Все чаще в схемах теплоснабжения появляются теплообменники для гидравлического отделения внутренних систем теплоснабжения от тепловой сети, и такое присоединение называется независимым.
Независимое присоединение используется в следующих случаях:
- давление в теплосети не достаточно для заполнения отопительных приборов последних этажей;
- давление в обратном трубопроводе теплосети выше допустимого давления внутренней системы теплоснабжения;
- для повышения надежности внутренней системы теплоснабжения.
Кроме того, это решение регламентируется ДБН В.2.5-67:2013 «Опалення, вентиляція і кондиціонування» п 6.1.14:
«Систему водяного отопления и/или систему внутреннего теплоснабжения, что достигает двенадцатого этажа здания и выше, необходимо присоединять к тепловой сети по независимой схеме. Систему водяного отопления и/или систему внутреннего теплоснабжения здания до двенадцати этажей рекомендуется присоединять к тепловой сети по независимой схеме - через теплообменник индивидуального теплового пункта».
Подбор, или расчет, теплообменного аппарата выполняется в результате теплового расчета.
Основными входными данными расчета являются:
- тепловая мощность;
- тип теплоносителей, их состав;
- температуры теплоносителей на входе и выходе теплообменника;
- допустимые потери давления в теплообменнике.
Часто при заказе теплообменника клиент владеет информацией только по тепловой мощности, при этом никакого представления не имеет о температурах теплоносителей. Исходя из данных только по тепловой мощности невозможно правильно подобрать теплообменник, и гарантировать его работу с достижением расчетной тепловой мощности.
Рассмотрим, какие параметры влияют на тепловую мощность теплообменного аппарата и какое значение имеет точное владение информацией по температурам теплоносителей.
Пластинчатые теплообменники относятся к теплообменникам поверхностного типа, в которых процесс передачи тепла от более горячего теплоносителя к более холодному происходит через тонкую стенку. Часть поверхности стенки, которая контактирует с греющим теплоносителем и нагреваемым теплоносителем называется поверхностью теплообмена.
Интенсивность теплопередачи между теплоносителями пропорциональна разнице температур греющего и нагреваемого теплоносителя ей. Кроме того, она зависит от термического сопротивления пленок рабочих тел, которые находятся в контакте с поверхностью теплообмена, и термического сопротивления стенки.
Вследствие образования твердых отложений на поверхности теплообмена (накипь) термическое сопротивление увеличивается. При подборе теплообменника мы можем задаться термическим сопротивлением отложений, или вести расчет с чистыми поверхностями теплообмена и принять дополнительную поверхность (запас поверхности) для учета уменьшения тепловой мощности в результате загрязнения поверхности теплообмена (образование накипи). Если термическое сопротивление принимается в расчете на единицу площади теплообмена, тогда полная интенсивность теплопередачи пропорциональна также площади теплообмена в теплообменнике.
Все вышесказанное можно записать следующим уравнением:
q = F•∆t/R, или q = F•∆t•U,
где q — тепловая мощность теплообменника, Вт;
F — площадь поверхности теплообмена, м2;
Δt — средний температурный напор — средняя разница температур теплоносителей, К;
U — полный коэффициент теплопередачи (обратная величина R), Вт/(м2•К).
В расчетах средний температурный напор рассчитывается как среднелогарифмическая разница температур, или среднеарифметическая разница температур:
Ось t — температура теплоносителя, °С;
Ось L — длина пути прохождения теплоносителя в теплообменнике, м.
Красным цветом обозначен греющий теплоноситель, синим цветом — нагреваемый теплоноситель.
Среднелогарифмическая разница температур:
∆t = ∆tб-∆tм/ln ∆tб/∆tм.
Среднеарифметическая разница температур:
∆t = (t'1 - t"1 )/2 - (t"2 - t'2)/2,
где t'1 — температура греющего теплоносителя на входе в теплообменник;
t''1 — температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника;
t'2 — температура нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник;
t''2 — температура нагреваемого теплоносителя на выходе из теплообменника.
Температурный напор (средняя арифметическая или логарифмическая разница температур) - один из основных факторов, который определяет интенсивность теплообмена. Чем больше температурный напор, тем меньше необходимо площади теплообмена для передачи тепла от одного теплоносителя другому.
В случае чистых поверхностей теплообмена полное термическое сопротивление R зависит в основном от:
- скоростей теплоносителей у поверхности теплообмена;
- плотности теплоносителей;
- вязкости теплоносителей;
- коэффициента теплопроводности;
- удельной теплоемкости теплоносителей.
Из выше перечисленных величин наиболее зависимая от температурного режима является скорость теплоносителей. В зависимости от разницы температуры на входе в теплообменник и температуры на выходе из теплообменника расход теплоносителя будет разным. Например, чем больше разница температур, тем меньше расход теплоносителя, и тем меньше скорость теплоносителя у поверхности теплообмена, что приведет к уменьшению теплоотдачи. Уменьшение теплоотдачи повлияет на общую теплопередачу теплообменника. Также от температуры зависят плотность и вязкость, которые тоже влияют на теплопередачу. Например, чем больше температура тем меньше вязкость, что улучшает теплообмен в середине потока теплоносителя за счет лучшего перемешивания, увеличивается турбулизация потока.
Рассмотрим подбор пластинчатых теплообменников на примере теплообменников Danfoss. Для подбора используется программа Hexact, которая предназначена для подбора, проверки и моделирования работы теплообменников паяных - типов XB, разборных - типов XG, XGM, XGF, XGC.
Таблица 1. Пример подбора теплообменника для передачи тепловой мощности 100 кВт при различных температурных режимах.
Вариант 1 | Вариант 2 | |
Мощность, кВт | 100 | 100 |
t'1, °С | 130 | 95 |
t''1, °С | 65 | 65 |
t'2, °С | 60 | 60 |
t''2, °С | 90 | 90 |
Теплоноситель | вода | вода |
Графическое отображение температурного режима в теплообменнике | ||
Среднелогарифмическая разница температур, К | 16,5 | 5 |
Подобранный теплообменник | XB12M-1-26 | XB37Н-1-36 |
Изображение теплообменника | ||
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) | 8841 | 10504 |
Площадь теплообмена, м2 | 0,67 | 1,90 |
Для расчетов вариант 1 и вариант 2 приняты одинаковые тепловые мощности - 100 кВт. Теплоноситель первичного и вторичного контуров вода. Ограничение потери давления - не более 30 кПа для каждого контура. Температура греющего теплоносителя на входе в теплообменник, для варианта 1 - 130 °С, для варианта 2 - 95 °С, другие температуры одинаковы.
В результате расчета получаем среднелогарифмическую разницу температур для варианта 1 - 16,8 К, для варианта 2 - 5 К. Согласно уравнению (1) это означает, что для варианта 2 необходима в три раза больше площадь теплообмена чем для варианта 1, о чем свидетельствует подбор теплообменников. Для варианта 1 подобран теплообменник XB12M-1-26 с площадью теплообмена 0,67 м2, для варианта 2 - XB37Н-1-36 с площадью теплообмена 1,9 м2. Коэффициент теплопередачи тоже разный: вариант 1 - 8841 Вт/(м2К), вариант 2 - 10504 Вт/(м2К).
Как мы видим, тепловая мощность теплообменника зависит от многих факторов и может изменяться в зависимости от температур теплоносителей и не может быть единственной характеристикой теплообменника для его подбора.
Понимание механизма теплопередачи дает возможность правильно подобрать теплообменник, прогнозировать его работу в зависимости от режима работы системы теплоснабжения, при переменном гидравлическом и температурном режимах.
Правильно подобранный теплообменник - залог надежного теплоснабжения, комфорта потребителей и энергосбережения.