Návrh výměníku tepla pro HVAC a chlazení: proč nestačí znát pouze požadovaný výkon
Přehrát audio verzi
Návrh výměníku tepla pro HVAC a chlazení: proč nestačí znát pouze požadovaný výkon
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Správný návrh výměníku není jen o výkonu. Rozhodují teploty, průtoky i tlaková ztráta. Ukážeme, jak návrh optimalizovat a rychle ověřit pomocí návrhového softwaru CAIRO.
Správný návrh výměníku tepla není otázkou jediného údaje o požadovaném výkonu. Dva výměníky se stejným jmenovitým výkonem mohou mít při konkrétních provozních podmínkách výrazně odlišné tlakové ztráty, rozměry, rezervu výkonu i provozní chování.
Právě proto by měl návrh výměníku pro HVAC a chladicí soustavy vycházet z konkrétního pracovního bodu celé soustavy. Moderní návrhové nástroje, jako je CAIRO Selection Software, umožňují jednotlivé varianty rychle porovnat a ověřit ještě před finálním návrhem zařízení.
Co je potřeba znát před návrhem výměníku?
Základním údajem je tepelný výkon:
Q = ṁ × cp × ΔT
kde Q představuje přenášený tepelný výkon, ṁ hmotnostní průtok média, cp jeho měrnou tepelnou kapacitu a ΔT změnu teploty.
Pro skutečný návrh výměníku ale tento údaj nestačí.
Projektant by měl pracovat minimálně s následujícími parametry:
- druhem média na primární a sekundární straně,
- vstupními a požadovanými výstupními teplotami,
- průtokem,
- požadovaným tepelným výkonem,
- maximální přípustnou tlakovou ztrátou,
- pracovním a návrhovým tlakem,
- provozní teplotou,
- charakterem a proměnlivostí provozu.
U chladicích aplikací vstupují do návrhu navíc vlastnosti konkrétního chladiva a charakter procesu – například vypařování nebo kondenzace.
Tlaková ztráta: parametr, který může ovlivnit provoz celé soustavy
Jedním z nejdůležitějších parametrů při výběru výměníku je tlaková ztráta.
Příliš vysoká tlaková ztráta může znamenat vyšší požadavky na čerpadlo a tím i vyšší spotřebu elektrické energie. Příliš konzervativní návrh naopak nemusí vždy představovat optimální řešení z hlediska velikosti a pořizovacích nákladů výměníku.
Cílem proto není automaticky zvolit největší zařízení nebo výměník s největší rezervou, ale hledat vhodný kompromis mezi:
tepelným výkonem – tlakovou ztrátou – velikostí zařízení – provozními podmínkami.
Právě zde mají návrhové programy velkou výhodu. Umožňují během krátké doby porovnat několik technických variant místo posuzování pouze jednoho předem vybraného zařízení.
Pozor na předimenzování
Při návrhu se lze setkat s představou, že větší výměník automaticky znamená bezpečnější řešení.
Nadměrná výkonová rezerva ale nemusí být ekonomicky ani technicky optimální. Výsledkem mohou být vyšší investiční náklady a zařízení, které není optimálně přizpůsobeno skutečným provozním parametrům.
Výměník proto musí být posuzován jako součást celé hydraulické a tepelné soustavy, nikoliv jako izolovaný komponent.
HVAC a chlazení mají rozdílné požadavky
V klasických teplovodních HVAC aplikacích se často pracuje s kapalinou na obou stranách výměníku. Typickými příklady jsou oddělení hydraulických okruhů, předávací stanice, systémy vytápění a chlazení nebo tepelná čerpadla.
U chladicích aplikací je situace složitější.
Výměník může pracovat například jako:
- výparník,
- kondenzátor,
- ekonomizér,
- dochlazovač kapaliny,
- výměník pro zpětné získávání tepla.
Při vypařování nebo kondenzaci chladiva dochází ke změně skupenství a návrh musí respektovat podmínky dvoufázového proudění. Geometrie výměníku a jeho konkrétní konfigurace proto významně ovlivňují výsledné provozní parametry.
Od vstupních parametrů k technickému návrhu
Pro zjednodušení procesu návrhu používá HEXONIC online nástroj CAIRO Selection Software.
Projektant do programu zadá požadované provozní podmínky a software na jejich základě umožní vyhledat vhodnou konfiguraci výměníku.
Výsledkem návrhu mohou být například informace o:
- zvoleném typu a velikosti výměníku,
- tepelném výkonu,
- průtocích,
- vstupních a výstupních teplotách,
- tlakových ztrátách,
- základních konstrukčních parametrech.
Pro další práci na projektu lze využít také technický datasheet a u vybraných řešení stáhnout 2D výkresy nebo 3D modely. Projekt je možné uložit do uživatelského účtu a následně se k němu vracet.
Praktický příklad: co se stane při změně pracovního bodu?
Představme si výměník navržený pro konkrétní průtok a teplotní spád.
Během projektu se však změní požadovaný průtok nebo vstupní teplota. Jmenovitý výkon zařízení může na první pohled stále vypadat dostatečně, ale změna pracovního bodu ovlivní nejen přenášený výkon, ale také rychlost proudění a tlakovou ztrátu.
Není proto vhodné ověřovat pouze otázku:
„Má výměník dostatečný výkon?“
Správnější je ověřit:
„Jak se bude konkrétní výměník chovat při skutečných provozních podmínkách celé soustavy?“
CAIRO umožňuje výkon již vybraného výměníku přepočítat pro jiné provozní parametry a porovnat tak jeho chování v různých pracovních bodech.
Digitální návrh nenahrazuje projektanta
Výběrový software výrazně urychluje návrh, ale nenahrazuje technické posouzení celé aplikace.
Projektant musí stále zohlednit například charakter provozu, požadovanou regulační schopnost, vlastnosti médií, riziko zanášení, prostorové možnosti, servisní požadavky nebo budoucí změny provozních podmínek.
Hlavní přínos digitálního návrhového nástroje spočívá jinde: umožňuje rychle prověřit více variant a pracovat s konkrétními provozními daty namísto orientačního výběru podle jmenovitého výkonu.
Sedm praktických funkcí CAIRO
Pro práci s programem připravil HEXONIC také sérii krátkých videonávodů. Postupně ukazují:
- vytvoření uživatelského účtu,
- nastavení desetinného oddělovače,
- nastavení jednotek,
- stažení technického datasheetu,
- vytvoření projektu,
- stažení 2D výkresů a 3D modelů,
- ověření výkonu vybraného výměníku při změně provozních parametrů.
Pro projektanty HVAC a chladicích zařízení tak může CAIRO sloužit nejen jako nástroj pro prvotní výběr výměníku, ale také pro rychlé technické porovnání jednotlivých variant během projektování.
Závěr
Správný návrh výměníku tepla není hledáním zařízení s dostatečným počtem kilowattů. Je výsledkem společného posouzení teplot, průtoků, vlastností médií, tlakových ztrát, pracovních tlaků a skutečného provozního režimu.
Digitální návrhové nástroje tento proces zrychlují a umožňují projektantovi ověřit více variant ještě před finálním rozhodnutím.
Video návody: kompletní série CAIRO Video Guide na YouTube kanálu HEXONIC
SECESPOL se změnila v HEXONIC. Společnost HEXONIC CZ je významný výrobce protiproudých trubkových spirálových, trubkových a deskových výměníků tepla v zastoupení firmy Hexonic Gdaňsk soustředící se na ohřev, vytápění, chlazení a další aplikace.