Техническая помощь - Расчет газового охладителя
Указания для программы
В этом разделе Вам будут предоставлены некоторые общие технические рекомендации и критерии выбора для параметров газа, теплообменников и газовых охладителей , действующих для всех расчетов охладителей. Так, например, здесь будут предоставлены указания на случай, если расчетная программа обнаружит перегрузку теплообменников.
Благодаря данной программе можно рассчитать подходящий для Вашего применения охладитель. Для этого Вам необходимо задать нужные данные в соответствующие поля. Все охладители, указанные в таблице результатов, в принципе отвечают поставленным требованиям. Однако не каждый рассчитанный охладитель или теплообменник станет разумным решением для Вашего случая применения (см., например, пояснения в Разделе 3.3).
Еще одно указание по вводу: Возможен ввод параметров только для одного газового канала. При наличии нескольких газовых каналов задайте параметры газового потока с наибольшей энергией газа.
1. Параметры газа
2. Теплообменники
2.1 Выбор материала
2.2 Поведение теплообменника / Указания для расчета
2.3 Двойные теплообменники
2.4 Теплообменники тип 2
2.5 Что делать при перегрузке теплообменника?
3. Газовый охладитель
3.1 Термоэлектрические охладители
3.2 Компрессорные охладители
3.3 Какой размер охладителя необходим?
3.4 Указания по монтажу
3.5 Что делать при перегрузке охладителя?
4. Комплектующие
1. Параметры газа
Ниже за основу были взяты воздухоподобные газы, что при практическом применении является достаточным расчетным параметром.
a) (Максимальная) температура входа газа:
Это - температура охлаждаемой газовой смеси при входе в теплообменник. Чем выше температура газовой смеси, тем больше охлаждающей энергии потребуется. В зависимости от материала теплообменника верхняя граница температуры является заданной (как правило для стали - 180°C; для стекла дуран и PVDF - 140°C).
b) Максимальная входная точка росы / содержание влаги:
- Максимальная входная точка росы:
Она определяет содержание воды в охлаждаемой газовой смеси. При понижении температуры газа ниже температуры точки росы вода начинает конденсироваться (входная точка росы поэтому никогда не может быть выше температуры входа газа!) Как правило, при повышении входной точки росы на 10°C необходимая мощность охлаждения удваивается. Поэтому соответствующие данные необходимы для расчёта. Максимально высокая точка росы ограничивается спецификацией соответствующего теплообменника. Нижнее граничное значение ввода составляет 6°C, поскольку при низкой точке росы вода больше не конденсируется. - Содержание влаги:
Значение содержания влаги можно альтернативно задавать в объемных процентах воды. Таким образом отпадает необходимость учета зависимости точки росы от давления.
Содержание влаги в газе - это важная величина для расчета охладителя. Чем выше ее содержание, тем большая мощность охлаждения потребуется. Максимально возможное содержание влаги определяется температурой на входе газа. В этом случае максимальная точка росы на входе газа соответствует температуре входа газа.
c) Выходная точка росы:
Выходная точка росы - это настраиваемая температура, до которой должен охладиться газ для образования конденсата. Такая температура может настраиваться в охладителе индивидуально в зависимости от точки росы анализируемого газа. Значение выходной точки росы выше стандартного значения 5°C при постоянной входной точке росы означает меньшую мощность газа, которую необходимо охлаждать охладителю. Такой же принцип действителен для функции Delta-T-регулирования. Подробные разъяснения можно найти в Разделе «Термоэлектрические охладители».
d) Давление газа p:
Давление газа влияет на плотность газовой смеси, при этом в основном действует следующее правило: двойное давление = двойное содержание энергии (при одинаковом объеме). В диапазоне 0,5 .. 3 бар можно с достаточной точностью абстрагироваться от зависимости входной точки росы от давления. У теплообменников из стекла дуран или PVDF максимальное давление ограничено.
e) Объем протока Q на один газовый канал:
Он указывается в л/ч (в охлажденном состоянии, т.е. на выходе газа охладителя). Существует линейная взаимосвязь между объемом потока и энергией газа. Если Вы хотите задать значение в Нл/ч, установите значение давления на 1 бар.
f) Отн. влажность:
Относительная влажность газа, как правило, не является исходным значением для расчета. Оно указывает, какой процент максимально возможного содержания воды достигнут при определенной температуре газа. Такое значение косвенно указывает на перегрев (при: температура газа = точка росы) насыщенного газа.
2. Теплообменники
Теплообменники оказывают значительное влияние на мощность охлаждающей системы. Лежащие в основе физические процессы не подлежат простому описанию, поэтому мы ограничились здесь лишь основными принципами. Основным условием является охлаждение газа, а значит падение точки росы до прибл. 5 °C, что соответствует заводским настройкам охладителя. Возможный диапазон настройки, как на охладителе, так и в расчетной программе, находится между +2°C и +20°C точки росы.
2.1 Выбор материала
Мы предлагаем теплообменники из нержавеющей стали, стекла дуран или PVDF. Теплопроводимость материала понижается от моделей из стали и до моделей из стекла и PVDF. С точки зрения охлаждения таким образом всегда рекомендуется выбирать теплообменник из стали. Однако в конкретном случае применения могут использоваться агрессивные газы, что делает использование стали невозможным. Для таких случаев применения мы рекомендуем использовать стеклянные теплообменники. Преимущество теплообменников из PVDF состоит в более высокой механической стабильности по сравнению со стеклом.
Предлагаемые теплообменники указаны в техническом паспорте соответствующего охладителя, другие типы доступны по заказу.
2.2 Поведение теплообменника / Указания для расчета
Эффективность теплообменника сложным образом зависит от конструкции, материала и указанных выше параметров газа. Благодаря конструкционному принципу теплообменников Bühler можно гарантировать высокую стабильность точки росы в большом диапазоне вариантов параметров газа и их отклонений.
Эффективность теплообменника в основном настолько ниже, насколько ниже относительная влажность или содержание влаги в газе. Это означает, что эффективность снижается с увеличением расхождения между входной точкой росы температурой входа газа. КПД таким образом также увеличивается вместе с повышением точки росы. На графике внизу указано качественное взаимоотношение выходной точки росы / выходной температуры и энергии охлаждения. Кроме того, здесь также существует зависимость от объема потока.
На графике видно, что максимальная мощность охлаждения теплообменника при газе с входной точкой росы 30°C (см. коричневый график на диаграмме) меньше, чем при газе с входной точкой росы 65°C (см. синий график на диаграмме). Теплообменники из стекла и PVDF обладают меньшей мощностью охлаждения, чем из нержавеющей стали (см. сине-зеленый или пурпурный график).
Максимальная мощность охлаждения теплообменника для практического применения может быть определена через три параметра: температура входа газа, точка росы входа газа и давление газа. В результате получится максимальный расход высушенного газа.
Влияние колебаний параметров газа тем больше, чем ближе к границе мощности эксплуатируется теплообменник, что видно из касательных на графиках ниже. Поэтому для высокой стабильности выходной точки росы мы рекомендуем нагружать теплообменник только на 60..80% его максимальной мощности. Значение загруженности указано в таблице в расчетной программе.
Краткого пояснения также требует граничная мощность теплообменника. При определенных значениях температуры входа газа, точки росы входа газа и давления газа определяется объем потока, при котором выходная точка росы лежит на макс. 2 K выше точки нормы. Значения определяются на основе обычного случая применения и составляют для:
термоэлектрического охладителя TC-Standard
Te = 70°C и τe = 40 °C при p = 1 бар
компрессорного охладителя EGK
Te = 90°C и τe = 65 °C при p = 1 бар
При определении этих трех параметров можно затем определить максимальный расход, указанный в технических паспортах теплообменников. Вышеуказанные пояснения о работе теплообменников показывают, что максимальный расход для других параметров входной температуры, выходной точки росы и давления имеет другое значение.
При использовании программы Вам не нужно учитывать такие параметры, поскольку они автоматически учитываются программой.
2.3 Двойные теплообменники
Двойные теплообменники Bühler в сочетании с охладителем типа TC-MIDI, EGK 1SD, EGK 1/2 или EGK 2A Ex предлагают возможность охлаждения одним теплообменником сразу двух газовых каналов. Так, например, при соответствующей необходимой мощности охлаждения вместо двух TC-Standard можно использовать один EGK 1/2 или TC-MIDI с двойным теплообменником (экономия закупочных и монтажных расходов).
Газовые каналы двойного теплообменника обладают полностью разделенной друг от друга конструкцией.
Обмен температурой между двумя газовыми каналами двойного теплообменника незначительно мал. Диапазон энергии газа одного газового канала во всем (!) диапазоне мощности теплообменника действует на диапазон выходной точки росы на другом газовом канале всего в макс. 0,5 К.
Поскольку мощность, как правило, равномерно распределена по газовым каналам, перекрестными влияниями ниже 0,2 К при выходной точке росы 5 °C можно пренебречь.
2.4 Теплообменники тип 2
Теплообменники тип 2 были специально разработаны для измерения выбросов. У серии охладителей с улучшенным эффектом смывания, обозначенных в названии модели посредством „+“, такие теплообменники подключаются линейно. Такая конфигурация обеспечивает значительно меньшее смывание растворимых в воде компонентов по сравнению со стандартными теплообменниками.
2.5 Что делать при перегрузке теплообменника?
Простым решением является параллельное подключение двух или более теплообменников. Это возможно только для стандартных теплообменников, но не вышеуказанных теплообменников типа 2. Линейное подключение двух стандартных теплообменников не приводит к стабилизации точки росы, поскольку первый теплообменник берет на себя основную долю охлаждения. Второй теплообменник работает при этом только с малой входной точкой росы, что, как показано выше, приводит к пониженной эффективности, а также усиленным колебаниям точки росы. При параллельном подключении стандартных теплообменников необходимая мощность охлаждения равномерно распределяется на оба теплообменника, и они работают с меньшей нагрузкой, что приводит к большей стабильности точки росы.
3. Газовые охладители
Компания Bühler Technologies GmbH предлагает газовые охладители двух типов. Это термоэлектрические охладители серии TC, а также компрессорные охладители серии EGK. Общим для принципов охлаждения обоих типов является понижение имеющейся мощности охлаждения при повышении окружающей температуры.
Поэтому максимальная температура окружающей среды на месте установки является важным расчетным параметром. Решающим значением для запрашиваемой расчетной программой температуры окружения является температура всасываемого охладителем окружающего воздуха.
В качестве примера рассматривается охладитель, встроенный в шкаф анализа. Здесь решающей является температура внутри шкафа, а не температура снаружи шкафа.
Поэтому учитывайте также Раздел 3.4 Указания по монтажу.
Класс мощности охладителя определяется его номинальной мощностью. Номинальной мощностью считается мощность охлаждения при определенной температуре окружения. Значения номинальной мощности указаны в соответствующем техническом паспорте охладителя.
Таблица результатов содержит две вкладки «Максимальная мощность охлаждения» и «Минимальная мощность охлаждения». Там приводится расчет соответствующих охладителей на основе заданных параметров. Для охладителей с оптимизированной мощностью возможные эффекты смывания играют второстепенную роль, в то время как для охладителей с минимальными эффектами смывания большое значение уделялось выполнению требований DIN EN 15267-3. Для проведений расчетов в отношении минимального смывания необходимо установить параметры «Материал теплообменника» на „PVDF“ или «Стекло», «Количество газовых каналов» на «1», а «Количество теплообменников» на «2».
3.1 Термоэлектрические охладители
Такие охладители обладают очень компактной конструкцией и рассчитаны на один или, при особой конструкции, на два газовых канала. Теплообменники поставляются на выбор из нержавеющей стали, стекла дуран или PVDF. Вследствие своего принципа охлаждения они рассчитаны на среднюю мощность и температуру окружения. Однако их преимуществом является более низкая по сравнению с компрессорными охладителями цена. Основной сферой применения являются потоки газа до 150 Нл/ч при температуре газа до 70 °C и входной точке росы 40 °C.
Термоэлектрические охладители оснащены особым управлением для увеличения мощности, так называемое Delta T-регулирование. Выходная точка росы 5 °C необходима не для всех применений. Для некоторых применений может быть достаточно и более высокой точки росы. В некоторых других применениях важна не столько стабильность выходной точки росы, сколько сухое состояние газа, т.е. выходная точка росы должна значительно отличаться от температуры окружения.
Выходная точка росы при Delta T-регулировании настраивается ниже существующей температуры окружающей среды. Таким образом возможная мощность охлаждения расширяется до границ теплообменника. При этом необходимо учитывать, что выходная точка росы будет колебаться в зависимости от температуры окружения, а ее стабильность не является обязательным условием для процесса измерения. Такие соотношения поясняются на диаграммах ниже. Разница в отношении предлагаемой мощности охлаждения отображена на диаграмме выше в качестве функции температуры окружения. Здесь сравнивается поведение настроенной на 10 °C точки росы по отношению к разнице температур 15 K или 30 K (Delta-T). Нижняя диаграмма показывает получившиеся в результате различные точки росы.
3.2 Компрессорные охладители
Компрессорные охладители серии EGK принадлежат к более высокому классу мощности, чем термоэлектрические охладители и также пригодны для более высоких температур окружения до 50°C. Для серии охладителей EGK предлагаются простые теплообменники, а также двойные теплообменники (два газовых канала в одном теплообменнике) из стали, стекла дуран и PVDF (для выбора материала см. Раздел «Теплообменники»).
3.3 Указания к таблице результатов
В основном охладители бесперебойно работают при 100% нагрузке при макс. параметрах (значения нагрузки указаны в таблице в расчетной программе). Однако мы обращаем Ваше внимание на то, что при определенных обстоятельствах в Вашей системе возможны пиковые значения, в особенности это касается температуры окружающей среды. Поэтому здесь расчет необходимо осуществлять с запасом в прибл. 20% для пиков температуры и возможного загрязнения (см. Раздел «3.4 Указания по монтажу»).
3.4 Указания по монтажу
Как указано выше, вырабатываемая мощность охлаждения зависит от температуры всасываемого воздуха. Поэтому при монтаже необходимо обеспечить подачу по возможности охлажденного воздуха. В частности при монтаже в закрытые шкафы необходимо обеспечить достаточную вентиляцию. Необходимо предотвращать циркуляцию воздуха от выхода воздуха охладителя к входу воздуха. Кроме того, вход и выход воздуха должны осуществляться беспрепятственно. Расстояние от входных и выходных отверстий до окружающих предметов должно составлять не менее 10 см или дальше.
В ходе эксплуатации, особенно в окружении с высоким содержанием пыли, в воздушных каналах охладителя могут образовываться пылевые отложения. Это может негативно влиять на мощность охлаждения. Поэтому мы рекомендуем осуществлять установку охладителя таким образом, чтобы затем можно было регулярно очищать пластины поверхностей охлаждения воздуха при помощи сжатого воздуха или ручной сметки.
3.5 Что делать при перегрузке охладителя?
1) понижение температуры окружающей среды (например, путем принудительной вентиляции шкафа анализа)
2) понижение необходимой мощности охлаждения:
a) путем сокращения объемного потока
b) путем использования предварительного охлаждения (при необходимости обращайтесь к нам за консультацией)
c) путем использования Delta T-регулирования (только для термоэлектрических охладителей)
d) путем повышения выходной точки росы (действительно только для термоэлектрических охладителей)
4. Комплектующие
Для дополнительной обработки анализируемого газа мы в зависимости от вида эксплуатации системы подготовки газа предлагаем насосы для подачи анализируемого газа или датчики влажности и фильтры для надежности технологического процесса. Для отвода конденсата мы предлагаем автоматические конденсатоотводчики или перистальтические насосы. Такие комплектующие могут быть установлены непосредственно на некоторых охладителях.
Просим учитывать при этом указания в техническом паспорте отдельных охладителей и технических паспортах комплектующих в нашем каталоге или на нашем сайте.