Определение запаса теплообменной поверхности и продолжительности межпромывочного периода пластинчатого водонагревателя для гвс. Рекомендации по подбору пластинчатых теплообменников

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.

Паровой котел на ТЭЦ или котельной.
Сетевой теплообменник.
Циркуляционный насос.
Теплообменник системы горячего водоснабжения.
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

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.

Купленов Н.И. к.т.н., Мотовицкий С.В. аспирант
Тульский государственный университет

Благодаря своим достоинствам разборные пластинчатые водонагреватели (ПВН) активно вытесняют из отечественных систем теплоснабжения традиционные трубчатые теплообменники. Обеспечивая в несколько раз более высокий начальный коэффициент теплопередачи по сравнению с трубчатыми, эти теплообменники, однако гораздо «чувствительнее» к влиянию отложений накипи, термическое сопротивление которой более резко уменьшает теплопередачу .

При высоком содержании накипеобразующих солей и продуктов коррозии в воде, характерном для большинства регионов РФ, расчетный режим работы ПВН быстро нарушается, уменьшение коэффициента теплопередачи компенсируется повышением температуры греющего теплоносителя или его расхода. На практике это не всегда возможно, поэтому в подавляющем большинстве случаев необходима промывка.

Для компенсации постепенного уменьшения коэффициента теплопередачи необходим запас поверхности теплообмена ∆F.

Отечественная практика заказов ПВН по опросным листам заимствована из зарубежной без учета собственного опыта т.е. запас теплообменной поверхности или отсутствует или составляет 2-10% от расчетной чистой поверхности F 0 .

Из опыта эксплуатации скоростных водонагревателей известно, что вследствие низкого качества противонакипной обработки водопроводной воды коэффициент теплопередачи уменьшается достаточно быстро. Так, по данным при среднем качестве воды в ЦТП г. Москвы за 4 месяца эксплуатации он уменьшился на 45-50%. Из этого следует, что при неизменных начальных температурах теплоносителей требуемая температура нагрева воды может быть обеспечена лишь при 100% - ном запасе по сравнению с расчетной величиной теплообменной поверхности.

Недостаточная величина запаса ∆F обусловит короткий межпромывочный период и необходимость частой промывки водонагревателя; завышенная величина ∆F уменьшит количество промывок, но одновременно возрастут первоначальные затраты на ПВН.

Известно, что стоимость пластинчатых водонагревателей составляет основную долю затрат на оборудование теплового пункта, в то же время и затраты на химическую промывку, как показывает опыт , тоже значительны. Поэтому экономически оправдано определение поверхности теплообмена с учетом фактической интенсивности накипеобразования и необходимости ее регулярной промывки.

Основа методики такого определения заключается в обеспечении минимума годовых затрат на амортизацию запаса поверхности теплообмена ∆F и затрат на регулярную промывку водонагревателя; это условие выполняется равенством затрат

где - коэффициент амортизации ПВН, %/100; , - стоимость 1м 2 теплообменной поверхности и затрат на промывку, руб./м 2 ; - расчетная поверхность теплообмена при отсутствии накипи, м 2 ; , - продолжительность межпромывочного периода и годовой эксплуатации ПВН, сут.

При заданных начальных температурах и расходах теплоносителей, требуемый коэффициент эффективности нагрева воды при уменьшении коэффициента теплопередачи от образующейся накипи будет обеспечиваться выполнением условия

(2)

где , - коэффициенты теплопередачи при отсутствии накипи и при ее появлении.

Термическое сопротивление теплопередаче

(3)

где , - термическое сопротивление теплопередачи при чистой поверхности и термическое сопротивление слоя накипи.

После подстановки (3) в уравнение (2) получим

(5)

Подстановкой (5) в уравнение (1а) получим

Интенсивность накипеобразования определяется качеством воды, температурным и гидравлическим режимами работы ПВН. В конце межпромывочного периода сопротивление слоя накипи толщиной в соответствии с принятой математической моделью может быть рассчитано по уравнению:

где , - скорости образования и смыва накипи; - коэффициент теплопроводности накипи.

По литературным данным и выполненным исследованиям

где , - экспериментальные константы, - концентрация накипеобразующих солей в воде, кг/м 3 ; - касательное напряжение на поверхности накипи, Па; - температура воды, ˚С.

Термическое сопротивление удобно выразить в виде

где - соотношение скоростей нагреваемого «холодного» и греющего теплоносителей; - скорость холодного теплоносителя; - комплекс величин, характеризующих теплофизические характеристики теплоносителя и конструктивные особенности пластины ПВН; - термическое сопротивление стенки пластины.

Уравнение (6) после подстановки в него (7) и (10) в своей правой и левой части содержит одну неизвестную величину - продолжительность межпромывочного периода - и позволяет при заданных исходных данных определить ее целесообразное значение.

Основными экономическими факторами, определяющими величину , является стоимость 1м 2 теплообменной поверхности , и затраты на промывку , руб./м 2 .

На рис.1 приведены результаты расчетов экономически целесообразной продолжительности межпромывочного периода при скорости нагреваемого теплоносителя ω х = 0,4 м/с в зависимости от определяющих величин.

Рис.1 Зависимость экономически целесообразных относительной величины запаса теплообменной поверхности ∆F/F 0 и продолжительности межпромывочного периода τ мпр пластинчатого водонагревателя для горячего водоснабжения

Примечание:

1)Расчет производился при ω х = 0,4 м/с для пластин типа М10-BFG.

2)Исходные данные:

С=0,00357 кг/м 3 ; а м =0,19; λ н =1,05 Вт/(м·˚С); =12,7·10 -10 ; А=13374.

С повышением удельной стоимости промывки теплообменной поверхности экономически целесообразный межпромывочный период увеличивается, и приведенные зависимости позволяют получить количественную оценку продолжительности этого периода.

С другой стороны, при высокой стоимости теплообменника, что имеет место при уменьшении площади единичной пластины, величина экономически целесообразного запаса теплообменной поверхности уменьшается, конкретные величины определяющих факторов и зависимых от них величин приведены на графиках. Из этих данных следует, в частности, что для обеспечения требуемого температурного режима горячего водоснабжения даже при умеренной жесткости водопроводной воды и ежемесячной промывке запас теплообменной поверхности должен быть не менее 60% по сравнению с ее величиной при безнакипном режиме работы.

Заметим, что сопутствующее образованию накипи возрастание гидравлического сопротивления ПВН при экономически целесообразных продолжительностях межпромывочного периода несущественно, поскольку в среднем проходное сечение межпластинчатых каналов уменьшается на 4-8%.

Литература

1. Жаднов О.В. "Пластинчатые теплообменники - дело тонкое"// "Новости теплоснабжения" -2005.,-N 3.-c.39-53.

2. Чернышев Д.В. "Прогнозирование накипеобразования в пластинчатых водонагревателях для повышения надежности их работы" Дисс. к.т.н.05.23.03.- Тула, 2002. - 199с.

3. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. -М.: Машиностроение, 1989.

4. Чистяков Н.Н. и др. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. М., Стройиздат, 1988.

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.