Расчет пластинчатого теплообменника: формула и обязательные к учету принципы

Пластинчатый теплообменник (ПТ) – это тот элемент систем теплоснабжения, для выбора которого необходим точный расчет. На то, какие конструктивные и технические параметры будут у оборудования, влияет множество факторов:

• Массовый расход (в случае, если нагрузка неизвестна);
• Предполагаемая нагрузка и мощность системы;
• Температурные показатели для холодной и горячей части системы (на выходе и входе);
• Тип функциональной среды, в которой будет работать ПТ.

Чаще всего для соотнесения всех этих факторов используется техническое задание, подготовленное инженерами компании, которая занимается теплоснабжением. Однако это не повод не вникать в эти столь специфические знания – возможно, у вас достаточно экспертизы и компетенций для самостоятельно расчета параметров этого узла. Начнем по порядку.

Какими бывают теплообменники: конструктивные отличия

На украинском рынке представлено три типа оборудования, первый из которых – это двухтрубная конструкция, так называемая, труба в трубе. Предназначение – применение с энергоносителями, расход которых сравнительно невысок. Максимальная площадь таких устройств – 2 кв. м., а их сечение обеспечивает беспрепятственный проток теплоносителя и, как следствие, достаточно высокую теплоотдачу.

Конструкция таких типов бывает цельная и разборная, при этом первая отличается высокой герметичностью и жесткостью, что препятствует использованию со средами, температура которых превышает 70 градусов. Связано это с высоким риском деформации трубы. А вот разборная отличается сохранением исходных характеристик в достаточно контрастных условиях. Более того – такие типы легко демонтируются. Их площадь может быть увеличена, а небольшое сопротивление обеспечивает свободный поток.

В отличие от трубного типа, пластинчатые теплообменники более популярны. Это объясняется эффективностью и использованию вместо труб пластин из металла. Площадь рабочей поверхности в таких устройствах может достигать 0,8 кв. км. Элементарная конструкция – каркас и пластины, простой принцип монтажа – между подвижными и неподвижными основами, а также возможность регулировать мощность привлекают инженеров.

Различают четыре типа ПТ: полусварные и сварные, паяные и разборные. Первые используются в агрессивных средах, вторые отличаются высоким КПД, а третьи – малозатратны и просты в эксплуатации. Четвертый вид – спиральные устройства, на поверхности которых расположены скрученные ленты из стали. Максимальная площадь невысока – 100 кв. м., однако, ключевым преимуществом является возможность работы при температуре в 200 градусов.

Особенности выбора и расчета

Первое – следует определить задачу, с которой должно справляться оборудование. Это может быть образование или охлаждение конденсата, охлаждение рабочей жидкости, а также нагрев воздуха или жидкости.

Факторы, обязательные к учету – это: температура рабочей среды, расход устройства, режим движения и, конечно же, стоимость оборудования (при равных технических параметрах предложения производителей могут разительно отличаться по цене). Удобнее всего в данном случае составить «карту» заданных условий, после чего соотносить их с теми или иными моделями ПТ.

Важно: учитывайте, что для расчета понадобится информация о практически всех составных частях будущей системы. В случае, если требования к оборудованию не сформулированы, они могут быть взяты из теплового баланса.

Далее проводится ориентировочный расчет параметров. Он позволяет сформулировать точную информацию о необходимой площади рабочей поверхности ПТ, а также о расходе теплоносителя. Чаще всего в данном случае используются нормативные документы или профессиональные справочники. Уже после того, как ориентировочный расчет готов, специалистом проводятся подробные вычисления с использованием термодинамических формул.

Обратите внимание: абсолютные значения получить практически невозможно – такая специфика расчета подобного оборудования. Поэтому для основы берутся наиболее близкие к требуемым значения. Специалист соотносит фактические параметры с теми, которые необходимы: для максимальной разницы температуры на выходе или входе, и минимальной – при нагреве.

Следующий этап после определения ключевых характеристик теплообменника – тепловой расчет. Он позволяет определить то количество тепла, которое будет принято или передано устройством. Для него необходимы следующие данные:

• Нагрузка на ПТ;
• Требуемая температурная разница;
• Расход рабочей среды;
• Коэффициент тепловой отдачи.

Данные для конструктивного и гидравлического расчета пластинчатого теплообменника

Прежде чем производить расчеты, озадачьтесь поиском следующих данных о ПТ: конечная температура, емкость тепла, стартовая температура и расход. Каждый из параметров будет учтен в формуле, которая используется специалистами. Самостоятельно (без необходимых знаний) делать этого не стоит – возможны критичные для работы оборудования погрешности.

Конструктивный расчет позволяет определить коэффициенты теплового обмена, а также площадь поверхности размеры сечения оборудования. В качестве основных данных используются: расход ПТ, общая скорость потока, а также вязкость основной рабочей среды (для жидкости) или чистота газов, пара.

Далее – гидравлический расчет. Он необходим, чтобы исключить потери давления на магистрали. Сопротивление рассчитывается с учетом диаметра и длины трубы, плотности рабочей среды, коэффициента трения, предполагаемых потерь давления и т.д.

Заключительный этап: соотнесение полученных данных

В расчетах пластинчатого теплообменника в обязательном порядке указываются следующие параметры:

• Объем устройства;
• Габаритные размеры;
• Вес оборудования;
• Давление в системе;
• Тип соединения с системой;
• Конструктивные параметры рамки;
• Материал, из которого будет изготовлено устройство;
• Количество пластин и тип их расположения относительно друг друга;
• Необходимые для получения значения;
• Фактическое описание условий, при которых будет использоваться ПТ.

Полученные при расчете теплообменника данные должны максимально точно соответствовать условиям, в которых предполагается функционирование оборудования. Важным этапом является соотнесение возможностей и эксплуатационного срока материалов, из которых изготавливается ПТ характеристикам среды, в которой он будет работать. Например, для стандартных жидкостей и пара нет необходимости переплачивать за усиленные металлы, вполне подойдет обычная нержавеющая сталь, в то время как для агрессивных функциональных сред предпочтительнее будет титан.