Что нужно для расчета теплообменника? Основы расчета теплообменных аппаратов Тепловая нагрузка теплообменника.

Задача 1

Поток горячего продукта, выходящего из реактора, необходимо охладить с начальной температуры t 1н = 95°C до конечной температуры t 1к = 50°C, для этого его направляют в холодильник, куда подают воду с начальной температурой t 2н = 20°C. Требуется рассчитать ∆t ср в условиях прямотока и противотока в холодильнике.

Решение: 1) Конечная температура охлаждающей воды t 2к в условии прямоточного движения теплоносителей не может превысить значение конечной температуры горячего теплоносителя (t 1к = 50°C), поэтому примем значение t 2к = 40°C.

Рассчитаем средние температуры на входе и выходе из холодильника:

∆t н ср = 95 - 20 = 75;

∆t к ср = 50 - 40 = 10

∆t ср = 75 - 10 / ln(75/10) = 32,3 °C

2) Конечную температуру воды при противоточном движении примем такой же, как и при прямоточном движении теплоносителей t 2к = 40°C.

∆t н ср = 95 - 40 = 55;

∆t к ср = 50 - 20 = 30

∆t ср = 55 - 30 / ln(55/30) = 41,3°C

Задача 2.

Используя условия задачи 1 определить требуемую поверхность теплообмена (F) и расход охлаждающей воды (G). Расход горячего продукта G = 15000 кг/ч, его теплоемкость С = 3430 Дж/кг·град (0,8 ккал·кг·град). Охлаждающая вода имеет следующие значения: теплоемкость с = 4080 Дж/кг·град (1 ккал·кг·град), коэффициент теплопередачи k = 290 Вт/м 2 ·град (250 ккал/м 2 *град).

Решение: Используя уравнение теплового баланса, получим выражение для определения теплового потока при нагревании холодного теплоносителя:

Q = Q гт = Q хт

откуда: Q = Q гт = GC (t 1н - t 1к) = (15000/3600)·3430·(95 - 50) = 643125 Вт

Принимая t 2к = 40°C, найдем расход холодного теплоносителя:

G = Q/ c(t 2к - t 2н) = 643125/ 4080(40 - 20) = 7,9 кг/сек = 28 500 кг/ч

Требуемая поверхность теплообмена

при прямотоке:

F = Q/k·∆t ср = 643125/ 290·32,3 = 69 м 2

при противотоке:

F = Q/k·∆t ср = 643125/ 290·41,3 = 54 м 2

Задача 3

На производстве осуществляется транспорт газа по стальному трубопроводу наружным диаметром d 2 = 1500 мм, толщиной стенки δ 2 = 15 мм, теплопроводностью λ 2 = 55 Вт/м·град. Внутри трубопровод футерован шамотным кирпичом, толщина которого δ 1 = 85 мм, теплопроводность λ 1 = 0,91 Вт/м·град. Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке α 1 = 12,7 Вт/м 2 ·град, от наружной поверхности стенки к воздуху α 2 = 17,3 Вт/м 2 ·град. Требуется найти коэффициент теплопередачи от газа к воздуху.

Решение: 1) Определим внутренний диаметр трубопровода:

d 1 = d 2 - 2·(δ 2 + δ 1) = 1500 - 2(15 + 85) = 1300 мм = 1,3 м

средний диаметр футеровки:

d 1 ср = 1300 + 85 = 1385 мм = 1,385 м

средний диаметр стенки трубопровода:

d 2 ср = 1500 - 15 = 1485 мм = 1,485 м

Рассчитаем коэффициент теплопередачи по формуле:

k = [(1/α 1)·(1/d 1) + (δ 1 /λ 1)·(1/d 1 ср)+(δ 2 /λ 2)·(1/d 2 ср)+(1/α 2)] -1 = [(1/12,7)·(1/1,3) + (0,085/0,91)·(1/1,385)+(0,015/55)·(1/1,485)+(1/17,3)] -1 = 5,4 Вт/м 2 ·град

Задача 4

В одноходовом кожухотрубчатом теплообменнике осуществляется подогрев метилового спирта водой с начальной температуры 20 до 45 °C. Поток воды охлаждается с температуры 100 до 45 °C. Трубный пучек теплообменника содержит 111 труб, диаметр одной трубы 25х2,5 мм. Скорость течения метилового спирта по трубкам 0,8 м/с (w). Коэффициент теплопередачи равен 400 Вт/м 2 ·град. Определить общую длину трубного пучка.

Определим среднюю разность температур теплоносителей как среднелогарифмическое.

∆t н ср = 95 - 45 = 50;

∆t к ср = 45 - 20 = 25

∆t ср = 45 + 20 / 2 = 32,5°C

Определим массовый расход метилового спирта.

G сп = n·0,785·d вн 2 ·w сп ·ρ сп = 111·0,785·0,02 2 ·0,8· = 21,8

ρ сп = 785 кг/ м 3 - плотность метилового спирта при 32,5°C найдена из справочной литературы.

Затем определим тепловой поток.

Q = G сп с сп (t к сп - t н сп) = 21,8·2520 (45 - 20) = 1,373·10 6 Вт

c сп = 2520 кг/ м 3 - теплоемкость метилового спирта при 32,5°C найдена из справочной литературы.

Определим требуемую поверхность теплообмена.

F = Q/ K∆t ср = 1,373·10 6 / (400·37,5) = 91,7 м 3

Вычислим общую длину трубного пучка по среднему диаметру труб.

L = F/ nπd ср = 91,7/ 111·3,14·0,0225 = 11,7 м.

Задача 5

Для нагрева потока 10-% раствора NaOH от температуры 40°C до 75°C используют пластинчатый теплообменный аппарат. Расход гидроксида натрия составляет 19000 кг/ч. В качестве нагревающего агента используется конденсат водяного пара, его расход составляет 16000 кг/ч, начальная температура 95°C. Принять коэффициент теплообмена равный 1400 Вт/м 2 ·град. Необходимо произвести расчет основных параметров пластинчатого теплообменного аппарата.

Решение: Найдем количество передаваемого тепла.

Q = G р с р (t к р - t н р) = 19000/3600 · 3860 (75 - 40) = 713 028 Вт

Из уравнения теплового баланса определим конечную температуру конденсата.

t к х = (Q·3600/G к с к) - 95 = (713028·3600)/(16000·4190) - 95 = 56,7°C

с р,к - теплоемкость раствора и конденсата найдены из справочных материалов.

Определение средних температур теплоносителей.

∆t н ср = 95 - 75 = 20;

∆t к ср = 56,7 - 40 = 16,7

∆t ср = 20 + 16,7 / 2 = 18,4°C

Определим сечение каналов, для расчета примем массовую скорость конденсата W к = 1500 кг/м 2 ·сек.

S = G/W = 16000/3600·1500 = 0,003 м 2

Принимая ширину канала b = 6 мм, найдем ширину спирали.

B = S/b = 0,003/ 0,006 = 0,5 м

Произведем уточнение сечения канала

S = B·b = 0,58·0,006 = 0,0035 м 2

и массовой скорости потоков

W р = G р /S = 19000/ 3600·0,0035 = 1508 кг/ м 3 ·сек

W к = G к /S = 16000/ 3600·0,0035 = 1270 кг/ м 3 ·сек

Определение поверхности теплообмена спирального теплообменника осуществляется следующим образом.

F = Q/K∆t ср = 713028/ (1400·18,4) = 27,7 м 2

Определим рабочую длину спирали

L = F/2B = 27,7/(2·0,58) = 23,8 м

t = b + δ = 6 + 5 = 11 мм

Для вычисления числа витков каждой спирали необходимо принять начальный диаметр спирали исходя из рекомендаций d = 200 мм.

N = (√(2L/πt)+x 2) - x = (√(2·23,8/3,14·0,011)+8,6 2) - 8,6 = 29,5

где х = 0,5 (d/t - 1) = 0,5 (200/11 - 1) = 8,6

Наружный диаметр спирали определяется следующим образом.

D = d + 2Nt + δ = 200 + 2·29,5·11 + 5 = 860 мм.

Задача 6

Определить гидравлическое сопротивление теплоносителей создаваемое в четырехходовом пластинчатом теплообменном аппарате с длиной каналов 0,9 м и эквивалентным диаметром 7,5 ·10 -3 при охлаждении бутилового спирта водой. Бутиловый спирт имеет следующие характеристики расход G = 2,5 кг/с, скорость движения W = 0,240 м/с и плотность ρ = 776 кг/м 3 (Критерий Рейнольдса Re = 1573 > 50). Охлаждающая вода имеет следующие характеристики расход G = 5 кг/с, скорость движения W = 0,175 м/с и плотность ρ = 995 кг/м 3 (Критерий Рейнольдса Re = 3101 > 50).

Решение: Определим коэффициент местного гидравлического сопротивления.

ζ бс = 15/Re 0,25 = 15/1573 0,25 = 2,38

ζ в = 15/Re 0,25 = 15/3101 0,25 = 2,01

Уточним скорость движения спирта и воды в штуцерах (примем d шт = 0,3м)

W шт = G бс /ρ бс 0,785d шт 2 = 2,5/776 ·0,785·0,3 2 = 0,05 м/с менее 2 м/с поэтому можно не учитывать.

W шт = G в /ρ в 0,785d шт 2 = 5/995 ·0,785·0,3 2 = 0,07 м/с менее 2 м/с поэтому можно не учитывать.

Определим значение гидравлического сопротивления для бутилового спирта и охлаждающей воды.

∆Р бс = хζ·(l /d ) · (ρ бс w 2 /2) = (4·2,38·0,9/ 0,0075)·(776·0,240 2 /2) = 25532 Па

∆Р в = хζ·(l /d ) · (ρ в w 2 /2) = (4·2,01·0,9/ 0,0075)·(995·0,175 2 /2) = 14699 Па.

Теплообменный аппарат - это устройство, обеспечивающее передачу тепла между средами, разнящимися по температуре. Для обеспечения тепловых потоков различного количества конструируются разные теплообменные устройства. Они могут иметь разные формы и размеры в зависимости от требуемой производительности, но основным критерием выбора агрегата является площадь его рабочей поверхности. Она определяется с помощью теплового расчета теплообменника при его создании или эксплуатации.

Расчет может нести в себе проектный (конструкторский) или проверочный характер.

Конечным результатом конструкторского расчета является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданных тепловых потоков.

Проверочный расчет, напротив, служит для установления конечных температур рабочих теплоносителей, то есть тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена.

Соответственно, при создании устройства проводится конструкторский расчет, а при эксплуатации - проверочный. Оба расчета идентичны и, по сути, являются взаимообратными.

Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Имеет следующий вид:

Q = F‧k‧Δt, где:

• Q - размер теплового потока, Вт;
• F - площадь рабочей поверхности, м2;
• k - коэффициент передачи тепла;
• Δt - разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором .

Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

Q = G 1 c p 1 (t 1 вх -t 1 вых) = G 2 c p 2 (t 2 вых -t 2 вх), где:

• G 1 и G 2 - расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
• c p 1 и c p 2 - удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.

В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит - с другой. Эти величины (t 1 вх;t 1 вых и t 2 вх;t 2 вых) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.

Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.

Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:

Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).

Пример расчета

Для большей наглядности представим пример конструкторского расчета теплообмена. Этот расчет имеет упрощенный вид, и не учитывает потерь теплоты и особенностей конструкции теплообменного аппарата.

Исходные данные:

• Температура греющего носителя при входе t 1 вх = 14 ºС;
• Температура греющего носителя при выходе t 1 вых = 9 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при входе t 2 вх = 8 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при выходе t 2 вых = 12 ºС;
• Расход массы греющего носителя G 1 = 14000 кг/ч;
• Расход массы нагреваемого носителя G 2 = 17500 кг/ч;
• Нормативное значение удельной теплоемкости с р =4,2 кДж/кг‧ ºС;
• Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м 2 .

1) Определим производительность теплообменного аппарата с помощью уравнения теплового баланса:

Q вх = 14000‧4,2‧(14 - 9) = 294000 кДж/ч

Q вых = 17500‧4,2‧(12 - 8) = 294000 кДж/ч

Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Переведем полученную величину в единицу измерения Вт. При условии, что 1 Вт = 3,6 кДж/ч, Q = Qвх = Qвых = 294000/3,6 = 81666,7 Вт = 81,7 кВт.

2) Определим значение напора t. Он определяется по формуле:

3) Определим площадь поверхности теплообмена с помощью уравнения теплопередачи:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.

Как правило, при проведении расчета не все идет гладко, ведь необходимо учитывать всевозможные внешние и внутренние факторы, влияющие на процесс обмена теплом:

• особенности конструкции и работы аппарата;
• потери энергии при работе устройства;
• коэффициенты теплоотдачи тепловых носителей;
• различия в работе на разных участках поверхности (дифференциальный характер) и т.д.

Для наиболее точного и достоверного расчета инженер должен понимать сущность процесса передачи тепла от одного тела к другому. Также он должен быть максимально обеспечен необходимой нормативной и научной литературой, поскольку в расчете на множество величин составлены соответствующие нормы, которых специалист обязан придерживаться.

Выводы

Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?

Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.

Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.

В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата - основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменной машины. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.

В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности , поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

В качестве основной цели теплообменника выступает передача тепла до холодного объекта от теплоносителя. Последний представляет собой вещество с высокой температурой. Его примером могут выступить:

• жидкость;

Сегодня в магазинах можно отыскать теплообменники в широком ассортименте. Они отличаются по своим особенностям, а именно:

• внешнему виду;
• принципу действия;
• разнице показателей температуры.

Этот список не является полным.

Описание принципа работы

Перед приобретением теплообменника принцип работы данного устройства обязательно следует рассмотреть. Он может быть основан на одном из трех процессов:

• теплопроводность;
• тепловое излучение;
• конвекция.

Подразделить приборы можно по способу поставки тепла к холодному объекту. Таким образом, способы могут быть смесительными и теплообменными. В принципе их работы, виде и устройстве заключается основная разница. Наиболее удачный вариант принципа функционирования свойственен поверхностным агрегатам. Они являются одними из распространенных. Внутри таких приборов имеются чувствительные элементы, нагревающиеся и передающие тепло холодному объекту.

Если рассмотреть ближе смесительный агрегат, то о нем можно сказать, что он совмещает взаимодействие жидкости и воздуха, обеспечивая высокий коэффициент полезного действия. Эти устройства легки в изготовлении и позволяют добиться нужного результата за короткое время. Это обусловлено тем, что лишь при смешивании двух сред можно добиться таких результатов.

Рассматривая принцип работы теплообменников, можно отметить, что эти устройства обладают узлами, которые работают по определенному принципу. Их можно подразделить на регенеративные и рекуперативные. В последнем случае используются разные жидкости, которые взаимодействуют с помощью разделительной стенки. При обмене температурами поток остается прежним и не изменяется в обоих вариантах.

В рекуперативных теплообменниках имеется рабочий элемент, который выступает ещё и источником поставляемого тепла, а также зарядным устройством. Элемент нагревается при контакте с жидкостями и отдает в пространство необходимое тепло. При этом тепловой поток может изменять свое направление.

Дополнительно о принципе работы пластинчатого устройства для теплообмена

Пластинчатый теплообменник имеет соответствующие элементы, которые устанавливаются с поворотом на 180 °. В один пакет компонуются 4 элемента, что позволяет создавать два коллекторных контура подачи и отвода теплоносителя. Два крайних элемента в процессе участвовать не будут.

Производители предлагают к продаже две разновидности компоновки: одноходовую и многоходовую. В первом случае теплоноситель делится на параллельные потоки, которые проходят по каналам и оказываются в порту для вывода. Многоходовая компоновка имеет сложную схему, ведь теплообменник перемещается по одинаковому количеству каналов. Этого удалось достичь благодаря установке дополнительных пластин, которые предусматривают наличие глухих портов. Обслуживать многоходовые пластинчатые теплообменники гораздо сложнее.

Основные виды устройств

Теплообменный аппарат представлен к продаже во множестве разновидностей, среди них следует выделить:

• погружную;
• элементную;
• графитовую;
• двухтрубную;
• пластинчатую;
• витую;
• спиральную;
• кожухотрубную.

Погружной теплообменник имеет чувствительный элемент в виде цилиндрического змеевика, расположенного в сосуде. Последний заполняется жидкостью. Такая конструкция позволяет сократить время на подачу тепла прибором. Устройство погружного типа является одним из лучших по эффективности. Он используется в тех местах, где условия предполагают вероятность закипания.

Пластинчатый агрегат и его описание

Пластинчатый теплообменник обладает множеством преимуществ, а именно:

• простотой чистки;
• легкостью сборки;
• минимальным сопротивлением гидравлики.

Эти приборы имеют концевые камеры, которые соединены крепежными болтами. Конструкция обладает рабочей пластиной и рамами. Пластины разделены резиновыми прокладками. А сами элементы изготавливаются из специальной стали. Технология установки пластин предполагает монтаж резиновой прокладки без клеевого состава, что обеспечивает плотное прилегание отдельных частей друг к другу. Рабочая среда может подаваться одним из трех методов:

• смешанным;
• прямоточным;
• противоточным.

Элементный и витой теплообменники. Описание устройств

Элементный теплообменник позволяет соединить части системы в единую конструкцию. Принцип работы таких устройств схож с кожухотрубной разновидностью. Рабочая среда подается противоточно, а агрегат сочетает небольшое количество труб. Рассматривая виды теплообменников, вы должны обратить внимание на витую разновидность, которая обладает чувствительным элементом в виде концентрического змеевика, который фиксируется специальными головками, что обеспечивает защиту от кожуха. В данном устройстве используется схема с двумя жидкостями, одна из которых заполняет трубки, а другая находится в пространстве между ними. Эти агрегаты отлично справляются с перепадами давления и обладают отличной устойчивостью к износу.

Графитовый и спиральный теплообменники

Среди видов теплообменников можно выделить графитовую разновидность, которая имеет устройство, обеспечивающее защиту от коррозии. Эти приборы хорошо проводят тепло, а агрегат состоит из блоков, которые обладают формой цилиндра и прямоугольника. Рабочая жидкость движется по перекрестной схеме. Теплообменник состоит из:

• крышки;
• решётки;
• трубки;
• металлического корпуса.

Теплообменный аппарат может быть спиральным, принцип его работы выражен в использовании металлических листов. Они скручиваются в спираль и фиксируются на механизме, который называется креном. Для правильной работы важна герметизация теплообменника, которая достигается методом сваривания отдельных частей или монтажом прокладки.

Приборы сложны в производстве, ремонте и обслуживании. Устройство не должно использоваться в системе, где давление превышает 10 кгс/см 2 , что нельзя не назвать недостатком. Этот минус нивелируется компактными размерами прибора, незначительным весом и высокой эффективностью.

Дополнительно о принципе работы кожухотрубного агрегата

Кожухотрубный теплообменник получил такое название потому, что тонкие трубки, по которым движется теплоноситель, располагаются в центральной части основного кожуха. От количества трубок в середине будет зависеть то, с какой скоростью движется вещество. От этого, в свою очередь, зависит коэффициент теплопередачи.

Кожухотрубный теплообменник изготавливается из высокопрочных и легированных сталей. Они применяются потому, что устройство работает в агрессивной среде, которая способствует развитию коррозии. Теплообменник можно классифицировать на несколько разновидностей, среди них следует выделить:

• с плавающей головкой;
• с неподвижными трубками;
• с температурным компенсатором;
• в виде кожуха с U-образными трубками.

Описание теплообменника Pahlen MAXI-FLO

Это устройство представляет собой теплообменник для бассейна, стоимость которого составляет 18245 руб. Мощность устройства равна 40 кВт. Агрегат является вертикальным, а в качестве материала корпуса выступает нержавеющая сталь. Двухтрубное водяное устройство предназначено для подогрева воды. Теплоносителем выступает горячая вода из котла.

При строительстве уличного бассейна этот агрегат особенно актуален. Теплообменник для бассейна имеет первичный контур в виде трубок, он устанавливается вертикально. Разница температур в контурах достигает 60 °С. В первичном контуре максимальное давление может составить 10 бар, во вторичном - столько же. Вас может заинтересовать гидравлическое сопротивление первого контура, в данном случае оно составляет 0,05 м. Во вторичном контуре гидравлическое сопротивление равно 0,8 м.

Проведение расчётов

Прежде чем выбрать водоводяной теплообменник, расчет мощности этого устройства необходимо осуществить однозначно. Вообще, при выборе нужно обращать внимание на вид конструкции и качество устройства. Расчет мощности осуществляется по следующей формуле: Р = 1,16 х ∆Т / (t x V). В ней необходимая мощность обозначается буквой Р. Специально подобранная константа, здесь равна 1,16. Разница температур - ∆Т. Объём - V, тогда как время - t. Таким образом, при расчете мощности теплообменника следует понять, что эффективность устройства будет зависеть от потока рабочей среды по обоим контурам.

Конструктивное исполнение влияет на количество подогреваемой среды. Чем больше ее объем, тем больше будет пластин и патрубков. Довольно часто осуществляется ещё и определение поверхностей нагрева. Они обозначаются буквой F. Это значение можно найти, воспользовавшись формулой: Q/(K*?Тср), в которой Q - это тепловая мощность, а коэффициент теплопередачи - К.

Осуществляя расчеты теплообменника, вы должны помнить, что формула предусматривает наличие усредненной температуры напора между теплоносителями, это значение выражено в?Тср. Задачей выступает нахождение всех трёх переменных. Воспользовавшись уравнением теплового баланса, вы сможете найти тепловую мощность: Q=G*c*(T2-T1).

Теплоемкость воды при определенной температуре - это с. Расход обозначается буквой G. Проводя расчеты теплообменника, вы должны знать, что температура на входе и выходе обозначается в градусах и выглядит в формуле как T1и и T2. Для того чтобы расчёт получился более точным, к этой формуле необходимо добавить коэффициент полезного действия. Для определения значения?Тср необходимо воспользоваться следующей формулой: ?Тср= (?Тб? ?Тм) / (?Тб/ ?Тм). В ней наименьшая и наибольшая разницы температур обозначаются?Тб и?Тм.

Методика проведения расчетов

Коэффициент теплопередачи вы сможете отыскать в справочных материалах или рассчитать, воспользовавшись формулой: k = 1 / (1 / ?1 +?ст / ?ст + 1 / ?2). В ней?1 и?2 - коэффициенты теплопередачи со стороны принимающего и отдающего контуров. Толщина стены трубки - ?ст. Коэффициент теплопроводности материала труб - ?ст. Если осуществить расчет теплообменника, а точнее фактическую мощность, а также площадь, можно судить о правильном выборе устройства. Если эти значения не будут соответствовать, то это указывает на повышение вероятности образования отложений на стенках трубок. В самом крайнем случае они могут быть закупорены. Лучше воспользоваться специальными программами для расчета теплообменника, но при этом важно знать, какие методы и формулы лежат в основе.

Заключение

Довольно часто владельцы домов слышат об этом важном устройстве, которое играет одну из основных функций в системе отопления. Если дело доходит до автономной схемы, где используются нагревательные котлы, этот вопрос становится еще более актуальным. В них теплоноситель нагревается внутри теплообменника. Это полые устройства, где курсирует вода. Современные производители предлагают подобные приборы в широком ассортименте, они изготавливаются из разных металлов.

Главное условие стабильной, эффективной работы системы теплообмена — это подбор теплообменных агрегатов с учетом точного соответствия конкретным эксплуатационным и техническим требованиям. Ключевым фактором для такого подбора является расчет площади теплообменника.

Конечно, существуют определенные стандарты, с универсальными параметрами, по которым можно подобрать оборудование для своего объекта. Тем не менее, часто в этой сфере индивидуальный подход более чем оправдывает себя. Проведение измерений и расчетов по конкретным данным позволяет получить максимальную отдачу от системы теплообмена. Кроме того, подобные вычисления попросту необходимы, если речь идет о работе по техническому заданию со строго обозначенными параметрами.

Методика расчета теплообменника предполагает несколько этапов.

Определение количества теплоты

Уравнение передачи тепла, используемое для установившихся единиц времени и процессов выглядит следующим образом:

Q = KFtcp (Вт)

В данном уравнении:

• К — значение коэффициента теплопередачи (выражается в Вт/(м2/К));
• tср — средняя разность температурных показателей между разными теплоносителями (величина может даваться как в градусах по Цельсию (0С), так и в кельвинах (К));
• F — значение площади поверхности, для которой происходит теплообмен (значение дается в м2).

Уравнение позволяет описать процесс, в ходе которого происходит передача теплоты между теплоносителями (от горячего — к холодному). Уравнение учитывает:

• отдачу тепла от теплоносителя (горячего) к стенке;
• параметры теплопроводности стенки;
• отдачу тепла от стенки к теплоносителю (холодному).

Определение коэффициента теплопередачи

Для предварительных расчетов теплообменного оборудования и разного рода проверок применяют ориентировочные значения коэффициентов, стандартизированные для определенных категорий:

• коэффициенты теплопередачи для процесса конденсации паров воды — от 4000 до 15000 Вт/(м2К);
• коэффициенты теплопередачи для воды, движущейся по трубам — от 1200 до 5800 Вт/(м2К);
• коэффициенты теплопередачи от парообразного конденсата к воде — от 800 до 3500 Вт/(м2К).

Точный расчет коэффициента теплопередачи (К) производится по следующей формуле:

В данной формуле:

• α1 — коэффициент теплоотдачи для греющего теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
• α2 — коэффициент теплоотдачи для нагреваемого теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
• δст — параметр толщины стенок трубы (выражается в метрах);
• λст — коэффициент теплопроводности материала, использованного для трубы (выражается в Вт/(м*К)).

Такая формула дает «идеальный» результат, обычно несоответствующий на 100% реальному положению дел. Поэтому в формулу добавляется еще один параметр — Rзаг.

Это показатель термического сопротивления различных загрязнений, формирующихся на нагревающихся поверхностях трубы (т.е. обычной накипи и др.)

Формула для показателя загрязнения выглядит так:

R = δ1/λ1 + δ2/λ2

В данной формуле:

• δ1 — толщина слоя отложений на внутренней стороне трубы (в метрах);
• δ2 — толщина слоя отложений на внешней стороне трубы (в метрах);
• λ1 и λ2 — значения коэффициентов теплопроводности для соответствующих слоев загрязнений (выражаются в Вт/(м*К)).

Методика расчета теплообменника (площади поверхности)

Итак, мы рассчитали такие параметры, как количество теплоты (Q) и коэффициент теплопередачи (K). Для окончательного вычисления дополнительно потребуется разность температур (tср) и коэффициент теплоотдачи.

Итоговая формула расчета теплообменника пластинчатого (площади теплопередающей поверхности) выглядит так:

В данной формуле:

• значения Q и K описаны выше;
• значение tср (средняя разность температур) получают по формуле (среднеарифметической либо среднелогарифмической);
• коэффициенты теплоотдачи получают двумя способами: либо с помощью эмпирических формул, либо через число Нуссельта (Nu) с использованием уравнений подобия.

Расчет пластинчатого теплообменника – это процесс технических расчетов, предназначенный для поиска желаемого решения в теплоснабжении и его осуществления.

Данные теплообменника, которые нужны для технического расчета:

• тип среды (пример вода-вода, пар-вода, масло-вода и др.)
• массовый расход среды (т / ч) - если не известна тепловая нагрузка
• температура среды на входе в теплообменник °С (по горячей и холодной стороне)
• температура среды на выходе из теплообменника °С (по горячей и холодной стороне)

Для расчета данных также понадобятся:

• из технических условий (ТУ), которые выдает теплоснабжающая организация
• из договора с теплоснабжающей организацией
• из технического задания (ТЗ) от гл. инженера, технолога

Подробнее об исходных данных для расчета

1. Температура на входе и выходе обоих контуров.
   Для примера рассмотри котел, в котором максимальное значение входной температуры – 55°С, а LMTD равен 10 градусам. Так, чем больше эта разница, тем дешевле и меньше в размерах теплообменник.
2. Максимально допустимая рабочая температура, давление среды.
   Чем хуже параметры, тем ниже цена . Параметры и стоимость оборудования определяют данные проекта.
3. Массовый расход (m) рабочей среды в обоих контурах (кг/с, кг/ч).
   Проще говоря – это пропускная способность оборудования. Очень часто может быть указан всего один параметр – объем расходов воды, который предусмотрен отдельной надписью на гидравлическом насосе. Измеряют его в кубических метрах в час, или в литрах в минуту.
   Умножив объем пропускной способности на плотность, можно высчитать общий массовый расход. Обычно плотность рабочей среды изменяется в зависимости от температуры воды. Показатель для холодной воды из центральной системы равен 0.99913.
4. Тепловая мощность (Р, кВт).
   Тепловая нагрузка – это отданное оборудованием количество тепла. Определить тепловую нагрузку можно при помощи формулы (если нам известны все параметры, что были выше):
   P = m * cp *δt , где m – расход среды, cp – удельная теплоемкость (для воды, нагретой до 20 градусов, равна 4,182 кДж/(кг *°C)), δt – температурная разность на входе и выходе одного контура (t1 - t2) .
5. Дополнительные характеристики.

• для выбора материала пластин стоит узнать вязкость и вид рабочей среды;
• средний температурный напор LMTD (рассчитывается по формуле ΔT1 - ΔT2/(In ΔT1/ ΔT2) , где ΔT1 = T1 (температура на входе горячего контура) - T4(выход горячего контура)
  и ΔT2 = T2 (вход холодного контура) - T3 (выход холодного контура);
• уровень загрязненности среды (R). Его редко учитывают, так как данный параметр нужен только в определенных случаях. К примеру: система центрального теплоснабжения не требует данный параметр.

Виды технического расчета теплообменного оборудования

Тепловой расчет

Данные теплоносителей при техническом расчете оборудования должны быть обязательно известны. Среди этих данных должны быть: физико-химические свойства, расход и температуры (начальная и конечная). Если данные одного из параметров не известны, то его определяют с помощью теплового расчета.

Тепловой расчет предназначен для определения основных характеристик устройства, среди которых: расход теплоносителя, коэффициент теплоотдачи, тепловая нагрузка, средняя разница температур. Находят все эти параметры с помощью теплового баланса.

Давайте рассмотрим пример общего расчета.

В аппарате теплообменника тепловая энергия циркулирует от одного потока к другому. Это происходит в процессе нагрева или охлаждения.

Q = Q г = Q х

Q – количество теплоты передаваемое или принимаемое теплоносителем [Вт],

Q г = G г c г ·(t гн – t гк) и Q х = G х c х ·(t хк – t хн)

G г,х – расход горячего и холодного теплоносителей [кг/ч];
с г,х – теплоемкости горячего и холодного теплоносителей [Дж/кг·град];
t г,х н
t г,х к – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

При этом, учитывайте, что количество входящей и выходящей теплоты во много зависит от состояния теплоносителя. Если в процессе работы состояние стабильно, то расчет производим по формуле выше. Если хоть один теплоноситель меняет свое агрегатное состояние, то расчет входящего и выходящего тепла стоит производить по формуле ниже:

Q = Gc п ·(t п – t нас)+ Gr + Gc к ·(t нас – t к)

r
с п,к – удельные теплоемкости пара и конденсата [Дж/кг·град];
t к – температура конденсата на выходе из аппарата [°C].

Первый и третий члены стоит исключать из правой части формулы, если конденсат не охлаждается. Исключив эти параметры, формула будет иметь следующее выражение:

Q гор = Q конд = Gr

Благодаря данной формуле определяем расход теплоносителя:

G гор = Q/c гор (t гн – t гк ) или G хол = Q/c хол (t хк – t хн )

Формула для расхода, если нагрев идет паром:

G пара = Q/ Gr

G – расход соответствующего теплоносителя [кг/ч];
Q – количество теплоты [Вт];
с – удельная теплоемкость теплоносителей [Дж/кг·град];
r – теплота конденсации [Дж/кг];
t г,х н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
t г,х к – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C].

Основная сила теплообмена – разница между его составляющими. Это связано с тем, что проходя теплоносители, температура потока меняется, в связи с этим меняются и показатели разницы температур, поэтому для подсчетов стоит использовать среднестатистическое значение. Разницу температур в обоих направлениях движения можно высчитать с помощью среднелогарифмического:

∆t ср = (∆t б - ∆t м) / ln (∆t б /∆t м) где ∆t б, ∆t м – большая и меньшая средняя разность температур теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Определение при перекрестном и смешанном токе теплоносителей происходит по той же формуле с добавлением поправочного коэффициента
∆t ср = ∆t ср ·f попр . Коэффициент теплопередачи может быть определен следующим образом:

1/k = 1/α 1 + δ ст /λ ст + 1/α 2 + R заг

в уравнении:

δ ст – толщина стенки [мм];
λ ст – коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м·град];
α 1,2 – коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней стороны стенки [Вт/м 2 ·град];
R заг – коэффициент загрязнения стенки.

Конструктивный расчет

В данном виде расчета, существуют два подвида: расчет подробный и ориентировочный.

Расчет ориентировочный предназначен для определения поверхности теплообменника, размера его проходного сечения, поиска приближенных коэффициентов значения теплообмена. Последняя задача выполняется с помощью справочных материалов.

Ориентировочный расчет поверхности теплообмена производят благодаря следующим формулам:

F = Q/ k·∆t ср [м 2 ]

Размер проходного сечения теплоносителей определяют из формулы:

S = G/(w·ρ) [м 2 ]

G
(w·ρ) – массовая скорость потока теплоносителя [кг/ м 2 ·с]. Для расчета скорость потока принимают исходя из типа теплоносителей:

После проведения конструктивного ориентировочного расчета выбирают определенные теплообменники, которые полностью подходят для требуемых поверхностей. Количество теплообменников может достигать как одной, так и нескольких единиц. После на выбранном оборудовании проводят подробный расчет, с заданными условиями.

После проведения конструктивных расчетов будут определенны дополнительные показатели для каждого вида теплообменников.

Если используется пластинчатый теплообменник, то нужно определить значение греющих ходов и значение среды, которую нагревают. Для этого мы должны применить следующую формулу:

X гр /X нагр = (G гр /G нагр) 0,636 · (∆P гр /∆P нагр) 0,364 · (1000 – t нагр ср / 1000 – t гр ср)

G гр, нагр – расход теплоносителей [кг/ч];
∆P гр, нагр – перепад давления теплоносителей [кПа];
t гр, нагр ср – средняя температура теплоносителей [°C];

Если соотношение Хгр/Хнагр будет меньше двух, то выбираем компоновку симметрическую, если больше двух – несимметричную.

Ниже представлена формула, по которой высчитываем количество каналов среды:

m нагр = G нагр / w опт ·f мк ·ρ·3600

G нагр – расход теплоносителя [кг/ч];
w опт – оптимальная скорость потока теплоносителя [м/с];
f к – живое сечение одного межпластинчатого канала (известно из характеристик выбранных пластин);

Гидравлический расчет

Технологические потоки, проходя через теплообменное оборудование, теряют напор или давление потоков. Это связано с тем, что каждый аппарат имеет собственное гидравлическое сопротивление.

Формула, используемая для нахождения гидравлического сопротивления, которое создают аппараты теплообмена:

∆Р п = (λ·(l /d ) + ∑ζ) · (ρw 2 /2)

∆p п – потери давления [Па];
λ – коэффициент трения;
l – длина трубы [м];
d – диаметр трубы [м];
∑ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;
ρ – плотность [кг/м 3 ];
w – скорость потока [м/с].

Как проверить правильность расчета пластинчатого теплообменника?

При расчете данного теплообменника обязательно нужно указать следующие параметры:

• для каких условий предназначен теплообменник, и какие показатели он будет выдавать.
• все конструктивные особенности: количество и компоновка пластин, используемые материалы, типоразмер рамы, тип присоединений, расчетное давление и т.д.
• габариты, вес, внутренний объем.

- Габариты и типы присоединений

- Расчетные данные

Они должны подходить под все условия, в которых будет подключаться, и работать наш теплообменник.

- Материалы пластин и уплотнений

в первую очередь должны соответствовать всем условия эксплуатации. Для примера: к агрессивной среде не допускаются пластины из простой нержавеющей стали, или, если разбирать совсем противоположную среду, то ставить пластины из титана, для простой системы отопления не нужно, это не будет иметь никакого смысла. Более подробное описание материалов и их соответствия определенной среде, вы можете посмотреть здесь.

- Запас площади на загрязнение

Не допускаются слишком большие размеры (не выше 50%). Если параметр больше – теплообменник выбран некорректно.

Пример расчета пластинчатого теплообменника

Исходные данные:

Массовый расход 65 т/час

Среда: вода

Температуры: 95/70 град С

Переведем данные в привычные величины:

Q = 2,5 Гкал/час = 2 500 000 ккал/час

G = 65 000 кг/час

Давайте проведем расчет по нагрузке, чтобы узнать массовый расход, так как данные тепловой нагрузки являются самыми точными, ведь покупатель или клиент не способен точно подсчитать массовый расход.

Выходит, что представленные данные являются неверными.

Данную форму также можно использовать, когда мы не знаем каких-либо данных. Она подойдет если:

• отсутствует массовый расход;
• отсутствуют данные тепловой нагрузки;
• неизвестна температура внешнего контура.

К примеру:

Вот так мы с вами нашли неизвестный нам ранее массовый расход среды холодного контура, имея лишь параметры горячего.

Как рассчитать пластинчатый теплообменник (видео)