Výpočet plochy výměníku | Tepelné systémy

Důležitost optimálního výběru teplosměnného zařízení s přihlédnutím k podmínkám jeho použití a požadovaným technickým parametrům je dána potřebou udržet jeho dlouhodobý spolehlivý provoz s vysokou produktivitou. Základem pro takový výběr je technický výpočet plochy teplosměnného zařízení.

Nepochybně existují různé standardy, které mají univerzální vlastnosti, s jejichž pomocí si můžete nezávisle vybrat zařízení pro vaše pracovní podmínky. Individuální výpočet zařízení je však více než oprávněný, protože může několikrát zvýšit účinnost zařízení a získat maximum z jeho provozu. Kromě toho je provedení technického výpočtu povinným krokem, když je nutné zorganizovat výměnu tepla v technické místnosti se specificky určenými charakteristikami pracovního prostředí.

Tvorba technického návrhu teplosměnného zařízení prochází řadou etap.

Výpočet množství tepla

Vzorec přenosu tepla použitý pro konstantní čas a hodnoty postupu je dán:

Q = KFtcp (W),

K – součinitel prostupu tepla (měřeno ve W/(m2/K));

tcp – průměrná hodnota teplotních hodnot mezi dvěma pracovními prostředími (měřená jak ve stupních Celsia (0C), tak ve stupních Kelvina (K));

F je ukazatel plochy, přes kterou je požadována výměna tepla (měřeno v m2).

Tento vzorec popisuje proces přenosu tepla z horkého pracovního média do studeného. Rovnice zahrnuje:

• Výměna tepla mezi horkým pracovním prostředím a stěnou;
• Vlastnosti tepelné vodivosti samotné stěny;
• Výměna tepla mezi stěnou a chladným pracovním prostředím.

Výpočet součinitele prostupu tepla

Při výpočtu předběžného návrhu výměníku tepla a také při ověřování stávajícího zařízení se používají standardní hodnoty koeficientů pro různé kategorie:

• Součinitel výměny tepla pro kondenzaci vodní páry – od 4000 do 15000 W/(m2K);
• Koeficient výměny tepla pro vodní chladivo cirkulující v systému je od 1200 do 5800 W/(m2K);
• Koeficient výměny tepla z kondenzátu páry do chladiva vody je od 800 do 3500 W/(m2K).

Přísnou definici součinitele prostupu tepla (K) lze provést pomocí vzorce:

• α1 — hodnota součinitele prostupu tepla pro horké pracovní prostředí (měřeno ve W/(m2K));

• α2 — hodnota součinitele prostupu tepla pro chladné pracovní prostředí (změny ve W/(m2K));

• δст — hodnota tloušťky stěny potrubí (měřená v metrech);

• λst je součinitel tepelné vodivosti materiálu použitého k výrobě potrubí (měřeno ve W/(m*K)).

Tento výraz však udává dokonalou hodnotu koeficientu, která nemusí 100 % odpovídat skutečným podmínkám použití. Proto se do tohoto vzorce nejčastěji přidává ještě jeden parametr – Rzag.

Tato hodnota udává tepelný odpor různých typů usazenin vytvořených v rovině potrubí, které jsou vystaveny ohřevu (například vodní kámen a jiné usazeniny).

Rovnice pro parametr znečištění je znázorněna takto:

R = 1/λ1 + 2/λ2,

• δ1 — tloušťka kontaminační vrstvy uvnitř potrubí (v metrech);
• δ2 — tloušťka kontaminační vrstvy vně potrubí (v metrech);
• λ1 a λ2 jsou koeficienty tepelné vodivosti pro příslušné znečišťující prvky (měřeno ve W/(m*K)).

Postup pro výpočet teplosměnného zařízení (plocha povrchu)

Jak vidíme, vypočítali jsme takové ukazatele, jako je tepelná kapacita (Q) a koeficient prostupu tepla (K). Pro konečné stanovení je navíc nutné znát průměrné hodnoty teploty (tcp) a součinitel prostupu tepla.

Proto může být konečná rovnice pro určení hodnoty teplosměnné plochy v deskovém výměníku tepla reprezentována následovně:

• Indikátory Q a K jsou popsány dříve;
• Parametr tcp (průměrná hodnota teplotních hodnot) je určen vzorcem (aritmetický průměr nebo logaritmický průměr);
• Koeficienty přestupu tepla se určují jedním ze dvou způsobů: buď pomocí empirických vzorců, nebo pomocí Nusseltova čísla (Nu) pomocí rovnic podobnosti.