Расчет теплообменника. Виды и принцип работы теплообменников

В качестве основной цели теплообменника выступает передача тепла до холодного объекта от теплоносителя. Последний представляет собой вещество с высокой температурой. Его примером могут выступить:

• пар;
• жидкость;
• газ.

Сегодня в магазинах можно отыскать теплообменники в широком ассортименте. Они отличаются по своим особенностям, а именно:

• внешнему виду;
• принципу действия;
• разнице показателей температуры.

Этот список не является полным.

Описание принципа работы

Перед приобретением теплообменника принцип работы данного устройства обязательно следует рассмотреть. Он может быть основан на одном из трех процессов:

• теплопроводность;
• тепловое излучение;
• конвекция.

Подразделить приборы можно по способу поставки тепла к холодному объекту. Таким образом, способы могут быть смесительными и теплообменными. В принципе их работы, виде и устройстве заключается основная разница. Наиболее удачный вариант принципа функционирования свойственен поверхностным агрегатам. Они являются одними из распространенных. Внутри таких приборов имеются чувствительные элементы, нагревающиеся и передающие тепло холодному объекту.

Если рассмотреть ближе смесительный агрегат, то о нем можно сказать, что он совмещает взаимодействие жидкости и воздуха, обеспечивая высокий коэффициент полезного действия. Эти устройства легки в изготовлении и позволяют добиться нужного результата за короткое время. Это обусловлено тем, что лишь при смешивании двух сред можно добиться таких результатов.

Рассматривая принцип работы теплообменников, можно отметить, что эти устройства обладают узлами, которые работают по определенному принципу. Их можно подразделить на регенеративные и рекуперативные. В последнем случае используются разные жидкости, которые взаимодействуют с помощью разделительной стенки. При обмене температурами поток остается прежним и не изменяется в обоих вариантах.

В рекуперативных теплообменниках имеется рабочий элемент, который выступает ещё и источником поставляемого тепла, а также зарядным устройством. Элемент нагревается при контакте с жидкостями и отдает в пространство необходимое тепло. При этом тепловой поток может изменять свое направление.

Дополнительно о принципе работы пластинчатого устройства для теплообмена

Пластинчатый теплообменник имеет соответствующие элементы, которые устанавливаются с поворотом на 180 °. В один пакет компонуются 4 элемента, что позволяет создавать два коллекторных контура подачи и отвода теплоносителя. Два крайних элемента в процессе участвовать не будут.

Производители предлагают к продаже две разновидности компоновки: одноходовую и многоходовую. В первом случае теплоноситель делится на параллельные потоки, которые проходят по каналам и оказываются в порту для вывода. Многоходовая компоновка имеет сложную схему, ведь теплообменник перемещается по одинаковому количеству каналов. Этого удалось достичь благодаря установке дополнительных пластин, которые предусматривают наличие глухих портов. Обслуживать многоходовые пластинчатые теплообменники гораздо сложнее.

Основные виды устройств

Теплообменный аппарат представлен к продаже во множестве разновидностей, среди них следует выделить:

• погружную;
• элементную;
• графитовую;
• двухтрубную;
• пластинчатую;
• витую;
• спиральную;
• кожухотрубную.

Погружной теплообменник имеет чувствительный элемент в виде цилиндрического змеевика, расположенного в сосуде. Последний заполняется жидкостью. Такая конструкция позволяет сократить время на подачу тепла прибором. Устройство погружного типа является одним из лучших по эффективности. Он используется в тех местах, где условия предполагают вероятность закипания.

Пластинчатый агрегат и его описание

Пластинчатый теплообменник обладает множеством преимуществ, а именно:

• простотой чистки;
• легкостью сборки;
• минимальным сопротивлением гидравлики.

Эти приборы имеют концевые камеры, которые соединены крепежными болтами. Конструкция обладает рабочей пластиной и рамами. Пластины разделены резиновыми прокладками. А сами элементы изготавливаются из специальной стали. Технология установки пластин предполагает монтаж резиновой прокладки без клеевого состава, что обеспечивает плотное прилегание отдельных частей друг к другу. Рабочая среда может подаваться одним из трех методов:

• смешанным;
• прямоточным;
• противоточным.

Элементный и витой теплообменники. Описание устройств

Элементный теплообменник позволяет соединить части системы в единую конструкцию. Принцип работы таких устройств схож с кожухотрубной разновидностью. Рабочая среда подается противоточно, а агрегат сочетает небольшое количество труб. Рассматривая виды теплообменников, вы должны обратить внимание на витую разновидность, которая обладает чувствительным элементом в виде концентрического змеевика, который фиксируется специальными головками, что обеспечивает защиту от кожуха. В данном устройстве используется схема с двумя жидкостями, одна из которых заполняет трубки, а другая находится в пространстве между ними. Эти агрегаты отлично справляются с перепадами давления и обладают отличной устойчивостью к износу.

Графитовый и спиральный теплообменники

Среди видов теплообменников можно выделить графитовую разновидность, которая имеет устройство, обеспечивающее защиту от коррозии. Эти приборы хорошо проводят тепло, а агрегат состоит из блоков, которые обладают формой цилиндра и прямоугольника. Рабочая жидкость движется по перекрестной схеме. Теплообменник состоит из:

• крышки;
• решётки;
• трубки;
• металлического корпуса.

Теплообменный аппарат может быть спиральным, принцип его работы выражен в использовании металлических листов. Они скручиваются в спираль и фиксируются на механизме, который называется креном. Для правильной работы важна герметизация теплообменника, которая достигается методом сваривания отдельных частей или монтажом прокладки.

Приборы сложны в производстве, ремонте и обслуживании. Устройство не должно использоваться в системе, где давление превышает 10 кгс/см², что нельзя не назвать недостатком. Этот минус нивелируется компактными размерами прибора, незначительным весом и высокой эффективностью.

Дополнительно о принципе работы кожухотрубного агрегата

Кожухотрубный теплообменник получил такое название потому, что тонкие трубки, по которым движется теплоноситель, располагаются в центральной части основного кожуха. От количества трубок в середине будет зависеть то, с какой скоростью движется вещество. От этого, в свою очередь, зависит коэффициент теплопередачи.

Кожухотрубный теплообменник изготавливается из высокопрочных и легированных сталей. Они применяются потому, что устройство работает в агрессивной среде, которая способствует развитию коррозии. Теплообменник можно классифицировать на несколько разновидностей, среди них следует выделить:

• с плавающей головкой;
• с неподвижными трубками;
• с температурным компенсатором;
• в виде кожуха с U-образными трубками.

Описание теплообменника Pahlen MAXI-FLO

Это устройство представляет собой теплообменник для бассейна, стоимость которого составляет 18245 руб. Мощность устройства равна 40 кВт. Агрегат является вертикальным, а в качестве материала корпуса выступает нержавеющая сталь. Двухтрубное водяное устройство предназначено для подогрева воды. Теплоносителем выступает горячая вода из котла.

При строительстве уличного бассейна этот агрегат особенно актуален. Теплообменник для бассейна имеет первичный контур в виде трубок, он устанавливается вертикально. Разница температур в контурах достигает 60 °С. В первичном контуре максимальное давление может составить 10 бар, во вторичном – столько же. Вас может заинтересовать гидравлическое сопротивление первого контура, в данном случае оно составляет 0,05 м. Во вторичном контуре гидравлическое сопротивление равно 0,8 м.

Проведение расчётов

Прежде чем выбрать водоводяной теплообменник, расчет мощности этого устройства необходимо осуществить однозначно. Вообще, при выборе нужно обращать внимание на вид конструкции и качество устройства. Расчет мощности осуществляется по следующей формуле: Р = 1,16 х ∆Т / (t x V). В ней необходимая мощность обозначается буквой Р. Специально подобранная константа, здесь равна 1,16. Разница температур - ∆Т. Объём – V, тогда как время – t. Таким образом, при расчете мощности теплообменника следует понять, что эффективность устройства будет зависеть от потока рабочей среды по обоим контурам.

Конструктивное исполнение влияет на количество подогреваемой среды. Чем больше ее объем, тем больше будет пластин и патрубков. Довольно часто осуществляется ещё и определение поверхностей нагрева. Они обозначаются буквой F. Это значение можно найти, воспользовавшись формулой: Q/(K*?Тср), в которой Q – это тепловая мощность, а коэффициент теплопередачи – К.

Осуществляя расчеты теплообменника, вы должны помнить, что формула предусматривает наличие усредненной температуры напора между теплоносителями, это значение выражено в ?Тср. Задачей выступает нахождение всех трёх переменных. Воспользовавшись уравнением теплового баланса, вы сможете найти тепловую мощность: Q=G*c*(T2-T1).

Теплоемкость воды при определенной температуре – это с. Расход обозначается буквой G. Проводя расчеты теплообменника, вы должны знать, что температура на входе и выходе обозначается в градусах и выглядит в формуле как T1и и T2. Для того чтобы расчёт получился более точным, к этой формуле необходимо добавить коэффициент полезного действия. Для определения значения ?Тср необходимо воспользоваться следующей формулой: ?Тср= (?Тб ? ?Тм) / (?Тб/ ?Тм). В ней наименьшая и наибольшая разницы температур обозначаются ?Тб и ?Тм.

Методика проведения расчетов

Коэффициент теплопередачи вы сможете отыскать в справочных материалах или рассчитать, воспользовавшись формулой: k = 1 / ( 1 / ?1 +?ст / ?ст + 1 / ?2 ). В ней ?1 и ?2 – коэффициенты теплопередачи со стороны принимающего и отдающего контуров. Толщина стены трубки - ?ст. Коэффициент теплопроводности материала труб - ?ст. Если осуществить расчет теплообменника, а точнее фактическую мощность, а также площадь, можно судить о правильном выборе устройства. Если эти значения не будут соответствовать, то это указывает на повышение вероятности образования отложений на стенках трубок. В самом крайнем случае они могут быть закупорены. Лучше воспользоваться специальными программами для расчета теплообменника, но при этом важно знать, какие методы и формулы лежат в основе.

Заключение

Довольно часто владельцы домов слышат об этом важном устройстве, которое играет одну из основных функций в системе отопления. Если дело доходит до автономной схемы, где используются нагревательные котлы, этот вопрос становится еще более актуальным. В них теплоноситель нагревается внутри теплообменника. Это полые устройства, где курсирует вода. Современные производители предлагают подобные приборы в широком ассортименте, они изготавливаются из разных металлов.