Допустимые потери напора в теплообменнике что это
Потери в теплообменниках
Законы физики всегда позволяют тепловой энергии перемещаться в системе до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Вследствие разности температур тепло покидает более нагретое тело или самую горячую жидкость и передается холодной среде.На этом принципе стремления к выравниванию температур и основана работа теплообменников. В пластинчатом теплообменнике тепло очень легко проходит через поверхность раздела горячей и холодной среды. Поэтому можно нагревать или охлаждать жидкости (газы), имеющие минимальные уровни энергии. Теория теплообмена или передачи тепла от одной среды или жидкости к другой построена на нескольких основных положениях.
• Тепло всегда будет передаваться от горячей среды к холодной.
• Между одной и другой средой всегда должна иметь место разность температур.Количество тепла, отданного горячей средой, равно количеству тепла, полученного холодной средой за вычетом потерь во внешнюю среду.
Теплообменник представляет собой устройство, которое непрерывно передает тепло от одной среды к другой.
Существует два типа теплообменников.
• Теплообменник прямого действия, где обе среды, между которыми происходит теплообмен, находятся в непосредственном контакте.
Примером теплообменника такого типа является башенный охладитель или градирня, где стекающая вода охлаждается через непосредственный контакт с окружающим воздухом.
• Теплообменник непрямого действия, в котором теплообмен происходит через стенку, разделяющую две среды.
Потери в теплообменниках
Законы физики всегда позволяют тепловой энергии перемещаться в системе до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Вследствие разности температур тепло покидает более нагретое тело или самую горячую жидкость и передается холодной среде.
На этом принципе стремления к выравниванию температур и основана работа теплообменников. В пластинчатом теплообменнике тепло очень легко проходит через поверхность раздела горячей и холодной среды. Поэтому можно нагревать или охлаждать жидкости (газы), имеющие минимальные уровни энергии. Теория теплообмена или передачи тепла от одной среды или жидкости к другой построена на нескольких основных положениях.
• Тепло всегда будет передаваться от горячей среды к холодной.
• Между одной и другой средой всегда должна иметь место разность температур.
Количество тепла, отданного горячей средой, равно количеству тепла, полученного холодной средой за вычетом потерь во внешнюю среду.
Теплообменник представляет собой устройство, которое непрерывно передает тепло от одной среды к другой.
Существует два типа теплообменников.
• Теплообменник прямого действия, где обе среды, между которыми происходит теплообмен, находятся в непосредственном контакте.
Примером теплообменника такого типа является башенный охладитель или градирня, где стекающая вода охлаждается через непосредственный контакт с окружающим воздухом.
• Теплообменник непрямого действия, в котором теплообмен происходит через стенку, разделяющую две среды.
Тепло может передаваться тремя способами:
• Излучение. При теплообмене излучением энергия передается посредством электромагнитного излучения. Здесь примером может служить нагревание поверхности земли солнцем.
• Теплопроводность (кондукция). Передача тепла в твердом теле.
• Конвекция. При конвективном теплообмене энергия передается благодаря контакту одной части среды с другой.
Существует два типа конвекции:
a) естественная (свободная) конвекция, при которой движение среды целиком
зависит от разностей ее плотностей и температур, выравнивающихся во время процесса теплообмена;
b) принудительная (вынужденная) конвекция, при которой движение среды целиком или частично зависит от результатов внешнего воздействия на эту среду; здесь примером может служить работа насоса, перекачивающего жидкость.
Существует несколько основных типов теплообменников непрямого действия:
В большинстве применений наиболее эффективным из них считается пластинчатый теплообменник. Обычно применение теплообменника этого типа предполагает лучшее решение проблем, связанных с теплопередачей, в самых широких диапазонах рабочих давлений и температур при ограничениях, накладываемых на эти параметры используемым производственным оборудованием.
Чтобы решить задачу теплообмена, необходимо знать значение нескольких параметров. Зная их, можно определить другие данные. Самыми важными представляются шесть параметров, которые приводятся ниже.
• Количество тепла, которое должно быть передано (тепловая нагрузка или мощность).
• Температура на входе и выходе на стороне первого и второго контура теплообменника.
• Максимально допустимые потери напора на стороне и первого, и второго контура.
• Максимальная рабочая температура.
• Максимальное рабочее давление.
• Расход среды на стороне первого и второго контура.
Если расход среды, удельная теплоемкость и разность температур на одной стороне контура известны, можно рассчитать величину тепловой нагрузки.
В пластинчатых теплообменниках
Если не учитывать потери тепла в окружающее пространство, которыми можно пренебречь, правомерно утверждать, что количество тепла, отданное одной стороной пластинчатого теплообменника (тепловая нагрузка) равно количеству тепла, полученному другой его стороной.
Тепловая нагрузка (P) выражается в кВт или в ккал/ч.
Средний логарифмический температурный напор
Средний логарифмический температурный напор (LMTD) является эффективной движущей силой теплообмена.
Термическая длина
Термическая длина канала или тета-параметр (Θ) является безразмерной величиной, которая характеризует соотношение между разностью температур δt на одной стороне теплообменника и его LMTD.
Плотность
Плотностью (ρ) является масса единицы объема среды и выражается в кг/м3 или г/дм3.
Расход
Этот параметр может выражаться с использованием двух различных терминов: массы или объема. Если имеется в виду массовый расход, тогда он выражается в кг/с или в кг/ч, если объемный расход, то используются такие единицы, как м3/ч или л/мин. Чтобы перевести
объемный расход в массовый, нужно величину объемного расхода умножить на плотность среды.
Потери напора
Размер пластинчатого теплообменника непосредственно зависит от величины потери напора (∆p). Если есть возможность увеличит допустимые потери напора, то можно будет использовать более компактный и, следовательно, менее дорогой теплообменник. За ориентир для пластинчатых теплообменников для рабочих жидкостей вода/вода можно считать допустимой потери напора в диапазоне от 20 до 100 кПа.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость (ср) представляет собой количество энергии, которое необходимо для повышения температуры 1 кг какого-либо вещества на 1 °C при данной температуре. Так, удельная теплоемкость воды при температуре 20 °C равна
4,182 кДж/(кг х °C) или 1,0 ккал/(кг х °C).
Вязкость
Вязкость является мерой текучести жидкости. Чем ниже вязкость, тем выше текучесть жидкости. Вязкость выражается в сантипуазах (сП) или в сантистоксах (сСт).
Коэффициент теплопередачи
Коэффициент теплопередачи (k) является мерой сопротивления тепловому потоку, вызываемого такими факторами, как материал пластин, количество отложений на ее поверхности, свойства жидкостей и тип используемого теплообменника.
Коэффициент теплопередачи выражается в Вт/(м2 x °C) или в ккал/(ч x м2 x °C).
где:
P = Тепловая нагрузка, кВт
m = Массовый расход, кг/с
c p = Удельная теплоемкость, кДж/(кг x °C)
δt = Разность температур на входе и
выходе одной стороны, °C
Перепад давления кожухотрубного теплообменника
Кожухотрубные теплообменники не менее популярны и широко используются в перерабатывающей промышленности, благодаря своей универсальности. Они состоят из металлических трубок, проходящих через другую металлическую оболочку, которая называется «корпусом».
Падение давления со стороны корпуса
Это очень распространено, чтобы использовать дефлекторы в стороне оболочки и трубки теплообменника. Они заставляют жидкость со стороны оболочки идти по трубам. Это вызывает условия «перекрестного потока» и способствует общей передаче тепла.
Но в то же время боковая жидкость оболочки должна преодолевать дополнительные препятствия в виде трубного пучка. Это вызывает турбулентность и потерю избыточного давления со стороны оболочки теплообменника.
Иногда предпочтительнее турбулентность. Например, принято размещать более вязкую жидкость на стороне оболочки. Полученная турбулентность способствует улучшению коэффициента теплопередачи со стороны вязкой жидкости.
Падение давления трубки бортовое
В отличие от стороны оболочки, поток на стороне трубки гораздо лучше обтекается, что приводит к минимальному падению давления.
Факторы, влияющие на падение давления в теплообменнике
Перепад давления на кожухотрубном теплообменнике в основном зависит от структуры теплообменника и расположения кожуха и трубки.
Вот некоторые факторы, которые вы можете настроить для управления перепадом давления в теплообменнике.
Если вы хотите снизить перепад давления со стороны корпуса, попробуйте увеличить расстояние между перегородками. Но следите за тем, как он изменяет общую скорость теплопередачи. Увеличение расстояния между перегородками приведет к снижению скорости теплопередачи.
Если у вас очень ограниченный допустимый перепад давления для одной жидкости, подумайте о том, чтобы поместить эту жидкость на сторону трубки. Если другая жидкость (со стороны корпуса) не загрязнена и не вызывает коррозии, это может сработать очень хорошо.
Если у вас есть перепад давления на стороне трубки, попробуйте увеличить размер трубки, добавив больше трубок.
Каждый параметр может повлиять на выбор теплообменника. Выбор материалов же обычно не влияет на эффективность теплообменника, от них зависит только его прочность и стойкость к коррозии.
Применяя пластинчатый теплообменник, мы получаем преимущества в виде небольших разностей температур и малой толщины пластин, которая обычно равна от 0,3 до 0,6 мм.
Коэффициенты теплоотдачи (α и α ) и коэффициент загрязнения (Rf), как правило, очень малы, что объясняется высокой степенью турбулентности течения среды в обоих контурах теплообменника. Этим же обстоятельством можно объяснить и высокое значение расчетного коэффициента теплопередачи (k), которое при благоприятных условиях может достигать величины 8 000 Вт/(м2 х °C).
В случае применения обычных кожухотрубных теплообменников величина коэффициента теплопередачи (k) не превысит значение 2 500 Вт/(м2 х °C).
Важными факторами минимизации стоимости теплообменника являются два параметра:
Чем выше допустимая величина потерь напора, тем меньше размеры теплообменника.
Чем выше разность температур жидкостей в первом и втором контуре, тем меньше размеры теплообменника.
Если остались вопросы по теплообменникам, напишите нашим менеджерам и они сделают расчет под ваши параметры
Допустимые потери напора в теплообменнике что это
Тонкий расчет, или на что следует обращать внимание, сравнивая предложения различных производителей теплообменников
Часть II
Фактор 4 – Запас поверхности теплообмена
Далеко не всегда этот параметр однозначно указывается заказчиком. Соответственно, производитель теплообменника устанавливает его сам для выполнения расчета. Как правило, серьезные производители не скупятся и берут 10-15% запаса по поверхности. А те, у кого основная цель – максимально удешевить аппарат, устанавливает запас, равный или приближающийся к нулю. Многие эксперты считают, что запас на уровне 0 – даже не экономия, а просто обман покупателя, поскольку существуют такие факторы, как загрязнения поверхности, погрешности в расчете нагрузок, недогрев теплоносителя и прочее-прочее, поэтому теплообменник, посчитанный с нулевым запасом прочности, с высокой вероятностью просто не будет работать. Такой шаг возможен только в том случае, если на этом настаивает сам покупатель.
Зависимость стоимости аппарата от величины запаса совершенно однозначная: чем выше запас, тем больше пластин необходимо, и тем теплообменник дороже. Вывод не менее очевиден: здесь уж заказчику, то есть вам, нужно будет решить, что важнее – максимальная экономия или высокая надежность. И при сравнении расчетов различных производителей – обязательно обращайте внимание на этот параметр, который на первый взгляд может показаться не слишком важным.
Фактор 5 – Потери давления
Δ р – величина потери давления или потери напора (измеряемая в м.в.с. или в Па), от которой в значительной степени зависит стоимость теплообменного аппарата, и которая задается заказчиком при заполнении опросного листа.
Более жесткие ограничения по допустимым потерям напора требуют применения теплообменника с бОльшим количеством пластин, а чем больше допустимые потери давления, тем более компактный – а значит дешевый – теплообменник может использоваться.
Объясняется это очень просто: чем больше в теплообменнике пластин, тем больше между ними каналов, а значит тем легче (с меньшим сопротивлением) по ним проходит определенный объем жидкости, и тем меньше потери давления.
Тут можно порекомендовать проявлять бдительность и сверять расчетные потери давления с той величиной, которую вы указывали в опросном листе, чтобы у производителя не было соблазна «слегка» завысить допустимые потери давления, тем самым удешевив аппарат. Ведь в ряде случаев величина потерь давления является критичной.
Фактор 6 – Диаметр присоединения
Условный диаметр или диаметр присоединения – параметр, который определяется расчетно и зависит от заданных заказчиком параметров. Бывает, что расчет дает однозначный результат по необходимому ДУ, тут ничего не изменишь. Но нередко случается, что согласно расчетам возможно применение двух типоразмеров, отличающихся диаметром присоединения. И если можно применить меньший диаметр – то зачастую так и поступают. Например, если вместо ДУ100 выбрать ДУ65, экономия получится существенная. Зависимость в стоимости самая прямая: чем больше диаметр патрубков присоединения, тем больше типоразмер пластин, и тем теплообменник дороже. И наоборот: чем меньше диаметр – тем теплообменник дешевле.
Здесь важно помнить, что при существенном сужении проходного сечения скорость жидкости возрастает, что неизбежно приведет к дополнительным потерям давления. А при долгой эксплуатации возможно разрушение пластины вокруг проходного сечения.
Итак, подведем краткое резюме. Чтобы сделать честное сравнение нескольких предложений и продуманный выбор теплообменного аппарата, в расчете следует обратить внимание на следующие параметры и их полное соответствие вашей задаче:
1. Материал и толщина пластин: сталь AISI316, толщина (начиная со средних типоразмеров) – не менее 0,5 мм;
2. Рабочее давление: должно соответствовать вашим параметрам;
3. Коэффициент теплопередачи: должен быть максимально приближен к 7000 Вт/м.кв2*К (это означает эффективность теплообменника не в ущерб другим его параметрам);
4. Запас поверхности: должен соответствовать вашей задаче, как правило – 10-15%, нулевой запас крайне нежелателен;
5. Потери давления: величина должна соответствовать заданной вами;
6. Диаметр присоединения: слишком маленький ДУ может привести к избыточным потерям давления и слишком быстрому износу пластин.
Выбор исключительно на основании стоимости может быть фатальным: помимо понимания уровня цены необходимо разобраться, на чем она основана, и внимательно изучить расчеты.
А команда «Этры», как всегда, желает вам удачи, успехов и всегда делать правильный выбор!
60% компаний рассчитывают теплообменники с ошибками – честное исследование ситуации на рынке
Автор: инженер ТеплоПрофи Булычева Евгения
Содержание:
· Как оценивались расчеты?
· Типичные ошибки при расчетах теплообменников
Введение
На протяжении шести лет наша компания занимается поставкой теплообменников. В последние годы во время переговоров клиенты показывают нам расчеты конкурентов — и нередко они составлены с серьезными техническими ошибками. Некоторые ошибки выглядят забавно — но на самом деле они говорят о некомпетентности выполнявших расчеты сотрудников.
В какой-то момент эта проблема нас по-настоящему заинтересовала — возможно, мы просто предвзято оцениваем расчеты конкурентов, или на рынке действительно мало компаний, способных правильно выполнить расчет теплообменника. Чтобы разобраться в этом, мы составили простое и понятное техническое задание, и отправили его нескольким компаниям, активно продвигающим свои услуги. Когда компании прислали ответы, мы попросили инженерный отдел оценить уровень расчетов. Для чистоты эксперимента инженеры не знали, какой именно компании принадлежат те или иные расчеты. Ниже мы приводим анализ полученных результатов.
Техническое задание
Чтобы все компании были в равных условиях, мы отправили им одинаковое техническое задание. Им нужно было подобрать теплообменник под следующие условия:
· Рабочая нагрузка: 135 кВт;
· Температуры нагреваемой среды 40/70, греющей среды — 90/60;
· Предназначение — теплообменник будет установлен в отопительную систему детского сада.
Техзадание сознательно было составлено слегка небрежно, без особых подробностей. По нашему опыту, реальные клиенты чаще всего присылают именно такие задания — подробности приходится узнавать уже в ходе обсуждения заявки. Так мы хотели узнать, насколько профессиональны сотрудники выбранных компаний, ведь при идеально составленном ТЗ нужно просто скопировать из него данные и вбить в специальную программу, производящую расчеты. Тем не менее, указанных нами данных было достаточно, чтобы произвести корректные расчеты и правильно выбрать теплообменник.
Как оценивались расчеты?
При оценке мы обращали внимание на главное — то, насколько расчеты соответствуют параметрам тех. задания:
· температура теплой стороны 90-60 0 C,
· температура холодной стороны 70-40 0 C,
Условия очень простые — всего пять характеристик. Но даже с ними справились не все — в некоторых расчетах оказались перепутаны температуры. Проблема в том, что сотрудники расчетных отделов некоторых компаний не считают нужным лишний раз перепроверить свои расчеты. К сожалению, многие считают, что ответственность за покупку лежит на самом клиенте.
Проверив, правильно ли учтены исходные данные, мы переходили к оценке параметров расчета и характеристики выбранных теплообменников, таких как:
· Материал пластин и прокладок;
· Запас поверхности на загрязнение.
Выбранные компании
Заявки на расчет теплообменника мы разослали в 13 компаний, занимающих первые места по запросам в интернете. Список компаний включал в себя поставщиков различного инженерного оборудования и теплообменников, официальных дистрибьюторов и производителей теплообменников.
Ниже приведены все 13 компаний, участвовавших в исследовании:
Результаты
Еще раз подчеркиваем, что мы составили простое техническое задание — сотрудники выбранных компаний ежедневно должны проводить расчеты по таким заявкам. Но результаты оказались неожиданными. Идеально точные расчеты мы получили только от одной компании. Еще в четырех рассчитали теплообменники корректно, но с небольшими недочетами. В расчетах остальных восьми компаний были уже серьезные ошибки.
То есть, почти две трети полученных расчетов оказались неприемлемыми. Такой результат нас несколько шокировал — оказалось, что большинство представленных на рынке компаний халатно относятся к расчетам и не думают о последствиях неправильного выбора теплообменника для клиента.
Проводя это исследование, мы не хотели уличить другие компании в непрофессионализме или попытке намеренно удешевить теплообменник. Мы не сообщим, какие компании из представленного списка прислали неправильные расчеты. Ниже мы подробно расскажем о типичных ошибках в расчетах и о том, какие последствия может вызвать установка неправильно рассчитанного теплообменника.
Типичные ошибки при расчетах теплообменников
Мы постарались подробно описать 8 самых распространенных ошибок при расчетах теплообменника и рассказать о последствиях, к которым они приводят:
1. Коэффициент теплопередачи занижен или завышен.
Он должен оставаться в диапазоне 2500-6000 ккал/м2* 0 С. Коэффициент теплопередачи выше этого значения может быть достигнут при высокой скорости движения жидкости по каналам. Такого эффекта можно добиться, уменьшив площадь сечения каналов — в результате снижается количество пластин в теплообменнике и его конечная стоимость. Однако пластины в теплообменнике с завышенным коэффициентом теплопередачи будут загрязняться гораздо быстрее (в некоторых случаях даже в 2 раза быстрее).
2. Запас поверхности теплообменника на загрязнение ниже 10%.
В результате этого прибор может быстро загрязниться, его придется чаще разбирать и промывать, общий срок службы теплообменника сократится. В любой тепловой сети вода имеет примеси, которые будут загрязнять все поверхности, с которыми она соприкасается — особенно при высокой температуре. Другая часто встречающаяся уловка — чрезмерное завышение запаса на загрязнение. Так поступают тогда, когда имеющийся типоразмер теплообменника не соответствует условиям — а другие модели стоят значительно дороже или просто отсутствуют на складе. 
3. Выбирают пластины из нержавеющей стали марки AISI 304, чувствительной к воздействию хлора.
Поскольку во многих системах используется хлорированная вода, такой теплообменник прослужит совсем недолго. По нашему опыту теплообменники с маркой стали AISI 316 более подходящие для коммунального теплоснабжения средней полосы России.
4. При расчетах взяты пластины толщиной 0,4 мм.
Такие пластины подвержены сильному износу при разборке и промывке — а промывать их придется в любом случае из-за низкого качества воды в системе. Кроме того, пластины такой толщины не рассчитаны на сильные перепады давления в тепловых сетях.
5. При расчетах учитывается минимальный показатель температуры (100 0 C).
В техническом задании не было информации на этот счет, но обычно расчеты производятся исходя из худших возможных условий. То есть, при подключении к магистральным теплосетям следует брать максимальный показатель температуры (150 0 C).
6. При расчетах учитывается минимальный показатель давления (10 атмосфер).
Аналогичная ситуация — при расчетах необходимо исходить из худших возможных условий. То есть следует делать расчеты исходя из давления 16 атмосфер. Если брать минимальное значение, то при повышении давления в сети выше 10 атмосфер, теплообменник может начать протекать.
7. Завышенные потери давления.
Если нет данных о располагаемых перепадах давления, рекомендовано брать значение до 2 м. в. с. Низкого давления в тепловых сетях может просто не хватить на преодоление всех частей теплового пункта (арматуры, трубопроводов, теплообменника). В этом случае нужно будет ставить повышающий насос в контур тепловых сетей — а такая установка невозможна без разрешения от ресурсоснабжающей организации. В результате стоимость проекта повышается, а время его реализации увеличивается. Если потери давления будут завышены, то потребуется установка высокомощного насоса — он будет расходовать лишнюю электроэнергию, создавая необязательные расходы.
8. Теплообменники рассчитываются с подключением резьбовым соединением Ду 32 мм.
Выводы
Ошибки в расчетах — далеко не всегда следствие халатности и технической безграмотности сотрудников. Просто в большинстве компаний сознательно занижают цену теплообменника, чтобы их предложение выглядело самым выгодным для клиента. Если техническое задание составлено не очень подробно, то такие предложения могут даже не нарушать условия заявки. То, что впоследствии у клиента почти наверняка возникнут проблемы с эксплуатацией оборудования, эти компании не волнует. Ведь формально расчет проведен в соответствии с заданными условиями. Только одна компания из 13 провела расчеты без замечаний.
Многие могут подумать, что представленные здесь результаты — это придирки или попытка выставить конкурентов в дурном свете. Убедиться в нашей правоте очень легко — просто посмотрите, как менеджер разговаривает с клиентом при первом обращении. Задает ли он дополнительные вопросы, уточняет параметры, интересуется системой, в которую будет установлен теплообменник? Или без обсуждений и уточнений просто делает расчет по присланным данным? Рассказывает ли менеджер о работе теплообменника, уверенно и развернуто отвечает на ваши вопросы?
Чтобы не ошибиться с выбором теплообменника, мы можем посоветовать вам:
· Во-первых, самостоятельно просмотрите и проверьте расчет теплообменника — даже неспециалист может заметить элементарные ошибки в расчетах.
· Во-вторых, подробно пройдитесь с менеджером по расчетному листу. Попросите его рассказать, как они получили эти параметры. Если менеджер не сможет уверенно ответить на ваши вопросы — это важный «звоночек», свидетельствующий о том, что возможно стоит обратиться за расчетом оборудования в другую компанию.