Главное условие стабильной, эффективной работы системы теплообмена — это подбор теплообменных агрегатов с учетом точного соответствия конкретным эксплуатационным и техническим требованиям. Ключевым фактором для такого подбора является расчет площади теплообменника.
Конечно, существуют определенные стандарты, с универсальными параметрами, по которым можно подобрать оборудование для своего объекта. Тем не менее, часто в этой сфере индивидуальный подход более чем оправдывает себя. Проведение измерений и расчетов по конкретным данным позволяет получить максимальную отдачу от системы теплообмена. Кроме того, подобные вычисления попросту необходимы, если речь идет о работе по техническому заданию со строго обозначенными параметрами.
Методика расчета теплообменника предполагает несколько этапов.
Определение количества теплоты
Уравнение передачи тепла, используемое для установившихся единиц времени и процессов выглядит следующим образом:
В данном уравнении:
- К — значение коэффициента теплопередачи (выражается в Вт/(м2/К));
- tср — средняя разность температурных показателей между разными теплоносителями (величина может даваться как в градусах по Цельсию (0С), так и в кельвинах (К));
- F — значение площади поверхности, для которой происходит теплообмен (значение дается в м2).
Уравнение позволяет описать процесс, в ходе которого происходит передача теплоты между теплоносителями (от горячего — к холодному). Уравнение учитывает:
- отдачу тепла от теплоносителя (горячего) к стенке;
- параметры теплопроводности стенки;
- отдачу тепла от стенки к теплоносителю (холодному).
Определение коэффициента теплопередачи
Для предварительных расчетов теплообменного оборудования и разного рода проверок применяют ориентировочные значения коэффициентов, стандартизированные для определенных категорий:
- коэффициенты теплопередачи для процесса конденсации паров воды — от 4000 до 15000 Вт/(м2К);
- коэффициенты теплопередачи для воды, движущейся по трубам — от 1200 до 5800 Вт/(м2К);
- коэффициенты теплопередачи от парообразного конденсата к воде — от 800 до 3500 Вт/(м2К).
Точный расчет коэффициента теплопередачи (К) производится по следующей формуле:
В данной формуле:
- α1 — коэффициент теплоотдачи для греющего теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
- α2 — коэффициент теплоотдачи для нагреваемого теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
- δст — параметр толщины стенок трубы (выражается в метрах);
- λст — коэффициент теплопроводности материала, использованного для трубы (выражается в Вт/(м*К)).
Такая формула дает «идеальный» результат, обычно несоответствующий на 100% реальному положению дел. Поэтому в формулу добавляется еще один параметр — Rзаг.
Это показатель термического сопротивления различных загрязнений, формирующихся на нагревающихся поверхностях трубы (т.е. обычной накипи и др.)
Формула для показателя загрязнения выглядит так:
В данной формуле:
- δ1 — толщина слоя отложений на внутренней стороне трубы (в метрах);
- δ2 — толщина слоя отложений на внешней стороне трубы (в метрах);
- λ1 и λ2 — значения коэффициентов теплопроводности для соответствующих слоев загрязнений (выражаются в Вт/(м*К)).
Методика расчета теплообменника (площади поверхности)
Итак, мы рассчитали такие параметры, как количество теплоты (Q) и коэффициент теплопередачи (K). Для окончательного вычисления дополнительно потребуется разность температур (tср) и коэффициент теплоотдачи.
Итоговая формула расчета теплообменника пластинчатого (площади теплопередающей поверхности) выглядит так:
В данной формуле:
- значения Q и K описаны выше;
- значение tср (средняя разность температур) получают по формуле (среднеарифметической либо среднелогарифмической);
- коэффициенты теплоотдачи получают двумя способами: либо с помощью эмпирических формул, либо через число Нуссельта (Nu) с использованием уравнений подобия.
Расчет поверхности теплообмена
Для установившихся процессов и временных единиц уравнение передачи тепла описывается так:
где нем К – является коэффициентом передачи тепла и измеряется в Вт/(м2/К); tср – средняя разность теплот между носителями тепла, величина может измеряться как в Кельвинах, так и в градусах по Цельсию;
F – площадь поверхности обмена теплоты, измеряемая в квадратных метрах.
В свою очередь, проведя необходимые математические преобразования, можно определить поверхность теплообмена, зная количество теплоты, разность теплот и коэффициент отдачи теплоты.
Уравнение описывает процесс отдачи тепла от горячего носителя теплоты холодному с учетом отдачи тепла от горячего носителя теплоты к стенке, проводимости тепла к стенке и отдачи тепла от стенки к более холодному носителю теплоты.
Если в качестве примера взять задачу на теплообмен, реферат с подробным решением которой можно найти в глобальной сети на различных специализированных ресурсах, то можно понять, что в проверочных, а также в предварительных расчетах зачастую применяют приблизительные значения постоянных величин отдачи теплоты. При конденсации пара от -4 тысячи до 15 тысяч Вт, для воды, циркулирующей в трубах – от минус 1,2 тысяч до 5,8 тысяч Вт, для отдачи теплоты от конденсирующегося пара к воде – от 800 до 3,5 тысяч Вт.
Выполняя расчет площади теплообмена для подогревателей и теплообменников, которые используются на тепловых электростанциях, по всем известной формуле для плоской стенки можно вычислить общий коэффициент отдачи теплоты К:
где α1 и α2 − константы отдачи тепла со стороны подогревающего и подогреваемого теплоносителя, Вт / (м2*К);
δст − толщина стенки трубки, м; Здесь надо учитывать гладкая она или оребренная труба;
λст – константа проводимости материала трубки, Вт / (м*К).
С учетом реальных условий применения в расчет поверхности теплообмена включают и величину термического сопротивления загрязнению, которое откладывается на нагреваемых поверхностях трубы. Это может быть коррозия, накипь, известковые отложения и т.п.
Эта величина рассчитывается исходя из толщины слоев грязи с наружно и внутренней поверхности трубы. Константы теплопроводности слоев загрязнений измеряются в Вт/(м*К) и обозначаются как δ1 и δ2.
Само термическое сопротивление загрязнению рассчитывается по формуле:
R = δ1 / λ1 + δ 2 / λ2
Формула расчета теплообменника имеет вид:
При этом среднюю разность теплот можно вычислить по среднеарифметической либо средней логарифмической формуле. Коэффициент отдачи теплоты высчитывается по уравнениям подобия через Nu либо по эмпирическим формулам. О том, как высчитать количество теплоты, можно прочитать в предыдущем материале.
Практическое применение теплового расчета теплообменника
В нашем производстве теплообменных аппаратов знание поверхности теплообмена играет решающую роль. Допустим заказчик просит сделать теплообменник и указывает конкретную площадь, у него имеется старый аппарат. Все! Аппарат готов, остается только его собрать, это технические вопросы. Поэтому тепловой расчет теплообменника решает решающую роль и позволяет сделать правильный подбор аппарата.
Не много сложнее когда поверхности нет. Тогда уже поможет только тепловой расчет, главная цель которого определить эту самую поверхность. И когда она есть можно считать, что теплообменник уже готов. Нужно лишь определиться с расположением камер, корпуса, движением теплоносителем, какую трубку использовать гладкую, с профильной навивкой или оребренную. Какие материалы использовать: медные и латунные трубы, трубы из нержавеющей стали гостовские или ТУ-е или сталь черный металл. Можно почитать материал теория и практика расчета теплообменного аппарата, а так же материалы для производства теплообменников.
Еще раз отмечу, чтоб сделать теплообменник нужно знать главное поверхность теплообмена!
На этом я заканчиваю, а вы можете ознакомиться с оборудованием нашего производства.
Кроме того мы занимаемся тем, что изготавливаем охлаждение силовых трансформаторов, как водяное, так и воздушное, пример маслоохладитель одц-160у1.
Помимо теплообменников, мы так изготавливаем принудительное охлаждение электродвигателя и мотор редуктора заводского исполнения.
Материал по рубрике
Всем солнца, хорошего настроения и заказывайте теплообменники на Уральском заводе МеталлЭкспортПром!
Расчет поверхности теплообменника
Как рассчитать площадь теплообменника.
Что бы её определить используется следующая формула расчета теплообменника, т.е. его поверхности:
K – это коэффициент ( коэф-т) теплопередачи, t_ср – общая средняя разность температур между близлежащими теплоносителями, а F – площадь теплообмена в метрах квадратных.
Данное уравнение рассчитывает площадь пов-ти, которая непосредственно принимает участие в передаче тепла от горячей поверхности к холодной. Теплоотдачу от источника тепла к стенке так же необходимо учитывать, её теплопроводность и уровень теплоотдачи от неё к холодному теплоносителю.
Во время проведения предварительных/проверочных расчетов для простоты расчетов применяют относительные ( не точные) значения коэф-та теплопередачи. В них используются величины конденсации водяного пара – от 4000 до 15 000 Вт/ ( м^2К), если вода проходит через трубу, то – от 1200 до 5800 Вт/ ( м^2К), для определения теплопередачи пара к воде – K=800-3500 Вт/ ( м^2К).
Выполняя расчет поверхности теплообменника для ТЭЦ, этот коэф-т рассчитать проблематично, поэтому определение коэф-та K, для большей точности производится следующим образом:
K=1/ (1 /α_1 +δ /λ_ст +1/α_2)
α_ (1 ,2) — это показатели коэф-та теплоотдачи греющего и греемого теплоносителя Вт/ ( м^2*К),δ_ ( ст.) — размер толщины стенки трубы в метрах,λ_ ( ст.) – коэф-т теплопроводности используемого материала трубы Вт/ ( м*К). Помимо всего прочего необходимо учесть показатель термического сопротивления загрязнений ( накипи и др.), скапливающихся на пов-ти — R_заг, который рассчитывается следующим образом:
R_заг =δ_1/λ_1 +δ_2/λ_2
δ_ (1 ,2) — загрязнения ( толщина его слоя) изнутри и снаружи трубки в метрах
λ_ (1 ,2) — коэффициент его теплопроводности, Вт/ ( м*К)
Что бы произвести расчет теплообменника, его площади используется формула:
Как рассчитать или откуда взять показатели Q и K сказано чуть ранее. Показатель разницы температур (t_ ср) – рассчитывается при помощи средне — логарифмичной или арифметической формулам. K ( коэффициент теплоотдачи) – так же необходимо рассчитывать отдельно по эмпирическим формулам или при помощи числа Нуссельта (Nu ), используя уравнения подобия.