Jak vypočítat výkon tepelného výměníku?

Chcete-li vypočítat typ výměníku tepla, musíte zadat počáteční údaje:

• Druh média (voda-voda, pára-voda, olej-voda);
• Tepelná zátěž (Gcal/h) nebo výkon (kW);
• Střední teplota na vstupu do výměníku °C na teplé a studené straně;
• Výstupní teplota °C na teplé a studené straně;
• Hmotnostní průtok média (t/h), pokud není známé tepelné zatížení.

Kde mohu získat zdrojová data?

Data můžete vzít pro výpočet:

• na základě dohody s organizací zásobování teplem;
• z technických podmínek (TS) vydaných organizací zásobování teplem;
• z technických specifikací (TOR) od hlavního inženýra nebo technologa.

Jak dlouho výpočet trvá?

Na základě získaných dat bude proveden softwarový výpočet výměníku. Obchodní nabídku s cenou a technickou kalkulací Vám zašleme do 24 hodin.

Výkon

Výpočet deskového výměníku vyžaduje 100% pochopení provozního procesu zařízení a vysoce specializované znalosti. Proto je lepší svěřit výpočetní práci profesionálům ze skupiny společností Atis. Kontaktujte nás pro podrobnosti.

Pomocí těchto odkazů se můžete dozvědět více o fyzikálním procesu výpočtu deskových výměníků tepla ao hlavních konstrukcích během výpočtů.

Výběr efektního designu

Skupina společností Atis vybavuje průmyslová zařízení, obytné budovy a veřejná místa zařízeními pro výměnu tepla. Výrobky jsou vyráběny s ohledem na fyzikální vlastnosti materiálů a chladicích kapalin. Hotová zařízení jsou optimální z hlediska poměru nákladů na energii a účinnosti.

Charakteristika výměníků tepla podle typu

1. Výměník tepla “trubka v potrubí”. V systémech zásobování teplem, kde se předpokládá nízká spotřeba energie, se používá dvoutrubkové provedení. „Trubka v potrubí“ není nic jiného než ohřívač vyrobený z trubek různých průměrů. Množství materiálu se odebírá z výpočtu výměníku tepla tak, aby celková plocha vnějšího produktu nebyla větší než 20 m2. Průtokový úsek trubek musí zajistit volný průchod chladicí kapaliny pro maximálně efektivní přenos energie.

Konstrukce „pipe-in-pipe“ se vyrábí ve dvou modifikacích. Jsou buď skládací, nebo nerozebíratelné. Druhý typ má vysokou úroveň tuhosti a těsnosti. Tyto úpravy nelze použít při energetických teplotách nad 70 stupňů: je možná deformace trubek.

Skládací konstrukce si zachovávají své vlastnosti za jakýchkoli podmínek a lze je v případě potřeby snadno demontovat nebo rozšířit. Hlavní výhodou konstrukce je minimální odpor procházejícímu toku energie.

Výměník tepla je účinný v systémech, ve kterých je nutné zajistit ohřev nebo rychlé chlazení chladivem, které nemění svůj stav agregace. Například voda nebo plyn v uzavřeném okruhu.

2. Deskové výměníky tepla. Ke zvýšení účinnosti dochází díky přidání kovových desek, které se hodí kolem přívodu vody. Zvětší se celková teplosměnná plocha, což značně zvýší účinnost vytápění nebo chlazení.

Zařízení se skládá z rámu – základny pro uchycení systému desek. Každá „závěs“ je připevněna jednou stranou k pevné desce a druhou stranou k pohyblivé. Během provozu můžete změnit vzdálenost mezi deskami: posouvat je nebo je od sebe oddalovat, a tím měnit výkon.

Pokud je typ „pipe-in-pipe“ rozšířen o další sekce trubek pro zvýšení výkonu, pak v případě deskových výměníků tepla je možné zvětšit aktivní plochu desek bez vypnutí trasy a demontáže celou strukturu. Celková velikost teplosměnné plochy může dosáhnout 800 m2. Během údržby můžete také vyčistit všechny desky a vnitřní části.

3. Spirálové výměníky tepla. Plochu pro výměnu tepla v nich představují kroucené ocelové pásy. Mezi deskami jsou vytvořeny kanály, kterými chladivo cirkuluje. Celková aktivní plocha může dosáhnout 100 m2. Teplotní rozsah: od 20 C° do -200 C°. Zařízení mohou pracovat s médii, jejichž struktura obsahuje pevné frakce.

Pro vybavení různých místností se používají různé typy konstrukcí topných zařízení. Nelze říci, že jakýkoli typ zařízení je stejně vhodný pro všechny budovy. Nejlépe se však osvědčily právě deskové výměníky – vysoce účinné a nenáročné na údržbu.

Výběr vybavení

Úlohy, které lze řešit pomocí výměníků tepla, jsou velmi rozmanité. Může to být ohřívání vzduchu v místnosti, snižování teploty chladicí kapaliny nebo nucení ke kondenzaci. Při výběru designu zvažte:

• Požadovaná aktivní plocha.
• Rozsah pracovních teplot.
• Tlakový režim, při kterém si všechny materiály produktu zachovají své vlastnosti.
• Odolnost vůči agresivnímu prostředí a složení chladicí kapaliny.

Hlavním cílem výpočtu deskového výměníku je vymodelovat konkrétní konstrukci tak, aby splňovala požadavky místa provozu a požadovaný výkon. Inženýr vypočítá: způsob pohybu nosiče energie, jeho teplotu, optimální poměr účinnosti k nákladům.

Výpočet obvykle spočívá v porovnání každého typu výměníku tepla pro specifické podmínky. Používáme deskové konstrukce, které jsou ve většině ohledů lepší než jejich analogy. Pro výpočet ekonomické, tepelné a hydraulické složky je vhodné rozdělit výpočet do několika fází. Po obdržení výsledků jsou data analyzována, návrh je upraven a finalizován.

Výchozími údaji pro výpočet jsou měrný průtok chladiva (procesní voda, toluen), počáteční a koncová teplota média. Pokud některé hodnoty chybí, jsou vypočteny pomocí rovnice tepelné bilance. Pokud je chladicí kapalina známá, při výpočtech se berou v úvahu její fyzikální vlastnosti. Pro výpočet budete potřebovat také rozměry potrubí, desek a dalších částí výměníku.

Předběžné a přibližné výpočty

Přibližné výpočty nám umožňují formulovat závěr o spotřebě energie a minimální požadované pracovní ploše. K tomuto účelu se používají normativní údaje z referenčních knih.

Po těch přibližných se provádějí podrobné výpočty pomocí termodynamických vzorců a modelovacích rovnic. Data jsou získávána metodou postupných aproximací. Uvedené hodnoty vedou k výsledku, kdy rozdíl mezi počáteční teplotou chladicí kapaliny uvnitř a vně výměníku tepla bude minimální při ohřevu a naopak maximální při chlazení.

V praxi obvykle stačí tři aproximace. Výsledná plocha tepelného výměníku nám umožní simulovat konstrukční parametry zařízení a počet sekcí.

Výměník tepla – Jedná se o zařízení, které zajišťuje přenos tepla mezi prostředími, která se liší teplotou. Pro zajištění toků tepla různého množství jsou navržena různá zařízení pro výměnu tepla. Mohou mít různé tvary a velikosti v závislosti na požadovaném výkonu, ale hlavním kritériem pro výběr jednotky je její pracovní plocha. Stanovuje se pomocí tepelných výpočtů výměníku tepla při jeho vzniku nebo provozu. Výpočet může být konstrukčního (konstrukčního) nebo zkušebního charakteru. Konečným výsledkem návrhového výpočtu je určení teplosměnné plochy potřebné k zajištění stanovených tepelných toků. Ověřovací výpočet naopak slouží ke stanovení konečných teplot pracovních chladicích kapalin, tedy tepelných toků pro dostupnou teplosměnnou plochu. V souladu s tím se při vytváření zařízení provádí návrhový výpočet a během provozu se provádí ověřovací výpočet. Oba výpočty jsou totožné a ve skutečnosti jsou reciproční.

Základy tepelných výpočtů výměníků tepla

• Q – velikost tepelného toku, W;
• F – pracovní plocha, m2;
• k – součinitel prostupu tepla;
• Δt je rozdíl mezi teplotami nosičů na výstupu do zařízení a na výstupu z něj. Množství se také nazývá teplotní rozdíl.

Jak vidíte, hodnota F, která je cílem výpočtu, je určena přesně pomocí rovnice prostupu tepla. Odvoďme vzorec pro určení F:

Rovnice tepelné bilance zohledňuje konstrukci samotného zařízení. Když se na to podíváte, můžete určit hodnoty t1 a t2 pro další výpočet F. Rovnice vypadá takto:

• G₁ a G₂ – spotřeba hmotností topných a topných médií, resp. kg/h;
• c_p1 a c_p2 – měrná tepelná kapacita (přijatá podle standardních údajů), kJ/kg‧ ºС.

V procesu výměny tepelné energie nosiče mění své teploty, to znamená, že každý z nich vstupuje do zařízení při jedné teplotě a odchází při jiné. Tyto hodnoty (t₁ v ;t₁ výstup a t₂ v ;t₂ out) jsou výsledkem ověřovacího výpočtu, se kterým se porovnávají skutečné teplotní ukazatele chladicích kapalin.

Současně jsou velmi důležité součinitele prostupu tepla nosných médií a také konstrukční vlastnosti jednotky. Při podrobných konstrukčních výpočtech se vypracovávají schémata výměníků tepla, jejichž samostatným prvkem je průtokový diagram chladicích kapalin. Složitost výpočtu závisí na změně součinitelů prostupu tepla k na pracovní ploše.

Aby byly tyto změny zohledněny, rovnice přenosu tepla má diferenciální tvar:

Údaje, jako jsou koeficienty prostupu tepla nosičů, stejně jako typické rozměry prvků při návrhu zařízení nebo při ověřovacích výpočtech, jsou zohledněny v příslušných regulačních dokumentech (GOST 27590).

Příklad výpočtu

Pro větší názornost uveďme příklad konstrukčního výpočtu prostupu tepla. Tento výpočet má zjednodušenou formu a nebere v úvahu tepelné ztráty a konstrukční vlastnosti výměníku tepla.

• Teplota topného média na vstupu t₁ in = 14 °С;
• Teplota topného média na výstupu t₁ ven = 9 ºС;
• Teplota ohřívaného média na vstupu t₂ in = 8 °С;
• Teplota ohřívaného média na výstupu t₂ ven = 12 ºС;
• Hmotnostní spotřeba topného média G₁ = 14000 kg/h;
• Hmotnostní spotřeba vyhřívaného nosiče G₂ = 17500 kg/h;
• Standardní hodnota měrné tepelné kapacity s_р =4,2 kJ/kg‧ºС;
• Součinitel prostupu tepla k = 6,3 kW/m2.

1) Určíme výkon tepelného výměníku pomocí rovnice tepelné bilance:

Qin = 14000‧4,2‧(14 – 9) = 294000 kJ/h

Qout = 17500‧4,2‧(12 – 8) = 294000 kJ/h

Qin = Qout. Podmínky tepelné bilance jsou splněny. Výslednou hodnotu převedeme na měrnou jednotku W. Za předpokladu, že 1 W = 3,6 kJ/h, Q = Qin = Qout = 294000/3,6 = 81666,7 W = 81,7 kW.

2) Určete hodnotu tlaku t. Je určeno vzorcem:

3) Určíme teplosměnnou plochu pomocí rovnice pro přenos tepla:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 m2.

Při provádění výpočtu zpravidla nejde vše hladce, protože je nutné vzít v úvahu všechny druhy vnějších a vnitřních faktorů, které ovlivňují proces výměny tepla:

• vlastnosti konstrukce a provozu zařízení;
• ztráta energie během provozu zařízení;
• koeficienty prostupu tepla tepelných nosičů;
• rozdíly v práci na různých částech plochy (diferenciální charakter) atp.

Můžete nezávisle provést tepelný výpočet na základě výše uvedených rovnic a získat výsledek ve formátu pdf (v polích „Přípustné ztráty“, „Výpočtový tlak“ a „Tmax“ můžete zadat libovolné údaje, jediné omezení je: Tmax > t1).

DŮLEŽITÉ: Pro co nejpřesnější a nejspolehlivější výpočet musí inženýr pochopit podstatu procesu přenosu tepla z jednoho tělesa do druhého. Měl by mu být také co nejvíce poskytnuta potřebná normativní a vědecká literatura, protože na základě mnoha veličin byly vypracovány příslušné normy, které musí odborník dodržovat.

Závěry

Co získáme výsledkem výpočtu a jaké je jeho konkrétní použití?

Řekněme, že firma obdrží zakázku. Je nutné vyrobit tepelné zařízení s danou teplosměnnou plochou a výkonem. To znamená, že podnik nestojí před otázkou velikosti zařízení, ale před otázkou materiálů, které poskytnou požadovaný výkon s danou pracovní plochou.

K vyřešení tohoto problému se provádí tepelný výpočet, to znamená, že jsou určeny teploty chladicích kapalin na vstupu a výstupu zařízení. Na základě těchto údajů jsou vybírány materiály pro výrobu prvků zařízení.

V konečném důsledku lze říci, že pracovní plocha a teplota média na vstupu a výstupu aparatury jsou hlavními vzájemně souvisejícími ukazateli kvality výměníku tepla. Po jejich určení pomocí tepelného výpočtu bude inženýr schopen vyvinout základní řešení pro návrh, opravy, řízení a údržbu výměníků tepla.

V příštím článku se podíváme na účel a vlastnosti mechanického výpočtu výměníku tepla, proto se přihlaste k odběru našeho e-mailového zpravodaje a novinek na sociálních sítích, abyste oznámení nepromeškali.