Расчёт теплообменника: площадь, температурный напор, онлайн

Расчёт теплообменника начинают с мощности и четырёх температур: по ним находят среднелогарифмический температурный напор, а площадь теплообмена — делением мощности на коэффициент теплопередачи и этот напор. Для пластинчатого теплообменника вода — вода на 50 кВт с водой 15 → 10 °C и водой от чиллера 5 → 9 °C нужно около 3 м². Калькулятор считает площадь с запасом на загрязнение, расход от чиллера и холодо­производительность чиллера, который будет питать теплообменник.

Когда нужен этот расчёт

• Промежуточный теплообменник. Технологическую воду, молоко, сусло или масло нельзя пускать через испаритель чиллера: между ними ставят пластинчатый теплообменник. Как он включается в схему, описано в справочнике о теплообменниках чиллера.
• Охлаждение продукта в потоке. Молоко после дойки или сусло после варки отдают тепло гликолю — нагрузку для этих случаев считают задачи об охлаждении молока и о пивоварне.
• Проверка старого теплообменника. Если перестало хватать холода, расчёт покажет, хватает ли поверхности при нынешних температурах или напор слишком мал.

Формула

Напор на концах теплообменника при противотоке — разница температур горячей и холодной сторон там, где они встречаются:

Δt₁ = t_{г вх} − t_{х вых}, Δt₂ = t_{г вых} − t_{х вх}

Δt_ср = (Δt₁ − Δt₂) / ln(Δt₁ / Δt₂)

F = Q × 1000 / (k × Δt_ср) × 1,15

• t_{г вх}, t_{г вых} — горячая сторона на входе и выходе, °C; t_{х вх}, t_{х вых} — среда от чиллера на входе и выходе, °C;
• Δt_ср — среднелогарифмический напор, °C; при равных Δt₁ и Δt₂ он равен им;
• F — площадь теплообмена, м²; Q — мощность, кВт; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·°C); 1,15 — запас на загрязнение.

Расход от чиллера — G = Q / (c × (t_{х вых} − t_{х вх})), где c — 1,163 кВт·ч/(м³·°C) для воды и 1,10 для 30 % пропиленгликоля; концентрацию по температуре подбирает расчёт концентрации гликоля. Чиллер берут на мощность теплообменника с запасом 15 %.

Коэффициент зависит от скорости в каналах, вязкости и рисунка пластин, поэтому в калькуляторе стоит нижняя часть диапазона: площадь получается с запасом. Точную модель и число пластин подбирают по программе изготовителя теплообменника на этих же температурах и мощности; чем отличаются паяный, разборный и сварной, разобрано в справочнике о пластинчатом теплообменнике.

Пример расчёта

Промежуточный пластинчатый теплообменник вода — вода на 50 кВт: технологическая вода остывает с 15 до 10 °C, вода от чиллера нагревается с 5 до 9 °C.

1. Напор на концах: Δt₁ = 15 − 9 = 6 °C, Δt₂ = 10 − 5 = 5 °C.
2. Средний напор: (6 − 5) / ln(6 / 5) = 5,48 °C.
3. Площадь: 50 × 1000 / (3500 × 5,48) × 1,15 = 3,00 м² (без запаса — 2,60 м²).
4. Расход от чиллера: 50 / (1,163 × 4) = 10,7 м³/ч.
5. Чиллер: 50 × 1,15 = 57,5 кВт с водой 5 °C.

Мощность, если её нет, считают по расходу и перепаду горячей стороны — расчёт мощности по расходу и температурам.

Типовые ошибки

• Напор 1–2 °C «для экономии». Вода от чиллера почти такой же температуры, как нужна продукту: площадь растёт в разы, а любое загрязнение лишает теплообменник мощности. Чиллеру проще дать среду на 3–5 °C холоднее.
• Каталожная мощность без температур. Теплообменник «на 50 кВт» в каталоге дан при своём напоре; при меньшем напоре он передаёт меньше.
• Гликоль вместо воды без пересчёта. Вязкий раствор снижает коэффициент теплопередачи и расход; свойства — в справочнике о свойствах гликолей.
• Масло в пластинчатом теплообменнике как вода. У масла коэффициент в разы ниже, и маслоохладитель гидростанции получается в 5–10 раз больше водяного на ту же мощность.