Как найти температуру пара в теплообменнике

Для подогрева
сетевой, сырой и химически очищенной
воды в котельных с водогрейными котлами
применяются водоводяные теплообменники,
а в котельных с паровыми котлами —
пароводяные теплообменники (подогреватели).

Водоводяные
теплообменники. Количество
теплоты (кДж/с) воспринятое нагреваемой
водой в теплообменнике, определяется
по формуле

Q=W₁c_p1(t–t)η=W₂c_p2(t–t), (2.64)

где W₁
— расход
нагревающей воды, кг/с; W₂
— расход
нагреваемой воды, кг/с; c_p1
и с_р2
— средние
массовые теплоемкости нагревающей и
нагреваемой воды при постоянном давлении
кДж/(кг·К), t
и t—температуры
нагревающей воды на входе и выходе, °С;
t
и t— температуры
нагреваемой воды на входе и выходе °С;
η
— коэффициент, учитывающий потери
теплоты теплообменником в окружающую
среду.

Поверхность нагрева
(м²)
теплообменника определяется из уравнения
теплопередачи

, (2.65)

где k
— коэффициент
теплопередачи, кВт/(м²·К);
Δt_cp
— средний температурный напор в
теплообменнике, °С.

Средний температурный
напор в прямоточном теплооб­меннике

. (2.66)

Средний температурный
напор в противоточном теплооб­меннике

. (2.67)

Если ≤1,7,
то средний
температурный напор в теплообменнике
находится по формуле

. (2.68)

Пароводяные
теплообменники. Количество
теплоты (кДж/с), воспринятое нагреваемой
водой в теплообменнике, определяется
по формуле

Q’=D₁(i”-i)η=W₂c_p2(t-t),
(2.69)

где D₁
— расход
нагревающего пара, кг/с; i”
— энтальпия
нагре­вающего пара, кДж/кг; i
— энтальпия
конденсата, кДж/кг.

Поверхность нагрева
(м²)
теплообменника находится из урав­нения
теплопередачи

. (2.70)

Средний температурный
напор как в
прямоточном,
так и
в противоточном
пароводяном теплообменнике

, (2.71)

где t_n
— температура
нагревающего пара, °С.

Задача 2.110.
Определить
расход нагреваемой воды и поверх­ность
нагрева прямоточного водоводяного
теплообменника, если известны расход
нагревающей воды W₁=15
кг/с, температура
нагревающей воды на входе в теплообменник
t=120°C,
температура нагревающей воды на выходе
из теплообменника t=80°C,
температура нагреваемой воды на входе
в теплообменник t=10°С,
температура нагреваемой воды на выходе
из теплооб­менника t=60°С,
коэффициент теплопередачи k=1,9
кВт/(м²·К)
и коэффициент, учитывающий потери
теплоты теплообменником в окружающую
среду, η=0,98.

Решение:
Количество теплоты, воспринятое
нагреваемой во­дой в теплообменнике,
определяем по формуле (2.64):

Q=W₁c_p1(t–t)η=15·4,19(120-80)0,98=2463,7
кДж/с.

Расход нагреваемой
воды в теплообменнике находим из формулы
(2.64):

=11,8
кг/с.

Средний температурный
напор в прямоточном теплообмен­нике
определяем по формуле (2.66):

=53°C.

Поверхность нагрева
теплообменника находим по формуле
(2.65):

=24,5
м².

Задача 2.111.
Определить
поверхность нагрева противоточного
водоводяного теплообменника, если
известны расход нагре­ваемой воды
W₂=5
кг/с,
температура нагревающей воды на входе
в теплообменник t=97°C,
температура нагревающей воды на выходе
из теплообменника t=63°С,
температура нагреваемой воды на входе
в теплообменник t=17°C
температура нагрева­емой воды на
выходе из теплообменника t=47°C
и коэффициент
теплопередачи k=1,1
кВт/(м²·К).

Ответ: F=11,8
м².

Задача 2.112.
Определить
расход нагревающего пара и повер­хность
нагрева противоточного пароводяного
теплообменника, если известны расход
нагреваемой воды W₂=5,6
кг/с, давление нагревающего пара p_n=0,12
МПа, температура нагревающего пара
t_n=104°С,
энтальпия конденсата i=436
кДж/кг, температу­ра нагреваемой воды
на входе в теплообменник t=12°С,
температура нагреваемой воды на выходе
из теплообменника t=42°C,
коэффициент
теплопередачи k=1,05
кВт/(м2К) и ко­эффициент, учитывающий
потери теплоты теплообменником в
окружающую среду, η=0,97.

Ответ: D₁=0,32
кг/с; F=20,3
м².

Задача
2.113. Определить
расход нагреваемой воды и сред­ний
температурный напор в прямоточном
пароводяном теплооб­меннике, если
известны расход нагревающего пара D₁=1
кг/с, давление нагревающего пара p_п=0,118
МПа, температура нагре­вающего пара
t_n=104°C,
энтальпия
конденсата i=436
кДж/кг, температура нагреваемой воды
на входе в теплообменник t=10°C,
температура нагреваемой воды на выходе
из теплообменника t=36°С
и коэффициент, учитывающий потери
теплоты теплообменником в окружающую
среду, η=0,98.

Ответ: W₂=20,2
кг/с; Δt_cp=80°С.

Задача
2.114. Определить
поверхность нагрева прямоточного
водоводяного теплообменника, если
известны расход нагрева­ющей воды
W₁=2
кг/с, расход
нагреваемой воды W₂=2,28
кг/с,
температура нагревающей воды на входе
в теплообменник t=97°С,
температура нагреваемой воды на входе
в теплообмен­ник t=17°C,
температура нагреваемой воды на выходе
из тепло­обменника t=47°C,
коэффициент
теплопередачи k=0,95
кВт/(м²·К)
и коэффициент, учитывающий потери
тепло­ты теплообменником в окружающую
среду, η=0,97.

Ответ: F=1,6
м².

Расчет пластинчатого теплообменника – это процесс технических расчетов, предназначенный для поиска желаемого решения в теплоснабжении и его осуществления.

Данные теплообменника, которые нужны для технического расчета:

• тип среды (пример вода-вода, пар-вода, масло-вода и др.)
• тепловая нагрузка (Гкал/ч) или мощность (кВт)
• массовый расход среды (т / ч) – если не известна тепловая нагрузка
• температура среды на входе в теплообменник °С (по горячей и холодной стороне)
• температура среды на выходе из теплообменника °С (по горячей и холодной стороне)

Для расчета данных также понадобятся:

• из технических условий (ТУ), которые выдает теплоснабжающая организация
• из договора с теплоснабжающей организацией
• из технического задания (ТЗ) от гл. инженера, технолога

Подробнее об исходных данных для расчета

1. Температура на входе и выходе обоих контуров.
   Для примера рассмотри котел, в котором максимальное значение входной температуры – 55°С, а LMTD равен 10 градусам. Так, чем больше эта разница, тем дешевле и меньше в размерах теплообменник.
2. Максимально допустимая рабочая температура, давление среды.
   Чем хуже параметры, тем ниже цена. Параметры и стоимость оборудования определяют данные проекта.
3. Массовый расход (m) рабочей среды в обоих контурах (кг/с, кг/ч).
   Проще говоря – это пропускная способность оборудования. Очень часто может быть указан всего один параметр – объем расходов воды, который предусмотрен отдельной надписью на гидравлическом насосе. Измеряют его в кубических метрах в час, или в литрах в минуту.
   Умножив объем пропускной способности на плотность, можно высчитать общий массовый расход. Обычно плотность рабочей среды изменяется в зависимости от температуры воды. Показатель для холодной воды из центральной системы равен 0.99913.
4. Тепловая мощность (Р, кВт).
   Тепловая нагрузка – это отданное оборудованием количество тепла. Определить тепловую нагрузку можно при помощи формулы (если нам известны все параметры, что были выше):
   P = m * cp *δt, где m – расход среды, cp – удельная теплоемкость (для воды, нагретой до 20 градусов, равна 4,182 кДж/(кг *°C)), δt – температурная разность на входе и выходе одного контура (t1 – t2).
5. Дополнительные характеристики.

• для выбора материала пластин стоит узнать вязкость и вид рабочей среды;
• средний температурный напор LMTD (рассчитывается по формуле ΔT1 – ΔT2/( In ΔT1/ ΔT2), где ΔT1 = T1(температура на входе горячего контура) – T4(выход горячего контура)
  и ΔT2 = T2 (вход холодного контура) – T3 (выход холодного контура);
• уровень загрязненности среды (R). Его редко учитывают, так как данный параметр нужен только в определенных случаях. К примеру: система центрального теплоснабжения не требует данный параметр.

Подбор и расчет стоимости теплообменника удобным для вас способом

Виды технического расчета теплообменного оборудования

Тепловой расчет

Данные теплоносителей при техническом расчете оборудования должны быть обязательно известны. Среди этих данных должны быть: физико-химические свойства, расход и температуры (начальная и конечная). Если данные одного из параметров не известны, то его определяют с помощью теплового расчета.

Тепловой расчет предназначен для определения основных характеристик устройства, среди которых: расход теплоносителя, коэффициент теплоотдачи, тепловая нагрузка, средняя разница температур. Находят все эти параметры с помощью теплового баланса.

Давайте рассмотрим пример общего расчета.

В аппарате теплообменника тепловая энергия циркулирует от одного потока к другому. Это происходит в процессе нагрева или охлаждения.

Q = Q_г= Q_х

Q – количество теплоты передаваемое или принимаемое теплоносителем [Вт],

Откуда:

Q_г = G_гc_г·(t_гн – t_гк) и Q_х = G_хc_х·(t_хк – t_хн)

где:

G_г,х
– расход горячего и холодного теплоносителей [кг/ч];
с_г,х – теплоемкости горячего и холодного теплоносителей [Дж/кг·град];
t_{г,х н} – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
t_{г,х к}
– конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];

При этом, учитывайте, что количество входящей и выходящей теплоты во много зависит от состояния теплоносителя. Если в процессе работы состояние стабильно, то расчет производим по формуле выше. Если хоть один теплоноситель меняет свое агрегатное состояние, то расчет входящего и выходящего тепла стоит производить по формуле ниже:

Q = Gc_п·(t_п – t_нас)+ Gr + Gc_к·(t_нас – t_к)

где:

r – теплота конденсации [Дж/кг];
с_п,к – удельные теплоемкости пара и конденсата [Дж/кг·град];
t_к
– температура конденсата на выходе из аппарата [°C].

Первый и третий члены стоит исключать из правой части формулы, если конденсат не охлаждается. Исключив эти параметры, формула будет иметь следующее выражение:

Qгор
= Qконд
= Gr

Благодаря данной формуле определяем расход теплоносителя:

Gгор
= Q/cгор(tгн
– tгк) или Gхол
= Q/cхол(tхк
– tхн)

Формула для расхода, если нагрев идет паром:

G_пара = Q/ Gr

где:

G – расход соответствующего теплоносителя [кг/ч];
Q – количество теплоты [Вт];
с – удельная теплоемкость теплоносителей [Дж/кг·град];
r – теплота конденсации [Дж/кг];
t_{г,х н} – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
t_{г,х к} – конечная температура горячего и холодного теплоносителей [°C].

Основная сила теплообмена – разница между его составляющими. Это связано с тем, что проходя теплоносители, температура потока меняется, в связи с этим меняются и показатели разницы температур, поэтому для подсчетов стоит использовать среднестатистическое значение. Разницу температур в обоих направлениях движения можно высчитать с помощью среднелогарифмического:

∆t_ср = (∆t_б – ∆t_м) / ln (∆t_б/∆t_м) где ∆t_б, ∆t_м
– большая и меньшая средняя разность температур теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Определение при перекрестном и смешанном токе теплоносителей происходит по той же формуле с добавлением поправочного коэффициента
∆t_ср = ∆t_ср ·f_попр . Коэффициент теплопередачи может быть определен следующим образом:

1/k = 1/α₁ + δ_ст/λ_ст + 1/α₂ + R_заг

в уравнении:

δ_ст
– толщина стенки [мм];
λ_ст
– коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м·град];
α_1,2 – коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней стороны стенки [Вт/м²·град];
R_заг – коэффициент загрязнения стенки.

Конструктивный расчет

В данном виде расчета, существуют два подвида: расчет подробный и ориентировочный.

Расчет ориентировочный предназначен для определения поверхности теплообменника, размера  его проходного сечения, поиска приближенных коэффициентов значения теплообмена. Последняя задача выполняется с помощью справочных материалов.

Ориентировочный расчет поверхности теплообмена производят благодаря следующим формулам:

F = Q/ k·∆t_ср [м²]

Размер проходного сечения теплоносителей определяют из формулы:

 S = G/(w·ρ) [м²]

где:

G – расход теплоносителя [кг/ч];
(w·ρ) – массовая скорость потока теплоносителя [кг/ м²·с]. Для расчета скорость потока принимают исходя из типа теплоносителей:

Вид теплоносителя	Скорость потока, м/с
Вязкие жидкости	<1
Маловязкие жидкости	1-3
Запыленные газы	5-10
Чистые газы	10-15
Пар насыщенный	30-50

После проведения конструктивного ориентировочного расчета выбирают определенные теплообменники, которые полностью подходят для требуемых поверхностей. Количество теплообменников может достигать как одной, так и нескольких единиц. После на выбранном оборудовании проводят подробный расчет, с заданными условиями.

После проведения конструктивных расчетов будут определенны дополнительные показатели для каждого вида теплообменников.

Если используется пластинчатый теплообменник, то нужно определить значение греющих ходов и значение среды, которую нагревают. Для этого мы должны применить следующую формулу:

X_гр/X_нагр = (G_гр/G_нагр)^0,636 · (∆P_гр/∆P_нагр)^0,364 · (1000 – t _{нагр ср}/ 1000 – t_{гр ср})

где:

G_{гр, нагр} – расход теплоносителей [кг/ч];
∆P_{гр, нагр} – перепад давления теплоносителей [кПа];
t_{гр, нагр ср} – средняя температура теплоносителей [°C];

Если соотношение Хгр/Хнагр будет меньше двух, то выбираем компоновку симметрическую, если больше двух – несимметричную.

Ниже представлена формула, по которой высчитываем количество каналов среды:

m_нагр = G_нагр / w_опт·f_мк·ρ·3600

где:

G_нагр – расход теплоносителя [кг/ч];
w_опт – оптимальная скорость потока теплоносителя [м/с];
f_к – живое сечение одного межпластинчатого канала (известно из характеристик выбранных пластин);

Гидравлический расчет

Технологические потоки, проходя через теплообменное оборудование, теряют напор или давление потоков. Это связано с тем, что каждый аппарат имеет собственное гидравлическое сопротивление.

Формула, используемая для нахождения гидравлического сопротивления, которое создают аппараты теплообмена:

∆Р_п = (λ·(l/d) + ∑ζ) · (ρw²/2)

где:

∆p_п
– потери давления [Па];
λ – коэффициент трения;
l
– длина трубы [м];
d
– диаметр трубы [м];
∑ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;
ρ – плотность [кг/м³];
w – скорость потока [м/с].

Как проверить правильность расчета пластинчатого теплообменника?

При расчете данного теплообменника обязательно нужно указать следующие параметры:

• для каких условий предназначен теплообменник, и какие показатели он будет выдавать.
• все конструктивные особенности: количество и компоновка пластин, используемые материалы, типоразмер рамы, тип присоединений, расчетное давление и т.д.
• габариты, вес, внутренний объем.

– Габариты и типы присоединений

– Расчетные данные

Они должны подходить под все условия, в которых будет подключаться, и работать наш теплообменник.

– Материалы пластин и уплотнений

в первую очередь должны соответствовать всем условия эксплуатации. Для примера: к агрессивной среде не допускаются пластины из простой нержавеющей стали, или, если разбирать совсем противоположную среду, то ставить пластины из титана, для простой системы отопления не нужно, это не будет иметь никакого смысла. Более подробное описание материалов и их соответствия определенной среде, вы можете посмотреть здесь.

– Запас площади на загрязнение

Не допускаются слишком большие размеры (не выше 50%). Если параметр больше – теплообменник выбран некорректно.

Пример расчета пластинчатого теплообменника

Исходные данные:

• Нагрузка (кол-во тепла) 2,5 Гкал/час
• Массовый расход 65 т/час
• Среда: вода
• Температуры: 95/70 град С

Переведем данные в привычные величины:

Q = 2,5 Гкал/час = 2 500 000 ккал/час

G = 65 000 кг/час

Давайте проведем расчет по нагрузке, чтобы узнать массовый расход, так как данные тепловой нагрузки являются самыми точными, ведь покупатель или клиент не способен точно подсчитать массовый расход.

Выходит, что представленные данные являются неверными.

Данную форму также можно использовать, когда мы не знаем каких-либо данных. Она подойдет если:

• отсутствует массовый расход;
• отсутствуют данные тепловой нагрузки;
• неизвестна температура внешнего контура.

К примеру:

	Горячая сторона	Холодная сторона
Т1/Т2	135/9 ℃	40/70 ℃
Расход	100т/ч

Вот так мы с вами нашли неизвестный нам ранее массовый расход среды холодного контура, имея лишь параметры горячего.

Как рассчитать пластинчатый теплообменник (видео)

Уважаемый посетитель!

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Ссылка на скачивание – внизу страницы.