Как рассчитать теплообменник для отопления: Расчет теплообменника пластинчатого – методичка и примеры

Тепловой расчет теплообменника

На главную

Блог

Все о теплообменниках и теплотехническом оборудовании

Рубрики

Мы в соцсетях

Подписка на статьи

Фильтр по статьям

Содержание статьи

• Введение
• Основы теплового расчета теплообменных аппаратов
• Пример расчета
• Выводы

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:

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:

F = Q/ k‧Δt

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

Q = G₁c_p1(t₁^вх-t₁^вых) = G₂c_p2(t₂^вых-t₂^вх), где:

• G₁ и G₂ – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
• c_p1 и c_p2 – 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 (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.

Исходные данные:

• Температура греющего носителя при входе t₁^вх = 14 ºС;
• Температура греющего носителя при выходе t₁^вых = 9 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при входе t₂^вх = 8 ºС;
• Температура нагреваемого носителя при выходе t₂^вых = 12 ºС;
• Расход массы греющего носителя G₁ = 14000 кг/ч;
• Расход массы нагреваемого носителя G₂ = 17500 кг/ч;
• Нормативное значение удельной теплоемкости с
  р =4,2 кДж/кг‧ ºС;
• Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м².

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:

• 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.

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).

Греющая сторона

Среда: Вода

м3/чт/чкПабармвс Гкал/чккал/чкВтМВт

Давление расч., кгс/см2

Введите мощность или один из расходов

 

Температура должна быть от 1 до 200, при этом t1 должна быть больше t4, а t2 должна быть больше t3

 

t1 должна быть больше t2, а t4 должна быть больше t3

 

Разность температур t1 и t4 не должна быть равна разности температур t2 и t3

 

Допустимые потери должны быть в пределах: мвс: от 0 до 10, бар: от 0 до 1, кПа: от 0 до 100

 

Максимальная температура должна быть от 1 до 200

 

Максимальная температура должна быть больше или равна t1

 

Мощность должна быть больше 0

 

Расход должен быть больше 0

 

Нагреваемая сторона

Среда: Вода

м3/чт/чкПабармвс

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.

Поделиться:

Тепловой расчет теплообменника, расчет пластинчатых теплообменников: примеры

Теплообменные аппараты, несмотря на разнообразие конструкций, объединены общим назначением: устройства передают тепло между средами разных температур. Учитывая разновидности рабочей среды и объем ее потока, выбирают теплообменники нужной формы, габаритов и производительности. Основной акцент делается на площадь поверхности. Определить требуемую величину поможет расчет поверхности теплообменника пластинчатого в процессе его производства и эксплуатации.

Расчеты носят конструкторский (проектный) и проверочный характер. В результате конструкторских подсчетов определяют площадь теплообменной поверхности, требуемую для конкретных тепловых потоков. Проверочный расчет пластинчатых теплообменных аппаратов нужен для определения конечных показателей температур рабочей среды для конкретной площади теплообмена. Проектные расчеты находятся в ведении производителей, проверочные — служат для выбора правильного устройства в заданных условиях эксплуатациях. Расчеты взаимообратные (идентичные).

Требуемые данные

Чтобы выполнить расчет теплообменного аппарата, необходимо представить следующие данные:

• входная и выходная температура на обоих контурах. Чем больше разница между ними, тем меньше габариты и цена подходящего теплообменника;
• максимальный уровень давления и температуры рабочей среды. Чем ниже параметры, тем дешевле агрегат;
• показатель массового расхода теплоносителя в обоих контурах. Определяет пропускную способность агрегатов. Чаще указывается расход воды. Если перемножить цифры пропускной способности и плотности, получиться суммарный массовый расход;
• тепловая мощность (нагрузка). Определяет количество тепла, которое отдает агрегат. Расчет тепловой нагрузки теплообменника выполняется по формуле P=m×cp×δt, где m означает расход среды, cp — удельную теплоемкость, а δt — разницу температур на входе и выходе контура.

Чтобы выполнить расчет теплопередачи теплообменника, понадобится учитывать дополнительные характеристики. Вид рабочей среды и показатель ее вязкости определяют материал теплообменника. Понадобятся данные о среднем температурном напоре (высчитывается по формуле) и об уровне загрязненности рабочей среды. Последний параметр учитывают редко, поскольку он требуется только в исключительных случаях.

Расчет мощности теплообменника требует наличия точных сведений об указанных выше параметрах. Информацию можно получить из ТУ или договора от теплоснабжающей организации, а также ТЗ инженера.

Проверка правильности полученного результата

Чтобы выполнить правильный расчет, необходимо учитывать много факторов. Проверить правильность подсчетов можно путем сравнения полученных данных с нормативами, имеющимися условиями и потребностями. Расчет площади теплообменника учитывает:

• в каких условиях планируется эксплуатировать оборудование;
• массу, габариты, объем внутреннего пространства;
• конструктивные особенности (материал изготовления, число и компоновка пластин, тип соединений, габариты рамы, расчетное давление, производительность теплообменника и пр.).

Все перечисленные параметры должны соответствовать условиям предстоящей эксплуатации. Особое внимание уделяется выбору подходящих материалов. Для работы с агрессивной средой недопустимо использование пластин из нержавейки, для простой среды нецелесообразно выбирать пластины из титана. Таблица соответствия материалов и определенной среды поможет разобраться в нюансах.

Специальные формулы

Расчет основывается на уравнении теплопередачи Q = F×k×Δt, где Q означает объем теплового потока (Вт), F — площадь поверхности в м2, k — коэффициент передаваемого тепла, а Δt — разность в показателях температур теплоносителей на входе и выходе из агрегата.

Чтобы вычислить площадь поверхности, используют формулу F=Q/k×Δt. Формула теплопередачи учитывает конструктивные особенности агрегата. Рассмотрев их, можно выделить значения t1 и t2, чтобы рассчитать F. Для вычислений используется формула Q=G₁c_p1(t₁^вх–t₁^вых)=G₂c_p2(t₂^вых–t₂^вх), где G₁и G₂ обозначают расход массы греющего и нагреваемого теплоносителя, cp1 и c_p2 — удельную теплоемкость по нормативам. Обмениваясь энергией, теплоносители меняют температуру, поэтому t₁^вх и t₁^вых, t₂^вх и t₂^вых выводятся в проверочном расчете для сравнения с фактическими температурными показателями. Важно учесть коэффициент теплоотдачи среды и конструктивные особенности теплообменного оборудования. Детальный конструкторский расчет предполагает составление схемы теплообменных агрегатов, включая схему движения теплоносителя.

Стандартные размеры элементов и коэффициенты теплоотдачи учитывают в ГОСТах. Чтобы не ошибиться, можно ознакомиться с примерами расчетов для разных типов теплового оборудования. Простые подсчеты выполняются на онлайн-калькуляторе, куда вносятся соответствующие параметры. Для сложных систем понадобятся опыт и знания, а также потребуется соответствующее программное обеспечение. Избежать ошибок можно, если доверить проведение расчетов специалистам.

Зачем нужны точные подсчеты

Необходимость в расчетах теплообменного оборудования и целесообразность его проведения можно оценить на практических примерах. К примеру, производитель получает заказ на производство теплового аппарата конкретной производительности и с заданной площадью поверхности теплообмена. Конструкторы на заводе избавлены от подсчета размеров агрегата, но должны подобрать материал, который выдаст заданную производительность на указанной рабочей площади. Инженеры проводят тепловой расчет и на основе результатов выбирают материал, разрабатывают решения для изготовления конструкции, сервиса, ремонта и контроля над работой теплообменников.

Больше информации можно получить, связавшись с нашими специалистами.

Оставить заявку

Ваше имя
Телефон

Как рассчитать тепловую нагрузку для теплообменников

Содержание

Давайте сначала определимся с термином «Тепловая нагрузка», чтобы понять, что именно мы рассчитываем. Тепловая нагрузка может быть определена как количество тепла, необходимое для передачи от горячей стороны к холодной за единицу времени.

Расчет очень важен для всех инженеров и является одним из распространенных, которые вам необходимо знать в своей карьере, если вы инженер-технолог. Уравнение для расчета тепловой нагрузки обычно записывается двумя способами.

Тот, который можно использовать для переноса явного тепла, это означает, что жидкость не претерпевает фазового перехода.

Другой может использоваться для передачи скрытой теплоты, это означает, что жидкость претерпевает фазовый переход. то есть конденсируется.

Тепловая нагрузка (Явное тепло – Без фазового перехода)

Q = M * Cp * ∆T 

Где;

Q – тепловая нагрузка или общее количество переданного тепла. Btu/hr или W

M – массовый расход жидкости, подвергающейся изменению температуры. фунт/час или кг/с

Cp – теплоемкость жидкости при изменении температуры. БТЕ/фунт.°F или Дж/кг.°K

∆T – изменение температуры жидкости, обычно рассчитываемое как разница между температурами на выходе и на входе. °F или °C

Я указал две разные единицы измерения для каждой из перечисленных выше переменных, первая в английских/американских единицах, а вторая в единицах СИ. Есть много других вариаций, но вышеперечисленные распространены, и я использую их все время. Самое главное – убедиться, что единицы измерения указаны правильно и соответствуют расчетам.

Тепловая нагрузка (Скрытая теплота – Фазовый переход)

 Q = M *  λ

Где;

Q – тепловая нагрузка или общее количество переданного тепла. БТЕ/час или кВт

M – массовый расход жидкости, подвергающейся изменению температуры. фунт/час или кг/с

λ – скрытая теплота. БТЕ/фунт или кДж/кг

Для горячей стороны это скрытая теплота конденсации пара, изменяющего фазу.

Для холодной стороны это скрытая теплота испарения жидкости, изменяющей фазу.

Уравнение также можно записать в терминах изменения энтальпии, заменив λ на (h3 – h2), относящееся к изменению энтальпий жидкости, подвергающейся изменению температуры, и это также выражается в БТЕ/фунт или кДж/кг

Тепловая нагрузка для многофазных потоков

Если у вас есть поток, в котором существует более одной фазы, вы можете рассчитать тепловую нагрузку, используя приведенное ниже уравнение:

 Q = Qg + Qo + Qw

Где;

Q – общая тепловая нагрузка или общая теплопередача, БТЕ/ч или кВт

Qg – тепловая нагрузка или коэффициент теплопередачи газа, БТЕ/ч или кВт

Qo – тепловая нагрузка или коэффициент теплопередачи нефти, БТЕ/ч или кВт

Qw – тепловая нагрузка или теплопередача воды расход, БТЕ/час или кВт

Ссылки

Вот бесплатный калькулятор тепловой нагрузки, который я построил – вы можете узнать больше о нем в инженерном программном обеспечении webbusterz, используя ссылку ниже: скрытое тепло

Android-приложение – нажмите здесь, чтобы посетить наши приложения Google Play

Как рассчитать эффективность пластинчатого теплообменника?

Пластинчатые теплообменники представляют собой эффективные устройства рекуперации тепла, используемые в различных коммерческих, промышленных и жилых помещениях. Извлекая ощутимую энергию из отработанного воздуха и используя ее для охлаждения или нагрева входящего воздуха, пластинчатый теплообменник может значительно снизить затраты на энергию в здании и воздействие на окружающую среду. Они построены по простому инженерному принципу. Слои алюминиевых или полимерных пластин располагаются в теплообменном сердечнике с зазорами между ними, что позволяет воздуху свободно проходить. Отработанный воздух тщательно направляется между некоторыми слоями. В то же время поступающий воздух направляется в другом направлении между другими слоями. В зависимости от климата отработанный воздух нагревает или охлаждает пластины. Затем эта ощутимая энергия передается поступающему воздуху. Современные пластинчатые теплообменники могут рекуперировать большую часть разумной энергии, поэтому их влияние значительно.

Пластинчатые теплообменники

обладают и другими значительными преимуществами. Поскольку в пластинчатом теплообменнике подача входящего и вытяжного воздуха разделена, отсутствует риск перекрестного загрязнения. Пластинчатые теплообменники Swiss Rotors, например, проходят испытания в соответствии со стандартом EN308, чтобы гарантировать отсутствие утечек. Они также имеют гигиенические сертификаты VDI 6022 и SWKI VA104-01. Поскольку мир борется с пандемией и все больше внимания уделяет обеспечению надежной и чистой вентиляции помещений, нельзя недооценивать влияние устранения перекрестного загрязнения.

Пластинчатые теплообменники

также способны к обратимой рекуперации энергии, что делает их хорошо подходящими для более теплого климата, где основное внимание уделяется охлаждению, а не нагреву поступающего воздуха. Они популярны в жарких регионах, таких как Ближний Восток, где спрос на решения HVAC постоянно высок. Наконец, пластинчатые теплообменники доступны в различных размерах. Это означает, что они подходят для разных зданий, разных ситуаций и разных отраслей.

Почему пластинчатый теплообменник является наиболее эффективной установкой для рекуперации тепла?

Чтобы понять, насколько эффективен пластинчатый теплообменник, мы должны сначала определить, как будет выглядеть «идеальное» решение.
Почему? Потому что эффективность — это сравнение реальной производительности и идеальной производительности. Профессор Ахмад Факери определяет эффективность теплообменника как «отношение тепла, переданного в реальном теплообменнике, к теплу, которое было бы передано в идеальном теплообменнике». Идеальная производительность устанавливается с помощью моделирования и включает ограничения, налагаемые такими факторами, как второй закон термодинамики, который гласит, что все большее количество энергии тратится впустую каждый раз, когда она передается или преобразуется. Путем установления уровней, связанных с «идеальной» или «идеальной» эффективностью теплообменника, который передает максимальное количество тепла и генерирует минимальное количество энтропии, устанавливается эталон, относительно которого можно измерять существующие пластинчатые теплообменники.

С учетом этих факторов, включенных в отраслевые расчеты, пластинчатые теплообменники по-прежнему неизменно считаются наиболее эффективными из всех теплообменников. Как правило, они могут достигать коэффициента полезного действия около 90%. Это выше, чем эффективность, обеспечиваемая котловыми, трубчатыми, спиральными или кожухотрубными теплообменниками. И именно эта эффективность делает пластинчатые теплообменники столь привлекательными для управляющих зданиями, стремящихся снизить свои затраты на электроэнергию и уменьшить воздействие на окружающую среду. Тем не менее, семейство пластинчатых теплообменников по-прежнему имеет ряд характеристик. Старые модели могут иметь более низкую эффективность, в то время как противоточные теплообменники — последняя версия пластинчатых теплообменников — выводят производительность на новый уровень. Эти модели следующего поколения сочетают в себе лучшие производственные практики с наиболее эффективным выбором материалов, упаковки и общих производственных затрат. Противоточные теплообменники удлиняют путь обмена энергией, сохраняя при этом минимально возможный перепад давления. В этом секрет их высокого уровня эффективности.

Наряду с высоким уровнем рекуперации энергии и нулевым перекрестным загрязнением, противоточные теплообменники также имеют двойное соединение пластин (что обеспечивает герметичность), пластины уникальной формы (предназначенные для эффективного распределения воздуха) и сравнительно низкие закупочные цены. .

Противоточные теплообменники Swiss Rotors изготавливаются из алюминиевых или композитных пластин. Размеры варьируются от 19,5 x 10,5 дюймов до 46,5 x 37,5 дюймов. Все модели протестированы в соответствии с EN308 и работают при температуре от -40°F до 158°F (алюминиевые пластины) и от -4°F до 122°F (композитные пластины).

Расчет эффективности пластинчатых теплообменников

Существуют две основные модели, помогающие рассчитать КПД пластинчатого теплообменника. Метод среднелогарифмической разности температур (LMTD) определяет скорость теплопередачи с помощью следующего расчета:

Q = UA(FΔT лм )

В этом уравнении U — общий коэффициент теплопередачи, A — общая площадь теплопередачи, ΔT lm — среднелогарифмическая разность температур, F — среднелогарифмическая температура поправочный коэффициент разницы. Подход LMTD чаще всего используется, когда установлены температуры на входе и выходе, но размер теплообменника еще не определен. В качестве альтернативы подходу LMTD метод тепловой эффективности определяет реальную теплопередачу, происходящую внутри теплообменника, по сравнению с максимально возможной теплопередачей. Он выражается в виде отношения.

E = Q / Qmax  

Этот подход наиболее распространен, когда руководители зданий или инженеры пытаются определить скорость теплопередачи и температуру жидкости на выходе и уже знают размер теплообменника и температуру на входе. Компания Swiss Rotors разработала бесплатный онлайн-инструмент, который поможет вам рассчитать эффективность вашего пластинчатого теплообменника. Просто введите данные о воздухе (объем, расход, температура, относительная влажность) вместе с типом теплообменника, расстоянием между пластинами и измерениями статического давления. Затем инструмент рассчитает уровни эффективности вашего обменника — совершенно бесплатно.

Как выбрать самый эффективный пластинчатый теплообменник

Выбор наиболее эффективного пластинчатого теплообменника зависит от вашего варианта использования и более широкой среды, в которой вы работаете.
Однако нет никаких сомнений в том, что пластинчатый теплообменник является наиболее эффективным типом теплообменника, представленным в настоящее время на рынке, и противоточные теплообменники Swiss Rotors поднимают эту производительность на новый уровень. Наши противоточные теплообменники предлагают дополнительные опции для повышения производительности в соответствии с вашими требованиями. Например, выберите расстояние между ребрами 2 мм, чтобы обеспечить максимально возможную эффективность.
Или выберите расстояние между ребрами 3 мм, чтобы гарантировать минимальную потерю давления. Больницы и лаборатории регулярно выбирают наши противоточные теплообменники просто из-за высокого уровня гигиены. Конструкция теплообменника гарантирует разделение воздушных потоков с помощью либо ультразвуковой сварки, либо двойных кромок и клея-расплава для предотвращения утечек и перекрестного загрязнения.