Расчет пластинчатого теплообменника

Пластинчатые теплообменники переносят тепловую энергию между разными средами. Теплообменная поверхность этих аппаратов — пакет тонких металлических пластин. Эти пластины образуют каналы, по которым проходит теплоноситель (чаще всего, вода).

Без теплообменника невозможно обустроить эффективную систему автономного теплоснабжения. Чтобы обеспечить нормальное функционирование системы, необходимо правильно произвести тепловой расчет.

Какие данные нужны для расчета

• Вид теплообменных сред (например, пар-вода, вода-вода или масло-вода);
• Тепловая нагрузка (Гкал/ч) или мощность (кВт), массовый расход среды (если неизвестна тепловая нагрузка) — эти параметры отражают пропускную способность оборудования.
• Температура среды на входе в теплообменник и на выходе из него (по горячей и по холодной стороне).

Также расчета пластинчатого теплообменника потребуются данные из технических условий (ТУ), которые предоставляет теплоснабжающая организация. Нужно учесть максимально допустимую рабочую температуру и давление среды — чем эти параметры ниже, тем оборудование, как правило, дешевле.

Принцип расчета

Чтобы рассчитать общий массовый расход, нужно умножить объем пропускной способности на плотность рабочей среды. Плотность зависит от температуры теплоносителя. Например, для холодной воды из центральной системы этот показатель составляет 0.99913.

1. Тепловая мощность (Р, кВт).

Показатель тепловой нагрузки — это отданное оборудованием количество тепла. Рассчитаем ее с помощью формулы

P = m×cp×δt

где m — расход среды, cp — удельная теплоемкость, δt — разница температур на входе и выходе одного контура (t1 – t2).

1. Дополнительные характеристики

Чтобы выбрать материал пластин, нужно знать вязкость и тип рабочей среды. Средний температурный напор считают по формуле ΔT1 – ΔT2/(In ΔT1/ ΔT2)

где ΔT1 = T1(температура на входе горячего контура) – T4(выход горячего контура) и ΔT2 = T2 (вход холодного контура) – T3 (выход холодного контура)

Тепловой расчет

Обязательные данные, которые должны быть известны при техническом расчете, — физико-химические свойства, расход теплоносителя и температура (начальная и конечная). Если один из параметров неизвестен, его определяют путем теплового расчета.

Рассмотрим пример общего расчета.

В аппарате теплообменника тепловая энергия циркулирует от одного потока к другому. Это происходит в процессе нагрева или охлаждения.

Q = Qг = Qх

Q – объем теплоты, который передает или принимает теплоноситель [Вт].

Отсюда:

Qг = Gг×cг×(tгн – tгк) и Qх = Gх×cх×(tхк – tхн)

где:

Gг, Gх — расход горячего и холодного теплоносителей [кг/ч];

сг, cх — теплоемкость горячего и холодного теплоносителей [Дж/кг×град];

tгн, tхн — начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

tгк, tхк — конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

Учтите, что количество тепла на выходе и и входе зависит от состояния теплоносителя. Если оно стабильно, для расчета берем формулу, приведенную выше.

Если хотя бы один из теплоносителей меняет агрегатное состояние, используем другую формулу:

Q = Gcп×(tп – tнас)+ Gr + Gcк×(tнас – tк)

где:

r — теплота конденсации [Дж/кг];

сп, cк — удельные теплоемкости пара и конденсата [Дж/кг•град];

tк — температура конденсата на выходе из аппарата [°C].

Если конденсат не охлаждается, первый и третий член из правой части формулы исключаем. Получим:

Qгор = Qконд = Gr

Определяем расход теплоносителя:

Gгор = Q/(cгор×(tгн – tгк)) или Gхол = Q/(cхол×(tхк – tхн))

Формула расхода при нагреве паром:

Gпара = Q/ Gr

где:

G – расход теплоносителя [кг/ч];

Q – количество теплоты [Вт];

сгор и cхол – удельная теплоемкость теплоносителей [Дж/кг•град];

r – теплота конденсации [Дж/кг];

tгн, tхн – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

tгх, tхк – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C].,

Когда поток проходит через теплоносители, меняется его температура, а значит, и показатели разницы температур. Удобнее всего для подсчета использовать среднестатистическое значение.

Разницу температур можно высчитать с помощью среднелогарифмического:

∆tср = (∆tб – ∆tм) / ln (∆tб/∆tм)

где:

∆tб, ∆tм – большая и меньшая средняя разность температур теплоносителей на входе и выходе из аппарата.

При перекрестном и смешанном токе теплоносителей разницу считают по той же формуле, но с поправочным коэффициентом:

∆tср = ∆tср×fпопр.

Коэффициент теплопередачи может быть определен следующим образом:

1/k = 1/α1 + δст/λст + 1/α2 + Rзаг

где:

δст – толщина стенки [мм];

λст – коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м•град];

α1, α2 – коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней стороны стенки [Вт/м2•град];

Rзаг – коэффициент загрязнения стенки.

Конструктивный расчет

Конструктивный расчет может быть подробным и ориентировочным.

Ориентировочный предназначен для определения поверхности теплообменника, размера его проходного сечения, поиска приближенных коэффициентов значения теплообмена. Последние можно найти в справочных материалах.

Ориентировочный расчет поверхности теплообмена производят по следующим формулам:

F = Q/ k•∆tср [м2]

Размер проходного сечения теплоносителей определяют из формулы:

S = G/(w•ρ) [м2]

где:

G – расход теплоносителя [кг/ч];

(w•ρ) – массовая скорость потока теплоносителя [кг/ м2•с]. Скорость потока зависит от типа теплоносителей:

По результатам конструктивного ориентировочного расчета выбирают теплообменники, которые полностью подходят для требуемых поверхностей. Количество теплообменников может быть различным. После выбора оборудования производят подробный расчет с заданными условиями.

Гидравлический расчет

Когда среда движется внутри теплообменного оборудования, снижается напор: каждый аппарат имеет собственное гидравлическое сопротивление.

Определить гидравлическое сопротивление можно по формуле

∆Рп = (λ×(l/d) + ∑ζ) × (ρw2/2)

где:

∆pп – потери давления [Па];

λ – коэффициент трения;

l – длина трубы [м];

d – диаметр трубы [м];

∑ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

ρ – плотность [кг/м3];

w – скорость потока [м/с].

Выполнить расчет теплообменника можно в этой форме.