Jak vypočítat výkon tepelného výměníku?
Deskové výměníky tepla přenášejí tepelnou energii mezi různými médii. Teplosměnnou plochou těchto zařízení je balíček tenkých kovových desek. Tyto desky tvoří kanály, kterými prochází chladicí kapalina (nejčastěji voda).
Bez výměníku tepla není možné vytvořit efektivní autonomní systém zásobování teplem. Pro zajištění normální funkce systému je nutné správně provést tepelné výpočty.
Jaká data jsou potřebná pro výpočet
- Typ teplosměnného média (například pára-voda, voda-voda nebo olej-voda);
- Tepelné zatížení (Gcal/h) nebo výkon (kW), hmotnostní průtok média (pokud tepelné zatížení není známo) – tyto parametry odrážejí výkon zařízení.
- Teplota média na vstupu a výstupu výměníku (na teplé a studené straně).
Také výpočet deskového výměníku bude vyžadovat údaje z technické specifikace (TS) poskytnuté organizací zásobování teplem. Je nutné vzít v úvahu maximální přípustnou provozní teplotu a tlak média – čím nižší jsou tyto parametry, tím je zařízení zpravidla levnější.
Princip výpočtu
Chcete-li vypočítat celkový hmotnostní průtok, musíte vynásobit objem průtoku hustotou kapaliny. Hustota závisí na teplotě chladicí kapaliny. Například pro studenou vodu z centrálního systému je toto číslo 0.99913.
Tepelný výkon (P, kW).
Ukazatel tepelné zátěže je množství tepla vydávaného zařízením. Vypočítejme to pomocí vzorce
P = mxcpx5t
kde m – střední spotřeba, cp — měrná tepelná kapacita, δt — teplotní rozdíl na vstupu a výstupu jednoho okruhu (t1 – t2).
Další funkce
Pro výběr materiálu desky potřebujete znát viskozitu a typ pracovní kapaliny. Průměrný teplotní rozdíl se vypočítá pomocí vzorce ΔT1 – ΔT2/(v ΔT1/ ΔT2)
kde ΔT1 = T1 (vstupní teplota horkého okruhu) – T4 (výstup horkého okruhu) a ΔT2 = T2 (vstup studeného okruhu) – T3 (výstup studeného okruhu)
Tepelný výpočet
Povinné údaje, které musí být známy při technických výpočtech, jsou fyzikální a chemické vlastnosti, průtok chladiva a teplota (počáteční a konečná). Pokud je některý z parametrů neznámý, určí se tepelným výpočtem.
Podívejme se na příklad obecného výpočtu.
V zařízení tepelného výměníku cirkuluje tepelná energie z jednoho proudu do druhého. K tomu dochází během procesu zahřívání nebo chlazení.
Q = Qg = Qx
Q – objem tepla, které chladicí kapalina předá nebo přijme [W].
Qg = Gg×cg×(tgn – tgk) a Qх = Gх×cх×(tхк – tхн)
Gg, Gx — spotřeba horkého a studeného chladiva [kg/h];
sg, cx — tepelná kapacita horkého a studeného chladiva [J/kg×deg];
tgn, thn — počáteční teplota horkého a studeného chladiva [°C];
tgk, txk — konečná teplota horkého a studeného chladiva [°C];
Vezměte prosím na vědomí, že množství tepla na výstupu a vstupu závisí na stavu chladicí kapaliny. Pokud je stabilní, použijeme pro výpočet výše uvedený vzorec.
Pokud alespoň jedno z chladicích kapalin změní svůj stav agregace, použijeme jiný vzorec:
Q = Gcп×(tп – ts)+ Gr + Gск×(ts – tк)
r — kondenzační teplo [J/kg];
sp, sk — měrné tepelné kapacity páry a kondenzátu [J/kg•deg];
tк — teplota kondenzátu na výstupu z přístroje [°C].
Pokud kondenzát není chlazen, vyloučíme první a třetí člen z pravé strany vzorce. Dostáváme:
Qhot = Qcond = Gr
Průtok chladicí kapaliny určíme:
Ghot = Q/(chot×(tg – tgk)) nebo Gcol = Q/(ccol×(txk – txn))
Průtokový vzorec pro ohřev párou:
Gpair = Q/ Gr
G – průtok chladicí kapaliny [kg/h];
Q – množství tepla [W];
vyhoření a nachlazení – měrná tepelná kapacita chladiva [J/kg•deg];
r – kondenzační teplo [J/kg];
tgn, thn – počáteční teplota horkého a studeného chladiva [°C];
tgh, tkhk – konečná teplota horkého a studeného chladiva [°C].,
Když proud prochází chladicími kapalinami, mění se jeho teplota, a tím i indikátory teplotního rozdílu. Pro výpočet je nejvýhodnější použít průměrnou hodnotu.
Teplotní rozdíl lze vypočítat pomocí logaritmického průměru:
∆tav = (∆tb – ∆tm) / ln (∆tb/∆tm)
∆tb, ∆tm – větší a menší průměrný teplotní rozdíl chladicích kapalin na vstupu a výstupu zařízení.
Při křížovém a smíšeném toku chladicí kapaliny se rozdíl vypočítá pomocí stejného vzorce, ale s korekčním faktorem:
∆tav = ∆tav×frep.
Součinitel prostupu tepla lze určit takto:
1/k = 1/α1 + δst/λst + 1/α2 + Rzag
δst – tloušťka stěny [mm];
λst – součinitel tepelné vodivosti materiálu stěny [W/m•deg];
α1, α2 – součinitele prostupu tepla vnitřní a vnější strany stěny [W/m2•deg];
Rzag – koeficient znečištění stěny.
Konstrukční výpočet
Konstruktivní výpočet může být podrobný a orientační.
Ten přibližný je určen k určení povrchu výměníku tepla, velikosti jeho průtočné části a hledání přibližných součinitelů prostupu tepla. Posledně jmenované lze nalézt v referenčních materiálech.
Přibližný výpočet teplosměnné plochy se provádí pomocí následujících vzorců:
F = Q/ k•∆tav [m2]
Velikost plochy průtoku chladicí kapaliny se určí ze vzorce:
S = G/(w•ρ) [m2]
G – průtok chladicí kapaliny [kg/h];
(w•ρ) – hmotnostní průtok chladicí kapaliny [kg/m2•s]. Průtok závisí na typu chladicí kapaliny: