Расчет теплообменника

Технический расчет пластинчатого теплообменника – это поиск требуемого решения в теплоснабжении, а также реализация найденного варианта. Для того чтобы верно выполнить подобный расчет, требуются сведения:

• относительно типа той или иной рабочей среды;
• по тепловой нагрузке (мощности);
• о массовом расходе среды (это когда тепловая нагрузка остается неизвестной);
• о температуре среды на входе в теплообменник (и по горячей стороне, и по холодной), а также на выходе из него.

Еще нужны будут данные, содержащиеся в ТУ теплоснабжающей организации, а, кроме того, отображенные в договоре с ней. Потребуются сведения и из ТЗ главного инженера или технолога.

Что необходимо знать для осуществления расчета теплообменного оборудования?

Для того чтобы грамотно выполнить расчет теплообменника, нужно знать:

1. Температуру обоих контуров на входе и выходе.
2. Допустимую (по max) температуру для работы.
3. Давление рабочей среды.
4. Расход рабочей среды (массовый) и в том, и в другом контурах (речь о пропускной способности оборудования).
5. Тепловую мощность (то количество тепла, которое отдает оборудование).

Кроме того, понадобятся при расчетах следующие характеристики:

• вид рабочей среды и ее вязкость (это по подбору материала на пластины);
• LMTD (средний температурный напор);
• загрязненность среды (уровень в цифрах), если потребуется.

Как рассчитать мощность теплообменника?

Расчет мощности теплообменника проводится в 2 этапа (рассмотрим на примере бассейна).

Первый этап подразумевает дополнительно расчет объема, а второй – производство вычислений по формуле:

Р = 1,16 x (Т1/Т2)/t x V, где:

Р — мощность конкретного теплообменника;

1,16 — примененный коэффициент;

Т1 — конечная температура для нагрева;

Т2 — температура воды (скажем, водопроводная должна нагреться не менее, чем на 15 С);

t — время, необходимое для нагрева (где-то 3-4 часа в нашем случае);

V — объем самого бассейна.

Произведя все предусмотренные действия, несложно определить требуемую мощность теплообменника, который нужен, чтобы вода, находящаяся в бассейне, грелась до необходимой температуры за какой-то определенный временной промежуток.

Далее требуется найти (по специальным каталогам, например) подходящий под произведенные расчеты теплообменник.

Перед реализацией обсуждаются возможности устройства. Затем сравниваются все показатели со значениями, указанными в технической документации к теплообменнику.

Так, в данном конкретном случае (с бассейном) ориентиром послужат параметры насоса для циркуляции воды.

Правильный расчет теплообменника под любые задачи могут выполнить специалисты нашей компании. Звоните в ООО «Сервис-ПТО» по телефонам +7 (812) 646-10-76, +7 (921) 794-11-63, и мы ответим на любые вопросы!

Типы расчета теплообменника

Расчет пластинчатого теплообменника (ПТ) осуществляется в двух случаях. Во-первых, на этапе конструирования нужно рассчитать площадь поверхности теплообмена, которая бы обеспечивала необходимые параметры тепловых потоков. Во-вторых, в процессе эксплуатации ПТ может возникнуть необходимость определить температуру создаваемых тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена. Два этих вида расчетов – взаимообратные. Для их осуществления нужно знать тип и температурные показатели теплоносителя на выходе и входе, нормы расхода теплоносителя, мощность либо тепловую нагрузку.

Чаще всего расчет теплообменника выполняют инженеры в процессе разработки решений для проектирования, ремонта теплообменника либо их сервисного обслуживания. Специалистам важно знать 2 ключевых параметра данной установки – рабочую площадь и температуры теплоносителей на входе и выходе. От них в конечном итоге зависит качество работы всей установки.

Однако помимо инженеров тепловой расчет может быть интересен и тем лицам, которые собираются приобрести либо в данный момент обслуживают пластинчатые теплообменники либо установки иного типа. Если вы планируете купить пластинчатый теплообменник в СПб, желательно заранее иметь представление о базовых понятиях, таких как тепловая мощность, массовый расход теплоносителя, температурный напор теплообменника и пр. Это поможет правильно выбрать установку и параметры ее подключения к имеющимся сетям.

Базовые понятия

При расчете теплообменника для бассейна, частного дома или производственного объекта используются следующие понятия:

• Вязкость и вид рабочей среды.
• Максимальная рабочая t и давление теплоносителя. От данных параметров напрямую зависит стоимость ПТ.
• Массовый расход теплоносителя или пропускная способность (расход теплоносителя), обозначается m. Если указан только расход воды (м³/час, л/мин), то для получения массового расхода необходимо эту величину умножить на плотность среды. Плотность зависит от t теплоносителя, например, для холодной воды она равна 0.99913.
• Температурная разность на входе и выходе каждого контура, обозначается Δt.
• Удельная теплоемкость – кол-во тепловой энергии, которое необходимо передать единичной массе тепловой среды для того, чтобы ее t изменилась на единицу, например, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 ⁰С. Параметр обозначается с.
• Тепловая мощность (Q, кВт). Расчет тепловой мощности позволяет определить отдаваемое количество тепловой энергии и производится по формуле Q = m*с*Δt.

Коэффициент теплоотдачи

Основой для расчета теплообменников являются 2 уравнения.

Во-первых, используют кинетическое уравнение, или уравнение теплопередачи, отражающее связь между тепловой мощностью Q и поверхностью теплопередачи, обозначаемой как F. Уравнение выглядит следующим образом:

Q = K * F * Δt_cр* τ

• где К – коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость переноса теплоты;
• Δt_cр – средняя разность t между теплоносителями;
• τ – время.

Для непрерывного процесса теплопередачи кинетическое уравнение выглядит следующим образом:

Q = K * F * Δt_cр

Во-вторых, помимо уравнения теплопередачи при расчете теплообменников используют уравнение теплового баланса. Его формула выглядит следующим образом:

Q = G₁с₁(t_1н-t_1k) = G₂с₂(t_2н-t_2k)

• где G₁ и G₂ –расход горячего и холодного теплоносителей;
• с₁ и с₂ – теплоемкости теплоносителя;
• t_1н и t_1к – t холодного (1) и горячего (2) теплоносителя начальная (н) и конечная (к);

Используя данные 2 формулы можно определить коэффициент теплоотдачи, α – величину, характеризующую интенсивность теплоотдачи при заданном изменении t.

Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку теплообменника связан с коэффициентом теплоотдачи формулой:

k = (1) / (1/α1) + (d/μ) + (1/α2)

• где α1 — коэффициент теплоотдачи от первой среды к стенке;
• α2 — коэффициент теплоотдачи от стенки ко второй среде;
• d — толщина стенки;
• μ — коэффициент теплопроводности стенки.

Также в ряде случаев прибавляется показатель R_з – коэффициент загрязнения стенки.

Методики и примеры расчета

Существует несколько методик расчета теплообменных установок, включая ПТ, среди которых наиболее популярными являются:

• Тепловой расчет;
• Конструктивный расчет;
• Гидравлический расчет.

Рассмотрим подробнее каждый из вариантов.

Тепловой расчет

Тепловой расчет позволяет определить те данные теплоносителей, которые не известны, к примеру, расход теплоносителя, коэф-т теплоотдачи, расход температуры (разницу t), тепловую нагрузку.

В теплообменнике тепловая энергия в процессе нагрева и охлаждения циркулирует от одного потока к другому, в итоге выходит, что Q = Q₁= Q₂.

Далее используется уравнение теплового баланса для теплоносителя, пребывающего в неизменном агрегатном состоянии, которое мы рассмотрели выше:

Q = G₁с₁(t_1н-t_1k) = G₂с₂(t_2н-t_2k)

Если же один из теплоносителей в процессе функционирования тепловой установки меняет свое агрегатное состояние, используется следующая формула:

Q = Gc_п*(t_п-t_нас)+Gr+Gc_k*(t_нас-t_k)

• где r – теплоотдача при конденсации;
• с_{п, к} – теплоемкости пара и образующегося конденсата;
• t_к – конечная t конденсата.

Если конденсат не охлаждается, формула приобретает вид:

Q_гор=Q_конд=Gr

Именно это выражение позволяет нам выполнить расчет расхода теплоносителя:

G_гор=Q/cгор(t_гн - t_гк) или G_хол=Q/схол(t_xk – t_xн)

Если в качестве теплоносителя используется пар, применяется следующая формула:

G_пара = Q/Gr

Конструктивный расчет

Ориентировочный конструктивный расчет применяется для вычисления поверхности теплопередачи (рабочей поверхности теплообменника, F), размера проходного сечения и коэффициентов теплообмена. Проведение конструктивного расчета позволяет выбрать определенные теплообменники, оптимально соответствующие требуемым поверхностям.

В данном расчете применяется формула кинетического уравнения теплопередачи, описанная нами выше:

Q = K * F * Δt_ср

Используя эту формулу можно определить искомые параметры, например – F= Q/k* Δt_ср.

Размер сечения для прохода теплоносителя определяют по формуле:

S = G/(w*p) [м²]

где G – расход теплоносителя;

(w·ρ) – массовая скорость потока вещества.

Скорость потока составляет для:

• Вязких жидкостей – менее 1 м/с;
• маловязких жидкостей – 1-3 м/с;
• запыленных газов – 5-10 м/с;
• чистых газов – 10-15 м/с;
• насыщенного пара – 30-50 м/с;
• перегретого пара – 50-75 м/с;
• разреженного пара – 100-200 м/с.

Проведенный расчет позволяет выбрать 1 или несколько аппаратов, соответствующих требуемой поверхности теплообмена. После этого для определения прочих необходимых показателей проводится подробный конструктивный и тепловой расчеты.

В частности, расчет кожухотрубного теплообменника предполагает нахождение длины и количества труб. При расчете змеевикового теплообменника нужно найти общую длину змеевика, определить кол-во витков и секций. Для теплообменника типа «труба в трубе» рассчитывают кол-во секций, а для спирального - определяют сечение каналов, параметры спирали, включая наружный диаметр, и кол-во витков.

Для теплообменников пластинчатого типа следует рассчитать соотношение кол-ва ходов нагревающей и нагреваемой рабочей среды. Используется формула:

X_uh/x_нагр = (G_гр/G_нагр)^0,636*(∆P_гр/∆P_нагр)^0,364*(1000 – t_{нагр ср} / 1000 = t_{гр ср})

где G – расход теплоносителей;

∆P – перепад давления.

При Х_гр/Х_нагр<2 применяется компоновка пластин в симметричные пакеты, при Хгр/Хнагр>2 – несимметричная компоновка.

Количество каналов определяется по формуле:

M_нагр = G_нагр / w_опт*f_мк*p*3600

где w_oпт – оптимальная скорость потока вещества;

f_мk – живое сечение канала между пластинами ПТ.

Гидравлический расчет

Гидравлический расчет теплообменника считается одним из наиболее точных, так как учитывает потери давления каждым из используемых в установке теплоносителей и определяет расход энергии при движении теплоносителей через установку. При необходимости можно выполнить обратный расчет – в зависимости от заданных перепадов давления подобрать оптимальные переходные сечения элементов.

Для расчета общего снижения давления необходимо суммировать все потери в элементах теплообменника. Используется формула:

∆P = ∑∆P_л + ∑∆P_м + ∑∆P_у + ∑∆P_г

где первое слагаемое — сумма гидравлических линейных сопротивлений элементов теплообменника, по которым движется один из теплоносителей (прямые и изогнутые трубы, змеевики, каналы); второе слагаемое - сумма потерь напора в местных сопротивлениях; третье слагаемое— сумма потерь давления за счет изменений скоростей потоков; четвертое слагаемое - потеря давления на преодоление гидростатического давления столба жидкости.

Гидравлический расчет применяется и для охлаждаемой рабочей среды, и для охлаждающей среды (воды либо воздуха).

Расчет средней разности температур

Также при тепловом расчете бывает необходимо вычислить разницу t в обоих контурах. Она рассчитывается по формуле:

∆t_ср = (∆t_б - ∆t_м) / ln (∆t_б/∆t_м) где ∆t_б, ∆t_м

где t_{м и б} - большая и меньшая средняя разность t на входе и выходе.

Если присутствуют перекрестный или смешанный ток вещества внутри пластин, в формулу, представленную выше, добавляется поправочный коэффициент:

∆t_ср = ∆t_ср * f_попр

Расчет теплообменника производится с целью правильного подбора материалов, используемых при производстве установки, определения ее размеров, величины поверхности или же производительности. Чаще всего подобные расчеты выполняются специалистами с использованием профессионального ПО, однако, зная базовые формулы, можно попытаться произвести необходимые вычисления и самостоятельно, без использования специальных программ.

Подбор теплообменника специалистами ООО «Сервис-ПТО»

ООО «Сервис-ПТО» предлагает, наряду с комплексным обслуживанием, ремонтом и наладкой, еще и расчет пластинчатых теплообменников для заказчиков.

Опираясь на многолетний опыт в подборе теплообменного оборудования, специалисты компании в кратчайшие сроки предоставляют клиенту оптимальное решение под поставленные им задачи. При этом фирма гарантирует высокое качество устройств в сочетании с вполне доступной их стоимостью.

Опыт наших профессионалов

Сотрудники компании «Сервис-ПТО» прошли обучение у ведущих производителей теплообменников. Они прибудут на место в оговоренное время и выполнят все необходимые операции быстро, а главное, качественно, с гарантией.

При необходимости впоследствии будет произведен профессиональный монтаж и пусконаладочные работы в отношении теплообменного оборудования.

Мы также поставляем любые теплообменники и комплектующие к ним.

Скорость расчёта

Как только поступает клиентская заявка на расчет теплообменника с определенной площадью и объемом, менеджеры компании «Сервис-ПТО» незамедлительно отправляют ее в работу.

Таким образом, заказчик оперативно получает все необходимые ему данные и рекомендации. Ему также предоставляется подробная и обоснованная смета затрат.

Точность специалистов

Мы гарантируем точность любых расчетов по теплообменному оборудованию. Наши специалисты неоднократно проводили подобные вычисления, и оборудование всегда соответствовало требованиям заказчиков.

Работаем быстро и слаженно с прицелом на действительно качественный результат. И у вас есть возможность в этом убедиться, заказав услугу расчета (а также любую другую) именно в нашей компании.

Заключение

Оставить заявку, уточнить детали, а также задать интересующие вопросы можно по контактным телефонам или на сайте.

Подбор качественного оборудования в соответствии с заявленными требованиями является гарантией высокой эффективности систем. Закажите квалифицированную помощь в ООО «Сервис-ПТО» по телефонам +7 (812) 646-10-76, +7 (921) 794-11-63.