РУС УКР

Выбор теплообменника – советы эксперта

16299

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:

Изменение температурного режима в теплообменном аппарате

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.

Дата публикации: 23 февраля 2015
Виталий Круковский, специально для ibud.ua

Похожие статьи

Все статьи