Вибір теплообмінника – поради експерта

Все частіше у схемах теплопостачання з’являються теплообмінники для гідравлічного відокремлення внутрішніх систем теплопостачання від теплової мережі, і таке приєднання називається незалежним.

Незалежне приєднання використовується у наступних випадках:

• тиск у тепломережі не достатній для заповнення опалювальних приладів останніх поверхів;
• тиск у зворотному трубопроводі тепломережі вище припустимого тиску внутрішньої системи теплопостачання;
• для підвищення надійності внутрішньої системи теплопостачання.

Крім того це рішення регламентується ДБН В.2.5-67:2013 «Опалення, вентиляція і кондиціонування» п 6.1.14:

«Систему водяного опалення та/або систему внутрішнього теплопостачання, що досягає дванадцятого поверху будівлі та вище, необхідно приєднувати до теплової мережі за незалежною схемою. Систему водяного опалення та/або систему внутрішнього теплопостачання будівлі до дванадцяти поверхів рекомендується приєднувати до теплової мережі за незалежною схемою – через теплообмінник індивідуального теплового пункту».

Підбір, або розрахунок, теплообмінного апарату виконується у результаті теплового розрахунку.

Основними вхідними даними розрахунку є:

• теплова потужність;
• тип теплоносіїв, їх склад;
• температури теплоносіїв на вході та виході теплообмінника;
• допустимі втрати тиску в теплообміннику.

Часто при замовленні теплообмінника клієнт володіє інформацією тільки по тепловій потужності, при цьому жодного уявлення не має про температури теплоносіїв. Виходячи з даних тільки по тепловій потужності не можливо правильно підібрати теплообмінник, та гарантувати його роботу з досягненням його розрахункової теплової потужності.

Розглянемо, які параметри впливають на теплову потужність теплообмінного апарата та яке значення має точне володіння інформацією по температурам теплоносіїв.

Пластинчаті теплообмінники належать до теплообмінників поверхневого типу, в яких процес передачі тепла від більш гарячого теплоносія до більш холодного відбувається через тонку стінку. Частина поверхні стінки, яка контактує з гріючим теплоносієм та нагріваючим теплоносієм, називається поверхнею теплообміну.

Інтенсивність теплопередачі між теплоносіями пропорційна різниці температур гріючого та нагріваючого теплоносія. Крім того, вона залежить від термічного опору плівок робочих тіл, які знаходяться в контакті з поверхнею теплообміну, та термічного опору стінки.

Внаслідок утворення твердих відкладень на поверхні теплообміну (накип) термічний опір збільшується. При підборі теплообмінника ми можемо задатись термічним опором відкладень, або вести розрахунок з чистими поверхнями теплообміну і прийняти додаткову поверхню (запас поверхні) для урахування зменшення теплової потужності внаслідок забруднення поверхні теплообміну (утворення накипу). Якщо термічний опір приймається у розрахунку на одиницю площі теплообміну, тоді повна інтенсивність теплопередачі пропорційна також площі теплообміну в теплообміннику.

Все вищесказане можна записати наступним рівнянням:

q = F•∆t/R, або q = F•∆t•U,

де q — теплова потужність теплообмінника, Вт;

F — площа поверхні теплообміну, м²;

Δt — середній температурний напір — середня різниця температур теплоносіїв, К;

U — повний коефіцієнт теплопередачі (обернена величина R), Вт/(м²•К).

В розрахунках середній температурний напір розраховується як середньологарифмічна різниця температур, або середньоарифметична різниця температур:

Вісь t — температура теплоносія, °С;

Вісь L — довжина шляху проходження теплоносія в теплообміннику, м.

Червоним кольором позначений гріючий теплоносій, синім кольором – нагріваючий теплоносій.

Середньологарифмічна різниця температур:

∆t = ∆t_б-∆t_м/ln ∆t_б/∆t_м.

Середньоарифметична різниця температур:

∆t = (t'1 - t"1 )/2 - (t"2 - t'2)/2,

де t'1 — температура гріючого теплоносія на вході в теплообмінник;

t''1 — температура гріючого теплоносія на виході з теплообмінника;

t'2 — температура нагріваючого теплоносія на вході в теплообмінник;

t''2 — температура нагріваючого теплоносія на виході з теплообмінника.

Температурний напір (середня арифметична або логарифмічна різниця температур) – один з основних факторів, який визначає інтенсивність теплообміну. Чим більший температурний напір, тим менше необхідно площі теплообміну для передачі тепла від одного теплоносія іншому.

У випадку чистих поверхонь теплообміну повний термічний опір R залежить в основному від:

• швидкостей теплоносіїв у поверхні теплообміну;
• густини теплоносіїв;
• в’язкості теплоносіїв;
• коефіцієнта теплопровідності;
• питомої теплоємності теплоносіїв.

З вище перерахованих величин найбільш залежна від температурного режиму є швидкість теплоносіїв. В залежності від різниці температури на вході в теплообмінник та температури на виході з теплообмінника витрата теплоносія буде різна. Наприклад, чим більша різниця температур, тим менша витрата теплоносія, і тим менше швидкість теплоносія у поверхні теплообміну, що призведе до зменшення тепловіддачі. Зменшення тепловіддачі вплине на загальну теплопередачу теплообмінника. Також від температури залежать густина та в’язкість, які теж впливають на теплопередачу. Наприклад, чим більша температура тим менша в’язкість, що покращує теплообмін у середині потоку теплоносія за рахунок кращого перемішування, збільшується турбулізація потоку.

Розглянемо підбір пластинчатих теплообмінників на прикладі теплообмінників Danfoss. Для підбору використовується програма Hexact, яка призначена для підбору, перевірки та моделювання роботи теплообмінників паяних – типів XB, розбірних – типів XG, XGM, XGF, XGC.

Таблиця 1. Приклад підбору теплообмінника для передачі теплової потужності 100 кВт при різних температурних режимах.

	Варіант 1	Варіант 2
Потужність, кВт	100	100
t'1, °С	130	95
t''1, °С	65	65
t'2, °С	60	60
t''2, °С	90	90
Теплоносії	вода	вода
Графічне відображення температурного режиму в теплообміннику
Середньологарифмічна різниця температур, К	16,5	5
Підібраний теплообмінник	XB12M-1-26	XB37Н-1-36
Зображення теплообмінника
Коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2К)	8841	10504
Площа теплообміну, м2	0,67	1,90

Для розрахунків варіант 1 та варіант 2 прийняті однакові теплові потужності – 100 кВт. Теплоносій первинного та вторинного контурів вода. Обмеження втрати тиску – не більше 30 кПа для кожного контуру. Температура гріючого теплоносія на вході в теплообмінник, для варіанта 1 – 130 °С, для варіанта 2 – 95 °С, інші температури однакові.

У результаті розрахунку отримуємо середньологарифмічну різницю температур для варіанта 1 - 16,8 К, для варіанта 2 - 5 К. Згідно з рівнянням (1) це означає, що для варіанта 2 необхідно в три рази більша площа теплообміну ніж для варіанта 1, про що свідчить підбір теплообмінників. Для варіанта 1 підібраний теплообмінник XB12M-1-26 з площею теплообміну 0,67 м², для варіанта 2 - XB37Н-1-36 з площею теплообміну 1,9 м². Коефіцієнт теплопередачі теж різний: варіант 1 - 8841 Вт/(м²К), варіант 2 - 10504 Вт/(м²К).

Як ми бачимо, теплова потужність теплообмінника залежить від багатьох факторів, може змінюватись в залежності від температур теплоносіїв і не може бути єдиною характеристикою теплообмінника для його підбору.

Розуміння механізму теплопередачі дає можливість правильно підібрати теплообмінник, прогнозувати його роботу в залежності від режиму роботи системи теплопостачання, при змінному гідравлічному та температурному режимах.

Правильно підібраний теплообмінник – запорука надійного теплопостачання, комфорту споживачів та енергозбереження.