Меню

Расчет теплового баланса оборудования



Базовые понятия теплообмена для расчета теплообменников

Когда проводится расчет теплообменников, используются базовые знания о законах теплообмена, открытые на сегодняшний день.

В частности используются такие понятия как удельная теплоемкость и теплосодержание (энтальпия), а также удельная теплота химических превращений (и фазовых превращений).

Под удельной теплоемкость понимается количество тепла, которое необходимо для нагрева одного килограмма вещества ровно на один градус. На основании данных о теплоемкости можно судить об интенсивности аккумулирования тепла.

При тепловых расчетах используются средняя теплоемкость, исчисляемую в заданном температурном интервале.

Под понятием удельной энтальпии понимается количество тепла, которое потребуется для нагрева одного килограмма от нуля до заданной температуры.

Под удельной теплотой химических превращений понимается то количество тепла, которое будет выделяться при химической трансформации одной единицы массы данного вещества.

Под удельной теплотой фазовых превращений понимается то количество тепла, которое будет поглощаться или выделяться при изменении агрегатного состояния единицы массы данного вещества.

Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса

При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.

При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.

Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.

Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле

Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.

При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.

Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.

Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под

подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.

Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула

Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.

Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников

Теплообмен осуществляется посредством трех основных видов теплопередачи. Это конвекция, теплопроводность и излучение.

При теплообменных процессах, которые протекают по принципам механизма теплопроводности передача тепла происходит как перенос энергии упругих колебаний молекул и атомов. Данная энергия переходит от одних атомов к другим в направлении уменьшения.

При проведении расчетов параметров передачи тепла по принципу теплопроводности используется закон Фурье:.

Для вычисления количества тепла используются данные о времени прохождения потока, площади поверхности, градиенте температуры, а также о коэффициенте теплопроводности. Под градиентом температуры понимается ее изменение в направлении теплопередачи на одну единицу длины.

Под коэффициентом теплопроводности понимается скорость теплообмена, то есть то количество тепла, которое проходит через одну единицу поверхности в единицу времени.

При любых тепловых расчетах учитывается, что самый большой коэффициент теплопроводности имеют металлы. Различные твердые тела имеют гораздо меньший коэффициент. А у жидкостей этот показатель, как правило, ниже, чем у любого из твердых тел.

При расчете теплообменников, где передача тепла от одной среды к другой идет через стенку, также используется уравнение Фурье для получения данных о количестве передаваемого тепла. Оно вычисляется как количество тепла, которое проходит через плоскость с бесконечно малой толщиной:

Если проинтегрировать показатели температурных изменений по толщине стенки, получится

Источник

Расчет теплового баланса

В последнее время сложилась устойчивая тенденция к росту применения частотных преобразователей на промышленных предприятиях, в области энергетики, нефтегазовой отрасли, коммунальном хозяйстве и т.д. Это связано с тем, что частотное регулирование электропривода позволяет значительно cэкономить электроэнергию и другие производственные ресурсы, обеспечивает автоматизацию технологических процессов, повышает надёжность функционирования системы в целом. Преобразователи частоты используются как в новых проектах, так и при модернизации производства. Широкий диапазон мощностей и различные варианты систем управления позволяют подобрать решение практически для любой задачи.

Однако при всех явных преимуществах частотных преобразователей у них есть особенности, которые ни сколько не умаляя их достоинств, тем не менее, требуют дополнительного применения специальных устройств. Этими устройствами являются входные и выходные фильтры и дроссели.

Рис.1. Применение входных и выходных фильтров в схемах с частотным преобразователем.

Электроприводы являются хорошо известным источником помех. Входные фильтры призваны минимизировать наводки и помехи как в электронном оборудовании, так и от него, что позволяет обеспечить требования по электромагнитной совместимости. Задача уменьшения влияния на электросеть гармонических искажений, возникающих при работе преобразователей частоты, решается установкой линейных дросселей перед преобразователями частоты и дросселей постоянного тока. Сетевой дроссель на входе преобразователя частоты снижает также влияние перекоса фаз питающего напряжения.

Выходные фильтры используются для защиты изоляции, снижения акустического шума двигателя и высокочастотных электромагнитных помех в кабеле двигателя, подшипниковых токов и напряжения на валу, увеличивая тем самым срок службы двигателя и периоды техобслуживания. К выходным фильтрам относятся фильтры dU/dt и синусные фильтры.

Стоит отметить, что синусные фильтры могут использоваться с частотой коммутации выше номинального значения, но их нельзя применять, если частота коммутации ниже номинального значения более чем на 20 %. Фильтры dU/dt же могут использоваться с частотой коммутации ниже номинального значения, но следует избегать их использования с частотой коммутации выше номинального значения, поскольку это вызовет перегрев фильтра.

В связи с тем, что фильтры/дроссели должны располагаться как можно ближе к частотному преобразователю, они помещаются, как правило, вместе с ним в одном силовом шкафу, где также размещаются остальные элементы коммутации и управления.

Рис.2. Шкаф с частотным преобразователем, фильтрами и коммутационными устройствами.

При этом необходимо понимать, что мощные силовые фильтры и дроссели при работе выделяют значительное количество тепла (нагревается как сердечник, так и обмотка). В зависимости от типа фильтра потери могут достигать нескольких процентов от мощности нагрузки. Например, трехфазный линейный дроссель SKY3TLT100-0,3 производства чешской компании Skybergtech в сети 380 вольт имеет падение напряжения 4%, что при рабочем токе 100А создает мощность потерь 210 Вт. Мощность электродвигателя при таком токе будет примерно 55кВт, т.е. абсолютная потеря мощности на дросселе будет небольшая, менее 0,5%. Но так как эта мощность потерь выделяется в закрытом шкафу, то необходимо принимать специальные меры для отвода тепла.

Количество выделяемого тепла, как правило, пропорционально мощности, но зависит также и от конструктивных особенностей моточного элемента. Синусные фильтры будут выделять большее количество тепла чем, к примеру, фильтры dU/dt, так как в них установлены дроссели и конденсаторы большего номинала, позволяющие обеспечить более эффективное сглаживание и подавление высоких частот. Значительные потери вносит активное сопротивление обмотки. Часто производители в целях экономии используют обмоточный провод меньшего сечения, иногда изготовленный не из меди, а из алюминия. На теплограмме (Рис.3) показаны 2 синусных фильтра одинаковой мощности, но разных производителей. Оба фильтра имеют одинаковую мощность потерь, но хорошо видно, что у фильтра слева больше нагреваются обмотки, а у фильтра справа сердечник. Естественно, что при прочих равных условиях фильтр справа прослужит дольше фильтра слева, т.к. перегрев обмотки гораздо больше влияет на долговечность фильтра из-за увеличения токов утечки по причине появления микротрещин в изоляции обмоток.

Рис.3 Теплограмма синусных фильтров разных производителей.

Надо также отметить, что использование различных материалов сердечника также сильно влияет на мощность потерь, то есть на тепловыделение. Особенно сильно это сказывается при наличии в цепи высокочастотных помех. Так чешский производитель Skybergtech производит два типа фильтров с одинаковыми параметрами SKY3FSM110-400E и SKY3FSM110-400EL-Rev.A. Во второй модели фильтра используется сердечник из более качественного материала, за счет чего мощность потерь снижена примерно на 10%. Следует отметить, что стоимость фильтра с лучшими тепловыми параметрами почти на 80% выше стоимости аналога. Поэтому при выборе фильтра надо обращать внимание и на экономический фактор.

Значительный нагрев силовых фильтров при номинальной мощности может быть в пределах допусков производителя, но тем не менее должен учитываться наряду с тепловыделением преобразователи частоты (ПЧ) при расчёте теплового баланса силового шкафа. Современные ПЧ имеют КПД на уровне 97-98% и, как правило, являются основным источником тепловыделения в шкафу, но далеко не единственным. Помимо ПЧ тепло выделяют помехоподавляющий фильтр, входной дроссель, моторный дроссель или синусный фильтр, контакторы и даже двигатель вентилятора охлаждения. Таким образом, недостаточно в расчётах необходимого потока обдува опираться только на тепловыделение самого инвертора.

Несоблюдение температурного режима может привести к неприятным, а иногда и очень серьёзным последствиям — от сокращения срока службы оборудования до его возгорания. Поэтому поддержание оптимальной температуры в шкафах с оборудованием является важнейшей задачей. Есть много способов решения этой проблемы: использование шкафа другого объёма, применение принудительного обдува, специальных теплообменников (в том числе с использованием жидкостного охлаждения) и кондиционеров воздуха. В этой статье мы остановимся на особенностях расчета классического принудительного воздушного охлаждения.

У производителей силовых шкафов есть специальные средства расчёта теплового режима (к примеру, программа ProClima от SchneiderElectric или ПО RittalPower Engineering от RittalTherm). Они позволяют учесть тепловыделение всех элементов шкафа, включая автоматические выключатели, контакторы и пр. Учитывается при этом конструкция шкафа, его размеры и размещение относительно других шкафов.

Созданы эти программы для расчёта теплового режима конкретных шкафов данного производителя, т.к. учитывают их конструктивные особенности, материал и т.д. Тем не менее, используя эти программы, вполне возможно произвести примерный расчёт и для произвольного шкафа, если знать определённые исходные параметры.

Читайте также:  Телефоны магазина газового оборудования в иванове

Учитывать при этом надо как источники тепловыделения (потери мощности оборудования),так и площадь оболочки (поверхность шкафа). Должны быть известны данные по потерям мощности для всех встроенных устройств, размеры коммутационного шкафа. Необходимо задать также значения минимальной/максимальной температуры снаружи шкафа, влажность и высоту над уровнем моря (нужна будет для определения необходимой производительности потока воздуха). Относительная влажность используется для определения точки росы – температуры, ниже которой начинается образование конденсата. На неё надо ориентироваться при определении минимально допустимой температуры в шкафу (Рис.4).

Рис.4 Таблица определения точки росы

Цель расчёта — определение необходимости принудительного обдува/охлаждения/обогрева, при котором рассчитанная по потерям мощности внутренняя температура будет находиться в пределах максимально/минимально допустимых рабочих температур для устройств в шкафу.

Расчёт теплового баланса силового шкафа с частотными преобразователями состоит из нескольких этапов. На первом этапе необходимо рассчитать эффективную площадь поверхности теплообмена Se. Поверхность шкафа контактирует с окружающей средой, температура которой отличается от температуры внутри шкафа. Эффективная площадь теплообмена Se зависит от геометрических размеров и расположения шкафа, коэффициент для каждого элемента поверхности выбирается по таблице (Рис.5),в соответствии со стандартом МЭК 60890.

Рис.5.Таблица выбора коэффициента b для определения эффективной площади оболочки

Общая эффективная площадь оболочки равна:

Se=S(S0 x b)

На втором этапе рассчитывается мощность тепловых потерь, выделяемых оборудованием внутри шкафа. Тепловая мощность шкафа определяется как сумма потерь мощности отдельных элементов, установленных в шкафу.

Тепловые потери отдельного установленного оборудования можно уточнить по их электрическим характеристикам. Для оборудования и проводников с неполной нагрузкой можно определить потери мощности по следующей формуле:

Q=Qn x (Ib/In) 2 , где

Q– потери активной мощности;

Qn– потери номинальной мощности (при In);

Ib – действительное значение тока;

In – номинальный ток.

Далее с учётом известных значений температур окружающей среды (Temin, Temax) можно найти максимальные и минимальные значения температуры внутри шкафа:

Ti max (°C) =Q/(К x Se) + Te max

Ti min (°C) =Q/(К x Se) + Te min, где

К — постоянная, учитывающая материал оболочки. Для некоторых распространённых материалов, использующихся для изготовления шкафов, она будет иметь следующие значения:

К = 12 Вт/ м 2 /°C для оболочки из алюминия

К = 5,5 Вт/ м 2 /°C для оболочки из окрашенного металла;

К = 3,7 Вт/ м 2 /°C для оболочки из нержавеющей стали;

К= 3,5 Вт/ м 2 /°C для оболочки из полиэфира.

Обозначим требуемые значения температур внутри шкафа как Tsmin и Tsmax.

Далее принимаем решение о выборе необходимой системы поддержания микроклимата:

1) Если максимальное расчётное значение температуры превышает заданное (Timax>Tsmax),то необходимо предусмотреть систему принудительной вентиляции, теплообменник или кондиционер воздуха; мощность системы можно определить из выражения:

Pохлаждения= Q – K x Se x (Ts max – Te max)

Отсюда, необходимый поток воздуха можно рассчитать:

V (м 3 /ч) =f x Pохлаждения/(Ts max – Te max),где

f — поправочный коэффициент (коэффициент f = Сp х ρ, произведение удельной теплоемкости и плотности воздуха на уровне моря). Для различных высот над уровнем моря коэффициент f имеет следующие значения:

от 0 до 100 м f = 3,1

от 100 до 250 м f = 3,2

от 250 до 500 м f = 3,3

от 500 до 350 м f = 3,4

от 750 до 1000 м f = 3,5

2) Если максимальное расчётное значение температуры менее заданного максимального (Timax Ts min),то системы поддержания микроклимата не требуется.

При расчете воздушного потока, создаваемого вентилятором, необходимо учитывать потери нагрузки, вызванные выпускными компонентами (воздухораспределительная решетка и фильтр, наличие или отсутствие вентиляционной решетки).

При проектировании должно быть обеспечено равномерное распределение потерь мощности внутри оболочки (шкафа),а расположение встроенного оборудования не должно препятствовать циркуляции воздуха. Несоблюдение этих правил потребует проведения более сложных тепловых расчётов для исключения вероятности локальных перегревов и эффекта байпаса. Комплектующие элементы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы действующий ток цепей НКУ не превышал 80% номинального тока In устройств.

Рассмотрим расчёт теплового баланса на конкретном примере.

Исходные данные: Имеем шкаф из окрашенной листовой стали высотой 2м, шириной 1м и глубиной 0,6м, стоящий в ряду. В шкафу установлены 2 частотных преобразователя, два сетевых фильтра и два выходных синусных фильтра, а также элементы коммутации, но ввиду их малой рассеиваемой мощности по отношению к указанному оборудованию мы ими можем пренебречь. Окружающая температура в помещении может изменяться от -10 до +32°C. Относительная влажность 70%. Допустимая максимальная температура внутри шкафа +40°C. Минимальная допустимая температура в шкафу во избежание образования конденсата должна быть не менее точки росы, т.е. в нашем случае 26°C (Рис.4)

В соответствии с таблицей (Рис.5) общая эффективная площадь оболочки будет равна:

Se=SS0 x b=1,4(1х0,6)+0,5(2х0,6)+0,5(2х0,6)+0,9(2х1)+0,9(2х1)= 5,64 м 2

На основании известной рассеиваемой мощности отдельных элементов оборудования, находим её суммарное значение. Для частотного преобразователя, КПД которого составляет 97-98 %, за рассеиваемую мощность принимаем 3% от заявленной паспортной мощности. Так как при проектировании учитывается, что максимальная нагрузка не должна превышать 80% от номинального значения, то применим для коррекции суммарной тепловой мощности коэффициент 0,8:

Далее с учётом известных значений температур окружающей среды (Te min, Te max) находим максимальные и минимальные значения температуры внутри шкафа без охлаждения:

Ti max (°C) =3600/(5,5 x5,64) + 32=148,05°C

Ti min (°C) =3600/(5,5 x5,64)- 10=106,05 °C

Поскольку максимальное расчётное значение температуры значительно превышает заданное (148,05°C > 40°C),то необходимо предусмотреть принудительную вентиляцию, мощность которой будет равна:

Pохлаждения= 3600 – 5,5×5,64 x (40 – 32)= 3351,84 Вт

Теперь мы можем посчитать необходимую производительность обдува. Для учёта потерь нагрузки, вызванных выпускными компонентами (воздухораспределительная решетка, фильтр),заложим запас 20%. В итоге получаем, что для поддержания температурного баланса шкафа в рамках заданных значений необходим поток воздуха производительностью:

V=3,1x 3351,84 /( 40 – 32)= 1298,8x 1,2 = 1558,6 м 3 /ч

Обеспечить такой поток воздуха можно установкой нескольких вентиляторов, поток воздуха от которых суммируется. Можно использовать, к примеру, вентиляторы Sunon A2179HBT-TC. Однако при этом следует также учесть падение производительности при наличии сопротивления потоку от установленных элементов шкафа. С учётом этого фактора в нашем случае можно будет установить 2 вентилятора W2E208-BA20-01 EBM-PAPST либо 4 вентилятора A2179HBT-TC от производителя Sunon. При выборе количества и места установки вентиляторов следует учитывать, что последовательное их включение увеличивает статическое давление, а параллельное — воздушный поток.

Принудительное воздушное охлаждение может быть реализовано вытяжкой нагретого воздуха (вентилятор установлен на выходе) из объёма шкафа или нагнетанием холодного воздуха (вентилятор на входе). Выбор необходимого метода лучше делать ещё на начальном этапе проектирования. У каждого из этих методов есть свои плюсы и минусы. Нагнетание воздуха позволяет обеспечить более эффективный обдув наиболее нагретых элементов, если те будут правильно расположены и попадут в основную струю воздуха. Усиление турбулентности потока позволяет увеличить общий отвод тепла. К тому же создаваемое нагнетанием избыточное давление не позволяет пыли проникнуть внутрь корпуса. У вытяжной же вентиляции из-за пониженного давления в объёме шкафа пыль втягивается внутрь через все щели и отверстия. Увеличивается при расположении вентилятора на входе и его собственный ресурс, так как работает он при этом в струе холодного входного воздуха. Однако при размещении вентилятора на выпускной стороне тепло от работы самого вентилятора сразу отводится наружу и не влияет на работу оборудования. К тому же, за счёт создающегося при вытяжной вентиляции небольшого разрежения, подсос воздуха осуществляется не только через основное отверстие впуска, но и через другие вспомогательные отверстия. При их оптимальном расположении вблизи источников тепла обеспечивается лучшее управление потоком.

При установке вентиляторов на входе рекомендуется их размещать в нижней части оболочки. Воздуховыпускную решетку, через которую удаляется нагретый воздух, при этом следует разместить в верхней части шкафа. Воздуховыпускная решетка должна обладать необходимой степенью защиты, при которой обеспечивается нормальная работа электроустановки. Следует при этом учесть, что установка выпускного фильтра того же размера, что и вентилятора, уменьшает реальную производительность вентилятора на 25-30%. Поэтому размер выпускного отверстия с фильтром должен быть больше размера входного отверстия с вентилятором.

При установке вентилятора на выходе они размещаются в верхней части шкафа. Впускные отверстия для воздуха при этом располагаются внизу и, дополнительно, вблизи источников наиболее интенсивного тепловыделения, что облегчает их охлаждение.

Добавим, что выбор необходимого метода обдува, остаётся за проектировщиками, которые с учётом всех вышеприведённых факторов, требуемой степени защиты IP и особенностей оборудования должны выбрать наиболее подходящий. Важность же обеспечения оптимальной температуры в шкафах с оборудованием бесспорна. Приведённая методика расчёта, опирающаяся на методы, предлагаемые разработчиками шкафов Schnaider Electric, Rittal в соответствии с МЭК 60890 допускает некоторые упрощения, использование эмпирических значений, но позволяет при этом с достаточной достоверностью осуществить практический расчёт системы поддержания оптимального теплового баланса силовых шкафов с частотными преобразователями и силовыми фильтрами.

На нашем сайте представлен большой ассортимент вентиляторов и аксессуаров для создания систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, телекоммуникационных шкафов, бытовой техники и прочего оборудования.

Авторы: Руслан Черекбашев, Виталий Хаймин

1. Хаймин В., Бахарь Е. Фильтры и дроссели компании Skybergtech // Силовая электроника. 2014. № 3.

2. IEC/TR 60890(2014) Узлы комплектного распределительного устройства низкого напряжения. Метод верификации повышения температуры с помощью расчета

3. Каталог Sarel. Регулирование температуры в распределительных щитах. www.schneider-electric.ru

4. Правили создания НКУ согласно ГОСТ Р МЭК 61439. Техническая библиотека Rittal.

5. Охлаждение распределительных шкафов и процессов. Техническая библиотека Rittal 2013.

6. Вихарев Л. Как нужно работать, чтобы не сгореть на работе. Или кратко о методах и системах охлаждения полупроводниковых приборов. Часть вторая // Силовая электроника. 2006. № 1.

Читайте также:  Газовое оборудование баллон редуктор

Извините, по вашему запросу ничего не найдено.

Пожалуйста, оформите форму заявки на подбор элементов. Наш менеджер свяжется с вами и предложит наиболее подходящий вариант.

Источник

Расчёт систем кондиционирования и вентиляции.

Тепловой баланс помещения

Расчёт системы кондиционирования и вентиляции начинается с составления теплового баланса помещения. На данном этапе необходимо учесть основные критерии, оказывающие непосредственное воздействие на воздушную среду помещения.

Определим все поступления и потери тепла в объёме помещения. Тепловые нагрузки можно условно разделить на два основных типа:

1) Внешние тепловые нагрузки.

— Изменение состояния воздуха внутри помещения, возникающее из-за разности температур уличного воздуха и внутреннего. Данные изменения могут носить как положительный характер (теплопоступления), так и отрицательный (теплопотери). Происходит это за счёт теплообмена через ограждающие конструкции (окна, стены, полы, кровля, перекрытия и т.д.)

— Поступление тепла за счёт солнечного излучения. Данный вид нагрузок всегда только положительный и выражается в виде ощутимого человеком тепла. Такие теплопоступления должны быть учтены в летний период года. В зимний период их можно принять незначительными. Также стоит учесть, что есть они только в дневное время.

— Приток наружного воздуха за счёт естественного теплообмена. В общем случае, конструкции помещений таковы, что всегда остаётся возможность притока воздуха через щели и зазоры. Данный вид нагрузок носит переменный характер. Зимой это приток воздуха с отрицательной температурой, летом – наоборот.

2) Внутренние тепловые нагрузки.

— Тепловыделения от технологического оборудования и бытовых приборов ( компьютеры, печи, промышленное оборудование и пр.), расположенных внутри помещения.

— Тепловыделения от ламп освещения. Данный тип тепловыделений стоит не учитывать, если установлены энергосберегающие лампы или светодиодные.

— Теплопоступления от людей в помещении.

— Специфичные источники тепла для данного помещения (производственные линии, продукты горения и т.д, от остывающей пищи).

Нагрузки второго типа всегда положительны, поэтому летом их нужно компенсировать работой системы кондиционирования. В зимний же период они позволят снизить затраты на работу системы отопления.

Теплопоступления и теплопотери за счёт разности температур наружного и внутреннего воздуха, в первом приближении, можно определить по известным зависимостям, изложенным в СП 50.13320.2013 и СП 60.13330.2016.

Количество тепла Q, передаваемое через единичный элемент конструкции здания (стена, окно, пол и т.д.), определяется по формуле:
Q=F*k*(tн-tв)*Ψ, где

F – площадь элемента конструкции м^2;
K – коэффициент теплопередачи элемента конструкции (Вт/м*K);
tв — расчётная температура внутреннего воздуха, С;
tн — расчётная температура наружного воздуха, С;
Ψ – поправочный коэффициент, который выбирается согласно СП 50.13320.2013 и СП 60.13330.2016. Данный коэффициент является составным и включает в себя

— поправку на ориентацию ограждения на сторону света;
— поправка на этажность;
— поправка на обдуваемость ветром;
— поправка на проникновение в помещение наружного воздуха через неплотности;
— поправка на солнечную радиацию.

Важным фактором является цвет наружных стен, т.к. коэффициент поглощения тепла наружных стен может достигать 0,9 для тёмных оттенков.
Важным элементом теплового баланса является приток тепла от солнечного излучения. Для зданий с стеклянными витражами (бизнес-центры, шоу-румы, и т.д.) тепловая нагрузка солнечного излучения может составлять до 50% всего теплового баланса помещения.

Поступления тепла учитываются для летних и переходных периодов с средней дневной температурой от +10 С.
Количество теплоты (Вт/м2*ч) поступающего от солнечной радиации для различных типов остеклённых поверхностей приведены в нижеследующих таблицах:

За искомое значение тепла от солнечного излучения принимают большее из:

1) Тепло, поступающее через одну из остеклённых поверхностей, имеющую наибольшую площадь или освещаемую большую часть времени в течение суток.
2) 70% от тепла, поступающего через две взаимно перпендикулярные остеклённые поверхности в помещении.

Как не трудно заметить, приведённые выше правила требуют больших трудозатрат. В практике проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха существует отработанная экспресс-методика расчёта теплового баланса. Она подходит для случаев, когда необходимо быстро оценить мощность системы кондиционирования.

Теплопоступления от разности температур внутреннего и наружного воздуха, а также от солнечной радиации принято рассчитывать согласно формуле

V – объём помещения м3;
qуд – удельная тепловая нагрузка, выбираемая из следующего списка:

30-35 Вт/м3 – солнечное излучение в помещение не поступает;
35 Вт/м3 – среднее значение;
35-40 Вт/м3 – конструкция помещения содержит большое остекление с солнечной стороны.

Теплопоступления Q2 от работающего офисного оборудования и орг. техники принимаются как 300 Вт на один компьютер (или 30 % от общей мощности работающего в помещении оборудования). Если в помещении есть доп. тепловыделяющее оборудование (электроплиты, газовые плиты, радиаторы отопления), эти теплопоступления также необходимо учесть.

Теплопоступления Q3 от находящихся в помещении людей выбираются в зависимости от характера деятельности людей. Для офисных помещений Q3 рассчитывают исходя из 100 Вт на одного человека. Для помещений, где люди занимаются физической деятельностью теплоприток на одного человека принимают за 150-300 Вт в зависимости от категории работ согласно СП.

Суммируем полученные величины: Qобщ= Q1+Q2+Q3.

К этой сумме нужно прибавить 20% на неучтённые теплопритоки.

Источник

Расчет теплообменника: методика, пример + ВИДЕО

В этой статье мы рассмотрим теорию расчета теплообменника пластинчатого типа:

  • Базовые понятия
  • Методы составления теплового баланса
  • Механизмы теплопередачи
  • Конвекционный механизм передачи тепла
  • Коэффициент теплоотдачи
  • Расчет средней разности температур
  • Пример расчета оборудования
  • Видео «Как рассчитать теплообменник?»
  • Онлайн калькулятор

Базовые понятия теплообмена для расчета

Расчет теплообменников производится при использовании базовой информации о теплообменных законах.

В этой статье рассмотрим некоторые понятия, применяемые при таких расчетах.

  • Удельная теплоемкость является количеством теплоэнергии, требуемой для того чтобы нагреть 1 килограмм вещества на 1 градус Цельсия. На основании сведений о теплоемкости показывается то, насколько сильно аккумулируется тепло. Для расчетов теплоэнергии берется среднее значение теплоемкости в определенном интервале температурных показателей.
  • Количество теплоэнергии, нужное для того чтобы нагреть 1 кг вещества от нулевой до требуемой температуры, называется удельной энтальпией.
  • Удельная теплота химических превращений является количеством теплоэнергии, выделяемой в процессе химической трансформации какой-либо единицы веса вещества.
  • Удельная теплота фазовых превращений определяет количество тепловой энергии, поглощаемое или выделяемое при превращении какой-либо единицы массы вещества из твердого в жидкое, из жидкого в газообразное агрегатное состояние и т.д.

Онлайн калькулятор расчета теплообменнника от компании ООО «Тепло Профи» поможет получить решение через 15 минут. Или вы можете воспользоваться теорией для теплообменника пластинчатого типа, которая изложена ниже в этой статье, и произвести необходимые расчеты самостоятельно.

Методы составления теплового баланса

Тепловой баланс может быть составлен внешним или внутренним методом. Первый связан с использованием величин удельных энтальпий, второй – с использованием величин теплоемкостей.

Для расчета тепловой нагрузки при внутреннем методе применяются различные формулы, что зависит от того, каким образом происходит протекание теплообменных процессов.

Если при теплообменном процессе не используются никакие превращения, а соответственно тепловые выделения или поглощения, рассчитать тепловую нагрузку можно за следующей формулой

Если при теплообменном процессе конденсируется пара или испаряется жидкость, протекают определенные химические реакции, тепловой баланс вычисляется по следующей формуле

Основанием для расчета теплового баланса в случае применения внешнего метода выступает факт поступления или выхода равного количества энергии в теплообменное устройство за определенную единицу времени. Внутренний метод отличается от внешнего тем, что при первом используются данные о процессах теплообмена, а при втором – данные внешних показателей.

Тепловой баланс по внешнему методу вычисляется таким образом:

Величина Q1 определяет количество энергии, поступающей в устройство и выходящей из него за единицу времени.

Для установления количества тепловой энергии, передающегося между различными средами, необходимо вычислить разницу энтальпий с использованием формулы

Теплообменный процесс может происходить и с использованием определенных химических или фазовых превращений. При этом количество тепловой энергии вычисляется за формулой

Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников

Тремя основными видами для осуществления теплообмена являются конвекция, теплопроводность и излучение.

При теплообменных процессах, протекающих в соответствии с принципами механизма теплопроводности, теплоэнергия передается в виде переноса энергии упругих атомных и молекулярных колебаний. Переход данной энергии между разными атомами производится в направлении к снижению.

Расчет характеристик передачи тепловой энергии по принципу теплопроводности осуществляется по закону Фурье

Данные поверхностной площади, коэффициенте теплопроводности, температурном градиенте, периоде прохождения потока применяются для вычисления количества теплоэнергии. Понятием температурного градиента определяется изменение температуры в направлении теплопередачи на ту или иную единицу длины.

Коэффициент теплопроводности является скоростью теплообменного процесса, т.е. количеством тепловой энергии, проходящей через какую-либо единицу поверхности в единицу времени.

Как известно, металлы характеризуются наибольшим коэффициентом теплопроводности относительно других материалов, что обязательно должно учитываться при каких-либо расчетах теплообменных процессов. Что касается жидкостей, то они, как правило, имеют относительно меньший коэффициент теплопроводности по сравнению с телами в твердом агрегатном состоянии.

Вычислить количество передаваемой тепловой энергии для расчета теплообменников, при которых теплоэнергия передается между различными средами через стенку, можно с использованием уравнения Фурье. Она определяется как количество теплоэнергии, проходящей через плоскость, которая характеризуется очень малой толщиной:

После выполнения некоторых математических операций получаем следующую формулу

Можно сделать вывод, что падение температуры внутри стенки производится в соответствии с законом прямой линии.

Конвекционный механизм передачи тепла

Конвекция является еще одним способом передачи теплоэнергии. Она представляет собой передачу энергии объемами среды посредством их взаимного перемещения. Теплопередачей при этом называется передача теплоэнергии между рабочей средой и стенкой. Определение количества передаваемой тепловой энергии связано с использованием закона Ньютона

,где a является коэффициентом теплоотдачи.

При турбулентном движении среды на изменение данного коэффициента влияют величины:

  • физические характеристики теплоемкости, плотности и иной текучей среды;
  • условия, при которых теплоотдающая поверхность омывается жидким или газообразным веществом;
  • условия, которыми ограничивается поток, такие как длина, поверхностные шероховатости и др.
Читайте также:  Современное оборудование для перемещения пациентов

Итак, коэффициент теплоотдачи является функцией некоторых величин, что можно увидеть по следующей формуле

Благодаря методу анализа размерностей может быть выведена взаимосвязь критериев подобия, которыми характеризуется теплоотдача при турбулентном движении потока в различной по форме трубах.

Для вычисления этой связи используется такая формула

Коэффициент теплоотдачи в расчете теплообменников

В химической технологии часто можно встретить случаи обмена теплом между 2-мя текучими средами через разделяющую стенку. Процесс теплообмена проходит в три этапа. Поток теплоэнергии для установившегося процесса характеризуется неизменностью.

Сначала рассчитывается тепловой поток, проходящий от одной среды к стенке, затем через стенку поверхности, передающей тепло, а после этого от стенки к другой рабочей среде.

Таким образом, расчеты проводятся с помощью трех формул

Результатом решения уравнений является формула

Расчет средней разности температур

Поверхность теплообмена рассчитывается при определении требуемого количества теплоэнергии посредством теплового баланса.

Расчет требуемой теплообменной поверхности осуществляется с использованием той же формулы, что и при расчетах, осуществляемых раннее:

Температура рабочих сред, как правило, изменяется при протекании процессов, связанных с теплообменом. То есть будет фиксироваться изменение разности температур вдоль теплообменной поверхности. Следовательно, рассчитывается средняя разница температур. Вследствие нелинейности изменения температур осуществляется расчет логарифмической разности

Противоточное движение рабочих сред отличается от прямоточного тем, что требуемая площадь теплообменной поверхности в данном случае должна быть меньше. Для вычисления разности температурных показателей при использовании в одном и том же ходу теплообменника и противоточного, и прямоточного потоков используется следующая формула

Основная цель проведения расчета заключается в вычислении требуемой площади теплообменной поверхности. Тепловая мощность задается в техническом задании, но в нашем примере мы произведем и ее расчет с той целью, чтобы проверить само техзадание. В некоторых случаях бывает и так, что в исходной информации может оказаться ошибка. Нахождение и исправление такой ошибки является одной из задач грамотного инженера. Использование подобного подхода очень часто связано со строительство небоскрёбов с целью разгрузки оборудования по давлению.

Пример расчета теплообменника

Для расчета требуемой мощности ( Q0) используется формула теплового баланса. Здесь Ср выступает в качестве удельной теплоёмкости (табличного значения). Чтобы упростить расчеты, можно взять приведённый уровень теплоемкости

Следует учитывать, что в соответствии с формулой, вне зависимости от стороны, по которой проводится расчет.

Далее необходимо найти требуемую поверхностную площадь, исходя из основного уравнения теплопередачи, где k является коэффициентом теплопередачи, а ΔТср.лог. – среднелогарифмическим температурным напором, вычисляемым по формуле:

При неопределенном коэффициенте теплопередачи теплообменник пластинчатого типа рассчитывается более сложным методом. По формуле можно вычислить критерий Рейнольдса.

Найдя в таблице значение критерия Прандтля, которое нам необходимо, можно вычислить критерий Нуссельта формулы, где n = 0,3 – при охлаждении жидкости, n = 0,4 – при нагреве жидкости.

Далее на основании формулы можно вычислить коэффициент теплоотдачи от любого теплоносителя к стенке, а в соответствии с формулой определить коэффициент теплопередачи, подставляемый в формулу, с помощью которого вычисляется площадь поверхности теплообмена.

Источник

Расчет теплового баланса в электротехническом шкафу

Расчет теплового баланса в электротехническом шкафу17.07.2017

Для продолжительной и бесперебойной работы электронного оборудования внутри электротехнического шкафа следует обеспечить надлежащий микроклимат внутри него, то есть постоянно поддерживать тепловой баланс.

Учитывая возможные расходы электроэнергии по поддержанию климата, температура воздуха в +35 о С будет идеальным значением для устройств внутри шкафа. Ниже рассмотрим расчет мощности климатического оборудования, в том числе и на типичных примерах.

Общее уравнение для расчета баланса температуры выглядит так:

Pk = PvPr [Ватт], где

Pk [Ватт] — мощность устройства охлаждения/нагрева.

Pv [Ватт] — потеря тепла от рассеивания.

Pr [Ватт] — теплоизлучение/теплоотдача.

Потеря тепла от рассеивания — тепловая энергия, образующаяся внутри шкафа за счет нагревания работающих приборов.

Чтобы узнать данную величину, следует заглянуть в технические характеристики установленного оборудования, в некоторых из них дано значение тепловых потерь. Для остальных устройств следует принять потери, составляющие примерно 10% от общей мощности потребления (её также можно найти в технических характеристиках). Нужно знать КПД и степень нагрузки для более точного расчета тепловой потери отдельного электротехнического компонента.

К примеру, если КПД частотного преобразователя составляет 95%, то условно 5% от его мощности потребления уходит на нагрев. Если же во время работы этот преобразователь работает на 70% от своего номинала, то мощность его тепловых потерь составит

70 · 5 / 100 % = 3,5 %

Таким образом, тепловая мощность шкафа будет равна сумме тепловых потерь всех устройств установленных в нём.

Теплоизлучение/телоотдача — теплоотдача через корпус электротехнического шкафа (не учитывая коэффициент изоляции). Теплоотдача шкафа рассчитывается по формуле ниже и измеряется в Ваттах:

Pr = k · A · ∆T [Ватт], где

k [Вт/м 2 K] — коэффициент теплоотдачи.

A [м 2 ] — эффективная площадь электротехнического шкафа.

∆T [K] — разница температур воздуха внутри и снаружи шкафа.

Коэффициент теплоотдачи — мощность излучения на 1 м2 площади поверхности. Является постоянной величиной и зависит от материала:

Коэффициент теплоотдачи

Эффективная площадь поверхности электрошкафа измеряется в соответствии со спецификациями VDE 0660, часть 500. Расчет зависит от расположения шкафа:

Один шкаф, свободно стоящий A = 1,8·H · (W + D) + 1,4 · W · D

Один шкаф, монтируемый на стену A = 1,4 · W · (H + D) + 1,8 · D · H

Крайний шкаф свободно стоящего ряда A = 1,4 · D · (H + W) + 1,8 · W · H

Крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену A = 1,4 · H · (W + D) + 1,4 · W · D

Не крайний шкаф свободно стоящего ряда A = 1,8 · W · H + 1,4 · W · D + D · H

Не крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену A = 1,4 · W · (H + D) + D · H

Не крайний шкаф в ряду, монтируемом на стену, под козырьком A = 1,4 · W · H + 0,7 · W · D + D · H

где W — ширина шкафа, H — высота шкафа, D — глубина шкафа, измеряемые в метрах.

Разницу температур воздуха внутри и снаружи шкафа принято измерять в градусах Кельвина (разница температур в Кельвинах равна разнице температур в Цельсиях).

Разницу находят, вычитая из температуры внутри шкафа температуру окружающей среды:

∆T = Ti – Ta, где

Ti — температуры внутри шкафа.

Ta — температура окружающей среды.

Если температура окружающей среды отрицательная, к примеру, Ta = -10 о С, а требуемая внутри шкафа Ti = +35 о С, то

∆T = 35 — (-10) = 35 + 10 = 45 о K

Подставив в общее уравнение формулу по определению теплоотдачи шкафа, общее уравнение теплового баланса примет вид:

Pk = Pv – k · A · ∆T [Ватт]

Положительная величина полученной мощности указывает на то, что следует применять охлаждение, а отрицательная — нагрев.

РАССМОТРИМ ПРИМЕР:

Необходимо установить тепловой баланс отдельно стоящего электрошкафа с размерами 2000x800x600мм, изготовленного из стали, имеющего степень защиты не ниже IP54. Потери тепловой энергии всех компонентов в шкафу составляют Pv = 550 Вт.

В разное время года температура внешней среды может значительно меняться, поэтому рассмотрим два случая.

Рассчитаем поддержание температуры внутри шкафа Ti = +35 о С при внешней температуре

в зимний период: Ta = -30 о С

в летний период: Ta = +40 о С

1. Рассчитаем эффективную площадь электрошкафа.

Поскольку площадь измеряется в м 2 , то его размеры следует перевести в метры.

A = 1,8·H · (W + D) + 1,4 · W · D = 1,8 · 2000/1000 · (800 + 600)/1000 + 1,4 · 800/1000 · 600/1000 = 5,712 м 2

в зимний период: ∆T = Ti – Ta = 35 – (-30) = 65 о K

в летний период: ∆T = Ti – Ta = 35 – 40 = -5 о K

в зимний период: Pk = Pv – k · A · ∆T = 550 – 5.5 · 5.712 · 65 = -1492 Вт.

в летний период: Pk = Pv – k · A · ∆T = 550 – 5.5 · 5.712 · (-5) = 707 Вт.

Для надежной работы устройств по поддержанию климата, их обычно «недогружают» по мощности около 10%, поэтому к расчетам добавляют порядка 10%.

Таким образом, для достижения теплового баланса в зимний период следует использовать нагреватель с мощностью 1600 — 1650 Вт (при условии постоянной работы оборудования внутри шкафа). В тёплый же период следует отводить тепло мощностью порядка 750-770 Вт.

Нагрев можно осуществлять, комбинируя несколько нагревателей, главное набрать в сумме нужную мощность нагрева. Предпочтительнее брать нагреватели с вентилятором, так как они обеспечивают лучшее распределения тепла внутри шкафа за счет принудительной конвекции. Для управления работой нагревателей применяются термостаты с нормально замкнутым контактом, настроенные на температуру срабатывания равную температуре поддержания внутри шкафа.

Для охлаждения применяются различные устройства: вентиляторы с фильтром, теплообменники воздух/воздух, кондиционеры, работающие по принципу теплового насоса, теплообменники воздух/вода, чиллеры. Конкретное применение того или иного устройства обусловлено различными факторами: разницей температур ∆T, требуемой степенью защиты IP и т.д.

В нашем примере в тёплый период ∆T = Ti – Ta = 35 – 40 = -5 о K. Мы получили отрицательную разницу температур, а это значит, что применить вентиляторы с фильтром не представляется возможным. Для использования вентиляторов с фильтром и теплообменников воздух/воздух необходимо, чтобы ∆T была больше или равна 5 о K. То есть чтобы температура окружающей среды была ниже требуемой в шкафу не менее чем на 5 о K (разница температур в Кельвинах равна разнице температур в Цельсиях).

РАССМОТРИМ ДРУГОЙ ПРИМЕР:

Необходимо с помощью расчетов подобрать устройства поддержания микроклимата в шкафу, установленном в помещении. Шкаф изготовлен из стали, степень защиты не ниже IP54, его габариты 2000x800x600мм. Потери тепловой энергии всех приборов известны и составляют Pv = 550 Вт.

Требуется обеспечить внутреннюю температуру в холодный период не ниже Ti = +15 о С, а в летний – не выше Ti = +35 о С.

Внешняя температура равна: в зимний период Ta = 0 о С, в летний период Ta = +30 о С.

Необходимо выполнить следующие действия:

Источник