Расчет тепловой нагрузки пластинчатого теплообменника. Расчёт и Подбор Теплообменника для системы отопления

При монтаже домашнего бассейна возникает проблема выбора подходящего теплообменника из ассортимента изделий имеющихся в продаже. Устройство необходимо для нагрева воды в резервуаре и сохранения этой температуры на стабильном уровне. Можно обратиться за помощью к специалистам, а можно рассчитать мощность теплообменника для бассейна самостоятельно, что позволит сэкономить те средства, которые пошли бы на оплату работ.

Самый простой способ расчета мощности теплообменника

Мероприятие состоит из двух этапов. На первом следует дополнительно рассчитать объем бассейна, а на втором произвести вычисление по одной единственной формуле. Впрочем, более точные данные в нашем случае не обязательны.

Вычисляем значение количества энергии, необходимого на подогрев воды:

Р = 1,16 x (Т1-Т2)/t x V; где Р — это мощность теплообменника, 1,16 — специальный коэффициент, Т1 — это значение конечной температуры нагрева, Т2 — температура исходной воды (в среднем водопроводная вода должна быть нагрета не меньше 15 градусов по Цельсию), t — это время нагрева (порядка 3-4 часов), V — объем бассейна.

Произведя вычисления по вышеприведенной формуле, приблизительно выясним требуемую величину мощности теплообменника для того, чтобы вода в бассейне нагревалась за определенный промежуток времени.

Далее по каталогам или, ориентируясь на многочисленные предложениям в сети, находим подходящий теплообменник определенной мощности. Перед покупкой рекомендуется дополнительно обсудить возможности приобретаемого устройства с менеджером компании по продаже теплотехнического оборудования. В частности при выборе аппарата учитывают силу потока воды, проходящего через него. Затем сравнивают эти показатели со значениями, которые указаны в техдокументации, прилагаемой к теплообменнику. В этом вопросе ориентиром могут послужить параметры работы насоса для циркуляции воды в бассейне.

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.

Имеет следующий вид:

Q = F‧k‧Δt, где:

• 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:

Q = G 1 c p 1 (t 1 вх -t 1 вых) = G 2 c p 2 (t 2 вых -t 2 вх), где:

• G 1 и G 2 - расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
• c p 1 и c p 2 - 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 (t 1 вх;t 1 вых и t 2 вх;t 2 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.

Исходные данные:

• Температура греющего носителя при входе t 1 вх = 14 ºС;
• Температура греющего носителя при выходе t 1 вых = 9 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при входе t 2 вх = 8 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при выходе t 2 вых = 12 ºС;
• Расход массы греющего носителя G 1 = 14000 кг/ч;
• Расход массы нагреваемого носителя G 2 = 17500 кг/ч;
• Нормативное значение удельной теплоемкости с р =4,2 кДж/кг‧ ºС;
• Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м 2 .

1) Определим производительность 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.

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 теплообменной машины. 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 , поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

Различают проектный и поверочный расчеты процессов теплообмена. Задачей проектного расчета является определение размеров и режима работы теплообменника, необходимого для подвода или отвода заданного количества теплоты к тому или иному теплоносителю. Цель поверочного расчета – определение количества теплоты, которое может быть передано в конкретном теплообменнике при заданных условиях его работы. В обоих случаях расчет основывается на использовании уравнений теплового баланса и теплопередачи.

При проектном расчете известны или заданы количество нагреваемого или охлаждаемого вещества и его параметры на входе в теплообменник и на выходе из него. При этом определяют необходимую поверхность теплообменника, расход горячего или холодного теплоносителя, геометрические размеры теплообменника заданной конструкции и его гидравлическое сопротивление. В заключение на основе проведенных расчетов подбирают стандартный или нормализованный теплообменник определенной конструкции. Выбранная конструкция по возможности должна быть оптимальной, т.е. сочетать интенсивный теплообмен с низкой стоимостью и простотой в эксплуатации.

Поверочный расчет выполняют, чтобы определить, можно ли использовать имеющийся теплообменник для тех или иных целей, определяемых технологическими требованиями.

Проектный расчет рекуперативных теплообменников

До проведения расчета рекуперативных теплообменников производят выбор пространства для движения теплоносителя с целью улучшения условий теплоотдачи со стороны теплоносителя с большим термическим сопротивлением. Для этого жидкость, обладающую большой вязкостью или расход которой меньше, рекомендуется направлять в то пространство, где скорость ее может быть выше. Теплоносители, содержащие загрязнения, направляютв пространства, поверхности которых легче могут быть очищены от отложений. Выбор пространства должен учитывать также потери тепла в окружающую среду.

Предварительно выбирают и направление взаимного движения теплоносителей, учитывая преимущество противотока при теплообмене без изменения агрегатного состояния теплоносителей, а также целесообразность совпадения направлений вынужденного и свободного движения теплоносителя.

Очень важен правильный выбор оптимальных скоростей движения теплоносителей, так как это имеет решающее значение при конструировании и эксплуатации теплообменника. С увеличением скорости потоков увеличивается коэффициент теплопередачи
, а следовательно, уменьшается необходимая поверхность теплопередачи
, что в свою очередь ведет к уменьшению габаритных размеров теплообменника и его стоимости. Кроме того, с увеличением скорости уменьшается возможность образования отложений на поверхности теплообмена. Однако при чрезмерном повышении скорости движения потока увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника, что приводит к вибрации труб и гидравлическим ударам. Оптимальная скорость определяется из условий достижения желаемой степени турбулентности потока. Обычно стремятся, чтобы скорость потока в трубах соответствовала критерию
. В связи с этим рекомендуются следующие оптимальные скорости движения
(м/с): воды и жидкостей с умеренной вязкостью –
; вязких жидкостей –
; воздуха и газов при умеренном давлении –
; насыщенного пара под давлением –
; насыщенного пара под вакуумом –
. Наиболее желателен выбор оптимальной скорости на основе технико-экономического расчета.

Полный расчет теплообменника включает тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты.

Тепловой расчет. Тепловой расчет проектируемых теплообменников производят в следующей последовательности:

– рассчитывают тепловую нагрузку и расход теплоносителей;

– рассчитывают средний температурный напор и средние температуры теплоносителей;

– рассчитывают коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена.

Наиболее прост расчет при постоянных температурах теплоносителей по длине теплообменника. В этом случае физические свойства теплоносителей и разность температур постоянны и расчет сводится к определению коэффициента теплопередачи. Близкие к этим условиям наблюдаются в обогреваемых конденсирующимся паром кипятильниках. В общем случае температуры теплоносителей изменяются по длине теплообменника. Взаимосвязь изменений температур теплоносителей определяется условиями теплового баланса, который для бесконечно малого элемента теплообменника имеет вид:

где ,и,– расходы и теплоемкости теплоносителей, аи– их температуры в произвольном сечении аппарата.

Уравнение теплового баланса для всего аппарата без учета потерь тепла получают путем интегрирования последнего уравнения:

где и,и– начальные и конечные температуры теплоносителей;– тепловая нагрузка.

Расходы теплоносителей при теплообмене без изменения агрегатного состояния на основании теплового баланса:

;

.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя уравнение теплового баланса может иметь различную форму в соответствии с условиями протекания процесса. Например, при конденсации пара

(
– расход пара;и
– энтальпии пара и конденсата).

Изменение энтальпии

где
и
–средние удельные теплоемкости перегретого пара и конденсата;
и
– температуры перегретого и насыщенного пара.

Если неизвестна конечная температура одного из теплоносителей, то ее определяют из теплового баланса. Когда же неизвестны конечные температуры обоих теплоносителей, то для их определения используют общий прием – метод последовательных приближений. Этот метод основан на том, что вначале принимаются определенные решения относительно конструкции аппарата и неизвестных технологических параметров, затем путем пересчета проверяется правильность этого выбора, принимаются уточненные значения указанных параметров и расчет повторяется до получения результатов с желаемой степенью точности. При этом следует принять во внимание, что разность температур между теплоносителями на конце теплообменника должна быть не менее 10–20 °С для жидкостных подогревателей и 5–7 °С для паро-жидкостных подогревателей.

Определение среднего температурного напора
производится с учетом характера изменения температур вдоль поверхности теплообмена
. При противотоке, а также при постоянной температуре одного из теплоносителей среднюю разность температур определяют как среднелогарифмическую из большей и меньшей разности температур теплоносителей на концах теплообменника:

или при

.

При всех других схемах течения среднюю разность температур находят по этим же уравнениям, но с введением поправочного коэффициента (см. раздел 7.7.3).

Среднюю температуру теплоносителя с меньшим перепадом температур по длине аппарата рекомендуется рассчитывать как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя находят по известной величине
, пользуясь соотношением

,

где
и
– средние температуры теплоносителей.

Дальнейшей задачей расчета является нахождение коэффициента теплопередачи
. Если теплопередача происходит через плоскую стенку или тонкую цилиндрическую, то

.

Для расчета
необходимо предварительно вычислить коэффициенты теплоотдачиипо обе стороны теплопередающей стенки, а также термическое сопротивление стенки
, которое включает помимо термического сопротивления самой стенки еще и термическиесопротивления загрязнений с обеих ее сторон. Термические сопротивления стенки и слоев загрязнений находят в зависимости от их толщины и коэффициентов теплопроводности материала стенки и загрязнений. Коэффициенты теплоотдачи рассчитывают в зависимости от условий теплоотдачи по одному из уравнений, приведенных в разделе 7.6.

Учитывая многообразие гофрированных поверхностей в пластинчатых теплообменниках, Л.Л. Товажнянским и П.А. Капустенко предложена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи, учитывающая угол наклона гофр по отношению к направлению потока рабочей среды:

где – угол наклона гофр.

Это уравнение справедливо в пределах
.

Для расчета теплоотдачи в каналах, образуемых пластинами типа 0,3р, 0,6р и 1,0(см. табл. 8.1), уравнение (8.20) может быть представлено в виде:

при

; (8.21)

при

. (8.22)

где–коэффициент гидравлического сопротивления щелевидного канала;– коэффициент гидравлического сопротивления гладкой трубы.

При конденсации быстродвижущегося пара (Re> 300) в каналах сетчато-поточного типа Л.Л. Товажнянский и П.А. Капустенко, используя модель движения дисперсно-кольцевого типа, получили следующую зависимость:

,

где Nu – критерий Нуссельта для пленки конденсата; Re ж – критерий Рейнольдса, рассчитанный по полному расходу парожидкостной смеси и вязкости жидкой фазы;
– плотности жидкости и пара соответственно;
– критерий Прандтля для жидкой фазы.

Поскольку коэффициенты теплоотдачи являются функциями скоростей движения, то, чтобы найти их, необходимо знать площади поперечного сечения каналов, по которым движутся теплоносители (расходы известны). Это требует предварительно задаться конструкцией и размерами теплообменника. Помимо этого, для вычисления коэффициента теплоотдачи часто необходимо знать температуру стенкиили удельную тепловую нагрузку, значения которых, в свою очередь, зависят от определяемой величины. В таких случаях коэффициенты теплоотдачи рассчитывают методом последовательных приближений: величинамиизадаются и после определения величины коэффициента теплопередачи
проверяют. Для упрощения расчета можно воспользоваться графоаналитическим методом, при котором ведут два параллельных расчета для двух выбранных значенийсо стороны одного из теплоносителей.

Так, например, если коэффициенты теплоотдачи изависят от температуры стенки
, то, задавшись двумя значениями
и
, вычисляют соответствующие значенияии удельные тепловые нагрузкии:

;

,

где – средняя температура теплоносителя.

По величине термического сопротивления стенки
рассчитывают температуру стенки со стороны другого теплоносителя:

,

и определяют и, а такжеи:

,

(– средняя температура второго теплоносителя).

Рисунок 8.34 – Зависимость q 1 иq 2 от значенийt ст1

Тогда коэффициент теплопередачи
.

Величина поверхности теплообмена из общего уравнения теплопередачи

, либо
.

Особенности теплового расчета холодильников и конденсаторов . Расчет холодильников-конденсаторов имеет свои особенности, обусловленные характером изменения температур и коэффициентов теплопередачи вдоль поверхности теплопередачи.

На рис. 8.35 показано примерное распределение температур в конденсаторе-холодильнике, в который поступают пары в перегретом состоянии.

В данном случае можно выделить три зоны: I – охлаждение паров до температуры насыщения; II – конденсация паров и III – охлаждение конденсата. В первой зоне пары охлаждаются от температуры до
и переходят в насыщенное состояние. Коэффициент теплопередачи для этой зоны имеет меньшую величину, чем в зоне II, где происходит конденсация паров. В зоне III коэффициент теплопередачи имеет промежуточное значение.

Рисунок 8.35 – Профиль температур в конденсаторе-холодильнике

где и
– энтальпия перегретого и насыщенного пара соответственно;–удельная теплоемкость пара;

,

– удельная теплота парообразования;

здесь
и– удельная теплоемкость и температура конденсата.

.

Температуры охлаждающего агента (воды)
в начале и конце зоны II определяют из уравнений теплового баланса

;

,

(– удельная теплоемкость охлаждающего агента).

Общий расход охлаждающего агента

.

Для каждой зоны по известным уравнениям рассчитывают среднюю разность температур
и коэффициент теплопередачи
.

Тогда поверхности теплообмена зон:

;
;
.

Конструктивный расчет . Задачей конструктивного расчета теплообменных аппаратов является определение основных размеров аппаратов и выбор их общей компоновки. Исходными данными для конструктивного расчета являются результаты теплового расчета: расходы теплоносителей, скорости их движения, начальные и конечные температуры, поверхность теплообмена.

Для трубчатых аппаратов конструктивный расчет сводится к определению числа или длины труб, размещению их в трубной решетке (с учетом числа ходов) и нахождению диаметра и высоты аппарата. Расчету подлежат также диаметры патрубков штуцеров теплообменника.

Общее число труб теплообменника при их среднем диаметре
и принятой длинеопределяют по поверхности теплообмена

.

При заданном расходе жидкостии принятой скорости ее движения
по трубам с внутренним диаметромчисло труб одного хода

.

Число ходов в трубном пространстве теплообменника

.

Внутренний диаметр кожуха теплообменника
определяется числом трубок, размещаемых в трубной решетке. Отверстия для труб в трубных решетках размещают равномерно по всему сечению. Такое размещение сравнительно легко осуществляется в одноходовом теплообменнике. В многоходовых теплообменниках, имеющих перегородки, размещение труб производят обычно графическим путем. По геометрической конфигурации различают размещение трубок по вершинам правильных многоугольников и по концентрическим окружностям.

При размещении труб шаг принимают в зависимости от их наружного диаметра, при закреплении труб развальцовкой
, а при закреплении их сваркой
. Общее число труб, которое можно разместить на трубной доске по вершинам равносторонних треугольников в пределах вписанного в круг шестиугольника,

,

где – число труб, размещающихся на диаметре трубной решетки:

(
– расчетная поверхность теплопередачи;– шаг труб;– поверхность 1 м трубы принятого диаметра;– отношение высотыили длинырабочей части теплообменника к его диаметру).

Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника

.

Рабочая длина одной трубы

, или
.

Полная высота теплообменника

,

где –толщина трубной решетки (для стальных труб
мм, для медных труб
мм);– высота камеры (крышки),
м.

Змеевики располагают в аппаратах таким образом, чтобы они по всей высоте находились в жидкости и со всех сторон не доходили до стенок аппарата на 0,25 – 0,4 м.

При известном внутреннем диаметре аппарата
диаметр витка змеевикасоставит

Общая длина труб змеевика

.

Длина одного витка змеевика

.

Число витков змеевика определяют из зависимости

,

где – расстояние между витками по вертикали,
.

Для пластинчатых теплообменников при конструктивном расчете определяют: размеры пластин и число каналов в одном пакете, число пластин в каждом пакете и число пакетов в аппарате, общее число пластин и основные размеры аппарата.

Число параллельных каналов в пакете для каждой среды

,

где – площадь поперечного сечения пакета,
(– объемный расход теплоносителя,
– его скорость);– площадь сечения одного межпластинчатого канала.

Полученное значение
округляют до целого.

Число пластин в пакете

.

В крайних пакетах, соприкасающихся с плитами, общее число пластин на одну больше (концевую):

.

Поверхность теплопередачи одного пакета

,

где – поверхность теплопередачи одной пластины.

Число пакетов (ходов) в теплообменнике

(
–рабочая поверхность аппарата, найденная при тепловом расчете).

Если величина получается дробной, то ее округляют до целого числа и корректируют соответственно поверхность всего аппарата:

.

Общее число пластин в аппарате (секции)

.

Гидравлический расчет теплообменников . Целью гидравлического расчета является определение сопротивления, создаваемого теплообменником, и мощности, необходимой для перемещения через него жидкости.

Гидравлическое сопротивление теплообменника
складывается из потерей давления на преодоление трения
и потери давления
, расходуемого на преодоление местных сопротивлений

.

Для кожухотрубчатых теплообменников полное гидравлическое сопротивление трубного пространства

,

где – коэффициент внешнего трения (см. раздел 1.3.4);– общая длина пути потока в трубах;
– скорость потока в трубах;– плотность потока при его средней температуре;– коэффициент местного сопротивления.

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

.

Здесь
–средняя скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве;– его плотность при средней температуре;–коэффициент сопротивления для межтрубного пространства (для теплообменников с длиной труб 6 м величина
; при длине труб 3 и 9 м принимают поправочные коэффициенты 0,5 и 1,5 соответственно).

Гидравлическое сопротивление многопакетного пластинчатого теплообменного аппарата при одинаковом числе каналов во всех пакетах

,

,

где – коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины межпластинчатого канала;
и– эквивалентный диаметр и приведенная длина одного межпластинного канала,
(– рабочая поверхность теплообмена одной пластины;– ширина рабочей части пластины);– плотность теплоносителя при его средней температуре;
– его скорость в межпластинном канале;– число последовательно включенных каналов или число пакетов в секции для данной рабочей среды;– общее число пластин в секции (аппарате);– зазор между пластинами;– объемная производительность аппарата.

При турбулентном течении (10 3

где– угол наклона гофра;– угол при вершине гофра.

Для пластин типа 0,3р, 0,6р и 1,0(см. табл. 8.1):

при

; (8.26)

при

. (8.27)

Значения коэффициентов A иB в уравнениях (8.26) и (8.27) приведены в таблице 8.2.

Таблица 8.2 – Значения коэффициентов A иB в уравнениях (8.26) и (8.27)

Между теплопередачей и потерей давления существует тесная физическая и экономическая связь, обусловленная скоростью движения теплоносителей. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для данной тепловой нагрузки теплообменный аппарат, а следовательно, меньше капитальные затраты. Но при этом растет гидравлическое сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные расходы. Поэтому скорость теплоносителя выбирается в некоторых оптимальных пределах, определяемых, с одной стороны, стоимостью поверхности теплообмена аппарата данной конструкции, а с другой – стоимостью затрачиваемой энергии при эксплуатации аппарата.

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

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.

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:

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)

Теплообменником называется аппарат, предназначенный для сообщения теплоты одному из теплоносителей в результате от-вода его от другого теплоносителя. Процесс подвода и отвода теплоты в теплообменнике может преследовать различные техно-логические цели: нагревание (охлаждение) жидкости или газа, превращение жидкости в пар, конденсацию пара и т. д.

По принципу действия теплообменники делят на рекуператив-ные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными назы-вают теплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердую стенку. В автомобильных ДВС используют в основном рекуперативные теплообменники, которые применяют для охлаждения моторного масла, жидкости системы охлаждения, воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, и других целей. На рис.14 приведена схема водомасляного теплообменника, которая часто реализуется при проектировании охладителей масла для смазочных систем дизелей.

Рис. 14. Схема простейшего кожухотрубного рекуперативного теплообменника для передачи теплоты от одного теплоносителя (I) к другому (II).

Регенеративными называют теплообменники, у которых горячий теплоноситель соприкасается с твердым телом (керамической или металлической насадкой) и отдает ему теп-лоту,в последующий период с твердым телом соприкасается «холодный» теплоноситель, который и воспринимает теплоту, аккумулированную телом.

В металлургической промышленности регенеративные тепло-обменники с давних пор применяют для подогрева воздуха и горючих газов. Аккумулирующую насадку в теплообменнике делают из красного кирпича. Особенностью регенераторов яв-ляется то, что процесс теплопередачи в них является нестационарным. По-этому технические расчеты регенеративных теплообменников вы-полняют по усредненным температурам во времени.

Смеситель-ными называются теплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется их непосред-ственным соприкосновением, следовательно, сопровождается пол-ным или частичным обменом вещества. Такие аппараты применяют для охлаждения и нагревания газов с помощью воды или для охлаждения воды воздухом в газовом производстве, при кондиционировании воздуха, при конденсации пара и т. д.

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения для их расчета остаются общими.

При расчете теплообменников обычно встречаются два случая:

1) конструктивный расчет, когда известны параметры теплоносителей на входе и выходе и расходы теплоносителей (или расход теплоты). Выбрав предварительно конструкцию теплообменник, расчетом, определяют поверхность теплообмена;

2) проверочный расчет, когда известны поверхность теплообмена и конструкция аппарата и частично известны параметры их на входе. Расчетом находят неизвестные параметры (например, параметры на выходе), расходы теплоносителей или другие характеристики аппарата (например, КПД).

В обоих случаях основными расчетными уравнениями служат: уравнение теплового баланса:

Q = m 1 с 1 (t" 1 - t"" 1 ) = m 2 с 2 (t" 2 - t"" 2 ) (40)

и уравнение теплопередачи:

Q = kF (t 1 - t 2 ).

В этих уравнениях и далее индекс 1 означает, что величины относятся к горячей жидкости, а индекс 2 — к холодной. Темпера-тура на входе обозначена одним штрихом, а на выходе — двумя; т — массовый расход жидкости; с — теплоемкость жидкости.

При выводе расчетных формул теплопередачи не учитывалось изменение температуры теплоносителей. В теплообменниках го-рячая среда охлаждается, а холодная нагревается, в связи с чем изменяется и температурный напор Δt. В таких условиях урав-нение теплопередачи можно применять лишь для элемента по-верхности dF, т. е.:

dQ = kΔtdF. (41)

Кроме того, необходимо учитывать зависимость коэффициента теплопередачи k от изменения температуры рабочих жидкостей. Большей частью такой учет сводится к отнесению коэффициента теплопередачи к средним температурам теплоносителей, иногда коэффициент теплопередачи находят по температурам теплоно-сителей в начале и в конце поверхности нагрева. Если получен-ные значения k" и k"" незначительно отличаются один от другого, то за среднее значение коэффициента теплопередачи берут среднеарифметическое значение: k = (k"+ k"" )/2.

При значительном раз-личии величин k" и k"" поверхность нагрева разделяют на отдель-ные участки, в пределах которых значения k меняются мало, и для каждого участка определяют коэффициент теплопередачи.

Общее количество теплоты, переданное через всю поверхность F , определяют интегрированием выражения (41):

где Δt m — среднелогарифмическое значение температурного напора по поверхности:

Если температура теп-лоносителей вдоль поверх-ности нагрева изменяется незначительно, то при расчете можно использовать среднеарифметический напор:

Δt m = Δt ср.ариф. = 0,5(t"+ t"" )

Среднеарифметический напор Δt ср.ариф всегда больше средне-логарифмического Δt m , но при Δt"/Δ t"" > 0,5 они отличаются один от другого меньше, чем на 3%.

В тепловых расчетах большое зна-чение имеет понятие так называемого водяного эквивалента теплоносителя W, которое определяет собой количество воды, экви-валентное по теплоемкости секундному расходу рассматриваемой жидкости, т. е.

W = mc p . (44)

С учетом водяного эквивалента уравнение (40) теплового баланса преобразуется к виду:

Таким образом, отношение изменения температуры теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.

Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверх-ности нагрева зависит от схемы их движения и соотношения ве-личин водяных эквивалентов. Если в теплообменнике горячая и холодные жидкости проте-кают параллельно и в одном направлении, то такая схема дви-жения называется прямоточной (рис. 15, а ).

Рис.15. Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках.

При противотоке жидкости движутся параллельно, но в противоположные стороны (рис. 15, б ). В схеме перекрестного тока жидкости движутся в перекрещивающихся направлениях (рис. 15, в). Кроме перечис-ленных простых схем движения жидкостей, могут быть сложные, сочетающие в себе различные комбинации элементов простых схем (рис. 15, г и д).

На рис. 16, где по оси абсцисс отложена величина поверх-ности нагрева F , а по оси ординат температура, показаны четыре характернее пары кривых изменения температуры вдоль поверх-ности нагрева в зависимости от схемы течения (прямоток, про-тивоток) и величин водяных эквивалентов теплоносителей W 1 и W 2 .

Как видно из графиков, большее изменение температуры Δt" = t" - t" имеет жидкость, у которой водяной эквивалент меньше, что соответствует уравнению (45).

Рис. 16. Характер изменения температур теплоносителей при схемах прямотока и противотока.

Из рассмотрения графиков можно сделать следующие выводы:

1. Для прямотока конечная температура холодной жидкости всегда ниже конечной температуры горячей жидкости;

2. Температурный напор вдоль поверхности при прямотоке изменяется значительнее, и среднее его значение меньше, чем при противотоке, поэтому, как следует из формулы (42), при прямотоке передается меньшее количество теплоты, чем при противотоке.

3. Схемы прямотока и противотока можно считать равноцен-ными, если температура хотя бы одного из теплоносителей постоянна. Так получается при кипении жидкостей и при конденсации паров, или когда величина водяного эквивалента одного из теплоносителей настолько велика, что его температура изменяется незначительно.

4. При противотоке конечная температура холодной жидко-сти t"" 2 может быть выше конечной температуры горячей, т. е. при одной и той же начальной температуре холодной жидкости при противотоке ее можно нагреть до более высокой температуры.

Таким образом, с теплотехнической точки зрения всегда сле-дует отдавать предпочтение противотоку, если какие-либо другие причины (например, конструктивные) не заставляют применять схему прямотока.

Пожалуй, единственным недостатком схемы противотока яв-ляются более тяжелые температурные условия для материала стенок теплообменника, так как отдельные участки со стороны входа горячей жидкости омываются с обеих сторон жидкостями с максимальной температурой.

Как указывалось выше, при проверочном расчете необходимо рассчитать конечные температуры теплоносителей t"" 1 и t"" 2 и коли-чество переданной теплоты. В этом случае для приближенной оценки можно пользоваться зависимостями:

эффективность теплообменного аппарата

Эффективность процесса в теплообменнике оценивает коэф-фициентом полезного действия η , характеризующим долю теплоты горячей жидкости, использованную для подогрева хо-лодной жидкости:

где Q 1 - количество теплоты, воспринятой холодной жид-костью;

Q pacn . - располагаемое количество теплоты горячей жид-кости.

Для теплообменников автотранспортных средств важное значение имеют весовые и габаритные характеристики аппаратов. Компактность конструкции теплообменника можно оценить удельной поверхностью нагрева β , которая представляет собой площадь рабочей поверхности, приходящуюся на единицу объема аппарата: β уд = F раб. /V охл . .

Эффективность теплообменника зависит от конструктивной структуры поверхности охлаждения, которая оценивается коэффициентом оребрения ξ ор. = F охл /F жид , где F охл - площадь поверхности, охлаждаемая воздухом; F жид - площадь поверхности охлаждения, омываемая водой.

При выборе вида теплоносителя должны быть учтены его теплофизические свойства, стоимость, возможность коррозии стенок и т. п. Например, при выборе тосола или воды следует иметь в виду, что при удобстве применения тосола (низкая температура замерзания), он обладает более низкими теплофизическими свойствами, чем вода, что снижает эффективность теплообменного аппарата (радиатора).

Для повышения компактности и снижения веса теплообменных аппаратов используются различные средства интенсификации теп-лообмена.

Эффективным средством повышения компактности теплообменного аппарата является постановка ребер на его поверхностях, ко-торая может использоваться как в пластинчатых, так и в трубчатых теплообменных аппаратах. На рис. 17, а изображен пластинчатый теплообменник с плоскими непрерывными ребрами, а на рис. 17, б — теплообменник с ребристыми трубами овального сечения.

Ребра обычно выполняются из медных или алюминиевых тонких листов и надежно припаиваются к основной поверхности. Они могут быть гладкими или рифлеными. Ребра могут выполняться в виде отдельных пластинок, которые располагаются в канале пластинча-того теплообменника в шахматном или коридорном порядке.

Рис. 17. Фрагменты пластинчатого теплообменника с плоскими непрерывными ребрами (а) и теплообменника с ребристыми овальными трубами (б).

В настоящее время для двигателей автомобилей наиболее широко используют трубчато-пластинчатые и трубчато-ленточные конструкции радиаторов (рис. 18).

Рис.18. Сердцевины охлаждающих решеток радиатора:

а - трубчато-пластинчатого; б - трубчато-ленточного.

При изготовлении охлаждающих решеток трубчато-пластинчатых радиаторов используются трубки (шовные или цельнотянутые, которые изготовляют из алюминиевого сплава, латунной меди Л-68 или Л-90 толщиной до 0,15 мм ) (рис. 19). Пластины opeбрения выполняются плоскими или волнистыми из того же материла, что и трубки. В трубчато-ленточных конструкциях ленту изготавливают из меди М-3 толщиной 0,05...0,1 мм .

В трубчато-пластинчатых радиаторах охлаждающие трубки могут располагаться по отношению к потоку охлаждающего воздуха в ряд, в шахматном порядке и в шахматном прядке под углом (рис.20).

Рис.19. Трубки радиаторов:

а - медные паяные; б - сварные из алюминиевого сплава.

Рис. 20. Элементы охлаждения решеток трубчато-пластинчатых радиаторов:

а - рядное расположение трубок; б - шахматное расположение; в - то же под углом к воздушному потоку; г - охлаждающая пластина с отогнутыми просечками.

В трубчато-ленточных радиаторах (рис.21) охлаждающие трубки практически не отличаются по своей конструкции от трубок, применяемых в трубчато-пластинчатых радиаторах, но располагаются они только в ряд. Для увеличения турбулизации воздушного потока на лентах выполняют либо фигурную выштамповку (рис. 21,б ), либо отогнутые просечки.

Компактность конструкции современных автомобильных теплообменников, оцениваемая величиной удельной поверхности нагрева β уд , соответствует 440…850 м 2 /м 3 . Коэффициент оребрения для этих теплообменников варьируется в пределе: ξ ор. = 5…11,5.

Рис. 21. Элементы трубчато-ленточного радиатора:

а - охлаждающая решетка радиатора; б - охлаждающая лента с фигурной выштамповкой; 1 - охлаждающая лента; 2 - жидкостная охлаждающая трубка.

Пример . В теплообменном аппарате жидкость с водяным эквивалентом W 1 = 116 вт/град охлаждается от t" 1 = 120°С до t"" 1 = 50°С водой при температуре t" 2 = 10°С, для которой W 2 = 584 вт/град . Определить потреб-ную поверхность нагрева при схемах прямотока и противотока, если коэф-фициент теплопередачи k :

0,6 м 2 ;

б) при противотоке .