Jak vypočítat výměník tepla: základní metody výpočtu

Účinnost topných systémů přímo závisí na správném výběru zařízení. Musí mít dostatečný tepelný výkon, požadovanou funkčnost a vhodný design. Podobné pravidlo platí pro výměníky tepla – zařízení sloužící k ohřevu nebo chlazení médií.

V článku diskutujeme o tom, jaké funkce plní výměník tepla a jak se počítá.

Jaké funkce plní výměník tepla?

Výměník tepla je samostatný typ zařízení v široké škále provedení, tepelné účinnosti a technických řešení. Rozebíratelná deska, plášť a plášť a plášť, nerozebíratelné pájené a svařované – existuje mnoho možností. Přesto všechny výměníky plní v zásadě stejnou funkci – zajišťují přenos tepla z vytápěného do chladnějšího prostředí. K výměně tepla obvykle dochází bez přímého kontaktu mezi kapalinami nebo párou. Jako jakýsi prostředník a prostředek pro separaci médií jsou instalovány desky se speciálním reliéfním ražením nebo trubky umístěné v utěsněném pouzdře.

Existují také integrovaná řešení vyrobená v továrně. Jedná se o plně vybavenou kompaktní jednotku připravenou k rychlému připojení k technologické lince nebo inženýrskému systému vytápění a zásobování teplou vodou. Typickým příkladem takového řešení je Kelvion individuální bod ohřevu (IHP).

IWP může být standardní vyvinutý výrobcem, ale nejčastěji je instalace vypočítána a sestavena v souladu s individuálními požadavky. Kompletní vybavení zahrnuje jeden nebo více výměníků tepla, čerpací skupinu, potrubí, ovládací a regulační zařízení a další technické komponenty.

Podle toho, jak zařízení funguje pro zajištění výměny tepla, se rozlišují klasické výměníky tepla, kde přenos tepla není doprovázen jinými procesy, kondenzátory a výparníky. Podle toho v posledních dvou zařízeních dochází k fázovým přeměnám média: kondenzaci páry a odpařování kapaliny.

Metoda výpočtu výměníku tepla pro výběr modelu

Hlavní charakteristikou výměníku tepla je tepelný výkon. Proto se při výpočtech výměníků tepla používá rovnice přenosu tepla. Vyjadřuje vztah mezi tepelným tokem a povrchovou plochou, která zajišťuje přenos tepla. Rovnice vypadá takto:

Q = K · F · Δtср · ƬKde

• Q – tepelný tok, W
• К – součinitel prostupu tepla, W/m2*K
• F – teplosměnná plocha, m2
• Δtср – průměrný rozdíl teplot nebo průměrný rozdíl teplot dvou nosičů tepla, K
• Ƭ – čas, během kterého se určuje přenos tepla v kontinuálním procesu, tento parametr se vynechává;

Průměrný teplotní rozdíl Δtср se vypočítá na základě poměru teplotních rozdílů dvou tepelných nosičů na vstupu a výstupu ze zařízení.

Rovnice přenosu tepla se obvykle používá k určení požadované plochy povrchu přenosu tepla. K tomu se z něj vyjádří parametr F. Pro výpočet tepelného toku Q se sestaví tepelná bilance. Dosazením získané hodnoty Q do výrazu zjistíme celkovou plochu povrchu dostatečnou pro přenos tepla.

Celková teplosměnná plocha je jedním z hlavních parametrů, podle kterého se volí výměník tepla, proto je uvedena v technických charakteristikách zařízení. Například deskový výměník tepla Kelvion VT130 má teplosměnnou plochu 3,78 m2, zatímco model Kelvion NT50M má teplosměnnou plochu pouze 0,6 m2. Verze VT130 má tedy mnohem vyšší tepelnou účinnost a je instalována v místech, kde jsou zapotřebí účinnější zařízení.

Výhodou rozebíratelných deskových výměníků je maximální flexibilita. To znamená, že desky výměníku tepla lze snadno přidat podle potřeby jejich integrací do konstrukce rámu. Každý model však může obsahovat pouze určitý počet deskových prvků, není tedy možné jejich počet neomezeně zvyšovat.

Výpočet výměníku při jeho návrhu

Návrh zařízení je složitý a pracovně náročný proces, který se v současnosti provádí pomocí certifikovaných programů. Tím se urychlí výpočet a také se eliminují chyby související s lidským faktorem. Při vývoji výměníků tepla se obecně používají tři metody výpočtu:

• Konstruktivní
• Technologický
• Pevnost

Přední výrobci výměníků tepla mají ve svém arzenálu vlastní software a samostatně pro různé oblasti použití. Tak to realizuje Kelvion Holding, mezinárodní vývojář, výrobce a dodavatel teplosměnných zařízení. Kromě toho společnost nabízí samostatný software pro rychlý výběr modelu například pro datová centra, HVAC systémy, chlazení a další.

Při navrhování nových výměníků tepla lze tepelně technické výpočty provádět pomocí analytické nebo graficko-analytické metody. V některých případech je při výpočtu zařízení rozděleno do několika sekcí. Je to způsobeno výraznou změnou součinitele prostupu tepla po celé délce zařízení.

Například při složité trajektorii pohybu chladicích kapalin nebo při velké změně teploty kapalného média. Rozdělením délky na vypočítané úseky se zvyšuje přesnost výpočtu. Tato metoda výpočtu se nazývá intervalová metoda.

Při navrhování výměníků tepla se přihlíží i k provozním vlastnostem zařízení. Zejména přítomnost proměnných zátěží, které jsou spojeny se změnami průtoku kapaliny, okolní teploty, různých provozních režimů procesních jednotek, jakož i z jiných důvodů.

Ve všech takových situacích je nesmírně důležité vzít v úvahu povahu změny hlavních parametrů, aby se zabránilo výrazným odchylkám od jmenovitých hodnot. Za tímto účelem je analyzován provoz výměníku tepla podle jeho hlavních charakteristik a jsou sestaveny dynamické rovnice pro následné řešení.

Pro výpočet teplosměnných zařízení je nutné znát hodnotu tepelné kapacity, tepelného obsahu (entalpie) a také množství tepla chemických nebo fázových přeměn.

Pro výpočet výměníku tepla vám doporučujeme vyplnit speciální formuláře:

• Deskový výměník tepla (PHE) pro vodu
• Deskový výměník tepla (PHE) pro páru

Teoretické informace

V praxi se výpočet tepelného výměníku provádí pomocí hodnoty průměrné tepelné kapacity, která je stanovena v určitém teplotním rozsahu podle vzorce.

Q je množství tepla, (t2-t1) je teplotní rozsah.

Specifická entalpie (parametr se počítá od 0 0С do dané teploty) je určena rovnicí:

Měrné teplo chemických nebo fázových přeměn (množství tepla uvolněného nebo absorbovaného během chemické reakce nebo změny stavu agregace látky) se měří na jednotku hmotnosti látky.

„Interní“ způsob sestavení tepelné bilance

V systému dochází k výměně tepla mezi dvěma kapalnými médii, která jsou oddělena teplosměnnou přepážkou.

Pokud k procesu dochází bez uvolňování (nebo absorpce) tepla ve fázových nebo chemických přeměnách a také za předpokladu, že nedochází k žádným ztrátám do životního prostředí, pak pro výpočet tepelného výměníku je množství tepla určeno vzorcem:

Pokud v prvním prostředí nastanou fázové nebo chemické přeměny, pak rovnice tepelné bilance bude mít následující tvar:

„Externí“ způsob sestavení tepelné bilance

Při výpočtu výměníku pomocí této metody je tepelná bilance určena množstvím tepla Q1, které vstoupí do výměníku za 1 hodinu s přiváděným médiem. Bude se rovnat celkovému množství tepla opouštějícího zařízení za stejnou dobu.

Pokud v systému nastanou fázové nebo chemické přeměny, množství tepla se určí podle vzorce:

Existují tři mechanismy přenosu tepla: vedení, proudění a sálání.

Přenos tepla vedením je popsán Fourierovým zákonem:

kde? — koeficient úměrnosti (také nazývaný koeficient tepelné vodivosti). Parametr určuje rychlost přenosu tepla za jednotku času jednotkou povrchu při určitém rozdílu teplot.

Přenos tepla konvekcí určuje mechanismus přenosu tepla objemy pohybujících se médií. Tento proces je popsán Newtonovým zákonem:

kde? — součinitel prostupu tepla.

Při výpočtu výměníku tepla je třeba vzít v úvahu:

• Typ pracovního prostředí (systémy voda-voda, olej-voda, pára-voda atd.);
• Velikost tepelné zátěže nebo výkonu;
• Průtok média za jednotku času (určeno, pokud není možné stanovit tepelné zatížení;
• Vstupní teplota prostředí;
• výstupní teplota média;
• Viskozita pracovního prostředí;
• Průměrný teplotní rozdíl;
• Stupeň znečištění životního prostředí (potřebný ve zvláštních případech).

Kterýkoli z parametrů při výpočtu výměníku tepla může mít významný vliv na konstrukci výměníku tepla, to znamená v konečném důsledku ovlivnit jeho cenu. Účelem tepelnětechnického výpočtu výměníku je stanovení optimální teplosměnné plochy, tedy sestavení instalace, která svými parametry nejvíce vyhovuje konkrétnímu tepelně technickému procesu.

• Výpočet trubkového výměníku tepla
• Výpočet tepelného výměníku pro bazén
• Výpočet potrubí výměníku tepla v potrubí

Společnost „ProfTechService“ provede odborné výpočty výměníku tepla v co nejkratším čase.

Etapy výpočtu výměníku tepla

Návrh zařízení pro výměnu tepla se provádí na základě speciálního výpočtu, protože provoz zařízení bude záviset na tom, jak přesně jsou interpretovány počáteční údaje. Výpočet výměníku provádějí topenáři pomocí nainstalovaných programů.

V průmyslu se používá široká škála zařízení pro výměnu tepla, včetně ohřívačů, chladicích jednotek, výparníků a kondenzátorů. Hlavním parametrem potřebným pro výpočet rekuperačního zařízení je teplosměnná plocha. Tento parametr ovlivňuje následující vlastnosti:

• Rozměry zařízení.
• Doba výroby.
• Náklady na výměník tepla.
• Operační podmínky.
• Rychlost a složitost montáže.

Před montáží deskového výměníku tepla (i toho nejjednoduššího) si budete muset připravit potřebný seznam údajů. Určitě se vám budou hodit informace o spotřebě některého z teplonosných látek a také údaje o teplotě obou médií na vstupu a výstupu.
Parametry potřebné pro výpočet zařízení pro výměnu tepla.

Program výpočtu výměníku tepla umožňuje nastavit režim pohybu nosičů tepla. V případě nuceného pohybu média je tato charakteristika určena Reynoldsovým kritériem. Kromě toho je velmi důležité uspořádání prostoru, kterým se chladicí kapalina pohybuje. Tato oblast může být tubulární nebo intertubulární. Je také nutné určit umístění potrubí, které může být horizontální nebo vertikální.

Etapy výpočtu teplosměnné jednotky

Pro výpočet parametrů zařízení pro výměnu tepla se používají speciální programy. S jejich pomocí se po zadání příslušných údajů provede výpočet krok za krokem:

• Na základě průměrné teploty chladicí kapaliny a průměrné hodnoty hnací síly se vypočítá hodnota tepelné zátěže zařízení.
• Rovnice tepelné bilance se používá k určení průtoku druhého chladiva.
• Určí se přibližná plocha výměny tepla a vypočítá se velikost potrubí. Po určení režimů pohybu chladicích kapalin je specifikován počet trubek.
• Na základě stanovených orientačních parametrů se provede předběžný výběr instalace. V tomto případě je třeba vzít v úvahu geometrické rozměry zařízení, které byly původně zahrnuty do výpočtu (zejména počet trubek a vnitřní průměr pláště). Ukazatele, které nebyly zahrnuty do předběžného odhadu, mohou být změněny. Tímto způsobem jsou parametry optimalizovány pro konkrétní technologické podmínky.
• Pro všechny teplonosné látky se provádí posouzení dílčích součinitelů prostupu tepla. K tomuto účelu se používají kriteriální rovnice, které popisují procesy výměny tepla, provozní režimy a umístění potrubí.
• Uvádí se teplota stěny. Stanovení parametrů ohřevu se provádí jak z horké, tak ze studené strany chladiva.
• Na základě hlavní rovnice přenosu tepla se vypočítá teplosměnná plocha. Jakmile je tento parametr určen, je nakonec vybráno normalizované zařízení. V této fázi práce je do návrhu instalace začleněna nezbytná bezpečnostní rezerva, aby byl zajištěn spolehlivý a dlouhodobý provoz zařízení. Je nutné vzít v úvahu skutečnost, že během provozu se na vnitřních plochách potrubí a pažnice hromadí sedimenty, což vede ke snížení součinitele prostupu tepla a následně ke snížení účinnosti procesu výměny tepla.

Podmínky ovlivňující účinnost procesu přenosu tepla

Proces přenosu tepla je ovlivněn řadou faktorů. Různá mechanická zařízení zlepšují výměnu tepla. Mohou to být míchadla nebo pneumatická zařízení. Rychlost přenosu tepla navíc závisí na konfiguraci teplosměnné plochy (může být trubková, plochá nebo reliéfní a reliéfy mohou být také různé). Při výpočtu je vybrána nejoptimálnější konstrukce zařízení, která dokáže zajistit nejlepší přenos tepla.