Как посчитать площадь теплообмена теплообменника

Тепловой расчет теплообменных аппаратов

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:

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:

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.

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:

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).

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.

Источник

Расчет теплообменника

Технический расчет пластинчатого теплообменника – это поиск требуемого решения в теплоснабжении, а также реализация найденного варианта. Для того чтобы верно выполнить подобный расчет, требуются сведения:

Еще нужны будут данные, содержащиеся в ТУ теплоснабжающей организации, а, кроме того, отображенные в договоре с ней. Потребуются сведения и из ТЗ главного инженера или технолога.

официальные сервисные партнеры

большой опыт более 11 лет

Что необходимо знать для осуществления расчета теплообменного оборудования?

Для того чтобы грамотно выполнить расчет теплообменника, нужно знать:

Кроме того, понадобятся при расчетах следующие характеристики:

Как рассчитать мощность теплообменника?

Расчет мощности теплообменника проводится в 2 этапа (рассмотрим на примере бассейна).

Первый этап подразумевает дополнительно расчет объема, а второй – производство вычислений по формуле:

Р = 1,16 x (Т1/Т2)/t x V, где:

Р — мощность конкретного теплообменника;

1,16 — примененный коэффициент;

Т1 — конечная температура для нагрева;

Т2 — температура воды (скажем, водопроводная должна нагреться не менее, чем на 15 С);

t — время, необходимое для нагрева (где-то 3-4 часа в нашем случае);

V — объем самого бассейна.

Произведя все предусмотренные действия, несложно определить требуемую мощность теплообменника, который нужен, чтобы вода, находящаяся в бассейне, грелась до необходимой температуры за какой-то определенный временной промежуток.

Далее требуется найти (по специальным каталогам, например) подходящий под произведенные расчеты теплообменник.

Перед реализацией обсуждаются возможности устройства. Затем сравниваются все показатели со значениями, указанными в технической документации к теплообменнику.

Так, в данном конкретном случае (с бассейном) ориентиром послужат параметры насоса для циркуляции воды.

Правильный расчет теплообменника под любые задачи могут выполнить специалисты нашей компании. Звоните в ООО «Сервис-ПТО» по телефонам +7 (812) 646-10-76, +7 (921) 794-11-63, и мы ответим на любые вопросы!

Типы расчета теплообменника

Расчет пластинчатого теплообменника (ПТ) осуществляется в двух случаях. Во-первых, на этапе конструирования нужно рассчитать площадь поверхности теплообмена, которая бы обеспечивала необходимые параметры тепловых потоков. Во-вторых, в процессе эксплуатации ПТ может возникнуть необходимость определить температуру создаваемых тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена. Два этих вида расчетов – взаимообратные. Для их осуществления нужно знать тип и температурные показатели теплоносителя на выходе и входе, нормы расхода теплоносителя, мощность либо тепловую нагрузку.

Чаще всего расчет теплообменника выполняют инженеры в процессе разработки решений для проектирования, ремонта теплообменника либо их сервисного обслуживания. Специалистам важно знать 2 ключевых параметра данной установки – рабочую площадь и температуры теплоносителей на входе и выходе. От них в конечном итоге зависит качество работы всей установки.

Однако помимо инженеров тепловой расчет может быть интересен и тем лицам, которые собираются приобрести либо в данный момент обслуживают пластинчатые теплообменники либо установки иного типа. Если вы планируете купить пластинчатый теплообменник в СПб, желательно заранее иметь представление о базовых понятиях, таких как тепловая мощность, массовый расход теплоносителя, температурный напор теплообменника и пр. Это поможет правильно выбрать установку и параметры ее подключения к имеющимся сетям.

Базовые понятия

При расчете теплообменника для бассейна, частного дома или производственного объекта используются следующие понятия:

Коэффициент теплоотдачи

Основой для расчета теплообменников являются 2 уравнения.

Во-первых, используют кинетическое уравнение, или уравнение теплопередачи, отражающее связь между тепловой мощностью Q и поверхностью теплопередачи, обозначаемой как F. Уравнение выглядит следующим образом:

Q = K * F * Δt_cр* τ

Для непрерывного процесса теплопередачи кинетическое уравнение выглядит следующим образом:

Во-вторых, помимо уравнения теплопередачи при расчете теплообменников используют уравнение теплового баланса. Его формула выглядит следующим образом:

Используя данные 2 формулы можно определить коэффициент теплоотдачи, α – величину, характеризующую интенсивность теплоотдачи при заданном изменении t.

Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку теплообменника связан с коэффициентом теплоотдачи формулой:

k = (1) / (1/α1) + (d/μ) + (1/α2)

Также в ряде случаев прибавляется показатель R_з – коэффициент загрязнения стенки.

Методики и примеры расчета

Существует несколько методик расчета теплообменных установок, включая ПТ, среди которых наиболее популярными являются:

Рассмотрим подробнее каждый из вариантов.

Тепловой расчет

Тепловой расчет позволяет определить те данные теплоносителей, которые не известны, к примеру, расход теплоносителя, коэф-т теплоотдачи, расход температуры (разницу t), тепловую нагрузку.

В теплообменнике тепловая энергия в процессе нагрева и охлаждения циркулирует от одного потока к другому, в итоге выходит, что Q = Q₁= Q₂.

Далее используется уравнение теплового баланса для теплоносителя, пребывающего в неизменном агрегатном состоянии, которое мы рассмотрели выше:

Если же один из теплоносителей в процессе функционирования тепловой установки меняет свое агрегатное состояние, используется следующая формула:

Если конденсат не охлаждается, формула приобретает вид:

Именно это выражение позволяет нам выполнить расчет расхода теплоносителя:

Если в качестве теплоносителя используется пар, применяется следующая формула:

G_пара = Q/Gr

Конструктивный расчет

Ориентировочный конструктивный расчет применяется для вычисления поверхности теплопередачи (рабочей поверхности теплообменника, F), размера проходного сечения и коэффициентов теплообмена. Проведение конструктивного расчета позволяет выбрать определенные теплообменники, оптимально соответствующие требуемым поверхностям.

В данном расчете применяется формула кинетического уравнения теплопередачи, описанная нами выше:

Q = K * F * Δt_ср

Используя эту формулу можно определить искомые параметры, например – F= Q/k* Δt_ср.

Размер сечения для прохода теплоносителя определяют по формуле:

S = G/(w*p) [м 2 ]

где G – расход теплоносителя;

(w·ρ) – массовая скорость потока вещества.

Скорость потока составляет для:

Проведенный расчет позволяет выбрать 1 или несколько аппаратов, соответствующих требуемой поверхности теплообмена. После этого для определения прочих необходимых показателей проводится подробный конструктивный и тепловой расчеты.

Для теплообменников пластинчатого типа следует рассчитать соотношение кол-ва ходов нагревающей и нагреваемой рабочей среды. Используется формула:

где G – расход теплоносителей;

∆P – перепад давления.

При Х_гр/Х_нагр 2 – несимметричная компоновка.

Количество каналов определяется по формуле:

где w_oпт – оптимальная скорость потока вещества;

f_мk – живое сечение канала между пластинами ПТ.

Гидравлический расчет

Гидравлический расчет теплообменника считается одним из наиболее точных, так как учитывает потери давления каждым из используемых в установке теплоносителей и определяет расход энергии при движении теплоносителей через установку. При необходимости можно выполнить обратный расчет – в зависимости от заданных перепадов давления подобрать оптимальные переходные сечения элементов.

Для расчета общего снижения давления необходимо суммировать все потери в элементах теплообменника. Используется формула:

Гидравлический расчет применяется и для охлаждаемой рабочей среды, и для охлаждающей среды (воды либо воздуха).

Расчет средней разности температур

Также при тепловом расчете бывает необходимо вычислить разницу t в обоих контурах. Она рассчитывается по формуле:

Если присутствуют перекрестный или смешанный ток вещества внутри пластин, в формулу, представленную выше, добавляется поправочный коэффициент:

Расчет теплообменника производится с целью правильного подбора материалов, используемых при производстве установки, определения ее размеров, величины поверхности или же производительности. Чаще всего подобные расчеты выполняются специалистами с использованием профессионального ПО, однако, зная базовые формулы, можно попытаться произвести необходимые вычисления и самостоятельно, без использования специальных программ.

Подбор теплообменника специалистами ООО «Сервис-ПТО»

ООО «Сервис-ПТО» предлагает, наряду с комплексным обслуживанием, ремонтом и наладкой, еще и расчет пластинчатых теплообменников для заказчиков.

Опираясь на многолетний опыт в подборе теплообменного оборудования, специалисты компании в кратчайшие сроки предоставляют клиенту оптимальное решение под поставленные им задачи. При этом фирма гарантирует высокое качество устройств в сочетании с вполне доступной их стоимостью.

Опыт наших профессионалов

Сотрудники компании «Сервис-ПТО» прошли обучение у ведущих производителей теплообменников. Они прибудут на место в оговоренное время и выполнят все необходимые операции быстро, а главное, качественно, с гарантией.

При необходимости впоследствии будет произведен профессиональный монтаж и пусконаладочные работы в отношении теплообменного оборудования.

Мы также поставляем любые теплообменники и комплектующие к ним.

Скорость расчёта

Как только поступает клиентская заявка на расчет теплообменника с определенной площадью и объемом, менеджеры компании «Сервис-ПТО» незамедлительно отправляют ее в работу.

Таким образом, заказчик оперативно получает все необходимые ему данные и рекомендации. Ему также предоставляется подробная и обоснованная смета затрат.

Точность специалистов

Мы гарантируем точность любых расчетов по теплообменному оборудованию. Наши специалисты неоднократно проводили подобные вычисления, и оборудование всегда соответствовало требованиям заказчиков.

Работаем быстро и слаженно с прицелом на действительно качественный результат. И у вас есть возможность в этом убедиться, заказав услугу расчета (а также любую другую) именно в нашей компании.

Заключение

Оставить заявку, уточнить детали, а также задать интересующие вопросы можно по контактным телефонам или на сайте.

Подбор качественного оборудования в соответствии с заявленными требованиями является гарантией высокой эффективности систем. Закажите квалифицированную помощь в ООО «Сервис-ПТО» по телефонам +7 (812) 646-10-76, +7 (921) 794-11-63.

Источник

Расчет площади теплообменника

Главное условие стабильной, эффективной работы системы теплообмена — это подбор теплообменных агрегатов с учетом точного соответствия конкретным эксплуатационным и техническим требованиям. Ключевым фактором для такого подбора является расчет площади теплообменника.

Конечно, существуют определенные стандарты, с универсальными параметрами, по которым можно подобрать оборудование для своего объекта. Тем не менее, часто в этой сфере индивидуальный подход более чем оправдывает себя. Проведение измерений и расчетов по конкретным данным позволяет получить максимальную отдачу от системы теплообмена. Кроме того, подобные вычисления попросту необходимы, если речь идет о работе по техническому заданию со строго обозначенными параметрами.

Методика расчета теплообменника предполагает несколько этапов.

Определение количества теплоты

Уравнение передачи тепла, используемое для установившихся единиц времени и процессов выглядит следующим образом:

В данном уравнении:

Уравнение позволяет описать процесс, в ходе которого происходит передача теплоты между теплоносителями (от горячего — к холодному). Уравнение учитывает:

Определение коэффициента теплопередачи

Для предварительных расчетов теплообменного оборудования и разного рода проверок применяют ориентировочные значения коэффициентов, стандартизированные для определенных категорий:

Точный расчет коэффициента теплопередачи (К) производится по следующей формуле:

Такая формула дает «идеальный» результат, обычно несоответствующий на 100% реальному положению дел. Поэтому в формулу добавляется еще один параметр — Rзаг.

Это показатель термического сопротивления различных загрязнений, формирующихся на нагревающихся поверхностях трубы (т.е. обычной накипи и др.)

Формула для показателя загрязнения выглядит так:

Методика расчета теплообменника (площади поверхности)

Итак, мы рассчитали такие параметры, как количество теплоты (Q) и коэффициент теплопередачи (K). Для окончательного вычисления дополнительно потребуется разность температур (tср) и коэффициент теплоотдачи.

Итоговая формула расчета теплообменника пластинчатого (площади теплопередающей поверхности) выглядит так:

Источник

Базовые понятия теплообмена для расчета теплообменников

Когда проводится расчет теплообменников, используются базовые знания о законах теплообмена, открытые на сегодняшний день.

В частности используются такие понятия как удельная теплоемкость и теплосодержание (энтальпия), а также удельная теплота химических превращений (и фазовых превращений).

Под удельной теплоемкость понимается количество тепла, которое необходимо для нагрева одного килограмма вещества ровно на один градус. На основании данных о теплоемкости можно судить об интенсивности аккумулирования тепла.

При тепловых расчетах используются средняя теплоемкость, исчисляемую в заданном температурном интервале.

Под понятием удельной энтальпии понимается количество тепла, которое потребуется для нагрева одного килограмма от нуля до заданной температуры.

Под удельной теплотой химических превращений понимается то количество тепла, которое будет выделяться при химической трансформации одной единицы массы данного вещества.

Под удельной теплотой фазовых превращений понимается то количество тепла, которое будет поглощаться или выделяться при изменении агрегатного состояния единицы массы данного вещества.

Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса

При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.

При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.

Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.

Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле

Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.

При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.

Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.

Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.

Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула .

Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.

Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников

Теплообмен осуществляется посредством трех основных видов теплопередачи. Это конвекция, теплопроводность и излучение.

При теплообменных процессах, которые протекают по принципам механизма теплопроводности передача тепла происходит как перенос энергии упругих колебаний молекул и атомов. Данная энергия переходит от одних атомов к другим в направлении уменьшения.

При проведении расчетов параметров передачи тепла по принципу теплопроводности используется закон Фурье:.

Для вычисления количества тепла используются данные о времени прохождения потока, площади поверхности, градиенте температуры, а также о коэффициенте теплопроводности. Под градиентом температуры понимается ее изменение в направлении теплопередачи на одну единицу длины.

Под коэффициентом теплопроводности понимается скорость теплообмена, то есть то количество тепла, которое проходит через одну единицу поверхности в единицу времени.

При любых тепловых расчетах учитывается, что самый большой коэффициент теплопроводности имеют металлы. Различные твердые тела имеют гораздо меньший коэффициент. А у жидкостей этот показатель, как правило, ниже, чем у любого из твердых тел.

При расчете теплообменников, где передача тепла от одной среды к другой идет через стенку, также используется уравнение Фурье для получения данных о количестве передаваемого тепла. Оно вычисляется как количество тепла, которое проходит через плоскость с бесконечно малой толщиной:
.

Если проинтегрировать показатели температурных изменений по толщине стенки, получится

Исход из этого получается, что температура внутри стенки падает по закону прямой линии.

Конвекционный механизм передачи тепла: расчеты

Еще один механизм передачи тепла – конвекция. Это передача тепла объемами среды посредством их взаимного перемещения. При этом передача тепла от среды к стенке и наоборот, от стенке к рабочей среде называется теплоотдачей. Чтобы определить количество тепла, которое передается, используется закон Ньютона

В данной формуле a — это коэффициент теплоотдачи. При турбулентном движении рабочей среды этот коэффициент зависит от многих дополнительных величин:

Следовательно, коэффициент теплоотдачи — функция многих величин, что показано в формуле

Метод анализа размерностей позволяет вывести функциональную связь критериев подобия, которые характеризуют теплоотдачу при турбулентном характере движения потока в гладких, прямых и длинных трубах.

Это вычисляется по формуле
.

Коэффициент теплоотдачи в расчете теплообменников

В химической технологии нередко встречаются случаи обмена тепловой энергией между двумя текучими средами через разделяющую стенку. Теплообменный процесс проходит три стадии. Тепловой поток для установившегося процесса остается неизменным.

Проводится расчет теплового потока, проходящего от первой рабочей среды к стенке, затем через стенку теплопередающей поверхности и затем от стенки ко второй рабочей среде.

Соответственно для проведения расчетов используется три формулы:

В результате совместного решения уравнений получаем

Величина

и есть коэффициент теплопередачи.

Расчет средней разности температур

Когда при помощи теплового баланса определено необходимое количество тепла, необходимо провести расчет поверхности теплообмена (F).

При расчете необходимой теплообменной поверхности используется то же уравнение, что и при предыдущих расчетах:

В большинстве случаев температура рабочих сред будет меняться в процессе протекания теплообменных процессов. Значит вдоль теплообменной поверхности будет меняться разность температур. Поэтому проводится расчет средней разности температур. А в связи с тем, что изменение температур не линейно, рассчитывают логарифмическую разность
. В отличие от прямоточного потока, при противоточном движении рабочих сред необходимая площадь теплообменной поверхности должна быть меньше. Если в одном и том же ходу теплообменника используется и прямоточный, и противоточный потоки, разность температур определяется, исходя из соотношения
.

Источник