Проектирование и расчет самодельного шахтного котла Glaz6,50

Теплообменник – один из важнейших элементов котла и как любой важный элемент требует к себе особого внимания. Если его не будет или он будет небольшой площади, то самый идеальный котел превратится в буржуйку или огненный ящик. Если с площадью переборщить, то получится груда металла, плачущая конденсатом.
В данной статье мы будем искать золотую середину в вопросах теплообмена нашего котла.

Если у вас возникли вопросы по работе сайта звоните по телефону

По этому номеру вы можете получить бесплатные консультации.

Для начала предлагаю разобраться с физикой процесса происходящего внутри нашего котла. Там присутствуют два вида теплообмена: конвективный и радиационный (излучением). С этими двумя видами переноса тепла, уважаемый читатель, вы сталкиваетесь каждый день. Подставляя лицо и другие части тела под лучи нашего небесного светила, мы получаем тепло посредством излучения, сидя у костра, мы тоже греемся его излучением, а вот котелок, висящий над костром, получат тепло еще и конвекцией. Конвекция в переводе с латыни есть перемещение. Теплообмен происходит за счет перемещения жидкости либо газа.
Вот например около окна стоит радиатор который греет воздух, а тот в свою очередь совершает путешествие по комнате и нагревает предметы, стены и даже некоторых холоднокровных обитателей.
Но вернемся к нашему котлу. Горит топливо на колосниках и выделяет тепловую энергию, она в свою очередь передается стенкам котла посредством излучения и тратится на нагрев газов, которые уже омывают теплообменник и тоже отдают свое тепло котлу, точнее воде. Если мы идеально изолируем топку котла каким-нибудь отражающими лучи материалами и полностью исключим возможность передачи тепла излучением, то добьемся в ней повышения температуры аж до 2200-2500 градусов. Вся энергия топлива перейдет газам и повысит их температуру. Это конечно в идеальном случае.
На практике же в топке происходит множество процессов и температуры там далеки от идеальных. Всего около 1000 градусов. Все дело в том, что при повышении температуры угли на колосниках и газы начинают излучать вокруг себя и отдавать энергию на в разы а во много раз больше. Зависимость от абсолютной температуры в 4 степени (Закон Стефана-Больцмана). Вот например слой углей на колосниках при температуре в 1000 градусов будет излучать стенкам котла:

Q=5,67*(273+1000/100)4=148900 Вт с одного м2

А уже при 1100 градусах:

Q=5,67*(273+1100/100)4=201500 Вт с одного м2

Всего лишь 100 градусов, а мощность излучения выросла на четверть. Как мы разобрались ранее котел лучше работает когда в его топке высокая температура , в следствие чего и качественнее у него горение. Зная, что шамотный кирпич обладает свойствами хорошего изолятора и имеет способность отражать лучи наша команда и применила его в котлах GLAZ 24, GLAZ 12, GLAZ 16, GLAZ 20 и GLAZ 25, окружив ими очаг горения и камеру дожига. В данном котле этого делать мы не будем, как и не будем высчитывать температуру на колосниках, в факеле, не будем ворочать громоздкими формулами и итерациями.
Просто примем, что на долю излучения в котле приходится половина мощности, а половина приходится на конвективный теплообмен. Следовательно, теплообменник должен снять с газов 3,25 Квт.
Температуру на входе в теплообменник примем 700 градусов. Все дело в том, что выше 700 градусов теплообмен излучением эффективнее, а ниже преобладает конвективный. Так же применим, что внизу теплообменника температура воды будет 60 градусов, а на выходе все 80.
Теплообменник сделаем одноходовым (так как для многоходового у нас в конструкции не предусмотрено лишнего места) и жаротрубным из трубы 57×3,5.
Температуру уходящих газов во избежание выпадения конденсата выберем 140 градусов.
Теперь, имея все данные, можно построить график и посчитать средне логарифмический температурный напор.

Сечение нашего теплообменника составляет 340×200мм и в этот прямоугольник «со свистом войдут» 12 труб диаметром 57 мм. То есть 3 ряда по 4 трубы. Скорости газов в трубах обещают быть невысокими и поэтому коэффициент теплопередачи для нашего конструктива мы примем всего k=20Вт/(М*К). Этот коэффициент означает, что при разнице температур в 1 градус через 1 квадратный метр передается 20 вт тепла.
Нетрудно вычислить необходимую площадь теплообменника:

F=3250/(20*245)=0,663 кв. метра.

Имея 12 труб с наружным диаметром 57 мм и внутренним 50 мм (5 см) можем найти длину труб.

L=6630/12*3,14*5)=35,2 см или 352 мм.

В данном теплообменнике предусмотрено применение и турбулизаторов которые повысят скорости в трубах и интенсифицируют теплообмен. Если конечно это потребуется.
В следующей статье мы начнем компоновать котел и уточнять окончательные размеры изделия.

Наша группа В Контакте

Подписаться на обновления

Расчёт и Подбор Теплообменника для системы отопления

Расчёт для ГВС парал. схемы

Расчёт для Отопления

Расчёт для ГВС двухступ. схемы

Устройство и конструкция

Установка и подключение

Данный online расчёт теплообменника сформирует запрос на подбор теплообменного аппарата для системы отопления, а также отправит его производителям пластинчатых теплообменников, разумеется при вашем желании.

Подбор теплообменника

Подбор теплообменника предполагает выбор формы, размеров и количества пластин, а также схемы их укладки в блок теплообменного аппарата. При этом из-за многообразия вариаций даже у одного производителя теплообменников на каждый запрос может быть подобранно несколько различных теплообменных аппаратов.

Пластины для теплообменников изготовленные различными производителями, даже при схожих размерах, не являются взаимозаменяемыми и обладают свойственными только им теплотехническими особенностями, поэтому и подбираются по индивидуальным методикам. Производители теплообменников не раскрывают методики подбора даже своим региональным партнёрам, предоставляя им лишь программное обеспечение, которое после ввода исходных данных выдаёт готовый результат.

Поэтому данный online расчёт поможет вам корректно сформировать запрос на подбор теплообменника и при вашем желании сразу отправит его нескольким производителям.

Расчёт теплообменника для системы отопления

Рассчитывая пластинчатый теплообменник пренебрегают незначительными потерями с корпуса считая, что всё тепло отданное теплоносителем в греющем контуре переходит к теплоносителю в нагреваемом контуре, поэтому в расчёте всегда должен соблюдаться тепловой баланс.

Проверить правильность теплового баланса между греющим и нагреваемым контуром можно по простой формуле.

Q [кВт] = 1.163 · G [т/ч] · dt [°C]

Полученные значения количества тепла после подстановки параметров греющего и нагреваемого контуров должны быть равны.

При расчёте пластинчатого теплообменника для системы отопления исходными являются величины тепловой мощности системы отопления и расчётный температурный график системы отопления и источника тепла. В результате расчёта определят расход теплоносителя в греющем и нагреваемом контурах.

Основной особенностью расчёта теплообменника для системы отопления является то, что теплообменный аппарат должен обеспечивать корректную работу как на максимальном, так и на переходном режимах эксплуатации.

Максимальным режимом при подборе теплообменника считается режим с расчётной для системы отопления температурой наружного воздуха (для Киева это -22°C). В расчётном режиме от источника тепла приходит теплоноситель с максимальной температурой на пике температурного графика (если источником является тепловая сеть, то это может быть 120/70°C, то есть в подаче 120°C, а в обрате 70 °C, а в автономной котельной может быть принят график 95/70 °C), так и в систему отопления вода поступает с максимальной температурой на пике температурного графика например 90/70°C или 80/60 °C, в зависимости от того какой принят при её расчёте.

Переходным режимом считается режим со средней температурой наружного воздуха за отопительный период в местности где предполагается установка теплообменника (для Киева это -0.1°C). Температуры теплоносителя в переходном режиме на вводе источника тепла и на входе в систему отопления соответственно ниже и определяются по температурному графику при соответствующей температуре наружного воздуха.

Для жителей Украины доступна опция выбора города, при этом температуры наружного воздуха для расчётного и переходного режимов будут выбраны автоматически по ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010 «Строительная климатология», а для жителей других стран придётся ввести температуры вручную.

Несколько распространённых ошибок при заполнении формы расчёта

1 Температура греющей воды на выходе из теплообменника должна быть больше температуры нагреваемой воды на входе в него на всех режимах эксплуатации. В противном случае теплообменный аппарат получится бесконечно больших размеров.

Это означает что если у вас температурный график работы источника тепла составляет 130/70°C, а расчётный температурный график системы отопления 90/70°C, то либо следует принять более высокую температуру греющей воды на выходе из теплообменника, например 130/80°C, либо принять более низкий температурный график для системы отопления например 80/60°C. Повышение температуры в обратном трубопроводе источника тепла при независимом подключении системы отопления на 5-10°C разрешается строительными нормами (ДБН).

2 Не задавайте допустимые потери давления в теплообменнике ниже 10кПа (1м.вод.ст), если это не принципиальное условие. Чем меньше вы задали допустимые потери давления, тем большим будет теплообменный аппарат и соответственно большей его цена.

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.