Тепловой и конструктивный расчет теплообменника пластинчатого

В сфере теплоснабжения решения принимают по результатам строгих технических расчетов. И поскольку теплообменник пластинчатый являет собой важный узел, то и рассчитывать его параметры надо с умом. В статье расскажем, какие исходные данные надо собрать перед расчетом теплообменника и как выполнять тепловой и конструктивный расчеты.

Какая информация нужна

Перед техническими вычислениями необходимо найти такие данные:

• тип рабочих сред (вода/вода, масло/вода, пар/вода и пр.);
• тепловую нагрузку в Гкал/час или мощность в кВт;
• массовый расход среды в т/час, когда нет информации по теплонагрузке;
• температура теплоносителей на входе и выходе по горячей и холодной стороне в °С.

Из документации понадобится Техзадание от главного инженера и технолога, договор с Теплоснабжением, а также Техусловия, выданные теплоснабжающей компанией.

Нюансы и подробности

1. От данных проекта будет зависеть его стоимость. Дорогие пластинчатые теплообменники отличаются большим размером, малой разницей входной и выходной температуры, высокими показателями давления и максимально допустимой температуры.
2. Пропускная способность теплообменного аппарата зависит от объема расхода воды, прописанного на гидронасосе в литрах за минуту или кубометров в час. Чтобы высчитать пропускную способность (массовый расход среды), нужно перемножить объем на плотность. Плотность рабочей среды меняется в зависимости от температуры: так, холодная вода из центральной системы обладает плотностью 0,99913.
3. Для определения уровня теплопередачи в поточных системах используется понятие LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference) — среднее значение логарифмической разницы температур, также это средний температурный напор.
   Рассчитывается как ΔT₁– ΔT₂ / ( ln ΔT₁/ ΔT₂), где ΔT₁ = T₁ (температура на входе горячего контура) – T₄ (выход горячего контура), а ΔT₂ = T₂ (вход холодного контура) – T₃ (выход холодного контура).
4. Вид и вязкость рабочей среды надо знать предварительно, чтобы определиться с материалом пластин.
5. Для центрального теплового снабжение необязательно знать уровень загрязнения среды. Но в отдельных случаях при расчете теплообменника он важен.
6. Теплонагрузка, она же мощность теплопередачи, означает, сколько тепла отдает теплообменник. Рассчитывается по формуле:

P = m · cp · δt,

P — тепловая мощность;

m — массовый расход рабочей среды;

cp — удельная тепловая емкость, равная 4,182 кДж/(кг ·°С) для воды, подогретой до 20°С;

δt — температурная разность на входе и выходе 1-го контура (δt = t₁– t₂).

Тепловой расчет

Чтобы выполнить техрасчет теплообменного аппарата, нужна такая информация: физические и химические характеристики теплоносителей, начальная и конечная температуры, расход теплоносителя. Если что-то неизвестно, пользуются формулой теплового расчета для нахождения этих элементов. Предлагаем разобраться на примере.

Тепловая энергия в обменнике передается от первого потока ко второму в момент нагрева или охлаждения, и выражается уравнением теплового баланса для теплообменника:

Q = Q_г = Q_х,

где Q [Вт] — теплота, передаваемая носителю или принимаемая им.

Q_г = G_гc_г · (t_{г нач} – t_{г кон}),

Q_х = G_хc_х · (t_{х кон} – t_{х нач}),

где G _г и G _х [кг/ч] — расход горячего и холодного носителя;

c _г и c _х [Дж/кг·градус] — теплоемкость гор. и хол. носителей;

t _{г,х нач} [°C] — начальная температура гор. и хол. теплоносителей;

t _{г,х кон} [°C] — конечная температура гор. и хол. носителей.

Количество тепла на входе и выходе связано с агрегатным состоянием теплоносителя: а случае изменения состояния актуальна такая формула:

Q = Gc _п· (t _п – t _нас) + Gr + G _cк· (t _нас– t _к),

в которой r [Дж/кг] — теплота конденсации;

с_{к, п} [Дж/кг·град] — удельные теплоемкости конденсата и пара;

t_к — температура конденсата на выходе.

Расчет расхода теплоносителя по тепловой нагрузке считается так:

G_гор = Q / c _гор ·(t_{г нач} – t_{г кон});

G _хол = Q / c _хол ·(t_{х кон} – t_{х нач})

Конструктивный расчет

Начнем с ориентировочного просчета площади поверхности теплообмена, проходного сечения, примерных коэффициентов теплообмена.

Формула поверхности теплообмена рекуператора:

F = Q / k · ∆t _ср [м²]

Сечения для прохождения носителя:

S = G / (w · ρ) [м²],

где G [кг/ч] — расход теплоносителя;

(w · ρ) [кг/м²·с] — массовая скорость потока теплоносителя.

Скорость потока в м/с принимают в зависимости от вида носителя тепла:

• < 1 для вязких жидкостей;
• от 1 до 3 для маловязких жидкостей;
• от 5 до 10 для запыленных газов;
• от 10 до 15 для чистых газов;
• от 30 до 50 для насыщенных паров.

После этих предварительных вычислений выбирают несколько пластинчатых теплообменников, на которых проводят уже самый подробный расчет.

Определим значение греющих ходов и нагреваемой среды:

X _гр/ X _нагр = (G _гр/ G _нагр)^0,636· (∆P _гр/ ∆P _нагр)^0,364· (1000 – t _{нагр ср}/ 1000 – t _{гр ср}),

в этой формуле G_{нагр, гр} [кг/ч] – расход теплоносителей;

∆P_{нагр, гр} [кПа] — перепад давления тепловых носителей;

t _{гр ср, нагр ср} [°C] — средняя температура среды.

Далее оценим результат, и если X_гр / X_нагр получается меньше двух, то конструкцию теплообменника выбираем симметричную, если же больше двойки — то несимметричную.

Число каналов для сред высчитываем по формуле:

m _нагр = G _нагр/ w _опт· f _мк· ρ · 3600,

в которой f_к берем из характеристик пластин; это живое сечение межпластинчастого канала;

w _опт [м/с] — оптимальная скорость потока;

G _нагр [кг/ч] — расход носителя.

Где приобрести теплообменник

В Украине проще и удобнее всего купить пластинчатый теплообменник для ГВС в интернет-магазине Пирамида24. Если нет желания и времени считать параметры устройства, позвоните по телефону 098 553-92-92, и опытные консультанты вам помогут.