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.

Теплообменник для системы отопления. 5 советов для правильного подбора.

Теплообменник для отопления представляет собой оборудование, в котором происходит теплообмен между греющим и нагреваемым теплоносителем. Греющий теплоноситель поступает от источника тепла, которым являются тепловые сети или котел. Нагреваемый теплоноситель циркулирует между теплообменником и приборами отопления (радиаторы, теплый пол и т.д.)

Задача этого теплообменника передать тепло от источника тепла к приборам отопления, которые непосредственно отапливают помещение. Контур источника тепла и контур потребителя тепла гидравлически разделены — теплоносители не смешиваются. В качестве рабочих теплоносителей, наиболее часто, используется вода и гликольные смеси.

Принцип работы пластинчатого теплообменника для отопления довольно прост. Рассмотрим пример, где источником тепла является водогрейный котел. В котле происходит нагрев греющего теплоносителя до заданной температуры, далее циркуляционный насос подает этот теплоноситель в пластинчатый теплообменник. Пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин. Греющий теплоноситель, протекая по каналам пластины с одной стороны передает свое тепло нагреваемому теплоносителю, который протекает с другой стороны пластины. В результате, нагреваемый теплоноситель повышает свою температуру до расчетного значения и поступает в приборы отопления (например радиаторы), которые уже отдают тепло отапливаемому помещению.

Для любого помещения, в котором есть водяное отопление, теплообменник является важным звеном в системе. Поэтому данное оборудование нашло широкое применение при монтаже тепловых пунктов, воздушного отопления, радиаторного отопления, теплого пола и т.д.

Первым шагом при проектировании системы отопления является определение отопительной нагрузки, т.е. какой мощности нам нужен источник тепла. Отопительная нагрузка определяется исходя из площади и объема здания, при этом учитываются теплопотери здания через все ограждающие конструкции. В несложных ситуациях, можно воспользоваться упрощенным правилом — на 10м2 площади нужно 1 кВт. мощности, при стандартных стенах и высоте потолков 2,7 м. Далее, необходимо определить график, по которому будет работать наш источник тепла (котел). Эти данные указаны в паспорте котла, например подача теплоносителя 90С и обратка теплоносителя 70С. Учитывая температуру греющего теплоносителя, мы можем задать температуру нагреваемого теплоносителя — 80С. С этой температурой он будет поступать в приборы отопления.

Пример расчета теплообменника отопления

Итак, у вас есть отопительная нагрузка и температуры греющего и нагреваемого контуров. Этих данных уже достаточно, чтобы специалист смог рассчитать теплообменник для вашей системы отопления. Мы хотим дать некоторые советы, благодаря которым вы сможете предоставить нам более полную техническую информацию для расчета. Зная все тонкости вашего технического задания, мы сможем предложить наиболее оптимальный вариант теплообменника.

Необходимо знать, жилое или нежилое помещение необходимо отапливать?

Когда качество воды плохое, и в ней присутствуют загрязнения, которые оседают на поверхности пластин и ухудшают теплообмен. Следует учесть запас (10%-20%) по поверхности теплообмена, это повысит цену теплообменника, но вы сможете нормально эксплуатировать теплообменник, не переплачивая за греющий теплоноситель.

При расчете, также необходимо знать, какой тип системы отопления будет применяться. Например, для теплого пола нагреваемый теплоноситель имеет температуру 35-45С, для радиаторного отопления 60С-90С.

Что будет источником тепла — свой котел или тепловые сети?

Планируете ли вы в дальнейшем увеличивать мощность теплообменника? Например, у вас планируется достройка помещения и отапливаемая площадь увеличиться.

Это некоторые примеры пластинчатых теплообменников с ценой и сроком изготовления, которые мы поставляли нашим заказчикам в 2019 году.

1. Пластинчатый теплообменник нн 04, цена — 19 200 руб., срок изготовления 1 день.
Мощность — 15 кВт.
Греющий контур — 105С/70С
Нагреваемый контур — 60С/80С

2. Пластинчатый теплообменник нн 04, цена — 22 600 руб., срок изготовления 1 день.
Мощность — 30 кВт.
Греющий контур — 105С/70С
Нагреваемый контур — 60С/80С

3. Пластинчатый теплообменник нн 04, цена — 32 500 руб., срок изготовления 1 день.
Мощность — 80 кВт.
Греющий контур — 105С/70С
​Нагреваемый контур — 60С/80С

4. Пластинчатый теплообменник нн 14, цена — 49 800 руб., срок изготовления 1 день.
Мощность — 150 кВт.
Греющий контур — 105С/70С
​Нагреваемый контур — 60С/80С

5. Пластинчатый теплообменник нн 14, цена — 63 000 руб., срок изготовления 1 день.
Мощность — 300 кВт.
Греющий контур — 105С/70С
​Нагреваемый контур — 60С/80С

6. Пластинчатый теплообменник нн 14, цена — 83 500 руб., срок изготовления 1 день.
Мощность — 500 кВт.
Греющий контур — 105С/70С
​Нагреваемый контур — 60С/80С

Расчет пластинчатого теплообменника — как правильно определить параметры?

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.

1. Паровой котел на ТЭЦ или котельной.
2. Сетевой теплообменник.
3. Циркуляционный насос.
4. Теплообменник системы горячего водоснабжения.
5. 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 расчетной программе «Ридан».