Калькуляторы
Калькулятор расчета теплообменника
- Пластинчатые теплообменники: 3000-5000 Вт/(м²·К)
- Кожухотрубные теплообменники: 800-1500 Вт/(м²·К)
- Теплообменники труба в трубе: 400-1000 Вт/(м²·К)
- Вода: 4200 Дж/(кг·К)
- Гликоль (30%): 3800 Дж/(кг·К)
- Масло: 1800-2200 Дж/(кг·К)
- Тепловая мощность: Q = m × Cp × ΔT [Вт]
- Логарифмическая разность температур: LMTD = ((T₁ᵢₙ - T₂ₒᵤₜ) - (T₁ₒᵤₜ - T₂ᵢₙ)) / ln((T₁ᵢₙ - T₂ₒᵤₜ) / (T₁ₒᵤₜ - T₂ᵢₙ)) [°C]
- Требуемая площадь теплообмена: A = Q / (U × LMTD) [м²]
- Эффективность: ε = Q / Qₘₐₓ × 100 [%], где Qₘₐₓ - максимально возможная тепловая мощность
- Пластинчатые теплообменники: компактные, высокоэффективные, подходят для жидкость-жидкость теплообмена с низкой и средней вязкостью
- Кожухотрубные теплообменники: более устойчивы к загрязнениям, подходят для высоких температур и давлений
- Теплообменники труба в трубе: простые в конструкции, хорошо подходят для малых расходов и при высоких требованиях к чистоте
Данный калькулятор предназначен для предварительного расчета параметров теплообменного оборудования различных типов. Он помогает определить:
- Тепловую мощность теплообменника
- Логарифмическую разность температур (LMTD)
- Требуемую площадь теплообмена
- Площадь с учетом запаса
- Эффективность теплообмена
Калькулятор применим для предварительной оценки параметров пластинчатых, кожухотрубных теплообменников и теплообменников типа "труба в трубе" в системах отопления, горячего водоснабжения, охлаждения и других процессах теплообмена между жидкостями.
Основной принцип работы теплообменника заключается в передаче тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их поверхность. Расчет теплообменника основан на уравнении теплопередачи и тепловом балансе.
1. Тепловая мощность определяется из уравнения теплового баланса:
где:
- Q - тепловая мощность, Вт
- m - массовый расход теплоносителя, кг/с
- Cp - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К)
- ΔT - изменение температуры теплоносителя, °C
2. Логарифмическая разность температур (LMTD) учитывает изменение разности температур по длине теплообменника:
где:
- ΔT₁ = Tг,вх - Tх,вых (разность на одном конце теплообменника)
- ΔT₂ = Tг,вых - Tх,вх (разность на другом конце теплообменника)
3. Требуемая площадь теплообмена рассчитывается по формуле:
где:
- A - площадь теплообмена, м²
- Q - тепловая мощность, Вт
- U - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К)
- LMTD - логарифмическая разность температур, °C
4. Эффективность теплообменника показывает отношение фактической передачи тепла к теоретически возможной:
где:
- ε - эффективность теплообменника, %
- Q - фактическая тепловая мощность, Вт
- Cmin - минимальная теплоемкость потока (из горячего и холодного), Вт/К
- Tг,вх - температура горячего теплоносителя на входе, °C
- Tх,вх - температура холодного теплоносителя на входе, °C
Тип теплообменника определяет конструкцию и ориентировочный коэффициент теплопередачи. При выборе типа автоматически устанавливается типичное значение коэффициента теплопередачи.
Коэффициент теплопередачи (U) характеризует интенсивность теплообмена через разделяющую поверхность. Зависит от:
- Типа теплообменника
- Физических свойств теплоносителей
- Режима течения (турбулентный/ламинарный)
- Шероховатости и материала поверхности
| Тип теплообменника | Типичные значения U, Вт/(м²·К) |
|---|---|
| Пластинчатый | 3000-5000 |
| Кожухотрубный | 800-1500 |
| Труба в трубе | 400-1000 |
Тип жидкости влияет на автоматическое заполнение параметров удельной теплоемкости и плотности. Вы можете выбрать воду, гликоль (30%), масло или указать собственные значения, выбрав "Другое".
Расход - объем теплоносителя, проходящий через теплообменник в единицу времени (м³/ч). Для расчетов переводится в массовый расход (кг/с) с учетом плотности жидкости.
Температуры на входе и выходе определяют изменение температуры теплоносителя и, соответственно, количество передаваемого тепла. Для корректности расчета:
- Температура горячего теплоносителя на выходе должна быть ниже, чем на входе
- Температура холодного теплоносителя на выходе должна быть выше, чем на входе
Коэффициент загрязнения учитывает снижение теплопередачи из-за образования отложений на поверхности теплообмена. Фактически это дополнительное термическое сопротивление.
Запас по поверхности добавляет дополнительную площадь теплообмена для компенсации возможного снижения эффективности в процессе эксплуатации, неточностей расчета и других факторов. Обычно принимается в диапазоне 10-40%.
Исходные данные:
- Тип теплообменника: Пластинчатый (U = 3500 Вт/(м²·К))
- Горячий теплоноситель: Вода
- Расход горячего теплоносителя: 10 м³/ч
- Температура горячего теплоносителя: вход 80°C, выход 60°C
- Холодный теплоноситель: Вода
- Расход холодного теплоносителя: 12 м³/ч
- Температура холодного теплоносителя: вход 40°C, выход 55°C
- Коэффициент загрязнения: 0.0002 (м²·К)/Вт
- Запас поверхности: 15%
Расчет:
-
Массовый расход горячего теплоносителя:
mг = 10 × 1000 / 3600 = 2.78 кг/с -
Тепловая мощность (горячий контур):
Q = 2.78 × 4200 × (80 - 60) = 233,520 Вт = 233.52 кВт -
Логарифмическая разность температур:
ΔT₁ = 80 - 55 = 25°C
ΔT₂ = 60 - 40 = 20°C
LMTD = (25 - 20) / ln(25/20) = 22.36°C -
Коэффициент теплопередачи с учетом загрязнения:
Uэфф = 1 / ((1/3500) + 0.0002) = 2592 Вт/(м²·К) -
Требуемая площадь теплообмена:
A = 233,520 / (2592 × 22.36) = 4.02 м² -
Площадь с учетом запаса:
Aзапас = 4.02 × 1.15 = 4.62 м²
Результат: Требуется теплообменник с площадью теплообмена не менее 4.62 м².
Исходные данные:
- Тип теплообменника: Кожухотрубный (U = 1000 Вт/(м²·К))
- Горячий теплоноситель: Масло
- Расход горячего теплоносителя: 20 м³/ч
- Температура горячего теплоносителя: вход 120°C, выход 85°C
- Холодный теплоноситель: Вода
- Расход холодного теплоносителя: 30 м³/ч
- Температура холодного теплоносителя: вход 15°C, выход 45°C
- Коэффициент загрязнения: 0.0005 (м²·К)/Вт
- Запас поверхности: 25%
Расчет: (приводятся основные шаги и результаты)
- Тепловая мощность: приблизительно 820 кВт
- LMTD: 72.1°C
- Требуемая площадь теплообмена: 12.5 м²
- Площадь с учетом запаса: 15.63 м²
Примечание: В приведенных примерах показаны лишь базовые расчеты. При практическом проектировании теплообменного оборудования необходимо учитывать множество дополнительных факторов, таких как гидравлические потери, режимы течения, ограничения по габаритам, материалы теплообменных поверхностей, технологические ограничения и экономические аспекты.
Калькулятор использует упрощенные модели расчета, которые имеют следующие ограничения:
- Не учитываются гидравлические потери в теплообменнике
- Предполагается постоянство физических свойств теплоносителей при изменении температуры
- Не рассматриваются особенности конструкции конкретных моделей теплообменников
- Не учитывается возможное изменение фазового состояния теплоносителей (кипение, конденсация)
- Расчет основан на модели противотока, но не учитывает режимы смешанного тока и поправочные коэффициенты для них
Важно: Результаты расчетов калькулятора следует рассматривать как предварительную оценку. Для точного проектирования теплообменного оборудования необходимо обращаться к специализированному программному обеспечению или консультироваться с инженерами-теплотехниками.
- Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981.
- Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - М.: Атомиздат, 1979.
- Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977.
- ГОСТ 15518-87 Аппараты теплообменные пластинчатые. Типы, параметры и основные размеры.
- ГОСТ 9929-82 Аппараты теплообменные кожухотрубчатые. Типы, основные параметры и размеры.
- ВТИ (Всероссийский теплотехнический институт). Нормативные материалы по расчету и проектированию теплообменного оборудования.
- TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association). Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association.
- Shah, R.K., Sekulic, D.P. Fundamentals of Heat Exchanger Design. - John Wiley & Sons, 2003.
