Тепловой расчет теплообменных аппаратов. Определение запаса теплообменной поверхности и продолжительности межпромывочного периода пластинчатого водонагревателя для гвс

Рассчитываем коэффициент  1 со стороны греющего пара для случая конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н:


= 2,04
= 2,04
= 6765 Вт/(м 2 К), (10)

здесь , , , r физические параметры конденсата при температуре пленки конденсата t к, Н – высота нагревательных труб, м; t – перепад температур между греющим паром и стенками труб (принимаем в пределах 3…8 0 С).

Значения функции А t для воды при температуре конденсации пара

О правильности расчетов судят, сопоставляя полученное значение  1 и его предельные величины, которые приведены в п. 1.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи α 2 от стенок труб к воде.

Для этого необходимо выбрать уравнение подобия вида

Nu = ARe m Pr n (11)

В зависимости от величины числа Re определяют режим течения жидкости и выбирают уравнение подобия.

(12)

Здесь n– число труб на 1 ход;

d вн = 0,025 - 20,002 = 0,021 м – внутренний диаметр трубы;

При Re > 10 4 имеем устойчивый турбулентный режим движения воды. Тогда:

Nu = 0,023  Re 0,8  Pr 0,43 (13)

Число Прандтля характеризует соотношение физических параметров теплоносителя:

=
= 3,28. (14)

, , , с – плотность, динамическая вязкость, теплопроводность и теплоемкость воды при t ср.

Nu = 0,023 26581 0,8  3,28 0,43 = 132,8

Число Нуссельта характеризует теплоотдачу и связано с коэффициентом  2 выражением:

Nu =
,  2 = =
= 4130 Вт/(м 2 К) (15)

С учетом значений  1 ,  2 , толщины стенки трубы  = 0,002 м и ее теплопроводности  ст, определяем коэффициент К по формуле (2):

=
= 2309 Вт/(м 2 К)

Сопоставляем полученное значение К с пределами для коэффициента теплопередачи, которые были указаны в п 1.

Определяем площадь поверхности теплообмена из основного уравнения теплопередачи по формуле (3):

=
= 29 м 2 .

Вновь по таблице 4 выбираем стандартный теплообменник:

площадь поверхности теплообмена F = 31 м 2 ,

диаметр кожуха D = 400 мм,

диаметр труб d = 25×2 мм,

число ходов z = 2,

общее число труб N = 100,

длина (высота) труб H = 4 м.

Запас площади

(запас площади должен быть в пределах 5…25%).

4. Механический расчет теплообменника

При расчете на внутреннее давление толщина стенки корпуса  к проверяется по формуле:

 к =
+ С, (16)

где р – давление пара 4·0,098 = 0,39 Н/мм 2 ;

D н – наружный диаметр кожуха, мм;

 = 0,9 коэффициент прочности сварного шва;

 доп = 87…93 Н/мм 2 – допускаемое напряжение для стали;

С = 2…8 мм – прибавка на коррозию.

 к =
+ 5 = 6 мм.

Принимаем нормализованную толщину стенки 8 мм.

Трубные решетки изготавливаются из листовой стали. Толщина стальных трубных решеток берется в пределах 15…35 мм. Она выбирается в зависимости от диаметра развальцованных труб d н и шага труб .

Расстояние между осями труб (шаг труб) τ выбирают в зависимости от наружного диаметра труб d н:

τ = (1,2…1,4)·d н, но не менее чем τ = d н + 6 мм.

Нормализованный шаг для труб d н = 25 мм равен τ = 32 мм.

 р =
.

При заданном шаге 32 мм толщина решетки должна быть не менее

 р =
= 17,1 мм.

Окончательно принимаем  р = 25 мм.

При расчете фланцевых соединений задаются размером стягивающего болта. Принимаем во фланцевом соединении для аппаратов с диаметром D в = 400…2000 мм стальной болт М16.

Определим допустимую нагрузку на 1 болт при затяжке:

q б = (d 1 – c 1) 2 , (17)

где d 1 = 14 мм – внутренний диаметр резьбы болта;

с 1 = 2 мм – конструктивная прибавка для болтов из углеродистой стали;

 = 90 Н/мм 2 – допустимое напряжение на растяжение.

q б = (14 – 2) 2  90 = 10174 Н.

Прежде чем купить теплообменник заказчики сравнивают предложения разных поставщиков и производителей, рассылая им исходные данные. Компания «Астера», опытный , представляет шесть характеристик, которые влияют на конечную стоимость товара и на которые нужно обратить внимание в первую очередь, чтобы желание сэкономить не обернулось двойными тратами.

Стоимость теплообменников складывается из инженерных расходов и коммерческой составляющей. Данная статья раскрывает первый аспект.

• Толщина теплообменных пластин и материал их изготовления

Толщина пластины – это первое, на что обращаешь внимание при выборе теплообменника. Чем она толще, тем выше стоимость оборудования. Связано это с двумя факторами:

• Больше масса металла для выпуска пластин;
• Больше пластин для качественной теплопередачи через толщу стенки и достижения требуемой мощности.

Средняя толщина пластины – 0,5 мм. Теплообменники большого типоразмера с ДУ от 150 и требующие высокого рабочего давления оснащаются пластинами 0,6 мм. При давлении 10 кгс/см² и ДУ до 150 допустима толщина 0,4 мм. Чем тоньше пластины, тем меньше ресурс теплообменного оборудования.

В качестве материала для пластины чаще используется нержавеющая сталь марки AISI316. Тем не менее некоторые производители заменяют его сортом AISI304. Он стоит дешевле, в нем меньше никеля и молибдена, значит, материал больше подвержен коррозии. Если теплообменник эксплуатируется в идеальных с точки зрения среды условиях, то это допустимо. Но когда дело касается системы горячего водоснабжения (а там используется хлор), то есть риск, что оборудование прослужит недолго. Чтобы не попасть впросак, рекомендуется внимательно изучить и посмотреть, из какой стали выполнены пластины.

• Рабочее давление

От рабочего давления зависят тип, габариты и цена на теплообменник. Чем оно ниже, тем дешевле оборудование. Поэтому нужно заранее определиться, какой параметр требуется. Минимальное рабочее давление составляет 6 кгс/см². Соответственно такой аппарат наиболее доступный по цене, потому что в нем использованы тонкие плиты и пластины.

• Коэффициент передачи тепловой энергии

Для расчета коэффициента теплопередачи используется несколько данных:

• Мощность теплообменника;
• Температурная дельта;
• Величины запаса поверхности и расхода энергии;
• Диаметр присоединения;
• Скорость перемещения жидкости и т.д.

Этот показатель рассчитывается по формуле. Чем он выше, тем лучше производительность теплообменника. При увеличении скорости перемещения жидкости в каналах повышается теплообмен. Скорость можно увеличить, сократив количество каналов, то есть пластин.

Минусом высокой скорости течения жидкости является более быстрое отложение накипи на стенках. Поэтому тепловое оборудование будет стоить дешевле, но возрастет стоимость эксплуатации за счет забивания каналов солями магния и кальция. Время от времени будет требоваться разборная чистка.

Эффективен, но его коэффициент теплопередачи в реальности не превышает 7000 Вт/м.кв 2 К. Поэтому если производитель предлагает оборудование с коэффициентом 10000 Вт/м.кв 2 К, то это должно насторожить.

• Запас поверхности для теплообмена

Хороший теплообменник должен иметь 10-15% запаса теплообменной поверхности. Если производитель поставил себе цель удешевить продукцию, то данный параметр будет приближаться к нулю. По мнению экспертов в области теплообменного оборудования, нулевое значение является обманом покупателя, потому что при погрешности таких показателей, как расчет нагрузки, недогрев до оптимальной температуры теплоносителя, аппарат может просто-напросто не работать. Даже загрязнение поверхности будет отрицательно сказываться на его работоспособности.

• Потеря давления

Δ р представляет собой величину потери давления, или напора. Она измеряется в м.в.с. либо в Па. Заказчик указывает необходимый показатель в опросном листе.

Если процесс эксплуатации требует минимального снижения или потери давления в процессе работы, то теплообменник должен быть оснащен большим количеством пластин. Если изменение напора не имеет большого значения, то можно ограничиться более компактным, значит, более дешевым теплообменным оборудованием.

Как влияет количество пластин на потерю давления? Этому есть довольно простое объяснение. Чем больше пластин, тем больше каналов между пластинами. Для прохождения определенному объему жидкости оказывается меньше сопротивления, поэтому и потеря давления незначительна.

При покупке оборудования нужно быть внимательным и сравнивать показатель потери давления с данными, указанными в опросном листе. В противном случае некоторые недобросовестные производители могут указать немного завышенные значения и удешевить для покупателя оборудование. Но обычно высокая потеря давления весьма нежелательна.

• Условный диаметр

Этот показатель иногда называют диаметром присоединения. Его нужно определить по формуле. Он зависит от того, какие параметры заданы потенциальным заказчиком. Методом расчета выявляется, требуется ли однозначный показатель ДУ или в качестве варианта есть возможность использовать и второй размер, который отличается условным диаметром. В последнем случае если допустимо меньшее сечение, на нем и останавливаются. Так, теплообменник с ДУ65 дешевле оборудования с ДУ100. Это связано с тем, что чем больше сечение, тем больше и пластина теплового оборудования.

Нужно учитывать следующий момент: когда сужается сечение в трубах, увеличивается скорость течения жидкости. В результате будет дополнительно падать давление. Если предстоит долгая эксплуатация теплового оборудования, то пластина, примыкающая к проходному сечению, может разрушаться.

Вывод

Для грамотного сравнения предлагаемых вариантов от заводов по выпуску теплообменников рекомендуем всегда иметь в виду соответствие оборудования поставленным перед ним целям. А именно:

• Сталь и толщина пластины: лучше сталь сорта AISI316 с толщиной не меньше полумиллиметра.
• Давление в пластинах должно отвечать требуемым характеристикам.
• Чем ближе коэффициент теплопередачи к показателю 7000 Вт/м.кв 2 К, тем лучше.
• Оптимальный запас поверхности – 10-15%.
• Параметр потери давления зависит от условий эксплуатации и определяется заказчиком.
• Диаметр присоединения зависит от поставленных задач, но нужно иметь в виду, что чем меньше ДУ, тем больше будет теряться давление и раньше будут изнашиваться пластины.

Компания «Астера» надеется, что статья будет вам полезной и на основании указанных шести характеристик вы сделаете верный выбор теплообменного оборудования.

Общие принципы устройства схем теплоснабжения

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

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

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

Роль элементов схемы:

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

Температурные графики

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Гидравлика тепловых сетей

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

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

Расчет пластинчатых теплообменников для систем отопления

Приготовление отопительной воды может происходить путем нагрева в теплообменнике.

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

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

Расчет пластинчатых теплообменников для систем ГВС

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

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

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

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

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

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

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.