Что нужно для расчета теплообменника? Расчет теплообменника: пример. Расчет площади, мощности теплообменника Пароводяной пластинчатый теплообменник расчет

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.

Общие принципы устройства схем теплоснабжения

Система теплоснабжения представляет собой систему транспортировки тепловой энергии (в виде нагретой воды или пара) от источника тепловой энергии к ее потребителю.

Система теплоснабжения в основном состоит из трех частей: источник тепла, потребитель тепла, тепловая сеть - служащая для транспортировки тепла от источника к потребителю.

Паровой котел на ТЭЦ или котельной.
Сетевой теплообменник.
Циркуляционный насос.
Теплообменник системы горячего водоснабжения.
Теплообменник системы отопления.

Роль элементов схемы:

котельный агрегат - источник тепла, передача теплоты сгорания топлива к теплоносителю;
насосное оборудование - создание циркуляции теплоносителя;
подающий трубопровод - подача нагретого теплоносителя от источника к потребителю;
обратный трубопровод - возврат охлажденного теплоносителя на источник от потребителя;
теплообменное оборудование - преобразование тепловой энергии.

Температурные графики

В нашей стране принято качественное регулирование отпуска теплоты потребителям. Т. е. не изменяя расход теплоносителя через теплопотребляющую систему, изменяется разность температур на входе и на выходе системы.

Это достигается изменением температуры в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха. Чем ниже температура наружного воздуха, тем выше температура в подающем трубопроводе. Соответственно температура обратного трубопровода также изменяется по этой зависимости. И все системы потребляющие тепло проектируются с учетом этих требований.

Графики зависимости температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе называются температурным графиком системы теплоснабжения.

Температурный график устанавливается источником теплоснабжения в зависимости от его мощности, требований тепловых сетей, требований потребителей. Температурные графики называются по максимальным температурам в подающем и обратном трубопроводах: 150/70, 95/70 …

Срезка графика в верхней части - когда у котельной не хватает мощности.

Срезка графика в нижней части - для обеспечения работоспособности систем ГВС.

Работа систем отопления идет в основном по графику 95/70 для обеспечения средней температуры в отопительном приборе 82,5°С при -30° С.

Если требуемую температуру в подающем трубопроводе обеспечивает источник тепла, то требуемую температуру в обратном трубопроводе обеспечивает потребитель тепла своей теплопотребляющей системой. Если происходит завышение температуры обратной воды от потребителя, то это означает неудовлетворительную работу его системы и влечет за собой штрафы т. к. приводит к ухудшению работы источника тепла. При этом снижается его КПД. Поэтому существуют специальные контролирующие организации, которые отслеживают, чтобы теплопотребляющие системы потребителей выдавали температуру обратной воды по температурному графику или ниже. Однако в некоторых случаях подобное завышение допускается, напр. при установке отопительных теплообменников.

График 150/70 позволят передавать тепло от источника тепла с меньшими расходами теплоносителя, однако в домовые системы отопления нельзя подавать теплоноситель с температурой выше 105°С. Поэтому производят понижение графика, например на 95/70. Понижение производится установкой теплообменника либо подмесом обратной воды в подающий трубопровод.

Гидравлика тепловых сетей

Циркуляция воды в системах теплоснабжения производится сетевыми насосами на котельных и тепловых пунктах. Так как протяженность трасс достаточно велика то разность давления в подающем и обратном трубопроводах, которую создает насос, уменьшается с удалением от насоса.

Из рисунка видно, что для наиболее удаленного потребителя самый малый располагаемый перепад давления. Т. е. для нормальной работы его теплопотребляющих систем необходимо чтобы они имели самое малое гидравлическое сопротивление для обеспечения требуемого расхода воды через них.

Расчет пластинчатых теплообменников для систем отопления

Приготовление отопительной воды может происходить путем нагрева в теплообменнике.

При расчете пластинчатого теплообменника для получения отопительной воды , исходные данные берутся для самого холодного периода, т. е. когда необходимы самые высокие температуры и соответственно самое большое теплопотребление. Это наихудший режим для теплообменника, рассчитанного на отопление.

Особенностью расчета теплообменника для системы отопления является завышенная температура обратной воды по греющей стороне. Это допускается специально т. к. любой поверхностный теплообменник принципиально не может охладить обратную воду до температуры графика, если по нагреваемой стороне на вход в теплообменник поступает вода с температурой графика. Обычно допускается разница 5-15°С.

Расчет пластинчатых теплообменников для систем ГВС

При расчете пластинчатых теплообменников для систем горячего водоснабжения исходные данные берутся для переходного периода, т. е. когда температура подающего теплоносителя низка (обычно 70°С), холодная вода имеет самую низкую температуру (2-5°С) и при этом еще работает система отопления - это май-сентябрь месяцы. Это наихудший режим для теплообменника ГВС.

Расчетная нагрузка для систем ГВС определяется исходя из наличия на объекте, где устанавливаются теплообменники аккумуляторных баков.

При отсутствии баков расчет пластинчатых теплообменников производится на максимальную нагрузку. Т. е. теплообменники должны обеспечивать нагрев воды и при максимальном водоразборе.

При наличии аккумуляторных баков пластинчатые теплообменники рассчитываются на среднечасовую нагрузку. Аккумуляторные баки пополняются постоянно и компенсируют пиковый водоразбор. Теплообменники должны обеспечивать только подпитку баков.

Соотношение максимальной и среднечасовой нагрузок достигает в некоторых случаях 4-5 раз.

Обращаем Ваше внимание, что расчет пластинчатых теплообменников удобно производить в собственной

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

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.
Максимально допустимая рабочая температура, давление среды.
Чем хуже параметры, тем ниже цена . Параметры и стоимость оборудования определяют данные проекта.
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.
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) .
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)

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.