+7 (495) 665-69-45
Москва,
Остаповский проезд, дом 5, стр. 1, оф. 151-172
БЦ "Контакт"

Формула расчета

Метод расчета

Чтобы решить задачу теплообмена, необходимо знать значение нескольких параметров. Зная их, можно определить другие данные. Самыми важными представляются шесть параметров, которые приводятся ниже.


• Количество тепла, которое должно быть передано (тепловая нагрузка или мощность).


• Температура на входе и выходе на стороне первого и второго контура теплообменника.


• Максимально допустимые потери напора на стороне первого и второго контура.


• Максимальная рабочая температура.


• Максимальное рабочее давление.


• Расход среды на стороне первого и второго контура.

 

Если расход среды, удельная теплоемкость и разность температур на одной стороне контура известны, можно рассчитать величину тепловой нагрузки.

 

Температурная программа

Этот термин означает характер изменения температуры среды обоих контуров между ее значениями на входе в теплообменник и выходе из него.


T1 = Температура на входе – горячая сторона


T2 = Температура на выходе – горячая сторона


T3 = Температура на входе – холодная сторона


T4 = Температура на выходе – холодная сторона


Тепловая нагрузка


Если не учитывать потери тепла в окружающую среду, которыми можно пренебречь, правомерно утверждать, что количество тепла, отданное одной стороной пластинчатого теплообменника (тепловая нагрузка), равно количеству тепла, полученному другой его стороной. Тепловая нагрузка (P) выражается в кВт или ккал/ч.

Вид температурной программы показан на приведенном ниже графике.

View the embedded image gallery online at:
http://alfa-laval.ru/formula-rascheta#sigProIdbc22890abc

 

 

Средний логарифмический температурный напор

Средний логарифмический температурный напор (LMTD) является эффективной движущей силой теплообмена (см. график слева).

 

 

 

Термическая длина

Термическая длина канала или тета- параметр (Θ) является безразмерной величиной и представляет собой соотношение между разностью температур (δt) на одной стороне теплообменника и его LMTD.

Θ = δt/LMTD

Термическая длина характеризует тепловую эффективность теплообменника.

 

Плотность


Плотностью (ρ) называется масса единицы объема среды; она выражается в кг/м3 или г/дм3.

 

P=m*cp* δt 

P=Тепловая нагрузка, кВт

m=Массовый расход, кг/c

cp=Удельная теплоемкость,кДж/кг*С

δt=Разность температур на входе и выходе одной стороны , С

 

Организация охлаждения


Для решения ряда технологических задач, например при организации охлаждения, температурная программа должна быть с близким соответствием температур. Мы называем такие задачи применениями, требующими высоких значений тета-параметра и использования соответствующего теплообменного оборудования, способного их обеспечить. Высокими считаются значения Θ1, а оборудование характеризуется следующими отличительными особенностями:


• значительной длиной пластин, позволяющей жидкости охлаждаться более длительное время;


• низким профилем штампованных каналов, обеспечивающим сокращение объема охлаждаемой жидкости, приходящейся на одну пластину.


По реализуемым значениям тета- параметра пластинчатые теплообменники намного превосходят кожухотрубные, для которых максимально достижимый уровень Θ находится в районе 1. Пластинчатые же теплообменники могут обеспечить значения тета-параметра 10 и выше. Чтобы добиться значений Θ более 1 с помощью теплообменников кожухотрубного типа, необходимо ставить последовательно несколько таких агрегатов.

 

Из графика видно, что большая разность температур ведет к снижению тета-параметра.

 

View the embedded image gallery online at:
http://alfa-laval.ru/formula-rascheta#sigProId26272052f2

Расход

Этот параметр может выражаться c использованием двух различных терминов: масса или объем. Если имеется в виду массовый расход, то он выражается в кг/с или кг/ч; если объемный, то используются такие единицы, как м3/ч или л/мин. Чтобы перевести объемный расход в массовый, нужно величину объемного расхода умножить на плотность среды.


Выбор теплообменника для выполнения конкретной задачи обычно определяет требуемая величина расхода среды. Пластинчатые теплообменники компании Альфа Лаваль
могут применяться при массовых расходах от 0,05 до 1400 кг/с. Если в качестве рабочей среды используется вода, этот диапазон эквивалентен объемному расходу от 0,18 до 5000 м3/ч. В случае если расход среды в вашем теплообменнике выходит за эти пределы, необходимо проконсультироваться у представителя компании Альфа Лаваль в вашем регионе.


Потери напора


Размер пластинчатого теплообменника непосредственно зависит от величины потери напора (Δp). Если есть возможность увеличить допустимые потери напора, то можно будет использовать более компактный и, следовательно, менее дорогой теплообменник. Для пластинчатых теплообменников, работающих на паре жидкостей вода/вода, ориентировочно можно считать допустимыми потери напора в диапазоне от 20 до 100 кПа.

 

Удельная теплоемкость


Удельная теплоемкость (сp) представляет собой количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 кг какого-либо вещества на 1 °C при данной температуре. Так, удельная теплоемкость воды при температуре 20 °C равна 4,182 кДж/(кг х °C) или 1,0 ккал/(кг х °C).

 

Вязкость


Вязкость является мерой текучести жидкости. Чем ниже вязкость, тем выше текучесть жидкости. Вязкость выражается в сантипуазах (сП) или сантистоксах (сСт).

Из графика видно, что низкая разность температур ведет к повышению тета-параметра.

 

View the embedded image gallery online at:
http://alfa-laval.ru/formula-rascheta#sigProIda567e4415b

 

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи (k) является мерой сопротивления тепловому потоку, вызываемому такими факторами, как материал пластин, количество отложений на их поверхности, свойства жидкостей и тип используемого теплообменника.Коэффициент теплопередачи выражается в Вт/(м2 x °C) или ккал/(ч x м2 x °C).

 

 

 

Метод расчета


Величина тепловой нагрузки теплообменника может быть получена с помощью следующих формул:

1. Расчет тепловой нагрузки, термической длины и LMTD

 

P = m · cp · δt (m =P /(cp · δt) ; δt =P /(cp ·m) )
P = k · A · LMTD

P = Тепловая нагрузка, кВт;
m = Массовый расход, кг/с;
cp = Удельная теплоемкость, кДж/(кг х °C);
δt = Разность температур на входе и выходе одной стороны, °C;
k = Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 х °C);
A = Площадь поверхности теплообмена, м2;
LMTD = Средний логарифмический температурный напор.


Θ = тета-параметр =δt/LMTD =(k · A)/(m · cp)


Величина LMTD может быть рассчитана по формуле (где ΔT1 = T1-T4 и ΔT2 = T2-T3):

LMTD=(ΔT1-ΔT2)/ln ΔT1/ΔT2


T1 = Температура на входе – горячая сторона;
T2 = Температура на выходе – горячая сторона;
T3 = Температура на входе – холодная сторона;
T4 = Температура на выходе – холодная сторона.

 

2. Коэффициент теплопередачи и расчетный запас


Суммарный коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:

1/k  = 1/α1+1/α2+δ/λ+Rf=1/kc+Rf


Расчетный запас (M) рассчитывается по формуле:

M =(k-k )/


где:
α1 = Местный коэффициент теплоотдачи от горячей среды к теплопередающей поверхности, Вт/(м2 х °C);
α2 = Местный коэффициент теплоотдачи от теплопередающей поверхности к холодной среде, Вт/(м2 х °C);
δ = Толщина стенки, через которую осуществляется теплообмен, м;
Rf = Коэффициент загрязнения, (м2 х °C)/Вт;
λ = Коэффициент теплопроводности материала стенки, разделяющей две среды, Вт/(м х °C);
kc = Коэффициент теплопередачи для чистой поверхности теплообмена (Rf = 0), Вт/(м2 х °C);
k = Расчетный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 х °C);
M = Расчетный запас, %.


Объединение этих двух выражений приводит к формуле: M = kc х Rf, то есть для получения одного и того же расчетного запаса при повышении значения kc величина Rf может быть снижена.

 

Каждый параметр в этих формулах влияет на выбор теплообменника. Выбор материалов же обычно не влияет на эффективность теплообменника, от них зависит только его прочность и стойкость к коррозии. Применяя пластинчатый теплообменник, мы получаем преимущества в виде небольших разностей температур и малой толщины пластин, которая обычно составляет от 0,3 до 0,6 мм. Коэффициенты теплоотдачи (α1 и α2) и коэффициент загрязнения (Rf), как правило, очень малы, что объясняется высокой степенью турбулентности потока рабочей среды в обоих контурах теплообменника. Этим же обстоятельством можно объяснить и высокое значение расчетного коэффициента теплопередачи (k), которое при благоприятных условиях может достигать величины 8000 Вт/(м2 х °C). В случае применения обычных кожухотрубных теплообменников величина коэффициента теплопередачи (k) не превысит значение 2500 Вт/(м2 х °C).


Важными факторами минимизации стоимости теплообменника являются два параметра:


1. Потери напора


Чем выше допустимая величина потерь напора, тем меньше размеры теплообменника.


2. LMTD


Чем выше разность температур жидкостей в первом и втором контуре, тем меньше размеры теплообменника.


Конструкционные материалы


В большинстве пластинчатых тепло- обменников Альфа Лаваль для пары рабочих жидкостей вода/вода используются пластины из высококачественной нержавеющей стали марки AISI 316. Если содержание соединений хлора в воде не требует использования стали AISI 316, вместо нее может иногда применяться менее дорогая нержавеющая сталь марки AISI 304. Для различных применений пластинчатых теплообменников могут оказаться пригодными и некоторые другие листовые материалы. При изготовлении пластин паяных и выполненных по технологии активной диффузионной сварки пластинчатых теплообменников Альфа Лаваль всегда применяется нержавеющая сталь AISI 316. Если пластинчатый теплообменник будет работать с морской или солоноватой водой, то для изготовления его пластин приходится использовать только титан.

 

Ограничения по давлению и температуре


Стоимость пластинчатого теплообменника зависит от максимально допустимых значений давления и температуры. Основное правило можно сформулировать следующим
образом: чем ниже максимально допустимые значения рабочих температуры и давления, тем меньше стоимость теплообменника.


Загрязнение и коэффициенты загрязнения


Допустимое загрязнение может быть учтено в вычислении через расчетный запас (M), то есть за счет дополнительного процента поверхности теплообмена или введения коэффициента загрязнения (Rf), выражаемого в единицах (м2 х °C)/Вт или (м2 х ч х °C)/ккал. Коэффициент загрязнения при расчете пластинчатого теплообменника должен браться значительно меньшим, чем при расчете кожухотрубного теплообменника.


Для этого есть две причины:

1. Более высокая турбулентность потока означает меньший коэффициент загрязнения.

 Конструкция пластинчатых теплообменников обеспечивает гораздо более высокую степень турбулентности и, следовательно, более высокий тепловой коэффициент полезного действия (КПД), чем это имеет место в традиционных кожухотрубных теплообменниках. Обычно коэффициент теплопередачи (k) пластинчатого теплообменника (вода/вода) составляет от 6000 до 7500 Вт/(м2 х °C), в то время как традиционные кожухотрубные теплообменники при одинаковом применении обеспечивают коэффициент теплопередачи порядка лишь 2000-2500 Вт/(м2 х °C). Типичное значение Rf, обычно используемое в расчетах кожухотрубных теплообменников, равно 1 х 10-4 (м2 х °C)/Вт. В этом случае использование значения k от 2000 до 2500 Вт/(м2 х °C) дает расчетный запас (M = kc х Rf) порядка 20-25%. Чтобы получить такое же значение расчетного запаса (M) в пластинчатом теплообменнике с коэффициентом теплопередачи порядка 6000-7500 Вт/(м2 х °C), надо взять коэффициент загрязнения, равный всего лишь 0,33 х 10-4 (м2 х °C)/Вт.

 

2. Различие в добавлении расчетного запаса.


При расчете кожухотрубных теплообменников расчетный запас добавляется путем увеличения длины труб при сохранении расхода среды через каждую трубу. При расчете
пластинчатого теплообменника такой же расчетный запас обеспечивается за счет добавления параллельных каналов или посредством уменьшения расхода в каждом канале. Это приводит к снижению степени турбулентности течения среды, уменьшению эффективности теплообмена и увеличению опасности загрязнения каналов теплообменника. Использование слишком большого коэффициента загрязнения может привести к повышенной интенсивности образования отложений!

Для пластинчатого теплообменника, работающего с парой теплоносителей вода/вода, значение расчетного запаса от 0 до 15 % (в зависимости от качества воды) можно считать вполне достаточным.