Что нужно для расчета теплообменника
Поэтому неотложной операцией на подготовительном этапе является расчет теплообменника с одновременной оценкой его будущей работы в системе, к которой он будет подключен. Имея результат такого расчета, подбор теплообменника будет осуществлен наиболее правильно.
Необходимые параметры
Для того, чтобы приобрести устройство, как можно более полно удовлетворяющее заявленным требованиям, необходимо иметь данные о следующих параметрах:
1. Место установки агрегата и характеристики системы, где он будет эксплуатироваться (тепловая сеть, горячее водоснабжение, вентиляция и т.д.).
2. Тепловаянагрузка и мощность устройства (вместо тепловой нагрузки могут быть использованырасходные данные по воде).
3. Среда, в которой будет работать теплообменник.
4. Температура рабочей среды.
Проанализировав все эти параметры, можно определиться с техническими характеристиками нужного теплообменника. Расчет даст возможность подобрать конкретную конструкцию, вплоть до количества и массы пластин, материала их изготовления, уплотнений, компоновки и размеров рамы.
Алгоритм расчета.
С чего же начать расчет теплообменного устройства? Отправными сведениями для этого служит объем подогреваемой среды, а также разница температур между контактирующими веществами.
Для расчета мощности теплообменного агрегата используется уравнение P = 1,16∆Т / (tV), составные части которого означают следующие величины:
· Р – требуемая мощность;
· 1,16 – рассчитанная постоянная (не изменяется);
· ∆Т – разница показателей температуры;
· t и V – показатели времени и объема.
Также для расчета имеют большое значение такие показатели:
· расход воды, проходящей через аппарат;
· коэффициент передачи тепла;
· температурная разница между рабочими веществами.
Эти величины рассчитываются путем решения уравнений теплового баланса.
Тепловой баланс можно отобразить в видеQ = Q1 = Q2, в котором величина Q означает количество теплоты, передаваемое теплоносителем (в ваттах).
Отсюда получается, что Q1 = G1c1•(t1н – t1к) и Q2 = G2c2•(t2к – t2н), где:
· G1,2 – расход воды в устройстве, (кг/ч);
· с1,2 – теплоемкости горячего и холодного теплоносителя (Дж/кг•град);
· t1,2 н – начальная температура горячего и холодного теплоносителя (°C);
· t1,2 к – конечная температура горячего и холодного теплоносителей (°C).
Откуда же можно получить требуемыеданные для проведения расчета баланса по теплу? Таких источников несколько:
· технические условия предприятия – изготовителя;
· технические задания конструктора и технолога;
· в составленном проекте тепловой системы или в тепловом пункте, где она установлена;
· в договорных документах на обеспечение теплом с поставщиком.
Приведенные расчеты отличаются довольно большой сложностью, ошибиться в них крайне нежелательно. Это может привести к неприятностям и дополнительным материальным затратам в дальнейшем. Качественнее всего проведет тепловые расчеты специалист, имеющий опыт в этой области.В ходе расчета им используются специальные формулы, учитывающие все особенности работы будущей системы. По окончанию проведения расчетов клиенту выдается официальный лист с изложенным порядком расчета и результатом, по которому делается вывод о пригодности работы данного аппарата в конкретной системе.
Как узнать объем теплообменника
Расчет пластинчатого теплообменника
Сначала мы рассмотрим, какие бывают теплообменники, а потом рассмотрим формулы расчета теплообменников. И Таблицы различных теплообменников по мощностям.
В паяных теплообменниках из нержавеющей стали не нужны прокладки и прижимные плиты. Припой надежно соединяет пластины во всех точках контакта, что обеспечивает оптимальный КПД теплопередачи и высокое сопротивление давлению. Конструкция пластин рассчитана на длительный срок эксплуатации ППТ очень компактны, так как теплопередача происходит практически через весь материал, из которого они изготовлены. Они имеют небольшую массу и малый внутренний объем. Компания Альфа Лаваль предлагает широкий спектр аппаратов, которые всегда можно приспособить к конкретным требованиям заказчиков. Любые задачи, связанные с теплообменом, ППТ решают наиболее эффективным с экономической точки зрения способом.
Паяный пластинчатый теплообменник состоит из тонких гофрированных пластин из нержавеющей стали, соединенных между собой вакуумной пайкой с использованием меди или никеля в качестве припоя. Теплообменники, паянные медью, чаще всего применяются в системах теплоснабжения или кондиционирования воздуха, в то время как никельпаяные в основном предназначены для пищевой промышленности и для работы с агрессивными жидкостями.
Защита от смешения сред
В тех случаях, когда по правилам эксплуатации или по иным причинам требуется обеспечить повышенную безопасность, можно воспользоваться патентованными конструкциями паяных теплообменников с двойными стенками. В этих теплообменниках две среды отделены друг от друга двойной пластиной из нержавеющей стали. В случае внутренней протечки ее можно будет заметить на внешней стороне теплообменника, но смешения сред в любом случае не произойдет.
1-пластины; 2-стяжные болты; 3,4-передняя и задняя массивная плита; 5-патрубки для присоединения контура теплоснабжения; 6-патрубки для присоединения трубопроводов системы отопления.
Получить отдельный замкнутый (независимый) отопительный контур системы отопления, при этом получая только тепловую энергию. Расход и давление не передаются. Тепловая энергия передается за счет передачи температуры теплопередающими пластинами по разные стороны которого протекает теплоноситель (отдающий тепло и принимающий тепло). Это дает возможность изолировать свою систему отопления от центральной сети отопления. Могут быть и другие задачи.
1-подающий патрубок для отпуска тепла; 2-обратный патрубок для отпуска тепла; 3-обратный патрубок для приема тепла; 4-подающий патрубок для приема тепла; 5-канал для приема тепла; 6-канал для отпуска тепла. Стрелками указано направление движения теплоносителя.
Схема системы отопления
Каждый пластинчатый теплообменник обладает значениями, которые необходимы для расчета.
Эффективность (КПД) теплообменника находиться по формуле
На практике эти значения равны 80-85%
Какие должны быть расходы через теплообменник?
По разные стороны теплообменника имеются два независимых контура, это означает, что расходы этих контуров могут быть разными.
Чтобы найти расходы нужно знать, сколько тепловой энергии потребуется для отопления второго контура.
Например, это будет 10 кВт.
Теперь нужно посчитать необходимую площадь пластин для передачи тепловой энергии по этой формуле
Полный коэффициент теплопередачи
Чтобы решить задачу нужно познакомиться с некоторыми типами теплообменников, и на их основе производить анализ расчетов подобных тепловых обменников.
Самостоятельно сделать расчет теплообменника у Вас не получиться по одной простой причине. Все данные, которые характеризуют теплообменник скрыты от посторонних лиц. Возникает трудность найти коэффициент теплопередачи от реального расхода! И если расход будет заведомо маленьким, то и КПД теплообменника будет не достаточным!
Увеличение мощности с уменьшением расхода приводит к увеличению самого теплообменника в 3-4 раза по количеству пластин.
У каждого производителя теплообменников есть специальная программа, которая подбирает теплообменник.
Чем выше коэффициент теплопередачи, тем быстрее этот коэффициент становиться меньше из-за отложение от накипи!
Базовые понятия теплообмена для расчета теплообменников
Когда проводится расчет теплообменников, используются базовые знания о законах теплообмена, открытые на сегодняшний день.
В частности используются такие понятия как удельная теплоемкость и теплосодержание (энтальпия), а также удельная теплота химических превращений (и фазовых превращений).
Под удельной теплоемкость понимается количество тепла, которое необходимо для нагрева одного килограмма вещества ровно на один градус. На основании данных о теплоемкости можно судить об интенсивности аккумулирования тепла.
При тепловых расчетах используются средняя теплоемкость, исчисляемую в заданном температурном интервале.
Под понятием удельной энтальпии понимается количество тепла, которое потребуется для нагрева одного килограмма от нуля до заданной температуры.
Под удельной теплотой химических превращений понимается то количество тепла, которое будет выделяться при химической трансформации одной единицы массы данного вещества.
Под удельной теплотой фазовых превращений понимается то количество тепла, которое будет поглощаться или выделяться при изменении агрегатного состояния единицы массы данного вещества.
Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса
При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.
При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.
Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.
Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле
Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.
При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.
Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.
Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под 
подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.
Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула 
.
Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.
Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников
Теплообмен осуществляется посредством трех основных видов теплопередачи. Это конвекция, теплопроводность и излучение.
При теплообменных процессах, которые протекают по принципам механизма теплопроводности передача тепла происходит как перенос энергии упругих колебаний молекул и атомов. Данная энергия переходит от одних атомов к другим в направлении уменьшения.
При проведении расчетов параметров передачи тепла по принципу теплопроводности используется закон Фурье:.
Для вычисления количества тепла используются данные о времени прохождения потока, площади поверхности, градиенте температуры, а также о коэффициенте теплопроводности. Под градиентом температуры понимается ее изменение в направлении теплопередачи на одну единицу длины.
Под коэффициентом теплопроводности понимается скорость теплообмена, то есть то количество тепла, которое проходит через одну единицу поверхности в единицу времени.
При любых тепловых расчетах учитывается, что самый большой коэффициент теплопроводности имеют металлы. Различные твердые тела имеют гораздо меньший коэффициент. А у жидкостей этот показатель, как правило, ниже, чем у любого из твердых тел.
При расчете теплообменников, где передача тепла от одной среды к другой идет через стенку, также используется уравнение Фурье для получения данных о количестве передаваемого тепла. Оно вычисляется как количество тепла, которое проходит через плоскость с бесконечно малой толщиной: 
.
Если проинтегрировать показатели температурных изменений по толщине стенки, получится 
Исход из этого получается, что температура внутри стенки падает по закону прямой линии.
Конвекционный механизм передачи тепла: расчеты
Еще один механизм передачи тепла – конвекция. Это передача тепла объемами среды посредством их взаимного перемещения. При этом передача тепла от среды к стенке и наоборот, от стенке к рабочей среде называется теплоотдачей. Чтобы определить количество тепла, которое передается, используется закон Ньютона
В данной формуле a — это коэффициент теплоотдачи. При турбулентном движении рабочей среды этот коэффициент зависит от многих дополнительных величин:
Следовательно, коэффициент теплоотдачи — функция многих величин, что показано в формуле
Метод анализа размерностей позволяет вывести функциональную связь критериев подобия, которые характеризуют теплоотдачу при турбулентном характере движения потока в гладких, прямых и длинных трубах.
Это вычисляется по формуле
.
Коэффициент теплоотдачи в расчете теплообменников
В химической технологии нередко встречаются случаи обмена тепловой энергией между двумя текучими средами через разделяющую стенку. Теплообменный процесс проходит три стадии. Тепловой поток для установившегося процесса остается неизменным.
Проводится расчет теплового потока, проходящего от первой рабочей среды к стенке, затем через стенку теплопередающей поверхности и затем от стенки ко второй рабочей среде.
Соответственно для проведения расчетов используется три формулы:
В результате совместного решения уравнений получаем
Величина
и есть коэффициент теплопередачи.
Расчет средней разности температур
Когда при помощи теплового баланса определено необходимое количество тепла, необходимо провести расчет поверхности теплообмена (F).
При расчете необходимой теплообменной поверхности используется то же уравнение, что и при предыдущих расчетах:
В большинстве случаев температура рабочих сред будет меняться в процессе протекания теплообменных процессов. Значит вдоль теплообменной поверхности будет меняться разность температур. Поэтому проводится расчет средней разности температур. А в связи с тем, что изменение температур не линейно, рассчитывают логарифмическую разность 
. В отличие от прямоточного потока, при противоточном движении рабочих сред необходимая площадь теплообменной поверхности должна быть меньше. Если в одном и том же ходу теплообменника используется и прямоточный, и противоточный потоки, разность температур определяется, исходя из соотношения 
.
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:
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:
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.
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:
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.
Расчет теплообменника пластинчатого
Расчет пластинчатого теплообменника – это процесс технических расчетов, предназначенный для поиска желаемого решения в теплоснабжении и его осуществления.
Данные теплообменника, которые нужны для технического расчета:
Для расчета данных также понадобятся:
Подробнее об исходных данных для расчета
Подбор и расчет стоимости теплообменника удобным для вас способом
Получить консультацию
Рассчитаем по параметрам
Делаем расчёт точно и профессионально, без всяких манипуляций
Есть готовый расчет теплообменника?
Рассчитаем стоимость по номеру расчета, серийному номеру, расчетному листу, спецификации, по шильдику теплообменника
Откуда взять расчетные данные для ПТО?
Расчетные данные (нагрузки, давления, температурные графики) выдаются теплоснабжающими организациями (тепловыми сетями, котельными) в виде пояснительных записок, Технических условий (ТУ).
Также эти данные вы можете взять из договора с теплоснабжающей организацией, или из проекта модернизации или переоборудования ИТП, УУТО. Если у вас остались вопросы по данным для расчета, то можно обратиться к менеджеру за консультацией.
ОСТАВЬТЕ ЗАПРОС
и наш специалист поможет подобрать оборудование
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 – количество теплоты передаваемое или принимаемое теплоносителем [Вт],
Gг,х – расход горячего и холодного теплоносителей [кг/ч];
сг,х – теплоемкости горячего и холодного теплоносителей [Дж/кг·град];
tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
tг,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:
r – теплота конденсации [Дж/кг];
сп,к – удельные теплоемкости пара и конденсата [Дж/кг·град];
tк – 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:
Благодаря данной формуле определяем расход теплоносителя:
Формула для расхода, если нагрев идет паром:
G – расход соответствующего теплоносителя [кг/ч];
Q – количество теплоты [Вт];
с – удельная теплоемкость теплоносителей [Дж/кг·град];
r – теплота конденсации [Дж/кг];
tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
tг,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:
δст – толщина стенки [мм];
λст – коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м·град];
α1,2 – коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней стороны стенки [Вт/м 2 ·град];
Rзаг – 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·∆tср [м 2 ]
Размер проходного сечения теплоносителей определяют из формулы:
S = G/(w·ρ) [м 2 ]
G – расход теплоносителя [кг/ч];
(w·ρ) – массовая скорость потока теплоносителя [кг/ м 2 ·с]. Для расчета скорость потока принимают исходя из типа теплоносителей:
| Вид теплоносителя | Скорость потока, м/с | |||||||
| Вязкие жидкости | 0,636 · (∆Pгр/∆Pнагр) 0,364 · (1000 – t нагр ср/ 1000 – tгр ср) Gгр, нагр – расход теплоносителей [кг/ч]; Если соотношение Хгр/Хнагр будет меньше двух, то выбираем компоновку симметрическую, если больше двух – несимметричную. Ниже представлена формула, по которой высчитываем количество каналов среды: Gнагр – расход теплоносителя [кг/ч]; Гидравлический расчетТехнологические 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: ∆pп – потери давления [Па]; ОСТАВЬТЕ ЗАПРОС |
| Горячая сторона | Холодная сторона | |
| Т1/Т2 | 135/9 ℃ | 40/70 ℃ |
| Расход | 100т/ч |
Вот так мы с вами нашли неизвестный нам ранее массовый расход среды холодного контура, имея лишь параметры горячего.
