Навигация
О том, какие функции выполняет теплообменник и как его рассчитывают разбираем в статье.
Какие функции выполняет теплообменник
Теплообменный аппарат – отдельный тип оборудования в широком спектре конструкций, тепловой эффективности и технических решений. Разборные пластинчатые, кожухотрубные и кожухопластинчатые, неразборные паяные и сварные – вариантов очень много. Несмотря на это, все теплообменники принципиально выполняют одинаковую функцию – обеспечивают передачу тепла от нагретой к более холодной среде. Как правило, теплообмен производится без прямого контакта жидкостей или пара. В качестве своеобразных посредников и средств для разделения сред устанавливают пластины, со специальной рельефной штамповкой или трубы, размещенные в герметичном корпусе.
Существуют и комплексные решения заводского изготовления. Они представляют собой полностью укомплектованную компактную установку, готовую для быстрого подключения к технологической линии или инженерной системе отопления и горячего водоснабжения. Характерный пример такого решения – индивидуальный тепловой пункт (ИТП) Kelvion.
ИТП может быть типовым, разработанным производителем, но чаще всего установку рассчитывают и компонуют в соответствии с индивидуальными требованиями. Полнокомплектное оборудование включает один или несколько теплообменников, насосную группу, трубопроводы, устройства контроля и регулирования, а также прочие технические компоненты.
В зависимости от того, как работает аппарат для обеспечения теплового обмена, различают теплообменники обычного типа, где передача тепла не сопровождается другими процессами, конденсаторы и испарители. Соответственно, в двух последних устройствах происходят фазовые превращения среды: конденсация пара и испарение жидкости.
Метод расчета теплообменника для выбора модели
Главная характеристика теплообменного аппарата – тепловая производительность. Поэтому в расчетах теплообменников применяют уравнение теплопередачи. Оно выражает связь между тепловым потоком и площадью поверхности, обеспечивающей передачу тепла. Уравнение выглядит следующим образом:
Q = K · F · Δtср · Ƭ, где
- Q – тепловой поток, Вт
- К – коэффициент теплопередачи, Вт/м2*К
- F – площадь поверхности теплопередачи, м2
- Δtср – средний температурный напор или средняя разность температур двух теплоносителей, К
- Ƭ – время, в пределах которого определяется теплопередача, при непрерывном процессе этот параметр опускается
Средний температурный напор Δtср рассчитывают, исходя из соотношения разниц температур двух теплоносителей на входе и выходе из аппарата.
Уравнение теплопередачи, как правило, используют для определения требуемой площади поверхности теплопередачи. Для этого из него выражают параметр F. В свою очередь, для расчета теплового потока Q составляют тепловой баланс. Подставляя полученное значение Q в выражение, находят суммарную площадь поверхности, достаточную для передачи тепла.
Общая площадь теплопередачи – один из основных параметров, по которому выбирают теплообменный аппарат, поэтому его указывают в технических характеристиках устройства. Например, у пластинчатого теплообменника Kelvion VT130, площадь теплопередачи равна 3,78 м2, а у модели Kelvion NT50M она составляет всего 0,6 м2. Соответственно, версия VT130 обладает кратно большей тепловой эффективностью и устанавливается в местах, где нужны более производительные аппараты.
Преимущество разборных пластинчатых теплообменников состоит в максимальной гибкости. Это означает, что теплообменные пластины можно легко добавлять по мере необходимости, интегрируя их на рамную конструкцию. Вместе с тем каждая модель может содержать только определенное число пластинчатых элементов, поэтому увеличивать их количество бесконечно не получится.
Расчет теплообменника при его проектировании
Конструирование оборудования – сложный и трудоемкий процесс, который в настоящее время производится с использованием сертифицированных программ. Это ускоряет расчет, а также исключает ошибки, связанные с человеческим фактором. В целом при разработке теплообменных аппаратов используют три метода расчета:
- Конструктивный
- Технологический
- Прочностной
Ведущие производители теплообменных аппаратов имеют в своем арсенале собственное программное обеспечение, причем отдельно для разных областей применения. Так, как это реализовано у компании Kelvion Holding – международного разработчика, производителя и поставщика теплообменного оборудования. Кроме того, предприятие предлагает отдельные ПО для быстрого выбора модели, например, для центров обработки данных, систем ОВиК, охлаждения и других.
При проектировании новых теплообменников теплотехнический расчет может выполняться аналитическим или графоаналитическим методом. В отдельных случаях при расчете аппарата, его разбивают на несколько участков. Это связано с существенным изменением коэффициента теплопередачи по всей длине устройства.
Например, при сложной траектории движения теплоносителей, либо в случае большого изменения температуры жидкой среды. При разбиении длины на расчетные участки, увеличивается точность расчета. Такой расчетный метод получил название поинтервальный.
В процессе проектирования теплообменников также учитывают особенности эксплуатации оборудования. В частности, наличие переменных нагрузок, которые связаны с изменением скорости потока жидкости, температуры окружающей среды, разными рабочими режимами технологических установок, а также с другими причинами.
Во всех подобных ситуациях крайне важно учитывать характер изменения основных параметров, во избежание существенных отклонений от номинальных значений. С этой целью анализируют работу теплообменника по основным характеристикам и составляют уравнения динамики для последующего решения.