Купленов Н.И. к.т.н., Мотовицкий С.В. аспирант
Тульский государственный университет

Благодаря своим достоинствам разборные пластинчатые водонагреватели (ПВН) активно вытесняют из отечественных систем теплоснабжения традиционные трубчатые теплообменники. Обеспечивая в несколько раз более высокий начальный коэффициент теплопередачи по сравнению с трубчатыми, эти теплообменники, однако гораздо «чувствительнее» к влиянию отложений накипи, термическое сопротивление которой более резко уменьшает теплопередачу .

При высоком содержании накипеобразующих солей и продуктов коррозии в воде, характерном для большинства регионов РФ, расчетный режим работы ПВН быстро нарушается, уменьшение коэффициента теплопередачи компенсируется повышением температуры греющего теплоносителя или его расхода. На практике это не всегда возможно, поэтому в подавляющем большинстве случаев необходима промывка.

Для компенсации постепенного уменьшения коэффициента теплопередачи необходим запас поверхности теплообмена ∆F.

Отечественная практика заказов ПВН по опросным листам заимствована из зарубежной без учета собственного опыта т.е. запас теплообменной поверхности или отсутствует или составляет 2-10% от расчетной чистой поверхности F 0 .

Из опыта эксплуатации скоростных водонагревателей известно, что вследствие низкого качества противонакипной обработки водопроводной воды коэффициент теплопередачи уменьшается достаточно быстро. Так, по данным при среднем качестве воды в ЦТП г. Москвы за 4 месяца эксплуатации он уменьшился на 45-50%. Из этого следует, что при неизменных начальных температурах теплоносителей требуемая температура нагрева воды может быть обеспечена лишь при 100% - ном запасе по сравнению с расчетной величиной теплообменной поверхности.

Недостаточная величина запаса ∆F обусловит короткий межпромывочный период и необходимость частой промывки водонагревателя; завышенная величина ∆F уменьшит количество промывок, но одновременно возрастут первоначальные затраты на ПВН.

Известно, что стоимость пластинчатых водонагревателей составляет основную долю затрат на оборудование теплового пункта, в то же время и затраты на химическую промывку, как показывает опыт , тоже значительны. Поэтому экономически оправдано определение поверхности теплообмена с учетом фактической интенсивности накипеобразования и необходимости ее регулярной промывки.

Основа методики такого определения заключается в обеспечении минимума годовых затрат на амортизацию запаса поверхности теплообмена ∆F и затрат на регулярную промывку водонагревателя; это условие выполняется равенством затрат

где - коэффициент амортизации ПВН, %/100; , - стоимость 1м 2 теплообменной поверхности и затрат на промывку, руб./м 2 ; - расчетная поверхность теплообмена при отсутствии накипи, м 2 ; , - продолжительность межпромывочного периода и годовой эксплуатации ПВН, сут.

При заданных начальных температурах и расходах теплоносителей, требуемый коэффициент эффективности нагрева воды при уменьшении коэффициента теплопередачи от образующейся накипи будет обеспечиваться выполнением условия

(2)

где , - коэффициенты теплопередачи при отсутствии накипи и при ее появлении.

Термическое сопротивление теплопередаче

(3)

где , - термическое сопротивление теплопередачи при чистой поверхности и термическое сопротивление слоя накипи.

После подстановки (3) в уравнение (2) получим

(5)

Подстановкой (5) в уравнение (1а) получим

Интенсивность накипеобразования определяется качеством воды, температурным и гидравлическим режимами работы ПВН. В конце межпромывочного периода сопротивление слоя накипи толщиной в соответствии с принятой математической моделью может быть рассчитано по уравнению:

где , - скорости образования и смыва накипи; - коэффициент теплопроводности накипи.

По литературным данным и выполненным исследованиям

где , - экспериментальные константы, - концентрация накипеобразующих солей в воде, кг/м 3 ; - касательное напряжение на поверхности накипи, Па; - температура воды, ˚С.

Термическое сопротивление удобно выразить в виде

где - соотношение скоростей нагреваемого «холодного» и греющего теплоносителей; - скорость холодного теплоносителя; - комплекс величин, характеризующих теплофизические характеристики теплоносителя и конструктивные особенности пластины ПВН; - термическое сопротивление стенки пластины.

Уравнение (6) после подстановки в него (7) и (10) в своей правой и левой части содержит одну неизвестную величину - продолжительность межпромывочного периода - и позволяет при заданных исходных данных определить ее целесообразное значение.

Основными экономическими факторами, определяющими величину , является стоимость 1м 2 теплообменной поверхности , и затраты на промывку , руб./м 2 .

На рис.1 приведены результаты расчетов экономически целесообразной продолжительности межпромывочного периода при скорости нагреваемого теплоносителя ω х = 0,4 м/с в зависимости от определяющих величин.

Рис.1 Зависимость экономически целесообразных относительной величины запаса теплообменной поверхности ∆F/F 0 и продолжительности межпромывочного периода τ мпр пластинчатого водонагревателя для горячего водоснабжения

Примечание:

1)Расчет производился при ω х = 0,4 м/с для пластин типа М10-BFG.

2)Исходные данные:

С=0,00357 кг/м 3 ; а м =0,19; λ н =1,05 Вт/(м·˚С); =12,7·10 -10 ; А=13374.

С повышением удельной стоимости промывки теплообменной поверхности экономически целесообразный межпромывочный период увеличивается, и приведенные зависимости позволяют получить количественную оценку продолжительности этого периода.

С другой стороны, при высокой стоимости теплообменника, что имеет место при уменьшении площади единичной пластины, величина экономически целесообразного запаса теплообменной поверхности уменьшается, конкретные величины определяющих факторов и зависимых от них величин приведены на графиках. Из этих данных следует, в частности, что для обеспечения требуемого температурного режима горячего водоснабжения даже при умеренной жесткости водопроводной воды и ежемесячной промывке запас теплообменной поверхности должен быть не менее 60% по сравнению с ее величиной при безнакипном режиме работы.

Заметим, что сопутствующее образованию накипи возрастание гидравлического сопротивления ПВН при экономически целесообразных продолжительностях межпромывочного периода несущественно, поскольку в среднем проходное сечение межпластинчатых каналов уменьшается на 4-8%.

Литература

1. Жаднов О.В. "Пластинчатые теплообменники - дело тонкое"// "Новости теплоснабжения" -2005.,-N 3.-c.39-53.

2. Чернышев Д.В. "Прогнозирование накипеобразования в пластинчатых водонагревателях для повышения надежности их работы" Дисс. к.т.н.05.23.03.- Тула, 2002. - 199с.

3. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. -М.: Машиностроение, 1989.

4. Чистяков Н.Н. и др. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. М., Стройиздат, 1988.

Расчет теплообменника в настоящее время занимает не более пяти минут. Любая организация, производящая и продающая такое оборудование, как правило, предоставляет всем желающим свою собственную программу подбора. Ее можно бесплатно скачать с сайта компании, либо их технический специалист приедет к вам в офис и бесплатно её установит. Однако насколько корректен результат таких расчетов, можно ли ему доверять и не лукавит ли производитель, сражаясь в тендере со своими конкурентами? Проверка электронного калькулятора требует наличия знаний или как минимум понимания методики расчета современных теплообменников. Попробуем разобраться в деталях.

Что такое теплообменник

Прежде чем выполнять расчет теплообменника, давайте вспомним, а что же это за устройство такое? Тепломассообменный аппарат (он же теплообменник, он же или ТОА) - это устройство для передачи теплоты от одного теплоносителя другому. В процессе изменения температур теплоносителей меняются также их плотности и, соответственно, массовые показатели веществ. Именно поэтому такие процессы называют тепломассообменными.

Виды теплообмена

Теперь поговорим о - их всего три. Радиационный - передача теплоты за счет излучения. Как пример, можно вспомнить принятие солнечных ванн на пляже в теплый летний день. И такие теплообменники даже можно встретить на рынке (ламповые нагреватели воздуха). Однако чаще всего для обогрева жилых помещений, комнат в квартире мы покупаем масляные или электрические радиаторы. Это пример другого типа теплообмена - бывает естественной, вынужденной (вытяжка, а в коробе стоит рекуператор) или с механическим побуждением (с вентилятором, например). Последний тип намного эффективнее.

Однако самый эффективный способ передачи теплоты - это теплопроводность, или, как её ещё называют, кондукция (от англ. conduction - "проводимость"). Любой инженер, собирающийся провести тепловой расчет теплообменника, прежде всего задумывается о том, чтобы выбрать эффективное оборудование в минимальных габаритах. И достичь этого удаётся именно за счет теплопроводности. Примером тому служат самые эффективные на сегодняшний день ТОА - пластинчатые теплообменники. Пластинчатый ТОА, согласно определению, - это теплообменный аппарат, передающий теплоту от одного теплоносителя другому через разделяющую их стенку. Максимально возможная площадь контакта между двумя средами в совокупности с верно подобранными материалами, профилем пластин и их толщиной позволяет минимизировать размеры выбираемого оборудования при сохранении исходных технических характеристик, необходимых в технологическом процессе.

Типы теплообменников

Прежде чем проводить расчет теплообменника, определяются с его типом. Все ТОА можно разделить на две большие группы: рекуперативные и регенеративные теплообменники. Основное отличие между ними заключается в следующем: в рекуперативных ТОА теплообмен происходит через разделяющую два теплоносителя стенку, а в регенеративных две среды имеют непосредственный контакт между собой, часто смешиваясь и требуя последующего разделения в специальных сепараторах. подразделяются на смесительные и на теплообменники с насадкой (стационарной, падающей или промежуточной). Грубо говоря, ведро с горячей водой, выставленное на мороз, или стакан с горячим чаем, поставленный остужаться в холодильник (никогда так не делайте!) - это и есть пример такого смесительного ТОА. А наливая чай в блюдце и остужая его таким образом, мы получаем пример регенеративного теплообменника с насадкой (блюдце в этом примере играет роль насадки), которая сначала контактирует с окружающим воздухом и принимает его температуру, а потом отбирает часть теплоты от налитого в него горячего чая, стремясь привести обе среды в режим теплового равновесия. Однако, как мы уже выяснили ранее, эффективнее использовать теплопроводность для передачи теплоты от одной среды к другой, поэтому более полезные в плане теплопередачи (и широко используемые) ТОА на сегодняшний день - конечно же, рекуперативные.

Тепловой и конструктивный расчет

Любой расчет рекуперативного теплообменника можно провести на основе результатов теплового, гидравлического и прочностного вычислений. Они являются основополагающими, обязательны при проектировании нового оборудования и ложатся в основу методики расчета последующих моделей линейки однотипных аппаратов. Главной задачей теплового расчета ТОА является определение необходимой площади теплообменной поверхности для устойчивой работы теплообменника и поддержания необходимых параметров сред на выходе. Довольно часто при таких расчетах инженеры задаются произвольными значениями массогабаритных характеристик будущего оборудования (материал, диаметр труб, размеры пластин, геометрия пучка, тип и материал оребрения и др.), поэтому после теплового обычно проводят конструктивный расчет теплообменника. Ведь если на первой стадии инженер посчитал необходимую площадь поверхности при заданном диаметре трубы, например, 60 мм, и длина теплообменника при этом получилась порядка шестидесяти метров, то логичнее предположить переход к многоходовому теплообменнику, либо к кожухотрубному типу, либо увеличить диаметр трубок.

Гидравлический расчет

Гидравлические или гидромеханические, а также аэродинамические расчеты проводят с целью определить и оптимизировать гидравлические (аэродинамические) потери давления в теплообменнике, а также подсчитать энергетические затраты на их преодоление. Расчет любого тракта, канала или трубы для прохода теплоносителя ставит перед человеком первостепенную задачу - интенсифицировать процесс теплообмена на данном участке. То есть одна среда должна передать, а другая получить как можно больше тепла на минимальном промежутке его течения. Для этого часто применяют дополнительную поверхность теплообмена, в виде развитого оребрения поверхности (для отрыва пограничного ламинарного подслоя и усиления турбулизации потока). Оптимальное балансовое соотношение гидравлических потерь, площади теплообменной поверхности, массогабаритных характеристик и снимаемой тепловой мощности является результатом совокупности теплового, гидравлического и конструктивного расчета ТОА.

Исследовательские расчеты

Исследовательские расчеты ТОА проводят на основе полученных результатов теплового и поверочного расчетов. Они необходимы, как правило, для внесения последних поправок в конструкцию проектируемого аппарата. Их также проводят с целью корректировки каких-либо уравнений, закладываемых в реализуемой расчетной модели ТОА, полученной эмпирическим путём (по экспериментальным данным). Выполнение исследовательских расчетов предполагает проведение десятков, а иногда и сотен вычислений по специальному плану, разработанному и внедрённому на производстве согласно математической теории планирования экспериментов. По результатам выявляют влияние различных условий и физических величин на показатели эффективности ТОА.

Другие расчеты

Выполняя расчет площади теплообменника, не стоит забывать и о сопротивлении материалов. Прочностные расчеты ТОА включают проверку проектируемого агрегата на напряжение, на кручение, на прикладывание максимально допустимых рабочих моментов к деталям и узлам будущего теплообменника. При минимальных габаритах изделие должно быть прочным, устойчивым и гарантировать безопасную работу в различных, даже самых напряженных условиях эксплуатации.

Динамический расчет проводится с целью определения различных характеристик теплообменного аппарата на переменных режимах его работы.

Типы конструкции теплообменников

Рекуперативные ТОА по конструкции можно разделить на достаточно большое количество групп. Самые известные и широко применяемые - это пластинчатые теплообменники, воздушные (трубчатые оребрённые), кожухотрубные, теплообменники "труба в трубе", кожухо-пластинчатые и другие. Существуют и более экзотические и узкоспециализированные типы, например, спиральные (теплообменник-улитка) или скребковые, которые работают с вязкими или а также многие другие типы.

Теплообменники «труба в трубе»

Рассмотрим самый простой расчет теплообменника «труба в трубе». Конструктивно данный тип ТОА максимально упрощен. Во внутреннюю трубу аппарата пускают, как правило, горячий теплоноситель, для минимизации потерь, а в кожух, или в наружную трубу, запускают охлаждающий теплоноситель. Задача инженера в этом случае сводится к определению длины такого теплообменника исходя из рассчитанной площади теплообменной поверхности и заданных диаметров.

Здесь стоит добавить, что в термодинамике вводится понятие идеального теплообменника, то есть аппарата бесконечной длины, где теплоносители работают в противотоке, и между ними полностью срабатывается температурный напор. Конструкция «труба в трубе» ближе всего удовлетворяет этим требованиям. И если запустить теплоносители в противотоке, то это будет так называемый «реальный противоток» (а не перекрёстный, как в пластинчатых ТОА). Температурный напор максимально эффективно срабатывается при такой организации движения. Однако выполняя расчет теплообменника «труба в трубе», следует быть реалистами и не забывать о логистической составляющей, а также об удобстве монтажа. Длина еврофуры - 13,5 метров, да и не все технические помещения приспособлены к заносу и монтажу оборудования такой длины.

Кожухотрубные теплообменники

Поэтому очень часто расчет такого аппарата плавно перетекает в расчет кожухотрубного теплообменника. Это аппарат, в котором пучок труб находится в едином корпусе (кожухе), омываемым различными теплоносителями, в зависимости от назначения оборудования. В конденсаторах, например, хладагент запускают в кожух, а воду - в трубки. При таком способе движения сред удобнее и эффективнее контролировать работу аппарата. В испарителях, наоборот, хладагент кипит в трубках, а они при этом омываются охлаждаемой жидкостью (водой, рассолами, гликолями и др.). Поэтому расчет кожухотрубного теплообменника сводится к минимизации габаритов оборудования. Играя при этом диаметром кожуха, диаметром и количеством внутренних труб и длиной аппарата, инженер выходит на расчетное значение площади теплообменной поверхности.

Воздушные теплообменники

Один из самых распространённых на сегодняшний день теплообменных аппаратов - это трубчатые оребрённые теплообменники. Их ещё называют змеевиками. Где их только не устанавливают, начиная от фанкойлов (от англ. fan + coil, т.е. "вентилятор" + "змеевик") во внутренних блоках сплит-систем и заканчивая гигантскими рекуператорами дымовых газов (отбор теплоты от горячего дымового газа и передача его на нужды отопления) в котельных установках на ТЭЦ. Вот почему расчет змеевикового теплообменника зависит от того применения, куда этот теплообменник пойдёт в эксплуатацию. Промышленные воздухоохладители (ВОПы), устанавливаемые в камерах шоковой заморозки мяса, в морозильных камерах низких температур и на других объектах пищевого холодоснабжения, требуют определённых конструктивных особенностей в своём исполнении. Расстояния между ламелями (оребрением) должно быть максимальным, для увеличения времени непрерывной работы между циклами оттайки. Испарители для ЦОДов (центров обработки данных), наоборот, делают как можно более компактными, зажимая межламельные расстояния до минимума. Такие теплообменники работают в «чистых зонах», окруженные фильтрами тонкой очистки (вплоть до класса HEPA), поэтому такой расчет проводят с упором на минимизацию габаритов.

Пластинчатые теплообменники

В настоящее время стабильным спросом пользуются пластинчатые теплообменники. По своему конструктивному исполнению они бывают полностью разборными и полусварными, меднопаяными и никельпаяными, сварными и спаянными диффузионным методом (без припоя). Тепловой расчет пластинчатого теплообменника достаточно гибок и не представляет особой сложности для инженера. В процессе подбора можно играть типом пластин, глубиной штамповки каналов, типом оребрения, толщиной стали, разными материалами, а самое главное - многочисленными типоразмерными моделями аппаратов разных габаритов. Такие теплообменники бывают низкими и широкими (для парового нагрева воды) или высокими и узкими (разделительные теплообменники для систем кондиционирования). Их часто используют и под среды с фазовым переходом, то есть в качестве конденсаторов, испарителей, пароохладителей, предконденсаторов и т. д. Выполнить тепловой расчет теплообменника, работающего по двухфазной схеме, немного сложнее, чем теплообменника типа «жидкость-жидкость», однако для опытного инженера эта задача разрешима и не представляет особой сложности. Для облегчения таких расчетов современные проектировщики используют инженерные компьютерные базы, где можно найти много нужной информации, в том числе диаграммы состояния любого хладагента в любой развёртке, например, программу CoolPack.

Пример расчета теплообменника

Основной целью проведения расчета является вычисление необходимой площади теплообменной поверхности. Тепловая (холодильная) мощность обычно задается в техзадании, однако в нашем примере мы рассчитаем и её, для, скажем так, проверки самого техзадания. Иногда бывает и так, что в исходные данные может закрасться ошибка. Одна из задач грамотного инженера - эту ошибку найти и исправить. В качестве примера выполним расчет пластинчатого теплообменника типа «жидкость - жидкость». Пусть это будет разделитель контуров (pressure breaker) в высотном здании. Для того чтобы разгрузить оборудование по давлению, при строительстве небоскрёбов очень часто применяется такой подход. С одной стороны теплообменника имеем воду с температурой входа Твх1 = 14 ᵒС и выхода Твых1 = 9 ᵒС, и с расходом G1 = 14 500 кг/ч, а с другой - тоже воду, но только вот с такими параметрами: Твх2 = 8 ᵒС, Твых2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 кг/ч.

Необходимую мощность (Q0) рассчитаем по формуле теплового баланса (см. рис. выше, формула 7.1), где Ср - удельная теплоёмкость (табличное значение). Для простоты расчетов возьмём приведённое значение теплоёмкости Срв = 4,187 [кДж/кг*ᵒС]. Считаем:

Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по первой стороне и

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по второй стороне.

Обратите внимание, что, согласно формуле (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от того, по какой стороне проведён расчет.

Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k - коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м 2 ]), а ΔТср.лог. - среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):

ΔТ ср.лог. = (2 - 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м 2 .

В случае когда коэффициент теплопередачи неизвестен, расчет пластинчатого теплообменника немного усложняется. По формуле (7.4) считаем критерий Рейнольдса, где ρ - плотность, [кг/м 3 ], η - динамическая вязкость, [Н*с/м 2 ], v - скорость среды в канале, [м/с], d см - смачиваемый диаметр канала [м].

По таблице ищем необходимое нам значение критерия Прандтля и по формуле (7.5) получаем критерий Нуссельта, где n = 0,4 - в условиях нагрева жидкости, и n = 0,3 - в условиях охлаждения жидкости.

Далее по формуле (7.6) вычисляется коэффициент теплоотдачи от каждого теплоносителя к стенке, а по формуле (7.7) считаем коэффициент теплопередачи, который и подставляем в формулу (7.2.1) для вычисления площади теплообменной поверхности.

В указанных формулах λ - коэффициент теплопроводности, ϭ - толщина стенки канала, α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи от каждого из теплоносителей стенке.

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)

Размещено 23.10.2013

Данные рекомендации по подбору пластинчатых теплообменников направлены в помощь проектировщику для правильного выбора теплообменного аппарата по ключевым критериям, таким как гидравлическое сопротивление, площадь теплообмена, температурный режим и конструктивные особенности.

Для подбора и моделирования работы пластинчатых теплообменников Данфосс служит программа Hexact. Предназначена она для паяных пластинчатых теплообменников типов XB и разборных пластинчатых теплообменников типов XG. Для подбора теплообменника вводят такие исходные данные, как:

Мощность теплообменника – тепловую мощность, которую необходимо передать от греющего теплоносителя (с большей температурой) к нагреваемому теплоносителю;

Температурный режим – начальные температуры греющего и нагреваемого теплоносителей, а также желаемые конечные температуры теплоносителей (температуры теплоносителей на выходе из теплообменника);

Тип теплоносителя;

Запас поверхности нагрева;

Максимально допустимое гидравлическое сопротивление ходов теплообменника.

Из выше перечисленных данных первые три не вызывают затруднений. Но такие параметры, как запас поверхности и гидравлическое сопротивление, которые на первый взгляд могут показаться не существенными, вносят значительные сложности при подборе теплообменника. Эти параметры должен задать проектировщик, который может не являться специалистом в области теплообменных аппаратов. Рассмотрим эти параметры подробнее.

Максимально допустимое гидравлическое сопротивление

При подборе теплообменника необходимо не только задаваться целью обеспечения теплопередачи, но и рассматривать систему в целом, оценивая влияние теплообменника на гидравлический режим системы. Если задаться большим значением гидравлического сопротивления – существенно увеличится общее сопротивление системы, что приведёт к необходимости применения циркуляционных насосов с неоправданно завышенной мощностью. Особенно это важно, если насосы находятся в составе индивидуального теплового пункта жилого дома. Более мощные насосы создают больший уровень шума, вибрации, что может привести к последующим жалобам жильцов. К тому же, с большой вероятностью, насосы будут работать в неоптимальном режиме, когда нужно обеспечить большой напор с малым расходом. Такой режим работы приводит к снижению КПД и ресурса насосов, что в свою очередь увеличивает эксплуатационные расходы.

С другой стороны – высокое гидравлическое сопротивление пластинчатых теплообменников указывает на высокую скорость теплоносителя в каналах теплообменника; если это чистые теплообменники – без накипи и отложений. Это положительно сказывается на коэффициенте теплопередачи, вследствие чего требуется меньшая поверхность теплопередачи, что снижает стоимость теплообменника.

Задача правильного выбора гидравлического сопротивления сводится к нахождению оптимума между стоимостью теплообменника и его влиянием на общее сопротивление системы.

Специалисты компании «Данфосс ТОВ» рекомендуют для пластинчатых теплообменников задавать максимальное гидравлическое сопротивление 2 м вод. ст. (20 кПа) для систем отопления и горячего водоснабжения, и 4 м вод. ст (40 кПа) для систем охлаждения.

Запас поверхности нагрева

Основная задача дополнительной поверхности теплообмена состоит в обеспечении расчётной мощности теплообмена при снижении коэффициента теплопередачи вследствие загрязнения поверхностей теплообмена. Наиболее подвержены загрязнению и образованию накипи теплообменники систем горячего водоснабжения, в которых происходит нагрев водопроводной воды с, как правило, высоким содержанием солей. Поэтому теплообменники систем горячего водоснабжения нуждаются в большем запасе поверхности нагрева, чем теплообменники систем теплоснабжения, охлаждения, в которых в качестве теплоносителя применяют подготовленную воду.

Специалисты компании «Теплообмен» на основании предоставленных индивидуальных данных производят быстрый расчет теплообменников по заявкам клиентов.

Метод расчета теплообменника

Чтобы решить задачу теплообмена, необходимо знать значение нескольких параметров. Зная их, можно определить другие данные. Самыми важными представляются шесть параметров:

• Количество тепла, которое должно быть передано (тепловая нагрузка или мощность).
• Температура на входе и выходе на стороне первого и второго контура теплообменника.
• Максимально допустимые потери напора на стороне и первого, и второго контура.
• Максимальная рабочая температура.
• Максимальное рабочее давление.
• Расход среды на стороне первого и второго контура.

Если расход среды, удельная теплоемкость и разность температур на одной стороне контура известны, можно рассчитать величину тепловой нагрузки.

Температурная программа

Этот термин означает характер изменения температуры среды обоих контуров между ее значениями на входе в теплообменник и выходе из него.

T1 = Температура на входе – горячая сторона

T2 = Температура на выходе – горячая сторона

T3 = Температура на входе – холодная сторона

T4 = Температура на выходе – холодная сторона

Средний логарифмический температурный напор

Средний логарифмический температурный напор (LMTD) является эффективной движущей силой теплообмена.

Если не учитывать потери тепла в окружающее пространство, которыми можно пренебречь, правомерно утверждать, что количество тепла, отданное одной стороной пластинчатого теплообменника (тепловая нагрузка) равно количеству тепла, полученному другой его стороной.

Тепловая нагрузка (P) выражается в кВт или в ккал/ч.

P = m x c p x δt,

m = Массовый расход, кг/с

c p = Удельная теплоемкость, кДж/(кг x °C)

δt = Разность температур на входе и выходе одной стороны, °C

Термическая длина

Термическая длина канала или тета-параметр (Θ) является безразмерной величиной, которая характеризует соотношение между разностью температур δt на одной стороне теплообменника и его LMTD.

Плотность

Плотностью (ρ) является масса единицы объема среды и выражается в кг/м 3 или г/дм 3 .

Расход

Этот параметр может выражаться с использованием двух различных терминов: массы или объема. Если имеется в виду массовый расход, тогда он выражается в кг/с или в кг/ч, если объемный расход, то используются такие единицы, как м 3 /ч или л/мин. Чтобы перевести объемный расход в массовый, нужно величину объемного расхода умножить на плотность среды. Выбор теплообменника для выполнения конкретной задачи обычно определяет требуемая величина расхода среды.

Потери напора

Размер пластинчатого теплообменника непосредственно зависит от величины потери напора (∆p). Если есть возможность увеличить допустимые потери напора, то можно будет использовать более компактный и, следовательно, менее дорогой теплообменник. За ориентир для пластинчатых теплообменников для рабочих жидкостей вода/вода можно считать допустимой потери напора в диапазоне от 20 до 100 кПа.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость (с p) представляет собой количество энергии, которое необходимо для повышения температуры 1 кг какого-либо вещества на 1 °C при данной температуре. Так, удельная теплоемкость воды при температуре 20 °C равна 4,182 кДж/(кг х °C) или 1,0 ккал/(кг х °C).

Вязкость

Вязкость является мерой текучести жидкости. Чем ниже вязкость, тем выше текучесть жидкости. Вязкость выражается в сантипуазах (сП) или в сантистоксах (сСт).

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи теплообменника является важнейшим параметром, от которого зависит сфера применения устройства, а также его эффективность. На данную величину влияет скорость движения рабочих сред, а также особенности конструкции агрегата.

Коэффициент теплопередачи теплообменника представляет собой совокупность следующих величин:

• теплоотдача от греющей среды к стенкам;
• теплопередача от стенок к нагреваемой среде;
• теплопередача водонагревателя.

Коэффициент теплопередачи теплообменника рассчитывается по определенным формулам, состав которых также зависит от вида теплообменного агрегата, его габаритов, а также от характеристик веществ, с которыми работает система. Кроме того, необходимо учитывать внешние условия эксплуатации аппаратуры – влажность, температуру и т.д.

Коэффициент теплопередачи (k) является мерой сопротивления тепловому потоку, вызываемого такими факторами, как материал пластин, количество отложений на ее поверхности, свойства жидкостей и тип используемого теплообменника. Коэффициент теплопередачи выражается в Вт/(м 2 x °C) или в ккал/(ч x м 2 x °C).

Выбор теплообменника

Каждый параметр в этих формулах может повлиять на выбор теплообменника. Выбор материалов же обычно не влияет на эффективность теплообменника, от них зависит только его прочность и стойкость к коррозии.

Применяя пластинчатый теплообменник , мы получаем преимущества в виде небольших разностей температур и малой толщины пластин, которая обычно равна от 0,3 до 0,6 мм.

Коэффициенты теплоотдачи (α1 и α2) и коэффициент загрязнения (Rf), как правило, очень малы, что объясняется высокой степенью турбулентности течения среды в обоих контурах теплообменника. Этим же обстоятельством можно объяснить и высокое значение расчетного коэффициента теплопередачи (k), которое при благоприятных условиях может достигать величины 8 000 Вт/(м 2 х °C).

В случае применения обычных кожухотрубных теплообменников величина коэффициента теплопередачи (k) не превысит значение 2 500 Вт/(м 2 х °C).

Важными факторами минимизации стоимости теплообменника являются два параметра:

1. Потери напора. Чем выше допустимая величина потерь напора, тем меньше размеры теплообменника.

2. LMTD. Чем выше разность температур жидкостей в первом и втором контуре, тем меньше размеры теплообменника.

Ограничения по давлению и температуре

Стоимость пластинчатого теплообменника зависит от максимально допустимых значений давления и температуры. Основное правило можно сформулировать следующим образом: чем ниже максимально допустимые значения рабочих температуры и давления, тем меньше стоимость теплообменника.

Загрязнение и коэффициенты

Допустимое загрязнение может быть учтено в вычислении через расчетный запас (M), то есть, за счет дополнительного процента поверхности теплообмена или введения коэффициента загрязнения (Rf), выражаемого в таких единицах, как (м 2 х °C)/Вт или (м 2 х ч х °C)/ккал.

Коэффициент загрязнения при расчете пластинчатого теплообменника должен браться значительно меньшим, чем при расчете кожухотрубного теплообменника. Для этого есть две причины.

Более высокая турбулентность потока (k) означает меньший коэффициент загрязнения.

Конструкция пластинчатых теплообменников обеспечивает гораздо более высокую степень турбулентности и, следовательно, более высокий тепловой коэффициент полезного действия (кпд), чем это имеет место в традиционных кожухотрубных теплообменниках. Обычно коэффициент теплопередачи (k) пластинчатого теплообменника (вода/вода) может составлять от 6 000 до 7 500 Вт/(м 2 х °C), в то время как традиционные кожухотрубные теплообменники при одинаковом применении обеспечивают коэффициент теплопередачи порядка лишь 2 000–2 500 Вт/(м 2 х °C). Типичное значение Rf, обычно используемое в расчетах кожухотрубных теплообменников, равно 1 х 10-4 (м 2 х °C)/Вт. В этом случае использование значения k от 2 000 до 2 500 Вт/(м 2 х °C) дает расчетный запас (M = kc х Rf) порядка 20–25 %. Чтобы получить такое же значение асчетного запаса (M) в пластинчатом теплообменнике с коэффициентом теплопередачи порядка 6 000–7 500 Вт/(м 2 х °C), надо взять коэффициент загрязнения, равный всего лишь 0,33 х 10-4 (м 2 х °C)/Вт.

Различие в добавлении расчетного запаса

При расчете кожухотрубных теплообменников расчетный запас добавляется путем увеличения длины труб при сохранении расхода среды через каждую трубу. При расчете пластинчатого теплообменника такой же расчетный запас обеспечивается за счет добавления параллельных каналов или посредством уменьшения расхода в каждом канале. Это приводит к снижению степени турбулентности течения среды, уменьшению эффективности теплообмена и увеличению опасности загрязнения каналов теплообменника. Использование слишком большого коэффициента загрязнения может привести к повышенной интенсивности образования отложений.Для пластинчатого теплообменника, работающего в режиме вода/вода, значение расчетного запаса от 0 до 15 % (в зависимости от качества воды) можно считать вполне достаточным.