Расчет пластинчатого теплообменника по нагрузке здания. Подбор теплообменного оборудования
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 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.
Виды теплообмена
Теперь поговорим о - 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 - 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. 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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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 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.
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 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.
Произвести тепловой расчёт горизонтального секционного кожухотрубного водоводяного подогревателя, определить:
Тепловую мощность подогревателя;
Температуру греющей воды на выходе из подогревателя;
Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к внутренней поверхности трубки;
коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности трубки к нагреваемой воде;
коэффициент теплопередачи от греющей воды к нагреваемой воде через разделяющую их поверхность латунных трубок;
среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями;
поверхность нагрева теплообменного аппарата;
Исходные данные: Горячий теплоноситель, протекает по латунным трубкам с наружным диаметром d 2 = 16 мм, толщина стенки трубки 1 мм.
Расход греющей воды G 1 = 15500 кг/час, температура греющей воды на входе в ТА t 1 = 80°С, расход нагреваемой воды G 2 = 18000 кг/час, температура нагреваемой воды на входе в ТА t 2 = 5°С, температура нагреваемой воды на выходе из ТА t 2 ´´=60°С, коэффициент теплопроводности материала стенок трубок l = 104,5 Вт/м°С, расчётная длина секции l = 4 м, внутренний диаметр корпуса секции D = 106 мм, число трубок в секции n = 19, d 2 /d 1 = 16/14 мм. При расчете потерями теплоты с внешней поверхности корпуса теплообменника пренебречь.
Тепловая мощность подогревателя определяется из уравнения теплового баланса для нагреваемого теплоносителя:
Q =G 2 C р2 (t 2 ¢¢ – t 2 ¢).
Здесь С р 2 =4,174 кДж/кг°С, теплоемкость нагреваемой воды, определяется при °С, из таблиц С.Л. Ривкин, А. А. Александрова «Термодинамические свойства воды и водяного пара»
кВт
Температура греющей воды на выходе из ТА t ¢¢ 1 определяется из уравнения теплового баланса для греющей воды:
,
°С,
здесь
С
р
1 =4,174
кДж/кг°С
определяется при средней температуре
греющей воды
~50°С
Определение коэффициента теплоотдачи a 1 от греющей воды к внутренней поверхности трубок.
Теплофизические характеристики горячей воды определим при средней температуре методом последовательных приближений .
°С,
плотность
горячей воды
кг/м 3 ;
коэффициент
кинематической вязкости
м 2 /с;
коэффициент
теплопроводности воды
Вт/м°С;
критерий
Прандтля горячей воды при t 1 ,
.
Скорость движения греющей воды внутри латунных трубок
Число Рейнольдса
.
Если
,
то режим движения жидкости турбулентный
Для турбулентного режима движения теплоносителей справедливо следующее критериальное уравнение
здесь
– число
Нуссельта горячей воды,
– число
Прандтля воды при средней температуре
стенки t
ст
:
(найден из табл. 2 данного м.у.)
=0,5(48,1+32,5)=40,35°С
Коэффициент теплоотдачи от горячей воды к внутренней поверхности латунных трубок определяется из условия:
,
здесь l – определяющий размер, в нашем случае это внутренний диаметр латунных трубок
Вт/м 2 °С.
Определение коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности латунных трубок к нагреваемой воде.
Определим
теплофизические характеристики
нагреваемой воды при средней температуре
:
°С,
плотность воды r 2 =994,8 кг/м 3 ;
коэффициент кинематической вязкости n 2 =0,768×10 -6 м 2 /с;
коэффициент теплопроводности воды l 2 =0,628 Вт/м°С;
критерий Прандтля Pr 2 =5,14.
Эквивалентный диаметр сечения межтрубного пространства
,
где F – площадь межтрубного пространства, внутри которого протекает нагреваемая вода:
;
P =p D +n p d 2 ,
где P – смоченный периметр канала, P =p D +n p d 2 ;
d 2 – внешний диаметр латунных трубок.
Скорость движения нагреваемой воды
м/с;
Число Рейнольдса для нагреваемой воды
.
Определим критерий Нуссельта для нагреваемой воды
Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности латунных трубок к нагреваемой воде
Вт/м 2 °С.
Коэффициент
теплопередачи от горячей воды к
нагреваемой воде через разделяющую их
поверхность теплообмена определим по
уравнению (3.22), т.к.
Вт/м 2 °С.
Среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями для случая противоточной схемы включения:
.
Поверхность теплообмена ТА
м 2 .
Поверхность нагрева одной секции ТО
F секц =n · p · d ср ·l =19×3,14×15×10 -3 ×4=3,58 м 2 .
Число секций в теплообменнике
.
Принимаем для ТА 8 секций. Уточним длину секции
F =N × n ×p× d c р ×l ;
м.
Уточним температуры поверхностей латунных трубок
Q =a 1 (t 1 – t c т 1)p d 1 nlN
Совпадение с принятой t c удовлетворительное.
В качестве основной цели теплообменника выступает передача тепла до холодного объекта от теплоносителя. Последний представляет собой вещество с высокой температурой. Его примером могут выступить:
- жидкость;
Сегодня в магазинах можно отыскать теплообменники в широком ассортименте. Они отличаются по своим особенностям, а именно:
- внешнему виду;
- принципу действия;
- разнице показателей температуры.
Этот список не является полным.
Описание принципа работы
Перед приобретением теплообменника принцип работы данного устройства обязательно следует рассмотреть. Он может быть основан на одном из трех процессов:
- теплопроводность;
- тепловое излучение;
- конвекция.
Подразделить приборы можно по способу поставки тепла к холодному объекту. Таким образом, способы могут быть смесительными и теплообменными. В принципе их работы, виде и устройстве заключается основная разница. Наиболее удачный вариант принципа функционирования свойственен поверхностным агрегатам. Они являются одними из распространенных. Внутри таких приборов имеются чувствительные элементы, нагревающиеся и передающие тепло холодному объекту.
Если рассмотреть ближе смесительный агрегат, то о нем можно сказать, что он совмещает взаимодействие жидкости и воздуха, обеспечивая высокий коэффициент полезного действия. Эти устройства легки в изготовлении и позволяют добиться нужного результата за короткое время. Это обусловлено тем, что лишь при смешивании двух сред можно добиться таких результатов.
Рассматривая принцип работы теплообменников, можно отметить, что эти устройства обладают узлами, которые работают по определенному принципу. Их можно подразделить на регенеративные и рекуперативные. В последнем случае используются разные жидкости, которые взаимодействуют с помощью разделительной стенки. При обмене температурами поток остается прежним и не изменяется в обоих вариантах.
В рекуперативных теплообменниках имеется рабочий элемент, который выступает ещё и источником поставляемого тепла, а также зарядным устройством. Элемент нагревается при контакте с жидкостями и отдает в пространство необходимое тепло. При этом тепловой поток может изменять свое направление.
Дополнительно о принципе работы пластинчатого устройства для теплообмена
Пластинчатый теплообменник имеет соответствующие элементы, которые устанавливаются с поворотом на 180 °. В один пакет компонуются 4 элемента, что позволяет создавать два коллекторных контура подачи и отвода теплоносителя. Два крайних элемента в процессе участвовать не будут.
Производители предлагают к продаже две разновидности компоновки: одноходовую и многоходовую. В первом случае теплоноситель делится на параллельные потоки, которые проходят по каналам и оказываются в порту для вывода. Многоходовая компоновка имеет сложную схему, ведь теплообменник перемещается по одинаковому количеству каналов. Этого удалось достичь благодаря установке дополнительных пластин, которые предусматривают наличие глухих портов. Обслуживать многоходовые пластинчатые теплообменники гораздо сложнее.
Основные виды устройств
Теплообменный аппарат представлен к продаже во множестве разновидностей, среди них следует выделить:
- погружную;
- элементную;
- графитовую;
- двухтрубную;
- пластинчатую;
- витую;
- спиральную;
- кожухотрубную.
Погружной теплообменник имеет чувствительный элемент в виде цилиндрического змеевика, расположенного в сосуде. Последний заполняется жидкостью. Такая конструкция позволяет сократить время на подачу тепла прибором. Устройство погружного типа является одним из лучших по эффективности. Он используется в тех местах, где условия предполагают вероятность закипания.
Пластинчатый агрегат и его описание
Пластинчатый теплообменник обладает множеством преимуществ, а именно:
- простотой чистки;
- легкостью сборки;
- минимальным сопротивлением гидравлики.
Эти приборы имеют концевые камеры, которые соединены крепежными болтами. Конструкция обладает рабочей пластиной и рамами. Пластины разделены резиновыми прокладками. А сами элементы изготавливаются из специальной стали. Технология установки пластин предполагает монтаж резиновой прокладки без клеевого состава, что обеспечивает плотное прилегание отдельных частей друг к другу. Рабочая среда может подаваться одним из трех методов:
- смешанным;
- прямоточным;
- противоточным.
Элементный и витой теплообменники. Описание устройств
Элементный теплообменник позволяет соединить части системы в единую конструкцию. Принцип работы таких устройств схож с кожухотрубной разновидностью. Рабочая среда подается противоточно, а агрегат сочетает небольшое количество труб. Рассматривая виды теплообменников, вы должны обратить внимание на витую разновидность, которая обладает чувствительным элементом в виде концентрического змеевика, который фиксируется специальными головками, что обеспечивает защиту от кожуха. В данном устройстве используется схема с двумя жидкостями, одна из которых заполняет трубки, а другая находится в пространстве между ними. Эти агрегаты отлично справляются с перепадами давления и обладают отличной устойчивостью к износу.
Графитовый и спиральный теплообменники
Среди видов теплообменников можно выделить графитовую разновидность, которая имеет устройство, обеспечивающее защиту от коррозии. Эти приборы хорошо проводят тепло, а агрегат состоит из блоков, которые обладают формой цилиндра и прямоугольника. Рабочая жидкость движется по перекрестной схеме. Теплообменник состоит из:
- крышки;
- решётки;
- трубки;
- металлического корпуса.
Теплообменный аппарат может быть спиральным, принцип его работы выражен в использовании металлических листов. Они скручиваются в спираль и фиксируются на механизме, который называется креном. Для правильной работы важна герметизация теплообменника, которая достигается методом сваривания отдельных частей или монтажом прокладки.
Приборы сложны в производстве, ремонте и обслуживании. Устройство не должно использоваться в системе, где давление превышает 10 кгс/см 2 , что нельзя не назвать недостатком. Этот минус нивелируется компактными размерами прибора, незначительным весом и высокой эффективностью.
Дополнительно о принципе работы кожухотрубного агрегата
Кожухотрубный теплообменник получил такое название потому, что тонкие трубки, по которым движется теплоноситель, располагаются в центральной части основного кожуха. От количества трубок в середине будет зависеть то, с какой скоростью движется вещество. От этого, в свою очередь, зависит коэффициент теплопередачи.
Кожухотрубный теплообменник изготавливается из высокопрочных и легированных сталей. Они применяются потому, что устройство работает в агрессивной среде, которая способствует развитию коррозии. Теплообменник можно классифицировать на несколько разновидностей, среди них следует выделить:
- с плавающей головкой;
- с неподвижными трубками;
- с температурным компенсатором;
- в виде кожуха с U-образными трубками.
Описание теплообменника Pahlen MAXI-FLO
Это устройство представляет собой теплообменник для бассейна, стоимость которого составляет 18245 руб. Мощность устройства равна 40 кВт. Агрегат является вертикальным, а в качестве материала корпуса выступает нержавеющая сталь. Двухтрубное водяное устройство предназначено для подогрева воды. Теплоносителем выступает горячая вода из котла.
При строительстве уличного бассейна этот агрегат особенно актуален. Теплообменник для бассейна имеет первичный контур в виде трубок, он устанавливается вертикально. Разница температур в контурах достигает 60 °С. В первичном контуре максимальное давление может составить 10 бар, во вторичном - столько же. Вас может заинтересовать гидравлическое сопротивление первого контура, в данном случае оно составляет 0,05 м. Во вторичном контуре гидравлическое сопротивление равно 0,8 м.
Проведение расчётов
Прежде чем выбрать водоводяной теплообменник, расчет мощности этого устройства необходимо осуществить однозначно. Вообще, при выборе нужно обращать внимание на вид конструкции и качество устройства. Расчет мощности осуществляется по следующей формуле: Р = 1,16 х ∆Т / (t x V). В ней необходимая мощность обозначается буквой Р. Специально подобранная константа, здесь равна 1,16. Разница температур - ∆Т. Объём - V, тогда как время - t. Таким образом, при расчете мощности теплообменника следует понять, что эффективность устройства будет зависеть от потока рабочей среды по обоим контурам.
Конструктивное исполнение влияет на количество подогреваемой среды. Чем больше ее объем, тем больше будет пластин и патрубков. Довольно часто осуществляется ещё и определение поверхностей нагрева. Они обозначаются буквой F. Это значение можно найти, воспользовавшись формулой: Q/(K*?Тср), в которой Q - это тепловая мощность, а коэффициент теплопередачи - К.
Осуществляя расчеты теплообменника, вы должны помнить, что формула предусматривает наличие усредненной температуры напора между теплоносителями, это значение выражено в?Тср. Задачей выступает нахождение всех трёх переменных. Воспользовавшись уравнением теплового баланса, вы сможете найти тепловую мощность: Q=G*c*(T2-T1).
Теплоемкость воды при определенной температуре - это с. Расход обозначается буквой G. Проводя расчеты теплообменника, вы должны знать, что температура на входе и выходе обозначается в градусах и выглядит в формуле как T1и и T2. Для того чтобы расчёт получился более точным, к этой формуле необходимо добавить коэффициент полезного действия. Для определения значения?Тср необходимо воспользоваться следующей формулой: ?Тср= (?Тб? ?Тм) / (?Тб/ ?Тм). В ней наименьшая и наибольшая разницы температур обозначаются?Тб и?Тм.
Методика проведения расчетов
Коэффициент теплопередачи вы сможете отыскать в справочных материалах или рассчитать, воспользовавшись формулой: k = 1 / (1 / ?1 +?ст / ?ст + 1 / ?2). В ней?1 и?2 - коэффициенты теплопередачи со стороны принимающего и отдающего контуров. Толщина стены трубки - ?ст. Коэффициент теплопроводности материала труб - ?ст. Если осуществить расчет теплообменника, а точнее фактическую мощность, а также площадь, можно судить о правильном выборе устройства. Если эти значения не будут соответствовать, то это указывает на повышение вероятности образования отложений на стенках трубок. В самом крайнем случае они могут быть закупорены. Лучше воспользоваться специальными программами для расчета теплообменника, но при этом важно знать, какие методы и формулы лежат в основе.
Заключение
Довольно часто владельцы домов слышат об этом важном устройстве, которое играет одну из основных функций в системе отопления. Если дело доходит до автономной схемы, где используются нагревательные котлы, этот вопрос становится еще более актуальным. В них теплоноситель нагревается внутри теплообменника. Это полые устройства, где курсирует вода. Современные производители предлагают подобные приборы в широком ассортименте, они изготавливаются из разных металлов.
Теплообменный аппарат - это устройство, обеспечивающее передачу тепла между средами, разнящимися по температуре. Для обеспечения тепловых потоков различного количества конструируются разные теплообменные устройства. Они могут иметь разные формы и размеры в зависимости от требуемой производительности, но основным критерием выбора агрегата является площадь его рабочей поверхности. Она определяется с помощью теплового расчета теплообменника при его создании или эксплуатации.
Расчет может нести в себе проектный (конструкторский) или проверочный характер.
Конечным результатом конструкторского расчета является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданных тепловых потоков.
Проверочный расчет, напротив, служит для установления конечных температур рабочих теплоносителей, то есть тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена.
Соответственно, при создании устройства проводится конструкторский расчет, а при эксплуатации - проверочный. Оба расчета идентичны и, по сути, являются взаимообратными.
Основы теплового расчета теплообменных аппаратов
Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.
Имеет следующий вид:
Q = F‧k‧Δt, где:
- Q - размер теплового потока, Вт;
- F - площадь рабочей поверхности, м2;
- k - коэффициент передачи тепла;
- Δt - разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором .
Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:
Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:
Q = G 1 c p 1 (t 1 вх -t 1 вых) = G 2 c p 2 (t 2 вых -t 2 вх), где:
- G 1 и G 2 - расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
- c p 1 и c p 2 - удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.
В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит - с другой. Эти величины (t 1 вх;t 1 вых и t 2 вх;t 2 вых) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.
Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.
Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:
Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).
Пример расчета
Для большей наглядности представим пример конструкторского расчета теплообмена. Этот расчет имеет упрощенный вид, и не учитывает потерь теплоты и особенностей конструкции теплообменного аппарата.
Исходные данные:
- Температура греющего носителя при входе t 1 вх = 14 ºС;
- Температура греющего носителя при выходе t 1 вых = 9 ºС;
- Температура нагреваемого носителя при входе t 2 вх = 8 ºС;
- Температура нагреваемого носителя при выходе t 2 вых = 12 ºС;
- Расход массы греющего носителя G 1 = 14000 кг/ч;
- Расход массы нагреваемого носителя G 2 = 17500 кг/ч;
- Нормативное значение удельной теплоемкости с р =4,2 кДж/кг‧ ºС;
- Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м 2 .
1) Определим производительность теплообменного аппарата с помощью уравнения теплового баланса:
Q вх = 14000‧4,2‧(14 - 9) = 294000 кДж/ч
Q вых = 17500‧4,2‧(12 - 8) = 294000 кДж/ч
Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Переведем полученную величину в единицу измерения Вт. При условии, что 1 Вт = 3,6 кДж/ч, Q = Qвх = Qвых = 294000/3,6 = 81666,7 Вт = 81,7 кВт.
2) Определим значение напора t. Он определяется по формуле:
3) Определим площадь поверхности теплообмена с помощью уравнения теплопередачи:
F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.
Как правило, при проведении расчета не все идет гладко, ведь необходимо учитывать всевозможные внешние и внутренние факторы, влияющие на процесс обмена теплом:
- особенности конструкции и работы аппарата;
- потери энергии при работе устройства;
- коэффициенты теплоотдачи тепловых носителей;
- различия в работе на разных участках поверхности (дифференциальный характер) и т.д.
Для наиболее точного и достоверного расчета инженер должен понимать сущность процесса передачи тепла от одного тела к другому. Также он должен быть максимально обеспечен необходимой нормативной и научной литературой, поскольку в расчете на множество величин составлены соответствующие нормы, которых специалист обязан придерживаться.
Выводы
Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?
Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.
Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.
В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата - основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменной машины. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.
В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности , поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.
Сделать змеевик своими руками можно из круглых или профильных труб. Для разных эксплуатационных условий подбирается тот или иной материал. Такие изделия используются для передачи тепла в водяных системах отопления. Они даже могут встраиваться в камины или печи, что позволяет использовать их в качестве котельной для обогрева всех комнат дома.
Виды змеевиковых теплообменников
Полотенцесушитель — это тоже змеевиковый теплообменник.
Вы можете изготовить змеевик своими руками разной конструкции и из нескольких видов металла (сталь, медь, алюминий, чугун). Алюминиевые и чугунные изделия штампуются на заводах, так как требуемых условий для работы с этими металлами можно добиться только в производственных условиях. Без этого получится работать только со сталью или медью. Лучше всего использовать медь, так как она податлива и имеет высокую степень теплопроводности. Есть две схемы как сделать змеевик:
- винтовая;
- параллельная.
Винтовая схема подразумевается расположение витков спирали по винтовой линии. Теплоноситель в таких теплообменниках движется в одном направлении. При необходимости для увеличения тепловой мощности можно объединять несколько спиралей по принципу «труба в трубе».
Чтобы максимально сократить теплопотери нужно выбрать . Это также зависит от материала стен.
Делать в нужно исходя из паропроницаемости теплоизоляции.
В параллельной схеме теплоноситель постоянно меняет направление своего движения. Такой теплообменник изготавливается из прямых труб, соединенных коленом с поворотом на 180 градусов. В некоторых случаях, например, для изготовления регистра отопления, поворотные колени могут не использоваться. Вместо них устанавливается прямой байпас, который может находиться как на одном, так и на обоих торцах трубы.
Методы передачи тепла
Принцип работы змеевикового теплообменника заключается в том, чтобы нагревать одно вещество за счет тепла другого. Так, вода в теплообменнике может нагреваться открытым пламенем. В данном случае он будет выступать в роли теплоприемника. Но также змеевик и сам может выступать в качестве источника тепла. Например, когда по трубкам течет теплоноситель, нагретый в котле или посредством встроенного электрического ТЭНа, а его тепло передается воде из системы отопления. По сути, конечная цель теплопередачи – это нагреть воздух в помещении.
Где устанавливаются змеевиковые теплообменники
Метод теплообмена зависит от того, где устанавливается змеевик:
- котел;
В котле стоят змеевики с оребрением.
В котле пламя нагревает воду в змеевике, а потом она расходится по всей системе, отдавая тепловую энергию в помещение конвективным методом через . Некоторые из них также относятся к категории змеевиковых теплообменников. Например, полотенцесушители и из круглой или профильной трубы.
Контакт с открытым пламенем накладывает некоторые требования к эксплуатационным качествам металла, который использовался в производстве. Акцент делается на надежности и долговечности. Поэтому чаще всего используют сталь и чугун. Последний считается самым лучшим вариантом.
В бойлере и теплоаккумуляторе приоритетное значение имеет скорость теплообмена и устойчивость к коррозии. В данном случае нет ничего лучше, чем медь. Главное, чтобы она не контактировала с алюминием. Между этими металлами происходит реакция, которая приводит к химической коррозии.
Как рассчитать теплообменник
Делать расчет змеевикового теплообменника нужно обязательно, иначе его тепловой мощности может не хватить на обогрев помещения. Система отопления предназначена для компенсации теплопотерь. Соответственно узнать точное количество требуемой тепловой энергии мы можем только исходя из теплопотерь здания. Сделать расчет достаточно сложно, поэтому в среднем берут 100 Вт на 1 м. кв при высоте потолков 2,7 м.
Между витками должен быть зазор.
Также для расчета потребуются следующие значения:
- число Пи;
- диаметр трубы, которая есть в наличии (возьмем 10 мм);
- лямбда теплопроводности металла (для меди 401 Вт/м*К);
- дельта температуры подачи и обратки теплоносителя (20 градусов).
Для определения длины трубы нужно общую тепловую мощность в Вт поделить на произведение вышеперечисленных множителей. Рассмотрим на примере медного теплообменника с требуемой тепловой мощностью в 3 кВт – это 3000 Вт.
3000/ 3,14 (Пи)*401 (лямбда теплопроводности)*20 (дельта температур)*0,01 (диаметр трубы в метрах)
Из данного расчета получается, что вам потребуется 11,91 м медной трубы диаметром 10 мм, чтобы тепловая мощность змеевика составляла 3 кВт.
Как сделать винтовой змеевик
После того как вы сделали расчет змеевика теплообменника можно приступать непосредственно к изготовлению. Винтовую конструкцию сделать достаточно просто. Диаметр петли нужно подбирать исходя из размера бака, в который будет осуществляться монтаж. Нужно чтобы трубы не прикасались к корпусу.
Накручивать витки нужно на круглую болванку. Медь легко гнется, поэтому не нужен никакой дополнительный инструмент. Желательно соблюдать небольшой отступ между витками, чтобы теплоноситель контактировал с трубой со всех сторон. Это увеличит площадь теплообмена, что позволит достигнуть максимальной тепловой мощности, которую мы рассчитывали.
Как сделать теплообменник из прямых труб
Чтобы изготовить змеевик по параллельной схеме нужно обладать навыками сварки металлов. Для таких работ используют стальные трубы, согнуть которые весьма проблематично, хотя имея хороший трубогиб, все же возможно. Но в большинстве случаев приходятся прибегать к сварке.
Стальной змеевик из круглых труб.
Алгоритм работы:
- нарежьте ровные отрезки из стальных труб;
- уложите их параллельно на ровной поверхности;
- соедините их коленами с поворотом на 180 градусов – если таких колен нет, то можно сварить два уголка по 90 градусов;
- в нижний и верхний торцы вварите заглушки с патрубком для подключения к системе отопления.
Кроме этого, в нижней части можно установить заглушку, по центру которой вырезается отверстие. Затем в это отверстие приваривается гайка. Ее внутренний диаметр должен подходить под стандартный электрический ТЭН. В таком случае можно будет использовать самодельный теплообменник как электрический обогреватель.
