Розрахунок теплообмінника

Фахівцікомпанії «Теплообмін» на підставі наданих індивідуальних даних роблять швидкий розрахунок теплообмінників за заявками клієнтів.

Метод розрахунку теплообмінника

Щоб вирішити задачу теплообміну, необхідно знати значення кількох параметрів. Знаючи їх можна визначити інші дані. Найважливішими є шість параметрів:

Кількість тепла, що має бути передано (теплове навантаження чи потужність).
Температура на вході та виході на стороні першого та другого контуру теплообмінника.
Максимально допустимі втрати натиску на стороні першого і другого контуру.
Максимальна робоча температура.
Максимальний робочий тиск.
Витрата середовища на боці першого та другого контуру.

Якщо витрата середовища, питома теплоємність та різниця температур на одній стороні контуру відомі, можна розрахувати величину теплового навантаження.

Цей термін означає характер зміни температури середовища обох контурів між значеннями на вході в теплообмінник і виході з нього.

T1 = Температура на вході – гаряча сторона

T2 = Температура на виході – гаряча сторона

T3 = Температура на вході – холодна сторона

T4 = Температура на виході – холодна сторона

Середній логарифмічний температурний тиск

Середній логарифмічний температурний тиск (LMTD) є ефективною рушійною силою теплообміну.

Якщо не враховувати втрати тепла в навколишній простір, якими можна знехтувати, правомірно стверджувати, що кількість тепла, віддана однією стороною пластинчастого теплообмінника (теплове навантаження), дорівнює кількості тепла, отриманої іншою стороною.

Теплове навантаження (P) виражається в кВт абоккал/год.

P = m x cp x δt,

P = Теплове навантаження, кВт

m = Масова витрата, кг/с

cp = Питома теплоємність, кДж/(кг x °C)

δt = Різниця температур на вході та виході однієї сторони, °C

Термічна довжина каналу або тета-параметр (Θ) є безрозмірною величиною, яка характеризує співвідношення між різницею температур t на одній стороні теплообмінника і його LMTD.

Щільністю (ρ) є маса одиниці об'єму середовища та виявляється у кг/м 3 або г/дм 3 .

Цей параметр може виражатися за допомогою двох різних термінів: маси або обсягу. Якщо мається на увазі масовий витрата, тоді він виражається в кг/с або кг/год, якщо об'ємний витрата, то використовуються такі одиниці, як м 3 /год або л/хв. Щоб перевести об'ємну витрату масову, потрібно величину об'ємної витрати помножити на щільність середовища. Вибір теплообмінника до виконання конкретної завдання зазвичай визначає необхідна величина витрати середовища.

Розмір пластинчастого теплообмінника безпосередньо залежить від величини втрати напору (p). Якщо є можливість збільшити допустимі втрати напору, то можна буде використовувати компактніший і, отже, менш дорогий теплообмінник. Орієнтир для пластинчастих теплообмінників для робочих рідин вода/вода можна вважати допустимою втратою напору в діапазоні від 20 до 100 кПа.

Питома теплоємність (сp) являє собою кількість енергії, яка потрібна для підвищення температури 1 кг будь-якої речовини на 1 °C при даній температурі. Так, питома теплоємність води при температурі 20 °C дорівнює 4,182 кДж/(кг x °C) або 1,0 ккал/(кг x °C).

В'язкість є мірою плинності рідини. Чим нижче в'язкість, тим вище текучість рідини. В'язкість виражається всантипуазах (сП) чи сантистоксах (сСт).

Коефіцієнт теплопередачі теплообмінника є найважливішим параметром, від якого залежить сфера застосування пристрою, а також його ефективність. На цю величину впливає швидкість руху робочих середовищ, а також особливості конструкції агрегату.

Коефіцієнт теплопередачі теплообмінника є сукупністю наступних величин:

тепловіддача від гріючого середовища до стін;
теплопередача від стінок до нагрівається середовищі;
теплопередача водонагрівача.

Коефіцієнт теплопередачі теплообмінника розраховується за певними формулами, склад яких залежить від виду теплообмінного агрегату, його габаритів, а також від характеристик речовин, з якими працює система. Крім того, необхідно враховувати зовнішні умови експлуатації апаратури – вологість, температуру тощо.

Коефіцієнт теплопередачі (k) є мірою опору тепловому потоку, що викликається такими факторами, як матеріал пластин, кількість відкладень на її поверхні, властивості рідин і тип теплообмінника, що використовується. Коефіцієнт теплопередачі виявляється у Вт/(м 2 x °C) або ккал/(год x м 2 x °C).

Кожен параметр у цих формулах може вплинути вибір теплообмінника. Вибір матеріалів зазвичай не впливає на ефективність теплообмінника, від них залежить тільки його міцність і стійкість до корозії.

Застосовуючипластинчастий теплообмінник, ми отримуємо переваги у вигляді невеликих різниць температур та малої товщини пластин, яка зазвичай дорівнює від 0,3 до 0,6 мм.

Коефіцієнти тепловіддачі (α1 і α2) та коефіцієнт забруднення (Rf), як правило, дуже малі, що пояснюється високим ступенем турбулентності перебігу середовища в обох контурах теплообмінника.Цією ж обставиною можна пояснити і високе значення розрахункового коефіцієнта теплопередачі (k), яке за сприятливих умов може досягати 8 000 Вт/(м 2 х °C).

У разі застосування звичайних кожухотрубних теплообмінників величина коефіцієнта теплопередачі (k) не перевищить значення 2500 Вт/(м 2 х °C).

Важливими факторами мінімізації вартості теплообмінника є два параметри:

1. Втрати напору. Чим вище допустима величина втрат напору, тим менші розміри теплообмінника.

2. LMTD. Чим вище різниця температур рідин у першому та другому контурі, тим менші розміри теплообмінника.

Обмеження за тиском та температурою

Вартість пластинчастого теплообмінника залежить від максимально допустимих значень тиску та температури. Основне правило можна сформулювати наступним чином: чим нижче максимально допустимі значення робочих температури та тиску, тим менша вартість теплообмінника.

Забруднення та коефіцієнти

Допустиме забруднення може бути враховано у обчисленні через розрахунковий запас (M), тобто, за рахунок додаткового відсотка поверхні теплообміну або введення коефіцієнта забруднення (Rf), що виражається в таких одиницях, як (м 2 х °C)/Вт або (м 2 х год х °C)/ккал.

Коефіцієнт забруднення при розрахунку пластинчастого теплообмінника повинен братися значно меншим, ніж при розрахунку кожухотрубного теплообмінника. На це є дві причини.

Високатурбулентність потоку (k) означає менший коефіцієнт забруднення.

Конструкція пластинчастих теплообмінників забезпечує набагато більший ступінь турбулентності і, отже, більш високий тепловий коефіцієнт корисної дії (ккд), ніж це має місце у традиційнихкожухотрубні теплообмінники. Зазвичай коефіцієнт теплопередачі (k) пластинчастого теплообмінника (вода/вода) може становити від 6 000 до 7 500 Вт/(м 2 х °C), тоді як традиційні кожухотрубні теплообмінники за однакового застосування забезпечують коефіцієнт теплопередачі порядку лише 2 000–2 500 Вт/(м 2 х °C). Типове значення Rf, що зазвичай використовується в розрахунках кожухотрубних теплообмінників, дорівнює 1 х 10-4 (м 2 х ° C)/Вт. У цьому випадку використання значення k від 2000 до 2500 Вт/(м 2 х °C) дає розрахунковий запас (M = kc х Rf) близько 20–25 %. Щоб отримати таке ж значення обрахункового запасу (M) у пластинчастому теплообміннику з коефіцієнтом теплопередачі порядку 6 000–7 500 Вт/(м 2 х °C), треба взяти коефіцієнт забруднення, що дорівнює лише 0,33 х 10-4 (м 2 х °C)/Вт.

Відмінність у додаванні розрахункового запасу

При розрахунку кожухотрубних теплообмінників розрахунковий запас додається шляхом збільшення довжини труб за збереження витрати середовища через кожну трубу. При розрахунку пластинчастого теплообмінника такий же розрахунковий запас забезпечується за рахунок додавання паралельних каналів або зменшення витрати в кожному каналі. Це призводить до зниження ступеня турбулентності перебігу середовища, зменшення ефективності теплообміну та збільшення небезпеки забруднення каналів теплообмінника. Використання дуже великого коефіцієнта забруднення може призвести до підвищеної інтенсивності утворення відкладень.