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.

Как подобрать теплообменник правильно?

Введение

Правильный подбор модели теплообменного аппарата состоит из четырех пунктов:

1. Определение задачи, которую будет решать теплообменник
2. Определение технических условий эксплуатации
3. Расчет теплообменного аппарата
4. Подбор конкретной модели, подходящей под расчетные параметры

Определение задачи

Основное назначение теплообменного аппарата – это передача энергии (тепла) одной среды другой без смешивания. Поэтому, в-первую очередь, определите, что вы хотите сделать с целевой средой – охладить или нагреть. Кроме того, необходимо учесть где будет использоваться агрегат, например, вам нужен теплообменник для бассейна. После этого переходят к определению технических условий использования оборудования.

Технические условия эксплуатации

Тип среды

Обратите внимание на типы, используемых сред. Что это: пар, вода, нефть, газ, этиленгликоль или что-то еще? Структура теплоносителя будет влиять на расчеты и дальнейший подбор устройства, так как агрессивные вещества требуют более высоких прочностных характеристик теплообменника.

Температуры сред на выходах и входах теплообменника

На схеме видно, как теплоноситель поступает в теплообменный аппарат (t1) и, отдав часть тепла теплопотребителю, который также заходит в теплообменник (t3), на выходе имеет изменившуюся температуру (t2).

Допустимые потери по напору нагреваемой и охлаждаемой стороны

Из-за конструкционных особенностей теплообменника, при прохождении через него рабочей среды происходит падение ее давления. Технологические процессы, в которых используются теплообменные аппараты, крайне требовательны к данной характеристике. Например, слишком большое падение давления жидкости не позволит поднимать ее на верхние этажи жилового здания.

Максимальная рабочая температура

Логично, что чем выше температура внутри устройства, тем более жесткие требования предъявляются к конструкционным особенностям теплообменного аппарата и материалам, которые используются в нем.

Максимальное рабочее давление

Аналогично предыдущему пункту, поскольку высокие температуры и давление внутри теплообменника требуют использование более прочных материалов.

Тепловая нагрузка

Способность теплообменного аппарата передать количество энергии (тепла) от одной среды другой. В конечном итоге влияет на габариты теплообменника, а значит ограничивает выбор конкретных моделей.

Расчет

Опираясь на данные, полученные при определении технических условий эксплуатации, производится расчет теплообменника.

• Тепловой
• Механический
• Расчет температурных напряжений
• Компоновочный
• Гидравлический
• Конструктивный расчет
• Прочностной
• Поверочный

Подробно о каждом виде расчета мы расскажем в следующих статьях. Поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в социальных сетях, чтобы не пропустить их.

Подбор теплообменника

На основании произведенных расчетов, которые мы указали выше – на выходе получаем набор параметров и их значений, например, скорость течения воды в трубах, их диаметр, площадь теплообмена и т.д.

Далее переходим к подбору аппарата, который подходит под расчет. Произвести подбор модели теплообменника точно и быстро позволяет специальное программное обеспечение от ведущих производителей теплообменных аппаратов: Ридан, Alfa Laval, GEA и т.д. Инженеры компании «ПроТепло» используют самые современные версии такого ПО.

Если вы хотите углубиться в специфику подбора и расчета теплообменных аппаратов, то рекомендуем подписаться на наши новости и e-mail рассылку.

Если же вам необходимо подобрать теплообменный аппарат «здесь и сейчас», то заполните форму подбора ниже.

Какие данные нужны для подбора теплообменника

Какие данные нужны для подбора теплообменника

Итак, у Вас встала необходимость покупки теплообменника. Примерно половина запросов на подбор аппаратов от непрофессионалов теплотехников, примерно такого уровня:

«Мне нужен теплообменник, но я не знаю, какие данные нужны для подбора».

Ну что ж, начнем по порядку:

Первое, что вы формулируете на подборе — система, в которой будет работать теплообменник. Для отопления и вентиляции вам нужно знать мощность системы отопления или вентиляционной установки (см. паспорт) и температурные графики.

Для системы ГВС — количество точек водоразбора (число смесителей) и так же температурные графики. О теплообменниках ГВС мы уже писали, а именно о подборе на «летний режим работы» для корректной круглогодичной работы аппарата.

А для холодоснабжения, при подборе промежуточного аппарата для чиллера — точные температурные графики, мощность аппарата и рабочие среды. ТО на холодоснабжение, в связи с низкими рабочими температурами не более 18С, работают на малых температурных напорах, и больших расходах, что приводит к увеличению требуемой площади.

Разборный теплообменник для чиллера мощностью 300-400 кВт, будет иметь весь порядка 800 кг и рабочую площадь 100 — 120 м2. Как понимаете, чем больше ТО, тем он дороже и максимально корректные данные помогут сэкономить 30 -50% бюджета, который находится в пределах 600-800 тыс. руб. В ценах середины 2018 года.

Далее, что немаловажно при выборе аппарата — гидравлические потери. Чем больше потери, вы можете позволить себе на теплообменнике, а это вопрос в первую очередь к насосам, тем дешевле получится аппарат.

Запас поверхности и коэффициент теплопередачи.

Эти параметры вы как заказчик, можете проверить в расчетных листах на оборудование. Так для системы отопления запас принимают 10-15%, а для системы ГВС 15-30%. В то же время при расчете ТО на холод, запас может быть и 0,1% в связи с низкими температурами и чистыми средами.

Запас поверхности, в физическом смысле обеспечит сохранение рабочих параметров аппарата при начальном, естественном загрязнении. Любой теплообменник при работе сначала немного загрязняется и далее выходит на стабильную работу. Как раз для компенсации первоначального загрязнения принимают запас.

А коэффициент теплопередачи, показывает на сколько интенсивно используется рабочая площадь. Чем больше этот показатель — тем больше тепло передается через каждый кв. метр пластин. Однако, при увеличении коэффициента теплопередачи выше 6500 — 7000 ккал/м2*Ч*К рабочий процесс вызывает значительное загрязнение пластин кристаллическими образованиями.

Резюмируя, для корректного подбора, вам нужно сообщить мощность и температурные графики и обратиться к профессионалам, работающим в программах производителя.

ЧТО Я ДОЛЖЕН СООБЩИТЬ ДЛЯ ЗАКАЗА ТЕПЛООБМЕННИКА?

1) Выделенная мощность. Или мощность процесса теплообмена. Обычно, характеризуется системой потребителем. указывается — (кВт, ккал/ч).

2) Если не знаете мощность — в случае ГВС нужно сообщить кол-во точек водоразбора (сколько будет умывальников, душевых, кранов),
а например, для системы отопления — мощность из паспорта или площадь и характеристики помещения.

3) Источник тепла и температурные графики (Тепло от котельной, Тепловые Сети, прочее)?
Температурные графики важны как для источника тепла, так и для системы — потребителя.

ЕСЛИ ВЫ ЗАТРУДНЯЕТЕСЬ СООБЩИТЬ ПАРАМЕТРЫ — ВАМ ПОМОЖЕТ НАШ ИНЖЕНЕР.
ЗАКАЖИТЕ КОНСУЛЬТАЦИЮ — КНОПКА ВВЕРХУ СТРАНИЦЫ ИЛИ ПОЗВОНИТЕ ПО ТЕЛЕФОНУ:

(812) 645-14-30 или (800) 301-45-05 — ЗВОНОК ПО РОССИИ БЕСПЛАТНЫЙ

ПОЧЕМУ МНЕ НЕ МОГУТ СКАЗАТЬ ЦЕНУ ТЕПЛООБМЕННИКА ПО ТЕЛЕФОНУ?

Пластинчатый Теплообменник — это сложный инженерный прибор и рассчитывается индивидуально под конкретные параметры Вашего объекта или системы. Поэтому, для теплообменника не может быть прайса — каждое изделие оригинально.

Первое, что мы делаем — это расчет в программе производителя, для подбора именно Вашего индивидуального решения. И уже после расчета — программа формирует цену аппарата. Цена зависит от типа аппарата, количества пластин и условий работы.

ПРОЦЕСС РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКА И ФОРМИРОВАНИЯ ЦЕНЫ ЗАНИМАЕТ НЕ ТАК МНОГО ВРЕМЕНИ.

Обычно, в течении часа Вы получаете коммерческое предложение с указанием точной цены и срока производства теплообменника (от 3 раб. дней) и расчетный лист с тех.параметрами, чертежами и габаритными размерами.

Если хотите посмотреть типовые цены — ЖМИТЕ НА ССЫЛКУ — ВНИМАНИЕ, стоимость вашего теплообменника может отличаться от похожего типового решения в прайс-листе.

— Вся техническая документация выложена в открытом доступе в соответствующих разделах сайта.

— Техническая документация по промышленным теплообменникам: Перейти по ссылке (Откроется в новом окне)