement, le but ultime du transfert de chaleur est de chauffer l'air intérieur.

Échangeurs de chaleur à plaques

Actuellement, les échangeurs de chaleur à plaques sont en demande stable. Selon leur conception, ils sont entièrement pliables et semi-soudés, brasés au cuivre et brasés au nickel, soudés et brasés par la méthode de diffusion (sans soudure). La conception thermique d'un échangeur de chaleur à plaques est suffisamment flexible et pas particulièrement difficile pour un ingénieur. Dans le processus de sélection, vous pouvez jouer avec le type de plaques, la profondeur de poinçonnage des canaux, le type de nervure, l'épaisseur de l'acier, les différents matériaux et, surtout, de nombreux modèles de taille standard d'appareils de différentes dimensions. Ces échangeurs de chaleur sont bas et larges (pour le chauffage de l'eau à la vapeur) ou hauts et étroits (échangeurs de chaleur de séparation pour les systèmes de climatisation). Ils sont souvent utilisés pour les milieux à changement de phase, c'est-à-dire comme condenseurs, évaporateurs, désurchauffeurs, pré-condenseurs, etc. Il est un peu plus difficile de réaliser le calcul thermique d'un échangeur de chaleur fonctionnant selon un schéma biphasé que un échangeur de chaleur liquide-liquide, mais pour un ingénieur expérimenté, cette tâche est résoluble et pas particulièrement difficile. Pour faciliter ces calculs, les concepteurs modernes utilisent des bases informatiques d'ingénierie, sur lesquelles vous pouvez trouver de nombreuses informations nécessaires, y compris des diagrammes de l'état de tout réfrigérant dans n'importe quelle analyse, par exemple, le programme CoolPack.