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.
Подбор теплообменника
На основании произведенных расчетов, которые мы указали выше – на выходе получаем набор параметров и их значений, например, скорость течения воды в трубах, их диаметр, площадь теплообмена и т.д.
Далее переходим к подбору аппарата, который подходит под расчет. Произвести подбор модели теплообменника точно и быстро позволяет специальное программное обеспечение от ведущих производителей теплообменных аппаратов: Ридан, Alfa Laval, GEA и т.д. Инженеры используют самые современные версии такого ПО.
Если вы хотите углубиться в специфику подбора и расчета теплообменных аппаратов, то рекомендуем подписаться на наши новости и e-mail рассылку.
Если же вам необходимо подобрать теплообменный аппарат «здесь и сейчас», то заполните форму подбора ниже.
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:
- физических параметров текучей среды, в частности теплоемкости, теплопроводности, плотности, вязкости;
- условий омывания газом или жидкостью теплоотдающей поверхности, в частности скорости текучей среды, ее направления;
- пространственных условий, которые ограничивают поток (длина, диаметр, форма поверхности, ее шероховатости).
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 .
Расчет средней разности температур
Поверхность теплообмена рассчитывается при определении требуемого количества теплоэнергии посредством теплового баланса.
Расчет требуемой теплообменной поверхности осуществляется с использованием той же формулы, что и при расчетах, осуществляемых раннее:
Температура рабочих сред, как правило, изменяется при протекании процессов, связанных с теплообменом. То есть будет фиксироваться изменение разности температур вдоль теплообменной поверхности. Следовательно, рассчитывается средняя разница температур. Вследствие нелинейности изменения температур осуществляется расчет логарифмической разности
Противоточное движение рабочих сред отличается от прямоточного тем, что требуемая площадь теплообменной поверхности в данном случае должна быть меньше. Для вычисления разности температурных показателей при использовании в одном и том же ходу теплообменника и противоточного, и прямоточного потоков используется следующая формула
Основная цель проведения расчета заключается в вычислении требуемой площади теплообменной поверхности. Тепловая мощность задается в техническом задании, но в нашем примере мы произведем и ее расчет с той целью, чтобы проверить само техзадание. В некоторых случаях бывает и так, что в исходной информации может оказаться ошибка. Нахождение и исправление такой ошибки является одной из задач грамотного инженера. Использование подобного подхода очень часто связано со строительство небоскрёбов с целью разгрузки оборудования по давлению.
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.
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.
- Температура греющего носителя при входе t1 вх = 14 ºС;
- Температура греющего носителя при выходе t1 вых = 9 ºС;
- Температура нагреваемого носителя при входе t2 вх = 8 ºС;
- Температура нагреваемого носителя при выходе t2 вых = 12 ºС;
- Расход массы греющего носителя G1 = 14000 кг/ч;
- Расход массы нагреваемого носителя G2 = 17500 кг/ч;
- Нормативное значение удельной теплоемкости ср =4,2 кДж/кг‧ ºС;
- Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м 2 .
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 – 
= 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.
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.
Как рассчитать теплообменник для отопления
Расчет пластинчатого теплообменника
Сначала мы рассмотрим, какие бывают теплообменники, а потом рассмотрим формулы расчета теплообменников. И Таблицы различных теплообменников по мощностям.
Паяный теплообменник AlfaLaval — неразборный!
AlfaLaval — Разборный с резиновыми прокладками
Основное предназначение теплообменников такого типа — это мгновенная передача температуры от одного независимого контура — другому. Это дает возможность получить тепло от центрального отопления к своей независимой системе отопления. Также дает возможность получать горячее водоснабжение.
Существуют разборные и неразборные теплообменники! AlfaLaval
— Российского производства!
Паяный теплообменник AlfaLaval — неразборный!
В паяных теплообменниках из нержавеющей стали не нужны прокладки и прижимные плиты. Припой надежно соединяет пластины во всех точках контакта, что обеспечивает оптимальный КПД теплопередачи и высокое сопротивление давлению. Конструкция пластин рассчитана на длительный срок эксплуатации ППТ очень компактны, так как теплопередача происходит практически через весь материал, из которого они изготовлены. Они имеют небольшую массу и малый внутренний объем. Компания Альфа Лаваль предлагает широкий спектр аппаратов, которые всегда можно приспособить к конкретным требованиям заказчиков. Любые задачи, связанные с теплообменом, ППТ решают наиболее эффективным с экономической точки зрения способом.
