Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Введение

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.

Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:

• 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:

• G₁ и G₂ – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
• c_p1 и c_p2 – 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 (t₁ вх ;t₁ вых и t₂ вх ;t₂ 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.

• Температура греющего носителя при входе t₁ вх = 14 ºС;
• Температура греющего носителя при выходе t₁ вых = 9 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при входе t₂ вх = 8 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при выходе t₂ вых = 12 ºС;
• Расход массы греющего носителя G₁ = 14000 кг/ч;
• Расход массы нагреваемого носителя G₂ = 17500 кг/ч;
• Нормативное значение удельной теплоемкости с_р =4,2 кДж/кг‧ ºС;
• Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м 2 .

1) Определим мощность 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.

Вы можете самостоятельно провести тепловой расчет на основе уравнений выше и получить результат в pdf-формате (в полях «Допустимые потери», «Давление расч.» и «Tmax» можно указать произвольные данные, единственное ограничение: Tmax > t1).

ВАЖНО: 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 теплообменника. 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 механического расчета теплообменника, поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

Расчет теплообменника пластинчатого

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.)
• тепловая нагрузка (Гкал/ч) или мощность (кВт)
• 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.

Подбор и расчет стоимости теплообменника удобным для вас способом

Получить консультацию

Рассчитаем по параметрам

Делаем расчёт точно и профессионально, без всяких манипуляций

Есть готовый расчет теплообменника?

Рассчитаем стоимость по номеру расчета, серийному номеру, расчетному листу, спецификации, по шильдику теплообменника

Откуда взять расчетные данные для ПТО?

Расчетные данные (нагрузки, давления, температурные графики) выдаются теплоснабжающими организациями (тепловыми сетями, котельными) в виде пояснительных записок, Технических условий (ТУ).

Также эти данные вы можете взять из договора с теплоснабжающей организацией, или из проекта модернизации или переоборудования ИТП, УУТО. Если у вас остались вопросы по данным для расчета, то можно обратиться к менеджеру за консультацией.

ОСТАВЬТЕ ЗАПРОС
и наш специалист поможет подобрать оборудование

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 – количество теплоты передаваемое или принимаемое теплоносителем [Вт],

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} – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
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:

r – теплота конденсации [Дж/кг];
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:

Благодаря данной формуле определяем расход теплоносителя:

Формула для расхода, если нагрев идет паром:

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:

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

Вид теплоносителя

Скорость потока, м/с

Вязкие жидкости

0,636 · (∆Pгр/∆Pнагр) 0,364 · (1000 – t нагр ср/ 1000 – tгр ср) Gгр, нагр – расход теплоносителей [кг/ч]; ∆Pгр, нагр – перепад давления теплоносителей [кПа]; tгр, 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: Gнагр – расход теплоносителя [кг/ч]; wопт – оптимальная скорость потока теплоносителя [м/с]; fк – 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: ∆pп – 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]. ОСТАВЬТЕ ЗАПРОС и наш специалист поможет подобрать оборудование 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: Нагрузка (кол-во тепла) 2,5 Гкал/час 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. Горячая сторона Холодная сторона Т1/Т2 135/9 ℃ 40/70 ℃ Расход 100т/ч Вот так мы с вами нашли неизвестный нам ранее массовый расход среды холодного контура, имея лишь параметры горячего. Как рассчитать пластинчатый теплообменник (видео) Оцените статью Вам также может понравиться 2 трубная только отопление Схемы двухтрубных систем отопления для частного дома 2 трубная система отопления частного дома своими руками схема Двухтрубная система отопления: все нюансы, которые 2 трубная система отопления диаметр труб Необходимый диаметр труб для разных систем отопления 2 питьевой пояс водоснабжения Постановление Главного государственного санитарного 2 питьевое водоснабжение для предприятия Водоснабжение промышленных предприятий: виды систем 2 категория водоснабжения для расчета штатного расписания муп Штатное расписание. Унифицированная форма Т-3 Штатное 1 категория водоснабжения требования Исполнительная документация Какие бывают категории 354 постановление правительства холодное водоснабжение Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 N 354 (ред. Контакты Правообладателям Политика конфиденциальности