Как рассчитать объем теплообменника

Как рассчитать объем теплообменника

Как рассчитать объем теплообменника

Группа: Участники форума
Сообщений: 741
Регистрация: 28.3.2006
Из: Иваново,Россия
Пользователь №: 2477

Как рассчитать объем теплообменника

Есть два типа пластинчатых ТО
M-15 BFG-8 — S поверхн. одной пластины 1,2 м2
M-10 BFG S поверхн. одной пластины 0,5 м2
N – количество пластин
Нужно
1. сосчитать водяной объем теплообменника
Прикидываю так:
V =S пов. *t*N, где
V – водяной объем теплообменника м3
S пов – поверхность нагрева одной пластины м2
t – расстояние между соседними пластинами м
N количество пластин
Вопрос 1 –какое значение t брать для таких ТО для М10 и М-15

2. Подобрать насос (расход — м3/час) для химической очистки ТО
Прикидываю так:
G =v *Sэ*h*3600, где
G –расход циркулирующего в ТО раствора м3/час
V –скорость циркуляции раствора между двумя соседними пластинами м/сек
Sэ – сечение условного прохода (м2) это произведение t (см. выше) на ширину пластины h ; Sэ = t*h
Вопрос 2 –Какие геометрические размеры пластин для таких ТО М10 и М-15
Материал пластин AISI -316 толщ пластин 0,5 мм
И главное –верны ли формулы

Сообщение отредактировал Евгений Буш — 15.1.2015, 0:36

Чтобы заказать индивидуальный расчет и подбор теплообменника, заполните форму:

Пластинчатые водоподогреватели (по Гост 15518)

Поверхностью теплообмена в этих теплообменниках являются гофрированные параллельные пластины (см. рис. 3.7), с помощью которых создается система узких каналов (см. рис. 3.8) шириной 3–6 мм с волнистыми стенками. Скорость движения жидкости в таких каналах значительна (1–3 м/с), поэтому коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают больших значений – до 3000–4000 Вт/(м 2 · К) – при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

На рис. 3.7, а схематично показано движение теплоносителя I пунктирными линиями, а теплоносителя II – сплошными. Теплоноситель I поступает через штуцер 12, движется по нечетным каналам (считая справа налево)

и уходит через штуцер 2. Пакет пластин зажимается между неподвижной головной плитой 3 и подвижной головной плитой 8. На рис. 3.7, б также схематично показано взаимное движение теплоносителей I и II между пластинами.

Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представляет серьезную проблему. По этой же причине их применение при высоких давлениях затруднительно.

Как рассчитать объем теплообменника

Рис. 3.7. Пластинчатый теплообменник и его элеметы:

а – монтажная схема однопоточного аппарата: 1, 11 – штуцера ввода и вывода теплоносителя II; 2, 12 – штуцера вывода и ввода теплоносителя I; 3 – неподвижная плита; 4, 13 – каналы для движения теплоносителя I (пунктирная линия); 5, 14 – каналы для движения теплоносителя II;

6 – четные пластины, считая, слева направо (остальные пластины нечетные), обтекаемые теплоносителем I справа и теплоносителем II слева; 7 – направляющие стержни; 8 – подвижная плита;

9 – неподвижная стойка; 10 – стяжное винтовое устройство; б – схема движения теплоносителя I и II в однопоточном (одноходовом) теплообменнике; в – устройство одного из типов пластин: 1 – прокладка, ограничивающая пространство между пластинами, по которому движется теплоноситель I (снизу вверх); 2, 3 – отверстия для прохода этого теплоносителя; 4 – две малые кольцевые прокладки, уплотняющие отверстия 5 и 6, через которые проходит теплоноситель II; г – характер потока жидкости в пространстве между двумя соседними гофрированными пластинами

Характеристики пластинчатых водоподогревателей

В соответствии с каталогом ЦИНТИхимнефтемаш выпускаются теплообменники пластинчатые для теплоснабжения следующих типов: полуразборные (РС) с пластинами типа 0,5Пр и разборные (Р) с пластинами типа 0,3р и 0,6р.

Технические характеристики указанных пластин и основные параметры теплообменников, собираемых из этих пластин, приведены в табл. 3.4, 3.5.

Техническая характеристика пластин

(длина ´ ширина ´ толщина), мм

Поверхность теплообмена, м 2

Эквивалентный диаметр канала, м

Площадь поперечного сечения

в поперечном сечении канала, м

Ширина канала, мм

Зазор для прохода рабочей

среды в канале, мм

Приведенная длина канала, м

Площадь поперечного сечения коллектора (угловое отверстие

на пластине), м 2

Наибольший диаметр условного прохода присоединяемого

сопротивления штуцера x

Допускаемые температуры теплоносителей определяются термостойкостью резиновых прокладок. Для теплообменников, используемых в системах теплоснабжения, обязательным является применение прокладок из термостойкой резины.

Условное обозначение теплообменного пластинчатого аппарата: первые буквы обозначают тип аппарата – теплообменник Р (РС) разборный (полусварной), следующее обозначение – тип пластины, цифры после тире – толщина пластины, далее – площадь поверхности теплообмена аппарата (м 2 ), затем – конструктивное исполнение (в соответствии с табл. П.3.6), марка материала пластины и марка материала прокладки. После условного обозначения приводится схема компоновки пластин.

Пример условного обозначения пластинчатого разборного теплообменного аппарата: теплообменник Р 0,6р-0,8-16-1К-01 – теплообменник разборный (Р) с пластинками типа 0,6р, толщиной 0,8 мм, площадью поверхности теплообмена 16 м 2 , на консольной раме, в коррозионно-стойком исполнении, материал пластин и патрубков – сталь 12Х18Н10Т; материал прокладки – теплостойкая резина 359; схема компоновки:

Как рассчитать объем теплообменника

что означает: над чертой – число каналов в каждом ходе для греющей воды, под чертой – то же для нагреваемой воды.

Дополнительный канал со стороны хода нагреваемой воды предназначен для охлаждения плиты и уменьшения теплопотерь.

Из рассматриваемых трех теплообменников наиболее целесообразно применение теплообменников РС 0,5Пр, поскольку эти теплообменники надежно работают при рабочем давлении до 1,6 МПа (16 кгс/см 2 ).

Пластины попарно сварены по контуру образуя блок. Между двумя сваренными пластинами имеется закрытый (сварной) канал для греющей воды. Разборные каналы допускают давление в них до 1 МПа (10 кгс/см 2 ).

Техническая характеристика и основные параметры пластинчатых теплообменных аппаратов

Расход теплоносителя (не более), м 3 /ч

Номинальная площадь поверхности теплообмена аппарата, м 2 , и исполнение на раме: консольной (исполнение 1)

двухопорной (исполнение 2)

с промежуточной плитой (исполнение 3)

Расчетное давление, МПа (кгс/см 2 )

Габарит теплообменников, мм

2570´ 650´ 1860 (3500)

Теплообменники типа Р 0,3р могут применяться в системах теплоснабжения при отсутствии теплообменников типа РС 0,5Пр и параметрах теплоносителей до 1,0 МПа (до 10 кгс/см 2 ), до 150 °С и перепаде давлений между теплоносителями не более 0,5 МПа (5 кгс/см 2 ).

Характеристики прокладок для пластин

Условно е обозначе

Марка материала и технические условия

Температура рабочей среды,

СКМС-30 и АРКМ-15

Применение теплообменников типа Р 0,6р (титан) в системах теплоснабжения ограничено и допустимо только при отсутствии теплообменников РС 0,5Пр и Р 0,3р при параметрах теплоносителей не более 0,6 МПа

(6 кгс/см 2 ), до 150 °С и перепаде давлений теплоносителей не более 0,3 МПа (3 кгс/см 2 ).

Методика теплового и гидравлического расчета (подбора) пластинчатого теплообменника

Методика расчета пластинчатых водоподогревателей может основываться на следующих начальных условиях:

  • известны располагаемые напоры теплоносителей;
  • задается оптимальная скорость нагреваемой воды.

В первом случае методика базируется на использовании в них всего располагаемого напора теплоносителей с целью получения максимальной скорости каждого теплоносителя и соответственно максимального значения коэффициента теплопередачи.

В втором случае при неизвестных располагаемых напорах принимается значение оптимальной скорости нагреваемой воды (0,4 м/с), при этом потери давления по нагреваемой воде, как и в случае кожухотрубного теплообменника, составят 100–150 кПа.

Ниже приводится последовательность расчета пластинчатого теплообменника.

  • В первом случае оптимальное соотношение числа ходов для греющей Х1 и нагреваемой Х2 воды находится по формуле

Как рассчитать объем теплообменника

Если соотношение ходов получается >2, то для повышения скорости воды целесообразна несимметричная компоновка, т. е. число ходов теплообменивающихся сред будет неодинаковым. При несимметричной компоновке получается смешанное движение потоков: в части каналов – противоток,

в части – прямоток, что снижает температурный напор установки по сравнению с противоточным характером движения теплообменивающихся сред, который имеет место при симметричной компоновке, и в определенной степени уменьшает выгоду от повышения скорости воды при несимметричной компоновке. Поэтому для исключения смешанного тока теплоносителей более эффективно водоподогревательную установку собирать из двух или нескольких раздельных теплообменников с симметричной компоновкой, включенных последовательно по теплоносителю, у которого получается большее число ходов, и параллельно – по другому теплоносителю. При этом обвязка соединительными трубопроводами должна обеспечить противоток в каждом теплообменнике.

Как рассчитать объем теплообменника Как рассчитать объем теплообменника

При расчете пластинчатого водоподогревателя оптимальная скорость принимается, исходя из получения таких же потерь давления в установке по нагреваемой воде, как при применении кожухотрубного водоподогревателя – 100–150 кПа, что соответствует скорости воды в каналах Wопт = 0,4 м/с. Поэтому, выбрав тип пластины рассчитываемого водоподогревателя горячего водоснабжения, по оптимальной скорости находим требуемое количество каналов по нагреваемой воде mн:

Как рассчитать объем теплообменника

где fк – живое сечение одного межпластинчатого канала.

Компоновка водоподогревателя симметричная, т. е. mгр= mн. Общее живое сечение каналов в пакете по ходу греющей и нагреваемой воды fгр = fн = mн fк , м 2 .

Находим фактические скорости греющей и нагреваемой воды:

В случае если соотношение ходов, определенное по формуле (3.47), оказалось >2 (при подстановке DPн = 100 кПа, а DPгр = 40 кПа – для I-й ступени), водоподогреватель собирается из двух раздельных теплообменников и более. В формулах (3.50) или (3.51) расход того теплоносителя, у которого получилось меньше ходов, уменьшается соответственно в 2 раза и более.

Коэффициент теплоотдачи a1 от греющей воды к стенке пластины

Как рассчитать объем теплообменника

где А коэффициент, зависящий от типа пластин; принимается по табл. 3.4;

Как рассчитать объем теплообменника

Коэффициент тепловосприятия a2 от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле

Как рассчитать объем теплообменника

Коэффициент теплопередачи К

Как рассчитать объем теплообменника

где b – коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине, в зависимости от качества воды принимается равным 0,7–0,85.

При заданной величине расчетной производительности Q п и по полученным значениям коэффициента теплопередачи К и температурному напору Dtср определяется необходимая поверхность нагрева Fтр.

При сборке водоподогревателя из двух раздельных теплообменников и более теплопроизводительность уменьшается соответственно в 2 раза и более.

Количество ходов в теплообменнике

Как рассчитать объем теплообменника

где fпл – поверхность нагрева одной пластины, м 2 .

Число ходов округляется до целой величины. В одноходовых теплообменниках четыре штуцера для подвода и отвода греющей и нагреваемой воды располагаются на одной неподвижной плите. В многоходовых теплообменниках часть штуцеров должна располагаться на подвижной плите, что вызывает некоторые сложности при эксплуатации. Поэтому целесообразней вместо устройства многоходового теплообменника разбить его по числу ходов на раздельные теплообменники, соединенные по одному теплоносителю последовательно, а по другому – параллельно, с соблюдением противоточного движения.

Действительная поверхность нагрева всего водоподогревателя определяется по формуле

11. Потери давления DP в водоподогревателях определяются по формулам:

· для нагреваемой воды

Как рассчитать объем теплообменника

· для греющей воды Как рассчитать объем теплообменника

где φ – коэффициент, учитывающий накипеобразование, который для греющей сетевой воды равен единице, а для нагреваемой воды должен приниматься по опытным данным, при отсутствии таких данных можно принимать φ = 1,5–2,0;

Б коэффициент, зависящий от типа пластины (см. табл. 3.4).

Wн.с. – скорость при прохождении максимального секундного расхода нагреваемой воды.

Пример расчета пластинчатого теплообменника

Выбрать и рассчитать водоподогревательную установку пластинчатого теплообменника, собранного из пластин 0,6р, для системы горячего водоснабжения того же ЦТП, что и в примере с кожухотрубными

секционными водоподогревателями. Исходные данные, величины расходов и температуры теплоносителей на входе и выходе каждой ступени водоподогревателя принимаются такими же, как и в предыдущем примере.

  • Проверяем соотношение ходов в теплообменнике I-й ступени по формуле (4.47), принимая DРН = 100 кПа и DРГР = 40 кПа: Как рассчитать объем теплообменника
  • По оптимальной скорости нагреваемой воды определяем требуемое число каналов по формуле (4.48) Как рассчитать объем теплообменника
  • Общее живое сечение каналов в пакете определяем по формуле (3.49) (mн принимаем равным 20) Как рассчитать объем теплообменника
  • Фактические скорости греющей и нагреваемой воды по формулам (3.50) и (3.51)
    Как рассчитать объем теплообменника

Расчет водоподогревателя I-й ступени:

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины (3.52), принимая из табл. 3.4 А = 0,492,

Как рассчитать объем теплообменника

б) коэффициент тепловосприятия от стенки пластины к нагреваемой воде (3.54),

a2 = 1,16 × 0,492 [23000 + 283×19,5 — 0,63×19,5 2 ]× 0,35 0,73 = 8037 Вт /(м 2 ×o С)

в) коэффициент теплопередачи по формуле (3.55), где β = 0,8,

Как рассчитать объем теплообменника

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя I-й ступени Как рассчитать объем теплообменника

д) количество ходов (3.55) (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники)

Как рассчитать объем теплообменника

Принимаем три хода:

е) действительная поверхность нагрева I-й ступени (3.56)

F I = (2 × 20 × 3 -1)× 0,6 = 71,4 м 2 ;

ж) потери давления I-й ступени водоподогревателя по греющей воде (3.58), принимая φ = 1 и из табл. 3.4 Б = 3,

DPгр = 1× 3× (33 — 0,08× 36)× 0,35 1,75 × 3 = 43,2

Расчет водоподогревателя II-й ступени:

а) коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке пластины (3.52)

a1 = 1,16 × 0,492 (23000 + 283× 67,5 — 0,63× 67,5 2 )× 0,35 0,73 = 10412 Вт/(м 2 ×o С)

б) коэффициент тепловосприятия от пластины к нагреваемой воде (3.53)

a2 = 1,16 × 0,492 (23000 + 283× 48,5 — 0,63× 48,5 2 )× 0,35 0,73 = 10017 Вт/(м 2 ×o С)

в) коэффициент теплопередачи по формуле (3.54), где β = 0,8,

Как рассчитать объем теплообменника

г) требуемая поверхность нагрева водоподогревателя II-й ступени
Как рассчитать объем теплообменника

д) количество ходов (или пакетов при разделении на одноходовые теплообменники) (3.56):

Как рассчитать объем теплообменника

Принимаем два хода:

е) действительная поверхность нагрева II-й ступени (3.57)

F II = (2 × 20 × 2 -1)× 0,6 = 471,4 м 2 ;

ж) потери давления II-й ступени по греющей воде (4.58)

Как рассчитать объем теплообменника

з) потери давления обеих ступеней водоподогревателя по нагреваемой

воде, принимая φ = 1,5, при прохождении максимального секундного расхода воды на горячее водоснабжение

(3.58) DPI+II = 1,5× 3× (33 — 0,08× 31)[21,6 × (0,049 ×10 3 )]1,75× 5 = 164 кПа.

В результате расчета в качестве водоподогревателя горячего водоснабжения принимаем два теплообменника (I-й и II-й ступени) разборной конструкции (Р) с пластинами типа 0,6р, толщиной 0,8 мм, из стали 12Х18Н10Т (исполнение 01), на двухопорной раме (исполнение 2К), с уплотнительными прокладками из резины марки 359 (условное обозначение

– 10). Поверхность нагрева I-й ступени – 71,4 м 2 , II-й – ступени – 47,4 м 2 . Схема I-й ступени –С = 20 + 20 + 20 ;X 21+ 20 + 20 схема компоновки II-й ступени –СX= 20 + 20 .21+ 20

Расчет теплообменника в настоящее время занимает не более пяти минут. Любая организация, производящая и продающая такое оборудование, как правило, предоставляет всем желающим свою собственную программу подбора. Ее можно бесплатно скачать с сайта компании, либо их технический специалист приедет к вам в офис и бесплатно её установит. Однако насколько корректен результат таких расчетов, можно ли ему доверять и не лукавит ли производитель, сражаясь в тендере со своими конкурентами? Проверка электронного калькулятора требует наличия знаний или как минимум понимания методики расчета современных теплообменников. Попробуем разобраться в деталях.

Что такое теплообменник

Прежде чем выполнять расчет теплообменника, давайте вспомним, а что же это за устройство такое? Тепломассообменный аппарат (он же теплообменник, он же теплообменный аппарат, или ТОА) — это устройство для передачи теплоты от одного теплоносителя другому. В процессе изменения температур теплоносителей меняются также их плотности и, соответственно, массовые показатели веществ. Именно поэтому такие процессы называют тепломассообменными.

Как рассчитать объем теплообменника

Виды теплообмена

Теперь поговорим о видах теплообмена — их всего три. Радиационный — передача теплоты за счет излучения. Как пример, можно вспомнить принятие солнечных ванн на пляже в теплый летний день. И такие теплообменники даже можно встретить на рынке (ламповые нагреватели воздуха). Однако чаще всего для обогрева жилых помещений, комнат в квартире мы покупаем масляные или электрические радиаторы. Это пример другого типа теплообмена — конвекционного. Конвекция бывает естественной, вынужденной (вытяжка, а в коробе стоит рекуператор) или с механическим побуждением (с вентилятором, например). Последний тип намного эффективнее.

Однако самый эффективный способ передачи теплоты — это теплопроводность, или, как её ещё называют, кондукция (от англ. conduction — "проводимость"). Любой инженер, собирающийся провести тепловой расчет теплообменника, прежде всего задумывается о том, чтобы выбрать эффективное оборудование в минимальных габаритах. И достичь этого удаётся именно за счет теплопроводности. Примером тому служат самые эффективные на сегодняшний день ТОА — пластинчатые теплообменники. Пластинчатый ТОА, согласно определению, — это теплообменный аппарат, передающий теплоту от одного теплоносителя другому через разделяющую их стенку. Максимально возможная площадь контакта между двумя средами в совокупности с верно подобранными материалами, профилем пластин и их толщиной позволяет минимизировать размеры выбираемого оборудования при сохранении исходных технических характеристик, необходимых в технологическом процессе.

Типы теплообменников

Прежде чем проводить расчет теплообменника, определяются с его типом. Все ТОА можно разделить на две большие группы: рекуперативные и регенеративные теплообменники. Основное отличие между ними заключается в следующем: в рекуперативных ТОА теплообмен происходит через разделяющую два теплоносителя стенку, а в регенеративных две среды имеют непосредственный контакт между собой, часто смешиваясь и требуя последующего разделения в специальных сепараторах. Регенеративные теплообменники подразделяются на смесительные и на теплообменники с насадкой (стационарной, падающей или промежуточной). Грубо говоря, ведро с горячей водой, выставленное на мороз, или стакан с горячим чаем, поставленный остужаться в холодильник (никогда так не делайте!) — это и есть пример такого смесительного ТОА. А наливая чай в блюдце и остужая его таким образом, мы получаем пример регенеративного теплообменника с насадкой (блюдце в этом примере играет роль насадки), которая сначала контактирует с окружающим воздухом и принимает его температуру, а потом отбирает часть теплоты от налитого в него горячего чая, стремясь привести обе среды в режим теплового равновесия. Однако, как мы уже выяснили ранее, эффективнее использовать теплопроводность для передачи теплоты от одной среды к другой, поэтому более полезные в плане теплопередачи (и широко используемые) ТОА на сегодняшний день – конечно же, рекуперативные.

Как рассчитать объем теплообменника

Тепловой и конструктивный расчет

Любой расчет рекуперативного теплообменника можно провести на основе результатов теплового, гидравлического и прочностного вычислений. Они являются основополагающими, обязательны при проектировании нового оборудования и ложатся в основу методики расчета последующих моделей линейки однотипных аппаратов. Главной задачей теплового расчета ТОА является определение необходимой площади теплообменной поверхности для устойчивой работы теплообменника и поддержания необходимых параметров сред на выходе. Довольно часто при таких расчетах инженеры задаются произвольными значениями массогабаритных характеристик будущего оборудования (материал, диаметр труб, размеры пластин, геометрия пучка, тип и материал оребрения и др.), поэтому после теплового обычно проводят конструктивный расчет теплообменника. Ведь если на первой стадии инженер посчитал необходимую площадь поверхности при заданном диаметре трубы, например, 60 мм, и длина теплообменника при этом получилась порядка шестидесяти метров, то логичнее предположить переход к многоходовому теплообменнику, либо к кожухотрубному типу, либо увеличить диаметр трубок.

Как рассчитать объем теплообменника

Гидравлический расчет

Гидравлические или гидромеханические, а также аэродинамические расчеты проводят с целью определить и оптимизировать гидравлические (аэродинамические) потери давления в теплообменнике, а также подсчитать энергетические затраты на их преодоление. Расчет любого тракта, канала или трубы для прохода теплоносителя ставит перед человеком первостепенную задачу — интенсифицировать процесс теплообмена на данном участке. То есть одна среда должна передать, а другая получить как можно больше тепла на минимальном промежутке его течения. Для этого часто применяют дополнительную поверхность теплообмена, в виде развитого оребрения поверхности (для отрыва пограничного ламинарного подслоя и усиления турбулизации потока). Оптимальное балансовое соотношение гидравлических потерь, площади теплообменной поверхности, массогабаритных характеристик и снимаемой тепловой мощности является результатом совокупности теплового, гидравлического и конструктивного расчета ТОА.

Поверочный расчет

Поверочный расчет теплообменника проводят в случае, когда надо заложить запас по мощности либо по площади теплообменной поверхности. Поверхность резервируют по разным причинам и в разных ситуациях: если так требуется по техзаданию, если производитель решает внести дополнительный запас для того, чтобы быть точно уверенным в том, что такой теплообменник выйдет на режим, и минимизировать ошибки, допущенные при расчетах. В каких-то случаях резервирование требуется для округления результатов конструктивных размеров, в других же (испарители, экономайзеры) в расчет мощности теплообменника специально вводят запас по поверхности, на загрязнение компрессорным маслом, присутствующим в холодильном контуре. Да и низкое качество воды необходимо принимать во внимание. Через некоторое время бесперебойной работы теплообменников, особенно при высоких температурах, накипь оседает на теплообменной поверхности аппарата, снижая коэффициент теплопередачи и неминуемо приводя к паразитному снижению теплосъёма. Поэтому грамотный инженер, проводя расчет теплообменника «вода-вода», уделяет особое внимание дополнительному резервированию поверхности теплообмена. Поверочный расчет также проводят для того, чтобы посмотреть, как выбранное оборудование будет работать на иных, вторичных режимах. Например, в центральных кондиционерах (приточных установках) калориферы первого и второго подогрева, использующиеся в холодный период года, нередко задействуют и летом для охлаждения поступающего воздуха, подавая в трубки воздушного теплообменника холодную воду. Как они будут функционировать и какие будут выдавать параметры, позволяет оценить поверочный расчет.

Как рассчитать объем теплообменника

Исследовательские расчеты

Исследовательские расчеты ТОА проводят на основе полученных результатов теплового и поверочного расчетов. Они необходимы, как правило, для внесения последних поправок в конструкцию проектируемого аппарата. Их также проводят с целью корректировки каких-либо уравнений, закладываемых в реализуемой расчетной модели ТОА, полученной эмпирическим путём (по экспериментальным данным). Выполнение исследовательских расчетов предполагает проведение десятков, а иногда и сотен вычислений по специальному плану, разработанному и внедрённому на производстве согласно математической теории планирования экспериментов. По результатам выявляют влияние различных условий и физических величин на показатели эффективности ТОА.

Другие расчеты

Выполняя расчет площади теплообменника, не стоит забывать и о сопротивлении материалов. Прочностные расчеты ТОА включают проверку проектируемого агрегата на напряжение, на кручение, на прикладывание максимально допустимых рабочих моментов к деталям и узлам будущего теплообменника. При минимальных габаритах изделие должно быть прочным, устойчивым и гарантировать безопасную работу в различных, даже самых напряженных условиях эксплуатации.

Динамический расчет проводится с целью определения различных характеристик теплообменного аппарата на переменных режимах его работы.

Как рассчитать объем теплообменника

Типы конструкции теплообменников

Рекуперативные ТОА по конструкции можно разделить на достаточно большое количество групп. Самые известные и широко применяемые – это пластинчатые теплообменники, воздушные (трубчатые оребрённые), кожухотрубные, теплообменники "труба в трубе", кожухо-пластинчатые и другие. Существуют и более экзотические и узкоспециализированные типы, например, спиральные (теплообменник-улитка) или скребковые, которые работают с вязкими или неньютоновскими жидкостями, а также многие другие типы.

Теплообменники «труба в трубе»

Рассмотрим самый простой расчет теплообменника «труба в трубе». Конструктивно данный тип ТОА максимально упрощен. Во внутреннюю трубу аппарата пускают, как правило, горячий теплоноситель, для минимизации потерь, а в кожух, или в наружную трубу, запускают охлаждающий теплоноситель. Задача инженера в этом случае сводится к определению длины такого теплообменника исходя из рассчитанной площади теплообменной поверхности и заданных диаметров.

Как рассчитать объем теплообменника

Здесь стоит добавить, что в термодинамике вводится понятие идеального теплообменника, то есть аппарата бесконечной длины, где теплоносители работают в противотоке, и между ними полностью срабатывается температурный напор. Конструкция «труба в трубе» ближе всего удовлетворяет этим требованиям. И если запустить теплоносители в противотоке, то это будет так называемый «реальный противоток» (а не перекрёстный, как в пластинчатых ТОА). Температурный напор максимально эффективно срабатывается при такой организации движения. Однако выполняя расчет теплообменника «труба в трубе», следует быть реалистами и не забывать о логистической составляющей, а также об удобстве монтажа. Длина еврофуры — 13,5 метров, да и не все технические помещения приспособлены к заносу и монтажу оборудования такой длины.

Кожухотрубные теплообменники

Поэтому очень часто расчет такого аппарата плавно перетекает в расчет кожухотрубного теплообменника. Это аппарат, в котором пучок труб находится в едином корпусе (кожухе), омываемым различными теплоносителями, в зависимости от назначения оборудования. В конденсаторах, например, хладагент запускают в кожух, а воду – в трубки. При таком способе движения сред удобнее и эффективнее контролировать работу аппарата. В испарителях, наоборот, хладагент кипит в трубках, а они при этом омываются охлаждаемой жидкостью (водой, рассолами, гликолями и др.). Поэтому расчет кожухотрубного теплообменника сводится к минимизации габаритов оборудования. Играя при этом диаметром кожуха, диаметром и количеством внутренних труб и длиной аппарата, инженер выходит на расчетное значение площади теплообменной поверхности.

Как рассчитать объем теплообменника

Воздушные теплообменники

Один из самых распространённых на сегодняшний день теплообменных аппаратов – это трубчатые оребрённые теплообменники. Их ещё называют змеевиками. Где их только не устанавливают, начиная от фанкойлов (от англ. fan + coil, т.е. "вентилятор" + "змеевик") во внутренних блоках сплит-систем и заканчивая гигантскими рекуператорами дымовых газов (отбор теплоты от горячего дымового газа и передача его на нужды отопления) в котельных установках на ТЭЦ. Вот почему расчет змеевикового теплообменника зависит от того применения, куда этот теплообменник пойдёт в эксплуатацию. Промышленные воздухоохладители (ВОПы), устанавливаемые в камерах шоковой заморозки мяса, в морозильных камерах низких температур и на других объектах пищевого холодоснабжения, требуют определённых конструктивных особенностей в своём исполнении. Расстояния между ламелями (оребрением) должно быть максимальным, для увеличения времени непрерывной работы между циклами оттайки. Испарители для ЦОДов (центров обработки данных), наоборот, делают как можно более компактными, зажимая межламельные расстояния до минимума. Такие теплообменники работают в «чистых зонах», окруженные фильтрами тонкой очистки (вплоть до класса HEPA), поэтому такой расчет трубчатого теплообменника проводят с упором на минимизацию габаритов.

Пластинчатые теплообменники

В настоящее время стабильным спросом пользуются пластинчатые теплообменники. По своему конструктивному исполнению они бывают полностью разборными и полусварными, меднопаяными и никельпаяными, сварными и спаянными диффузионным методом (без припоя). Тепловой расчет пластинчатого теплообменника достаточно гибок и не представляет особой сложности для инженера. В процессе подбора можно играть типом пластин, глубиной штамповки каналов, типом оребрения, толщиной стали, разными материалами, а самое главное – многочисленными типоразмерными моделями аппаратов разных габаритов. Такие теплообменники бывают низкими и широкими (для парового нагрева воды) или высокими и узкими (разделительные теплообменники для систем кондиционирования). Их часто используют и под среды с фазовым переходом, то есть в качестве конденсаторов, испарителей, пароохладителей, предконденсаторов и т. д. Выполнить тепловой расчет теплообменника, работающего по двухфазной схеме, немного сложнее, чем теплообменника типа «жидкость-жидкость», однако для опытного инженера эта задача разрешима и не представляет особой сложности. Для облегчения таких расчетов современные проектировщики используют инженерные компьютерные базы, где можно найти много нужной информации, в том числе диаграммы состояния любого хладагента в любой развёртке, например, программу CoolPack.

Пример расчета теплообменника

Основной целью проведения расчета является вычисление необходимой площади теплообменной поверхности. Тепловая (холодильная) мощность обычно задается в техзадании, однако в нашем примере мы рассчитаем и её, для, скажем так, проверки самого техзадания. Иногда бывает и так, что в исходные данные может закрасться ошибка. Одна из задач грамотного инженера — эту ошибку найти и исправить. В качестве примера выполним расчет пластинчатого теплообменника типа «жидкость — жидкость». Пусть это будет разделитель контуров (pressure breaker) в высотном здании. Для того чтобы разгрузить оборудование по давлению, при строительстве небоскрёбов очень часто применяется такой подход. С одной стороны теплообменника имеем воду с температурой входа Твх1 = 14 ᵒС и выхода Твых1 = 9 ᵒС, и с расходом G1 = 14 500 кг/ч, а с другой — тоже воду, но только вот с такими параметрами: Твх2 = 8 ᵒС, Твых2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 кг/ч.

Как рассчитать объем теплообменника

Необходимую мощность (Q0) рассчитаем по формуле теплового баланса (см. рис. выше, формула 7.1), где Ср – удельная теплоёмкость (табличное значение). Для простоты расчетов возьмём приведённое значение теплоёмкости Срв = 4,187 [кДж/кг*ᵒС]. Считаем:

Q1 = 14 500 * (14 — 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт – по первой стороне и

Q2 = 18 125 * (12 — 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт – по второй стороне.

Обратите внимание, что, согласно формуле (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от того, по какой стороне проведён расчет.

Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k – коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м 2 ]), а ΔТср.лог. – среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):

ΔТ ср.лог. = (2 — 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м 2 .

В случае когда коэффициент теплопередачи неизвестен, расчет пластинчатого теплообменника немного усложняется. По формуле (7.4) считаем критерий Рейнольдса, где ρ – плотность, [кг/м 3 ], η – динамическая вязкость, [Н*с/м 2 ], v – скорость среды в канале, [м/с], d см – смачиваемый диаметр канала [м].

По таблице ищем необходимое нам значение критерия Прандтля [Pr] и по формуле (7.5) получаем критерий Нуссельта, где n = 0,4 – в условиях нагрева жидкости, и n = 0,3 – в условиях охлаждения жидкости.

Далее по формуле (7.6) вычисляется коэффициент теплоотдачи от каждого теплоносителя к стенке, а по формуле (7.7) считаем коэффициент теплопередачи, который и подставляем в формулу (7.2.1) для вычисления площади теплообменной поверхности.

В указанных формулах λ – коэффициент теплопроводности, ϭ – толщина стенки канала, α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи от каждого из теплоносителей стенке.

Читайте так же:  Защита от ветра на коляску своими руками
Оцените статью