Тепловой расчет теплообменника заключается в определении площади теплопередающей поверхности теплообменника по формуле:
т.е. в предварительном определении величин Q, K, t cp . Для этих расчетов необходимо определить физические параметры теплоносителей. Для воды физическими параметрами будут: теплоемкость, коэффициент теплопроводности, плотность, коэффициент вязкости; для пара – удельная теплота парообразования. Для определения физических параметров часто используют метод интерполяции.
Тепловую нагрузку аппарата и расход горячего теплоносителя определяем из уравнения теплового баланса при нагреве холодного теплоносителя при конденсации водяного насыщенного пара:
Q пр = D × r;
Q расх = 1,05 × G × с(t 2 - t 1)
где D – расход греющего пара, кг/с; r – теплота парообразования (конденсации), Дж/кг; 1,05 – коэффициент учитывающий потери тепла в размере 5%; G = V × r – массовый расход воды, кг/с; V – объемный расход воды, м 3 /с; r – плотность воды, кг/м 3 ; t 1 , t 2 – начальная и конечная температура воды, 0 С; с – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К).
Среднюю разность температур, будем определять так же, как при противотоке, а затем вводить поправку в виде коэффициента e, т.е. Δt ср = e × Δt против. В случае конденсации пара на трубах расчет будет одинаков как для прямотока, так и для противотока, а значение коэффициента e можно принять равным 1. Для определения Δt ср находим Δt max , Δt min , их отношение и Δt ср по среднеарифметической или по среднелогарифмической формулам.
В отдельных материалах Вы найдете:
Если сравнить эти простейшие тепловые расчеты двух теплообменных аппаратов различных типов, но одинаковой тепловой производительности, то становится очевидно, что коэффициент теплопередачи за счет более значительной турбулизации потоков у пластинчатого теплообменника практически в несколько раз выше нежели у теплообменника кожухотрубного. Площадь теплообмена, необходимая для придания теплоносителям заданных параметров тоже в разы ниже у теплообменника пластинчатого типа. При этом конструктивные размеры у полученного кожухотрубного теплообменника существенно превосходят габариты пластинчатого теплообменника, что, опять же, свидетельствует не в пользу теплообменников кожухотрубных.
Специалисты компании Астера всегда помогут осуществить бесплатный расчет пластинчатого теплообменника и подскажут стоимость его заказа. Избавив Вас при этом от лишних хлопот с расчетами. Обратиться к ним за помощью можно воспользовавшись специальным сервисом для .
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.
Главное условие стабильной, эффективной работы системы теплообмена — это подбор теплообменных агрегатов с учетом точного соответствия конкретным эксплуатационным и техническим требованиям. Ключевым фактором для такого подбора является расчет площади теплообменника.
Конечно, существуют определенные стандарты, с универсальными параметрами, по которым можно подобрать оборудование для своего объекта. Тем не менее, часто в этой сфере индивидуальный подход более чем оправдывает себя. Проведение измерений и расчетов по конкретным данным позволяет получить максимальную отдачу от системы теплообмена. Кроме того, подобные вычисления попросту необходимы, если речь идет о работе по техническому заданию со строго обозначенными параметрами.
Методика расчета теплообменника предполагает несколько этапов.
Определение количества теплоты
Уравнение передачи тепла, используемое для установившихся единиц времени и процессов выглядит следующим образом:
Q = KFtcp (Вт)
В данном уравнении:
- К — значение коэффициента теплопередачи (выражается в Вт/(м2/К));
- tср — средняя разность температурных показателей между разными теплоносителями (величина может даваться как в градусах по Цельсию (0С), так и в кельвинах (К));
- F — значение площади поверхности, для которой происходит теплообмен (значение дается в м2).
Уравнение позволяет описать процесс, в ходе которого происходит передача теплоты между теплоносителями (от горячего — к холодному). Уравнение учитывает:
- отдачу тепла от теплоносителя (горячего) к стенке;
- параметры теплопроводности стенки;
- отдачу тепла от стенки к теплоносителю (холодному).
Определение коэффициента теплопередачи
Для предварительных расчетов теплообменного оборудования и разного рода проверок применяют ориентировочные значения коэффициентов, стандартизированные для определенных категорий:
- коэффициенты теплопередачи для процесса конденсации паров воды — от 4000 до 15000 Вт/(м2К);
- коэффициенты теплопередачи для воды, движущейся по трубам — от 1200 до 5800 Вт/(м2К);
- коэффициенты теплопередачи от парообразного конденсата к воде — от 800 до 3500 Вт/(м2К).
Точный расчет коэффициента теплопередачи (К) производится по следующей формуле:
В данной формуле:
- α1 — коэффициент теплоотдачи для греющего теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
- α2 — коэффициент теплоотдачи для нагреваемого теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
- δст — параметр толщины стенок трубы (выражается в метрах);
- λст — коэффициент теплопроводности материала, использованного для трубы (выражается в Вт/(м*К)).
Такая формула дает «идеальный» результат, обычно несоответствующий на 100% реальному положению дел. Поэтому в формулу добавляется еще один параметр — Rзаг.
Это показатель термического сопротивления различных загрязнений, формирующихся на нагревающихся поверхностях трубы (т.е. обычной накипи и др.)
Формула для показателя загрязнения выглядит так:
R = δ1/λ1 + δ2/λ2
В данной формуле:
- δ1 — толщина слоя отложений на внутренней стороне трубы (в метрах);
- δ2 — толщина слоя отложений на внешней стороне трубы (в метрах);
- λ1 и λ2 — значения коэффициентов теплопроводности для соответствующих слоев загрязнений (выражаются в Вт/(м*К)).
Методика расчета теплообменника (площади поверхности)
Итак, мы рассчитали такие параметры, как количество теплоты (Q) и коэффициент теплопередачи (K). Для окончательного вычисления дополнительно потребуется разность температур (tср) и коэффициент теплоотдачи.
Итоговая формула расчета теплообменника пластинчатого (площади теплопередающей поверхности) выглядит так:
В данной формуле:
- значения Q и K описаны выше;
- значение tср (средняя разность температур) получают по формуле (среднеарифметической либо среднелогарифмической);
- коэффициенты теплоотдачи получают двумя способами: либо с помощью эмпирических формул, либо через число Нуссельта (Nu) с использованием уравнений подобия.
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.
