Жіночі теревеньки - сайт для кожної жінки
11-03-2018, 15:10

Розрахунок теплообмінника: приклад. Розрахунок площі, потужності теплообмінника

Рекламний блок

Розрахунок теплообмінника в даний час займає не більше п'яти хвилин. Будь-яка організація, що виробляє і продає таке обладнання, як правило, надає усім бажаючим свою власну програму підбору. Її можна безкоштовно завантажити з сайту компанії, або їх технічний спеціаліст приїде до вас в офіс і безкоштовно встановить. Однак наскільки коректний результат таких розрахунків, можна йому довіряти і не лукавить виробник, б'ючись у тендері зі своїми конкурентами? Перевірка електронного калькулятора вимагає наявності знань або як мінімум розуміння методики розрахунку сучасних теплообмінників. Спробуємо розібратися в деталях.

Що таке теплообмінник

Перш ніж виконувати розрахунок теплообмінника, давайте пригадаємо, а що ж це за пристрій таке? Тепломассообменный апарат (він же теплообмінник, він же теплообмінний апарат, або ТОА) - це пристрій для передачі тепла від одного теплоносія до іншого. В процесі зміни температур теплоносіїв змінюються також їх щільності і, відповідно, масові показники речовин. Саме тому такі процеси називають тепломассообменными.

расчет теплообменника

Види теплообміну

Тепер поговоримо про види теплообміну - їх всього три. Радіаційний - передача теплоти за рахунок випромінювання. Як приклад, можна згадати ухвалення сонячних ванн на пляжі в теплий літній день. І такі теплообмінники навіть можна зустріти на ринку (лампові нагрівачі повітря). Проте найчастіше для обігріву житлових приміщень, кімнат у квартирі ми купуємо масляні або електричні радіатори. Це приклад іншого типу теплообміну - конвекційного. Конвекція буває природною, вимушеної (витяжка, а в коробі варто рекуператор) або з механічним спонуканням (з вентилятором, наприклад). Останній тип набагато ефективніше.

Проте найефективніший спосіб передачі теплоти - це теплопровідність, або, як її ще називають, кондукція (від англ. conduction - "провідність"). Будь-інженер, що збирається провести тепловий розрахунок теплообмінника, насамперед замислюється про те, щоб вибрати ефективне обладнання в мінімальних габаритах. І досягти цього вдається саме за рахунок теплопровідності. Прикладом тому служать найбільш ефективні на сьогоднішній день ТОА - пластинчасті теплообмінники. Пластинчастий ТОА, згідно з визначенням, - це теплообмінний апарат, що передає теплоту від одного теплоносія до іншого через стінку, що розділяє їх. Максимально можлива площа контакту між двома середовищами в сукупності з правильно підібраними матеріалами, профілем пластин і їх товщиною дозволяє мінімізувати розміри обраного устаткування при збереженні вихідних технічних характеристик, необхідних в технологічному процесі.

Типи теплообмінників

Перш ніж проводити розрахунок теплообмінника, визначаються з його типом. Всі ТОА можна розділити на дві великі групи: рекуперативні і регенеративні теплообмінники. Основна відмінність між ними полягає в наступному: в рекуперативних ТОА теплообмін відбувається через розділяє два теплоносія стінку, а в регенеративних два середовища мають безпосередній контакт між собою, часто змішуючись і вимагаючи подальшого поділу в спеціальних сепараторах. Регенеративні теплообмінники поділяються на змішувальні і на теплообмінники з насадкою (стаціонарної, падаючої або проміжної). Грубо кажучи, відро з гарячою водою, виставлене на мороз, або склянку з гарячим чаєм, поставлений остуджуватися в холодильник (ніколи так не робіть!) - це і є приклад такого змішувального ТОА. А наливаючи чай у блюдце і охолоджуючи його таким чином, ми отримуємо приклад регенеративного теплообмінника з насадкою (блюдце в цьому прикладі грає роль насадки), яка спочатку контактує з навколишнім повітрям і приймає його температуру, а потім відбирає частину теплоти від налитого в нього гарячого чаю, прагнучи привести обидві середовища в режим теплового рівноваги. Однак, як ми вже з'ясували раніше, ефективніше використовувати теплопровідність для передачі теплоти від одного середовища до іншого, тому більш корисні в плані теплопередачі (і широко використовувані) ТОА на сьогоднішній день - звичайно ж, рекуперативні.

расчет рекуперативного теплообменника

Тепловий та конструктивний розрахунок

Будь розрахунок рекуперативного теплообмінника можна провести на основі результатів теплового, гідравлічного та прочностного обчислень. Вони є основоположними, обов'язкові при проектуванні нового обладнання і лягають в основу методики розрахунку наступних моделей лінійки однотипних апаратів. Головним завданням теплового розрахунку ТОА є визначення необхідної площі теплообмінної поверхні для стійкої роботи теплообмінника і підтримання необхідних параметрів середовищ на виході. Досить часто при таких розрахунках інженери задаються довільними значеннями масогабаритних характеристик майбутнього обладнання (матеріал, діаметр труб, розміри пластин, геометрія пучка, тип і матеріал оребрення і ін), тому після теплового зазвичай проводять конструктивний розрахунок теплообмінника. Адже якщо на першій стадії інженер порахував необхідну площу поверхні при заданому діаметрі труби, наприклад, 60 мм, довжина теплообмінника при цьому вийшла близько шістдесяти метрів, то логічніше припустити перехід до многоходовому теплообмінника, або до кожухотрубному типу, або збільшити діаметр трубок.

расчет кожухотрубного теплообменника

Гідравлічний розрахунок

Гідравлічні або гідромеханічні, а також аеродинамічні розрахунки проводять з метою визначити та оптимізувати гідравлічні (аеродинамічні) втрати тиску в теплообміннику, а також підрахувати енергетичні витрати на їх подолання. Розрахунок будь-якого тракту, каналу або труби для проходу теплоносія ставить перед людиною першочергове завдання - інтенсифікувати процес теплообміну на даній ділянці. Тобто одна середовище повинна передати, а інша отримати як можна більше тепла на мінімальному проміжку його перебігу. Для цього часто застосовують додаткову поверхню теплообміну, у вигляді розвиненого оребрення поверхні (для відриву прикордонного ламінарного підшару і посилення турбулізації потоку). Оптимальне балансове співвідношення гідравлічних втрат, площі теплообмінної поверхні, масогабаритних характеристик і знімається теплової потужності є результатом сукупності теплового, гідравлічного та конструктивного розрахунку ТОА.

Перевірочний розрахунок

Перевірочний розрахунок теплообмінника проводять у випадку, коли треба закласти запас по потужності або по площі теплообмінної поверхні. Поверхня резервують з різних причин і в різних ситуаціях: якщо так потрібно за техзаданию, якщо виробник вирішує внести додатковий запас для того, щоб бути точно впевненим в тому, що такий теплообмінник вийде на режим, і мінімізувати помилки, допущені при розрахунках. В якихось випадках резервування потрібно для округлення результатів конструктивних розмірів, в інших же (випарники, економайзери) в розрахунок потужності теплообмінника спеціально вводять запас по поверхні, на забруднення компресорним маслом, присутніх в холодильному контурі. Та й низька якість води необхідно приймати до уваги. Через деякий час безперебійної роботи теплообмінників, особливо при високих температурах, накип осідає на теплообмінної поверхні апарату, знижуючи коефіцієнт теплопередачі і неминуче приводячи до паразитного зниження тепловіддачі. Тому грамотний інженер, проводячи розрахунок теплообмінника «вода-вода», приділяє особливу увагу додаткового резервування поверхні теплообміну. Перевірочний розрахунок проводять для того, щоб подивитися, як вибране обладнання буде працювати на інших, вторинних режимах. Наприклад, у центральних кондиціонерах (припливних установках) калорифери першого і другого підігріву, що використовуються в холодний період року, нерідко задіють і влітку для охолодження повітря, що поступає, подаючи в трубки повітряного теплообмінника холодну воду. Як вони будуть функціонувати і які будуть видавати параметри, дозволяє оцінити перевірочний розрахунок.

тепловой расчет пластинчатого теплообменника

Дослідні розрахунки

Дослідні розрахунки ТОА проводять на основі отриманих результатів теплового і перевірочного розрахунків. Вони необхідні, як правило, для внесення останніх змін у конструкцію проектованого апарату. Їх також проводять з метою коригування будь-яких рівнянь, що закладаються в реалізованої розрахункової моделі ТОА, отриманим емпіричним шляхом (за експериментальними даними). Виконання дослідницьких розрахунків передбачає проведення десятків, а іноді й сотень обчислень за спеціальним планом, розробленим та впровадженому на виробництві згідно математичної теорії планування експериментів. За результатами виявляють вплив різних умов і фізичних величин на показники ефективності ТОА.

Інші розрахунки

Виконуючи розрахунок площі теплообмінника, не варто забувати і про опір матеріалів. Міцнісні розрахунки ТОА включають перевірку проектованого агрегату на напруга на крутіння, на прикладання максимально допустимих робочих моментів до деталей і вузлів майбутнього теплообмінника. При мінімальних габаритах виріб повинен бути міцним, стійким і гарантувати безпечну роботу в різних, навіть самих напружених умовах експлуатації.

Динамічний розрахунок проводиться з метою визначення різноманітних характеристик теплообмінного апарату на змінних режимах його роботи.

конструктивный расчет теплообменника

Типи конструкції теплообмінників

Рекуперативні ТОА по конструкції можна розділити на досить велику кількість груп. Найбільш відомі і широко застосовуються - це пластинчасті теплообмінники, повітряні (трубчасті оребрені), кожухотрубні, теплообмінники "труба в трубі", кожухо-пластинчасті та інші. Існують і більш екзотичні і вузькоспеціалізовані типи, наприклад, спіральні (теплообмінник-равлик) або скребкові, які працюють з в'язкими або неньютоновскими рідинами, а також багато інших типів.

Теплообмінники «труба в трубі»

Розглянемо найпростіший розрахунок теплообмінника «труба в трубі». Конструктивно даний тип ТОА максимально спрощений. У внутрішню трубу апарату пускають, як правило, гарячий теплоносій, для мінімізації втрат, а в кожух, або в зовнішню трубу, запускають охолоджуючий теплоносій. Завдання інженера в цьому випадку зводиться до визначення довжини такого теплообмінника виходячи з розрахованої площі теплообмінної поверхні і заданих діаметрів.

расчет пластинчатого теплообменника

Тут варто додати, що в термодинаміці вводиться поняття ідеального теплообмінника, тобто апарату нескінченної довжини, де теплоносії працюють в протитоку, і між ними повністю спрацьовує температурний напір. Конструкція «труба в трубі» ближче всього задовольняє цим вимогам. І якщо запустити теплоносії в протитоку, то це буде так званий «реальний протитечія» (а не перехресний, як у пластинчастих ТОА). Температурний напір максимально ефективно спрацьовує при такій організації руху. Однак виконуючи розрахунок теплообмінника «труба в трубі», слід бути реалістами і не забувати про логістичної складової, а також про зручність монтажу. Довжина єврофури - 13,5 метрів, та й не всі технічні приміщення пристосовані до заносу і монтажу устаткування такої довжини.

Кожухотрубні теплообмінники

Тому дуже часто розрахунок такої апарату плавно перетікає в розрахунку кожухотрубного теплообмінника. Це апарат, в якому пучок труб знаходиться в єдиному корпусі (кожусі), омиваним різними теплоносіями, залежно від призначення обладнання. У конденсаторах, наприклад, холодоагент запускають в кожух, а воду в трубки. При такому способі руху середовищ зручніше і ефективніше контролювати роботу апарату. У випарниках, навпаки, холодоагент кипить в трубках, а вони при цьому омиваються охолоджувальної рідиною (водою, розсолами, гликолями та ін). Тому розрахунок кожухотрубного теплообмінника зводиться до мінімізації габаритів обладнання. Граючи при цьому діаметром кожуха, діаметром і кількістю внутрішніх труб і завдовжки апарату, інженер виходить на розрахункове значення площі теплообмінної поверхні.

тепловой расчет теплообменника

Повітряні теплообмінники

Один з найпоширеніших на сьогоднішній день теплообмінних апаратів - це трубчасті оребрені теплообмінники. Їх ще називають змійовиками. Де їх тільки не встановлюють, починаючи від фанкойлів (від англ. fan coil, тобто "вентилятор" "змійовик") у внутрішніх блоків спліт-систем і закінчуючи гігантськими рекуператорами димових газів (відбір теплоти від гарячого димового газу і передача його на потреби опалення) в котельних установках на ТЕЦ. Ось чому розрахунок змієвидного теплообмінника залежить від того застосування, куди цей теплообмінник піде в експлуатацію. Промислові охолоджувачі повітря (Вопи), що встановлюються в камерах шокової заморозки м'яса, в морозильних камерах низьких температур і на інших об'єктах харчового холодопостачання, вимагають певних конструктивних особливостей у своєму виконанні. Відстані між ламелями (ребрами) має бути максимальним, для збільшення часу безперервної роботи між циклами відтаювання. Випарники для Цод (центрів обробки даних), навпаки, роблять якомога більш компактними, затискаючи межламельные відстані до мінімуму. Такі теплообмінники працюють в «чистих зонах», оточені фільтрами тонкого очищення (аж до класу HEPA), тому такий розрахунок трубчастого теплообмінника проводять з упором на мінімізацію габаритів.

Пластинчасті теплообмінники

В даний час стабільним попитом користуються пластинчасті теплообмінники. За своїм конструктивним виконанням вони бувають повністю розбірними і полусварными, меднопаяными і никельпаяными, зварними і спаяними дифузійним методом (без припою). Тепловий розрахунок пластинчастого теплообмінника досить гнучкий і не представляє особливої складності для інженера. В процесі підбору можна грати типом пластин, глибиною штампування каналів, типом оребрення, товщиною сталі, різними матеріалами, а найголовніше - численними типорозмірними моделями апаратів різних габаритів. Такі теплообмінники бувають низькими і широкими (для парового нагріву води) або високими і вузькими (роздільні теплообмінники для систем кондиціонування). Їх часто використовують і під середовища з фазовим переходом, тобто в якості конденсаторів, випарників, пароохладителей, предконденсаторов і т. д. Виконати тепловий розрахунок теплообмінника, що працює за двофазною схемою, трохи складніше, ніж теплообмінника типу «рідина-рідина», однак для досвідченого інженера ця задача розв'язана і не представляє особливої складності. Для полегшення таких розрахунків сучасні проектувальники використовують інженерні комп'ютерні бази, де можна знайти багато потрібної інформації, у тому числі діаграми стану будь-якого холодоагенту в будь розгортці, наприклад, програму CoolPack.

Приклад розрахунку теплообмінника

Основною метою проведення розрахунку є обчислення необхідної площі теплообмінної поверхні. Теплова (холодильна) потужність зазвичай задається в техзавданні, однак у нашому прикладі ми розрахуємо і її, для, скажімо так, перевірки самого техзавдання. Іноді буває й так, що вихідні дані може закрастися помилка. Одне із завдань грамотного інженера - цю помилку знайти і виправити. В якості прикладу виконаємо розрахунок пластинчастого теплообмінника типу «рідина - рідина». Нехай це буде роздільник контурів (pressure breaker) у висотній будівлі. Для того щоб розвантажити обладнання по тиску, при будівництві хмарочосів дуже часто застосовується такий підхід. З одного боку теплообмінника маємо воду з температурою входу Твх1 = 14 ?З і виходу Твых1 = 9 ?З, і з витратою G1 = 14 500 кг/год, а з іншого - теж воду, але тільки от з такими параметрами: Твх2 = 8 ?З, Твых2 = 12 ?З, G2 = 18 125 кг/год.

конструктивный расчет теплообменника

Необхідну потужність (Q0) розрахуємо за формулою теплового балансу (див. рис. вище, формула 7.1), де Ср - питома теплоємність (табличне значення). Для простоти розрахунків візьмемо наведене значення теплоємності Срв = 4,187 [кДж/кг*?З]. Вважаємо:

Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/год] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по першій стороні і

Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/год] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по другій стороні.

Зверніть увагу, що, згідно з формулою (7.1), Q0 = Q1 = Q2, незалежно від того, на якій стороні проведено розрахунок.

Далі по основному рівнянню теплопередачі (7.2) знаходимо необхідну площу поверхні (7.2.1), де k - коефіцієнт теплопередачі (приймаємо рівним 6350 [Вт/м2]), а ДТср.лог. - среднелогарифмический температурний напір, рахований за формулою (7.3):

ДТ пор. лог. = (2 - 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;

F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м2.

У разі коли коефіцієнт теплопередачі невідомий, розрахунок пластинчастого теплообмінника трохи ускладнюється. За формулою (7.4) вважаємо критерій Рейнольдса, де - щільність, [кг/м3], - динамічна в'язкість, [Н*с/м2], v - швидкість середовища в каналі, [м/с], d см - смачиваемый діаметр каналу [м].

По таблиці шукаємо потрібне нам значення критерію Прандтля [Pr] і за формулою (7.5) отримуємо критерій Нуссельта, де n = 0,4 - в умовах нагрівання рідини, і n = 0,3 - в умовах охолодження рідини.

Далі за формулою (7.6) обчислюється коефіцієнт тепловіддачі від кожного теплоносія до стінки, а за формулою (7.7) вважаємо коефіцієнт теплопередачі, який і підставляємо в формулу (7.2.1) для обчислення площі теплообмінної поверхні.

У зазначених формулах - коефіцієнт теплопровідності, ? - товщина стінки каналу, 1 і 2 - коефіцієнти тепловіддачі від кожного з теплоносіїв стінці.

Рекламний блок

Обов'язково для перегляду