Расчет площади теплообменника котла

Теплообменник – один из важнейших элементов котла и как любой важный элемент требует к себе особого внимания. Если его не будет или он будет небольшой площади, то самый идеальный котел превратится в буржуйку или огненный ящик. Если с площадью переборщить, то получится груда металла, плачущая конденсатом.
В данной статье мы будем искать золотую середину в вопросах теплообмена нашего котла.

Если у вас возникли вопросы по работе сайта звоните по телефону

По этому номеру вы можете получить бесплатные консультации.

Для начала предлагаю разобраться с физикой процесса происходящего внутри нашего котла. Там присутствуют два вида теплообмена: конвективный и радиационный (излучением). С этими двумя видами переноса тепла, уважаемый читатель, вы сталкиваетесь каждый день. Подставляя лицо и другие части тела под лучи нашего небесного светила, мы получаем тепло посредством излучения, сидя у костра, мы тоже греемся его излучением, а вот котелок, висящий над костром, получат тепло еще и конвекцией. Конвекция в переводе с латыни есть перемещение. Теплообмен происходит за счет перемещения жидкости либо газа.
Вот например около окна стоит радиатор который греет воздух, а тот в свою очередь совершает путешествие по комнате и нагревает предметы, стены и даже некоторых холоднокровных обитателей.
Но вернемся к нашему котлу. Горит топливо на колосниках и выделяет тепловую энергию, она в свою очередь передается стенкам котла посредством излучения и тратится на нагрев газов, которые уже омывают теплообменник и тоже отдают свое тепло котлу, точнее воде. Если мы идеально изолируем топку котла каким-нибудь отражающими лучи материалами и полностью исключим возможность передачи тепла излучением, то добьемся в ней повышения температуры аж до 2200-2500 градусов. Вся энергия топлива перейдет газам и повысит их температуру. Это конечно в идеальном случае.
На практике же в топке происходит множество процессов и температуры там далеки от идеальных. Всего около 1000 градусов. Все дело в том, что при повышении температуры угли на колосниках и газы начинают излучать вокруг себя и отдавать энергию на в разы а во много раз больше. Зависимость от абсолютной температуры в 4 степени (Закон Стефана-Больцмана). Вот например слой углей на колосниках при температуре в 1000 градусов будет излучать стенкам котла:

Q=5,67*(273+1000/100)4=148900 Вт с одного м2

А уже при 1100 градусах:

Q=5,67*(273+1100/100)4=201500 Вт с одного м2

Всего лишь 100 градусов, а мощность излучения выросла на четверть. Как мы разобрались ранее котел лучше работает когда в его топке высокая температура , в следствие чего и качественнее у него горение. Зная, что шамотный кирпич обладает свойствами хорошего изолятора и имеет способность отражать лучи наша команда и применила его в котлах GLAZ 24, GLAZ 12, GLAZ 16, GLAZ 20 и GLAZ 25, окружив ими очаг горения и камеру дожига. В данном котле этого делать мы не будем, как и не будем высчитывать температуру на колосниках, в факеле, не будем ворочать громоздкими формулами и итерациями.
Просто примем, что на долю излучения в котле приходится половина мощности, а половина приходится на конвективный теплообмен. Следовательно, теплообменник должен снять с газов 3,25 Квт.
Температуру на входе в теплообменник примем 700 градусов. Все дело в том, что выше 700 градусов теплообмен излучением эффективнее, а ниже преобладает конвективный. Так же применим, что внизу теплообменника температура воды будет 60 градусов, а на выходе все 80.
Теплообменник сделаем одноходовым (так как для многоходового у нас в конструкции не предусмотрено лишнего места) и жаротрубным из трубы 57×3,5.
Температуру уходящих газов во избежание выпадения конденсата выберем 140 градусов.
Теперь, имея все данные, можно построить график и посчитать средне логарифмический температурный напор.

Сечение нашего теплообменника составляет 340×200мм и в этот прямоугольник «со свистом войдут» 12 труб диаметром 57 мм. То есть 3 ряда по 4 трубы. Скорости газов в трубах обещают быть невысокими и поэтому коэффициент теплопередачи для нашего конструктива мы примем всего k=20Вт/(М*К). Этот коэффициент означает, что при разнице температур в 1 градус через 1 квадратный метр передается 20 вт тепла.
Нетрудно вычислить необходимую площадь теплообменника:

F=3250/(20*245)=0,663 кв. метра.

Имея 12 труб с наружным диаметром 57 мм и внутренним 50 мм (5 см) можем найти длину труб.

L=6630/12*3,14*5)=35,2 см или 352 мм.

В данном теплообменнике предусмотрено применение и турбулизаторов которые повысят скорости в трубах и интенсифицируют теплообмен. Если конечно это потребуется.
В следующей статье мы начнем компоновать котел и уточнять окончательные размеры изделия.

Если в бане есть хорошая печь, то никакого бойлера для нагрева воды в моечную не нужно – для этого используется теплообменник. Его главная задача в том, чтобы нагреть поступающую воду и отдать ее в навесной бак. А потому пока пылает «сердце» бани – и вода в соседнем помещении будет горячей, а когда баня не топится и не используется – она сливается. Вот так все рационально и продумано.

Читайте также:  Класс звукопоглощения нсв 211

Что такое теплообменник и зачем он нужен?

Банные печи с теплообменником – это печи, в которых есть особое пространство, куда поступает холодная вода, нагревается и выходит по трубам к радиаторам или навесному баку. Причем функция теплообменника банных печей не только в нагревании воды для душевой – те выносные баки, которые находятся в комнате отдыха или предбаннике, еще и прогревают их.

Существует 2 варианта исполнения теплообменников:

  • Внутренний теплообменник – это вставленный в бок печной камеры либо пущенный по дну змеевик, или же так называемая «рубашка», которая полностью покрывает топку.
  • Внешний теплообменник – модуль дымохода, труба, которая как бы опоясана герметичной емкостью.

Абсолютно все теплообменники, не зависимо от их вида, в обязательном порядке заполняются жидкостью – антифризом или водой. Подает жидкость в них сообщающая емкость – батарея водяного отопления или навесной бак. Для присоединения традиционно используются 2 штуцера: один снизу, другой – сверху. И все схема работы теплообменника предельно проста – все происходит благодаря естественной циркуляции нагреваемых жидкостей, либо путем подключения насоса, работающего от электричества.

Опытные печники советуют отдавать предпочтение открытым системам нагрева воды в бане – то есть без давления. Немаловажен и такой момент – наиболее эффективной системой нагрева воды в бане считается та, общая протяженность труб какой не превышает трех метров. Причем на практике этого оказывается достаточно, чтобы поместить прямо за стеной парилки сам бак.

Также важна и толщина трубы – лучше, если она не будет меньше дюйма, в противном случае току жидкости будет оказано ощутимое сопротивление, и печь банная с теплообменником без насоса не сможет гонять воду.

Как рассчитать площадь теплообменника?

Все расчеты габаритов теплообменника всегда приблизительны. К примеру, на обогрев обычного банного помещения необходимо около 5кВт – то есть именно столько энергии должна дать системе печь с теплообменником. А 1 квадратный метр площади теплообменника – это около 8-9 кВт во время топки.

Конечно, многое зависит от расположения котла в печи и интенсивности горения топлива, но в любом случае мощность котла по окончанию топки быстро падает в 5-10 раз. А потому площадь поверхности печного теплообменника рассчитывать нужно с многократным запасом – только так можно создать систему, которая сможет поддержать комфортную температуру во всех помещениях бани при одноразовой или двухразовой топке.

Форма самого котла печи для бани с теплообменником может быть самой разной. Наиболее распространенный вариант – из нержавеющих труб, но сегодня все более популярными становятся коллекторы из двух швеллеров и образцы пластинчатого типа.

Делаем теплообменник для печи своими руками

Для того, чтобы собственноручно изготовить теплообменник для кирпичной печи, понадобится металл 2,5 мм толщиной. Его конструкция будет такова: цилиндрическая верхняя емкость и прямоугольная нижняя соединены трубами. Самое главное – это сделать все сопрягаемые швы с минимальными зазорами, а уже размер самой печи и диаметр труб нужно рассчитывать исходя из размера самого помещения бани.

Итак, все готовые раскроенные детали нужно прихватить сваркой и проверить, насколько точно были выполнены все расчеты. После этого можно собирать теплообменник. И наконец, он проверяется на прочность таким образом: нижнюю трубу нужно заварить, в теплообменник – залить воду и выходное отверстие соединить с емкостью. Теперь, используя монометр для контроля давления, систему нужно заполнить сжатым воздухом. Если швы были выполнены качественно – они не станут течь. А вот если такие прорехи окажутся, из системы нужно слить воду и проблемные места снова заварить. Конечно, чем меньшей будет общая длина всех труб, тем лучше.

Теплоизолировать бак для воды или нет – зависит от того, будет ли он использоваться только по прямому назначению, или же им планируются прогреваться и смежные комнаты.

Правила безопасной эксплуатации теплообменника

Опытные печники советуют выбирать и эксплуатировать печь для бани с теплообменником ответственно, а потому не лишним будет ознакомиться с такими правилами:

  • Трубы от теплообменника нельзя крепить на неподвижные соединения к стенам – от нагрева первые расширяются и изменяют свои линейные размеры.
  • Мощность теплообменника не должна негативно влиять на мощность печи – всего отбираемое тепло не может превышать 10%. А потому слишком габаритные теплообменники – не лучший вариант, если сама печь не достаточно сильна.
  • Выносной бак для воды подбирать нужно так, чтобы после 2 часов топки бани в вода в системе была уже горячей. Но не раньше – иначе она будет закипать, и парилка будет перенасыщена паром. А вот слишком большой бак греть воду будет долго.
  • Если кирпичная печь с теплообменником уже разогрелась до высокой температуры, в нее крайне нежелательно наливать воду.
  • Чтобы уплотнить резьбу в месте соединения труб и теплообменника, нужно использовать только тот уплотнитель, который сможет выдержать высокую температуру.
Читайте также:  Утеплитель холстон что это

Если система предполагает естественный теплообмен – без насосов – то трубы для подачи в бак воды должны быть расположены так: холодная вода из бака самотоком стекает по трубе к печи, а горячая таким же образом поднимается снова к баку. Но все это будет работать, если трубы и прямой, и обратной подачи воды будут размещены под углом 2-5 градусов.

Современный строительный рынок предлагает достаточно видов банных агрегатов такого вида: это и мощная чугунная печь с теплообменником, и недорогие дровяные печи с теплообменником – цена последнего особо не влияет на стоимость самой печи. Важно только обратить внимание при выборе, чтобы сам теплообменник был изготовлен из качественной жаропрочной и жаростойкой стали.

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.

      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 – количество теплоты передаваемое или принимаемое теплоносителем [Вт],

      Gг,х – расход горячего и холодного теплоносителей [кг/ч];
      сг,х – теплоемкости горячего и холодного теплоносителей [Дж/кг·град];
      tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
      tг,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:

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

      Читайте также:  Чем резать полистирол в домашних условиях

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

      Благодаря данной формуле определяем расход теплоносителя:

      Формула для расхода, если нагрев идет паром:

      G – расход соответствующего теплоносителя [кг/ч];
      Q – количество теплоты [Вт];
      с – удельная теплоемкость теплоносителей [Дж/кг·град];
      r – теплота конденсации [Дж/кг];
      tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплоносителей [°C];
      tг,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:

      ∆tср = (∆tб – ∆tм) / ln (∆tб/∆tм) где ∆tб, ∆tм – 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
      ∆tср = ∆tср ·fпопр . Коэффициент теплопередачи может быть определен следующим образом:

      δст – толщина стенки [мм];
      λст – коэффициент теплопроводности материала стенки [Вт/м·град];
      α1,2 – коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней стороны стенки [Вт/м 2 ·град];
      Rзаг – 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·∆tср [м 2 ]

      Размер проходного сечения теплоносителей определяют из формулы:

      S = G/(w·ρ) [м 2 ]

      G – расход теплоносителя [кг/ч];
      (w·ρ) – массовая скорость потока теплоносителя [кг/ м 2 ·с]. Для расчета скорость потока принимают исходя из типа теплоносителей:

      Вид теплоносителя Скорость потока, м/с
      Вязкие жидкости 0,636 · (∆Pгр/∆Pнагр) 0,364 · (1000 – t нагр ср/ 1000 – tгр ср)

      Gгр, нагр – расход теплоносителей [кг/ч];
      ∆Pгр, нагр – перепад давления теплоносителей [кПа];
      tгр, 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:

      Gнагр – расход теплоносителя [кг/ч];
      wопт – оптимальная скорость потока теплоносителя [м/с];
      fк – 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:

      ∆pп – потери давления [Па];
      λ – коэффициент трения;
      l – длина трубы [м];
      d – диаметр трубы [м];
      ∑ζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;
      ρ – плотность [кг/м 3 ];
      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.
      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)

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *