Специалисты компании «Теплообмен» на основании предоставленных индивидуальных данных производят быстрый расчет теплообменников по заявкам клиентов.

Метод расчета теплообменника

Чтобы решить задачу теплообмена, необходимо знать значение нескольких параметров. Зная их, можно определить другие данные. Самыми важными представляются шесть параметров:

• Количество тепла, которое должно быть передано (тепловая нагрузка или мощность).
• Температура на входе и выходе на стороне первого и второго контура теплообменника.
• Максимально допустимые потери напора на стороне и первого, и второго контура.
• Максимальная рабочая температура.
• Максимальное рабочее давление.
• Расход среды на стороне первого и второго контура.

Если расход среды, удельная теплоемкость и разность температур на одной стороне контура известны, можно рассчитать величину тепловой нагрузки.

Температурная программа

Этот термин означает характер изменения температуры среды обоих контуров между ее значениями на входе в теплообменник и выходе из него.

T1 = Температура на входе – горячая сторона

T2 = Температура на выходе – горячая сторона

T3 = Температура на входе – холодная сторона

T4 = Температура на выходе – холодная сторона

Средний логарифмический температурный напор

Средний логарифмический температурный напор (LMTD) является эффективной движущей силой теплообмена.

Если не учитывать потери тепла в окружающее пространство, которыми можно пренебречь, правомерно утверждать, что количество тепла, отданное одной стороной пластинчатого теплообменника (тепловая нагрузка) равно количеству тепла, полученному другой его стороной.

Тепловая нагрузка (P) выражается в кВт или в ккал/ч.

P = m x c p x δt,

m = Массовый расход, кг/с

c p = Удельная теплоемкость, кДж/(кг x °C)

δt = Разность температур на входе и выходе одной стороны, °C

Термическая длина

Термическая длина канала или тета-параметр (Θ) является безразмерной величиной, которая характеризует соотношение между разностью температур δt на одной стороне теплообменника и его LMTD.

Плотность

Плотностью (ρ) является масса единицы объема среды и выражается в кг/м 3 или г/дм 3 .

Расход

Этот параметр может выражаться с использованием двух различных терминов: массы или объема. Если имеется в виду массовый расход, тогда он выражается в кг/с или в кг/ч, если объемный расход, то используются такие единицы, как м 3 /ч или л/мин. Чтобы перевести объемный расход в массовый, нужно величину объемного расхода умножить на плотность среды. Выбор теплообменника для выполнения конкретной задачи обычно определяет требуемая величина расхода среды.

Потери напора

Размер пластинчатого теплообменника непосредственно зависит от величины потери напора (∆p). Если есть возможность увеличить допустимые потери напора, то можно будет использовать более компактный и, следовательно, менее дорогой теплообменник. За ориентир для пластинчатых теплообменников для рабочих жидкостей вода/вода можно считать допустимой потери напора в диапазоне от 20 до 100 кПа.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость (с p) представляет собой количество энергии, которое необходимо для повышения температуры 1 кг какого-либо вещества на 1 °C при данной температуре. Так, удельная теплоемкость воды при температуре 20 °C равна 4,182 кДж/(кг х °C) или 1,0 ккал/(кг х °C).

Вязкость

Вязкость является мерой текучести жидкости. Чем ниже вязкость, тем выше текучесть жидкости. Вязкость выражается в сантипуазах (сП) или в сантистоксах (сСт).

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи теплообменника является важнейшим параметром, от которого зависит сфера применения устройства, а также его эффективность. На данную величину влияет скорость движения рабочих сред, а также особенности конструкции агрегата.

Коэффициент теплопередачи теплообменника представляет собой совокупность следующих величин:

• теплоотдача от греющей среды к стенкам;
• теплопередача от стенок к нагреваемой среде;
• теплопередача водонагревателя.

Коэффициент теплопередачи теплообменника рассчитывается по определенным формулам, состав которых также зависит от вида теплообменного агрегата, его габаритов, а также от характеристик веществ, с которыми работает система. Кроме того, необходимо учитывать внешние условия эксплуатации аппаратуры – влажность, температуру и т.д.

Коэффициент теплопередачи (k) является мерой сопротивления тепловому потоку, вызываемого такими факторами, как материал пластин, количество отложений на ее поверхности, свойства жидкостей и тип используемого теплообменника. Коэффициент теплопередачи выражается в Вт/(м 2 x °C) или в ккал/(ч x м 2 x °C).

Выбор теплообменника

Каждый параметр в этих формулах может повлиять на выбор теплообменника. Выбор материалов же обычно не влияет на эффективность теплообменника, от них зависит только его прочность и стойкость к коррозии.

Применяя пластинчатый теплообменник , мы получаем преимущества в виде небольших разностей температур и малой толщины пластин, которая обычно равна от 0,3 до 0,6 мм.

Коэффициенты теплоотдачи (α1 и α2) и коэффициент загрязнения (Rf), как правило, очень малы, что объясняется высокой степенью турбулентности течения среды в обоих контурах теплообменника. Этим же обстоятельством можно объяснить и высокое значение расчетного коэффициента теплопередачи (k), которое при благоприятных условиях может достигать величины 8 000 Вт/(м 2 х °C).

В случае применения обычных кожухотрубных теплообменников величина коэффициента теплопередачи (k) не превысит значение 2 500 Вт/(м 2 х °C).

Важными факторами минимизации стоимости теплообменника являются два параметра:

1. Потери напора. Чем выше допустимая величина потерь напора, тем меньше размеры теплообменника.

2. LMTD. Чем выше разность температур жидкостей в первом и втором контуре, тем меньше размеры теплообменника.

Ограничения по давлению и температуре

Стоимость пластинчатого теплообменника зависит от максимально допустимых значений давления и температуры. Основное правило можно сформулировать следующим образом: чем ниже максимально допустимые значения рабочих температуры и давления, тем меньше стоимость теплообменника.

Загрязнение и коэффициенты

Допустимое загрязнение может быть учтено в вычислении через расчетный запас (M), то есть, за счет дополнительного процента поверхности теплообмена или введения коэффициента загрязнения (Rf), выражаемого в таких единицах, как (м 2 х °C)/Вт или (м 2 х ч х °C)/ккал.

Коэффициент загрязнения при расчете пластинчатого теплообменника должен браться значительно меньшим, чем при расчете кожухотрубного теплообменника. Для этого есть две причины.

Более высокая турбулентность потока (k) означает меньший коэффициент загрязнения.

Конструкция пластинчатых теплообменников обеспечивает гораздо более высокую степень турбулентности и, следовательно, более высокий тепловой коэффициент полезного действия (кпд), чем это имеет место в традиционных кожухотрубных теплообменниках. Обычно коэффициент теплопередачи (k) пластинчатого теплообменника (вода/вода) может составлять от 6 000 до 7 500 Вт/(м 2 х °C), в то время как традиционные кожухотрубные теплообменники при одинаковом применении обеспечивают коэффициент теплопередачи порядка лишь 2 000–2 500 Вт/(м 2 х °C). Типичное значение Rf, обычно используемое в расчетах кожухотрубных теплообменников, равно 1 х 10-4 (м 2 х °C)/Вт. В этом случае использование значения k от 2 000 до 2 500 Вт/(м 2 х °C) дает расчетный запас (M = kc х Rf) порядка 20–25 %. Чтобы получить такое же значение асчетного запаса (M) в пластинчатом теплообменнике с коэффициентом теплопередачи порядка 6 000–7 500 Вт/(м 2 х °C), надо взять коэффициент загрязнения, равный всего лишь 0,33 х 10-4 (м 2 х °C)/Вт.

Различие в добавлении расчетного запаса

При расчете кожухотрубных теплообменников расчетный запас добавляется путем увеличения длины труб при сохранении расхода среды через каждую трубу. При расчете пластинчатого теплообменника такой же расчетный запас обеспечивается за счет добавления параллельных каналов или посредством уменьшения расхода в каждом канале. Это приводит к снижению степени турбулентности течения среды, уменьшению эффективности теплообмена и увеличению опасности загрязнения каналов теплообменника. Использование слишком большого коэффициента загрязнения может привести к повышенной интенсивности образования отложений.Для пластинчатого теплообменника, работающего в режиме вода/вода, значение расчетного запаса от 0 до 15 % (в зависимости от качества воды) можно считать вполне достаточным.

Общие принципы устройства схем теплоснабжения

Система теплоснабжения представляет собой систему транспортировки тепловой энергии (в виде нагретой воды или пара) от источника тепловой энергии к ее потребителю.

Система теплоснабжения в основном состоит из трех частей: источник тепла, потребитель тепла, тепловая сеть - служащая для транспортировки тепла от источника к потребителю.

1. Паровой котел на ТЭЦ или котельной.
2. Сетевой теплообменник.
3. Циркуляционный насос.
4. Теплообменник системы горячего водоснабжения.
5. Теплообменник системы отопления.

Роль элементов схемы:

• котельный агрегат - источник тепла, передача теплоты сгорания топлива к теплоносителю;
• насосное оборудование - создание циркуляции теплоносителя;
• подающий трубопровод - подача нагретого теплоносителя от источника к потребителю;
• обратный трубопровод - возврат охлажденного теплоносителя на источник от потребителя;
• теплообменное оборудование - преобразование тепловой энергии.

Температурные графики

В нашей стране принято качественное регулирование отпуска теплоты потребителям. Т. е. не изменяя расход теплоносителя через теплопотребляющую систему, изменяется разность температур на входе и на выходе системы.

Это достигается изменением температуры в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха. Чем ниже температура наружного воздуха, тем выше температура в подающем трубопроводе. Соответственно температура обратного трубопровода также изменяется по этой зависимости. И все системы потребляющие тепло проектируются с учетом этих требований.

Графики зависимости температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе называются температурным графиком системы теплоснабжения.

Температурный график устанавливается источником теплоснабжения в зависимости от его мощности, требований тепловых сетей, требований потребителей. Температурные графики называются по максимальным температурам в подающем и обратном трубопроводах: 150/70, 95/70 …

Срезка графика в верхней части - когда у котельной не хватает мощности.

Срезка графика в нижней части - для обеспечения работоспособности систем ГВС.

Работа систем отопления идет в основном по графику 95/70 для обеспечения средней температуры в отопительном приборе 82,5°С при -30° С.

Если требуемую температуру в подающем трубопроводе обеспечивает источник тепла, то требуемую температуру в обратном трубопроводе обеспечивает потребитель тепла своей теплопотребляющей системой. Если происходит завышение температуры обратной воды от потребителя, то это означает неудовлетворительную работу его системы и влечет за собой штрафы т. к. приводит к ухудшению работы источника тепла. При этом снижается его КПД. Поэтому существуют специальные контролирующие организации, которые отслеживают, чтобы теплопотребляющие системы потребителей выдавали температуру обратной воды по температурному графику или ниже. Однако в некоторых случаях подобное завышение допускается, напр. при установке отопительных теплообменников.

График 150/70 позволят передавать тепло от источника тепла с меньшими расходами теплоносителя, однако в домовые системы отопления нельзя подавать теплоноситель с температурой выше 105°С. Поэтому производят понижение графика, например на 95/70. Понижение производится установкой теплообменника либо подмесом обратной воды в подающий трубопровод.

Гидравлика тепловых сетей

Циркуляция воды в системах теплоснабжения производится сетевыми насосами на котельных и тепловых пунктах. Так как протяженность трасс достаточно велика то разность давления в подающем и обратном трубопроводах, которую создает насос, уменьшается с удалением от насоса.

Из рисунка видно, что для наиболее удаленного потребителя самый малый располагаемый перепад давления. Т. е. для нормальной работы его теплопотребляющих систем необходимо чтобы они имели самое малое гидравлическое сопротивление для обеспечения требуемого расхода воды через них.

Расчет пластинчатых теплообменников для систем отопления

Приготовление отопительной воды может происходить путем нагрева в теплообменнике.

При расчете пластинчатого теплообменника для получения отопительной воды , исходные данные берутся для самого холодного периода, т. е. когда необходимы самые высокие температуры и соответственно самое большое теплопотребление. Это наихудший режим для теплообменника, рассчитанного на отопление.

Особенностью расчета теплообменника для системы отопления является завышенная температура обратной воды по греющей стороне. Это допускается специально т. к. любой поверхностный теплообменник принципиально не может охладить обратную воду до температуры графика, если по нагреваемой стороне на вход в теплообменник поступает вода с температурой графика. Обычно допускается разница 5-15°С.

Расчет пластинчатых теплообменников для систем ГВС

При расчете пластинчатых теплообменников для систем горячего водоснабжения исходные данные берутся для переходного периода, т. е. когда температура подающего теплоносителя низка (обычно 70°С), холодная вода имеет самую низкую температуру (2-5°С) и при этом еще работает система отопления - это май-сентябрь месяцы. Это наихудший режим для теплообменника ГВС.

Расчетная нагрузка для систем ГВС определяется исходя из наличия на объекте, где устанавливаются теплообменники аккумуляторных баков.

При отсутствии баков расчет пластинчатых теплообменников производится на максимальную нагрузку. Т. е. теплообменники должны обеспечивать нагрев воды и при максимальном водоразборе.

При наличии аккумуляторных баков пластинчатые теплообменники рассчитываются на среднечасовую нагрузку. Аккумуляторные баки пополняются постоянно и компенсируют пиковый водоразбор. Теплообменники должны обеспечивать только подпитку баков.

Соотношение максимальной и среднечасовой нагрузок достигает в некоторых случаях 4-5 раз.

Обращаем Ваше внимание, что расчет пластинчатых теплообменников удобно производить в собственной

Cтраница 1

Запас поверхности теплообмена не должен превышать 20 / всей площади. Чрезмерный запас теплопередающей поверхност приводит к пульсирующей подаче парожидкостной смеси из рибой лера в колонну, что иногда является причиной резкого снижени коэффициента полезного действия колонны.  

Для создания запаса поверхности теплообмена длина может быть увеличена. Кроме того, должно быть учтено увеличение длины за счет наличия на концах блока распределителей потока.  

Расчет по этой формуле дает запас поверхности теплообмена. При хорошем газораспределительном устройстве он может быть излишним.  

Расчет по этой формуле дает запас поверхности теплообмена. При хорошем газораспределительном устройстве ои может быть излишним.  

Число звеньев принимаем i 7, при этом будет некоторый запас поверхности теплообмена.  

Принимаем число звеньев г 7; при этом будет некоторый запас поверхности теплообмена.  

При больших скоростях движения пара (ип10 м [ сек, точнее рд 30 если пар движется сверху вниз - теплоотдача увеличивается и расчет по формулам (VII-116) - (VII-120) дает запас поверхности теплообмена.  

В кипятильниках с малым запасом поверхности теплообмена могут возникнуть дополнительные циркуляционные потоки, для предотвращения которых следует установить ограничители между колонной и входом кипятильника.  

Ввиду того что рассчитывается реверсивный теплообменник, проходы высокого и низкого давления должны быть симметричными. Необходимо предусмотреть 20 % запас поверхности теплообмена.  

Недостаток запаса поверхности теплообмена также приводит к нарушению нормальных условий функционирования объекта. Так, конденсатор с малым запасом поверхности теплообмена характеризуется неравномерным распределением потоков и повышенным давлением инертного газа.  

Тепловой расчет аппаратов воздушного охлаждения газа выполняют по Методике теплового и аэродинамического расчета аппаратов воздушного охлаждения института ВНИИнефтемаш. В тепловом расчете принимают 10 % - ный запас поверхности теплообмена, учитывающий возможность выхода из строя отдельных вентиляторов и загрязнения поверхностей теплообмена в процессе эксплуатации.  

Перед расчетом выявляют исходные технологические данные работы колонны синтеза в конце кампании и конструктивные данные теплообменника. Далее из теплового баланса определяют разность температур на концах теплообменника и количество передаваемого тепла. Затем рассчитывают коэффициенты теплопередачи и, наконец, вычисляют необходимую длину трубок (количество их принимают, исходя из конструктивных данных) и определяют запас поверхности теплообмена. Этот запас должен быть не менее 25 % в конце кампании или не ниже 50 % в ее средней стадии.  

Недостатки проектирования ТА связаны со слишком большим или слишком малым запасом на размер поверхности теплообмена. Избыток поверхности теплообмена может привести к нарушенияем нормального функционирования аппарата. В кипятильниках запас поверхности теплообмена устраняют уменьшением разности температур, составляющей движущую силу процесса.  

Страницы:      1

Размещено 23.10.2013

Данные рекомендации по подбору пластинчатых теплообменников направлены в помощь проектировщику для правильного выбора теплообменного аппарата по ключевым критериям, таким как гидравлическое сопротивление, площадь теплообмена, температурный режим и конструктивные особенности.

Для подбора и моделирования работы пластинчатых теплообменников Данфосс служит программа Hexact. Предназначена она для паяных пластинчатых теплообменников типов XB и разборных пластинчатых теплообменников типов XG. Для подбора теплообменника вводят такие исходные данные, как:

Мощность теплообменника – тепловую мощность, которую необходимо передать от греющего теплоносителя (с большей температурой) к нагреваемому теплоносителю;

Температурный режим – начальные температуры греющего и нагреваемого теплоносителей, а также желаемые конечные температуры теплоносителей (температуры теплоносителей на выходе из теплообменника);

Тип теплоносителя;

Запас поверхности нагрева;

Максимально допустимое гидравлическое сопротивление ходов теплообменника.

Из выше перечисленных данных первые три не вызывают затруднений. Но такие параметры, как запас поверхности и гидравлическое сопротивление, которые на первый взгляд могут показаться не существенными, вносят значительные сложности при подборе теплообменника. Эти параметры должен задать проектировщик, который может не являться специалистом в области теплообменных аппаратов. Рассмотрим эти параметры подробнее.

Максимально допустимое гидравлическое сопротивление

При подборе теплообменника необходимо не только задаваться целью обеспечения теплопередачи, но и рассматривать систему в целом, оценивая влияние теплообменника на гидравлический режим системы. Если задаться большим значением гидравлического сопротивления – существенно увеличится общее сопротивление системы, что приведёт к необходимости применения циркуляционных насосов с неоправданно завышенной мощностью. Особенно это важно, если насосы находятся в составе индивидуального теплового пункта жилого дома. Более мощные насосы создают больший уровень шума, вибрации, что может привести к последующим жалобам жильцов. К тому же, с большой вероятностью, насосы будут работать в неоптимальном режиме, когда нужно обеспечить большой напор с малым расходом. Такой режим работы приводит к снижению КПД и ресурса насосов, что в свою очередь увеличивает эксплуатационные расходы.

С другой стороны – высокое гидравлическое сопротивление пластинчатых теплообменников указывает на высокую скорость теплоносителя в каналах теплообменника; если это чистые теплообменники – без накипи и отложений. Это положительно сказывается на коэффициенте теплопередачи, вследствие чего требуется меньшая поверхность теплопередачи, что снижает стоимость теплообменника.

Задача правильного выбора гидравлического сопротивления сводится к нахождению оптимума между стоимостью теплообменника и его влиянием на общее сопротивление системы.

Специалисты компании «Данфосс ТОВ» рекомендуют для пластинчатых теплообменников задавать максимальное гидравлическое сопротивление 2 м вод. ст. (20 кПа) для систем отопления и горячего водоснабжения, и 4 м вод. ст (40 кПа) для систем охлаждения.

Запас поверхности нагрева

Основная задача дополнительной поверхности теплообмена состоит в обеспечении расчётной мощности теплообмена при снижении коэффициента теплопередачи вследствие загрязнения поверхностей теплообмена. Наиболее подвержены загрязнению и образованию накипи теплообменники систем горячего водоснабжения, в которых происходит нагрев водопроводной воды с, как правило, высоким содержанием солей. Поэтому теплообменники систем горячего водоснабжения нуждаются в большем запасе поверхности нагрева, чем теплообменники систем теплоснабжения, охлаждения, в которых в качестве теплоносителя применяют подготовленную воду.