Jaký je výkon tepelného výměníku?

Výměník tepla – Jedná se o zařízení, které zajišťuje přenos tepla mezi prostředími, která se liší teplotou. Pro zajištění toků tepla různého množství jsou navržena různá zařízení pro výměnu tepla. Mohou mít různé tvary a velikosti v závislosti na požadovaném výkonu, ale hlavním kritériem pro výběr jednotky je její pracovní plocha. Stanovuje se pomocí tepelných výpočtů výměníku tepla při jeho vzniku nebo provozu. Výpočet může být konstrukčního (konstrukčního) nebo zkušebního charakteru. Konečným výsledkem návrhového výpočtu je určení teplosměnné plochy potřebné k zajištění stanovených tepelných toků. Ověřovací výpočet naopak slouží ke stanovení konečných teplot pracovních chladicích kapalin, tedy tepelných toků pro dostupnou teplosměnnou plochu. V souladu s tím se při vytváření zařízení provádí návrhový výpočet a během provozu se provádí ověřovací výpočet. Oba výpočty jsou totožné a ve skutečnosti jsou reciproční.

Základy tepelných výpočtů výměníků tepla

• Q – velikost tepelného toku, W;
• F – pracovní plocha, m2;
• k – součinitel prostupu tepla;
• Δt je rozdíl mezi teplotami nosičů na výstupu do zařízení a na výstupu z něj. Množství se také nazývá teplotní rozdíl.

Jak vidíte, hodnota F, která je cílem výpočtu, je určena přesně pomocí rovnice prostupu tepla. Odvoďme vzorec pro určení F:

Rovnice tepelné bilance zohledňuje konstrukci samotného zařízení. Když se na to podíváte, můžete určit hodnoty t1 a t2 pro další výpočet F. Rovnice vypadá takto:

• G₁ a G₂ – spotřeba hmotností topných a topných médií, resp. kg/h;
• c_p1 a c_p2 – měrná tepelná kapacita (přijatá podle standardních údajů), kJ/kg‧ ºС.

V procesu výměny tepelné energie nosiče mění své teploty, to znamená, že každý z nich vstupuje do zařízení při jedné teplotě a odchází při jiné. Tyto hodnoty (t₁ v ;t₁ výstup a t₂ v ;t₂ out) jsou výsledkem ověřovacího výpočtu, se kterým se porovnávají skutečné teplotní ukazatele chladicích kapalin.

Současně jsou velmi důležité součinitele prostupu tepla nosných médií a také konstrukční vlastnosti jednotky. Při podrobných konstrukčních výpočtech se vypracovávají schémata výměníků tepla, jejichž samostatným prvkem je průtokový diagram chladicích kapalin. Složitost výpočtu závisí na změně součinitelů prostupu tepla k na pracovní ploše.

Aby byly tyto změny zohledněny, rovnice přenosu tepla má diferenciální tvar:

Údaje, jako jsou koeficienty prostupu tepla nosičů, stejně jako typické rozměry prvků při návrhu zařízení nebo při ověřovacích výpočtech, jsou zohledněny v příslušných regulačních dokumentech (GOST 27590).

Příklad výpočtu

Pro větší názornost uveďme příklad konstrukčního výpočtu prostupu tepla. Tento výpočet má zjednodušenou formu a nebere v úvahu tepelné ztráty a konstrukční vlastnosti výměníku tepla.

• Teplota topného média na vstupu t₁ in = 14 °С;
• Teplota topného média na výstupu t₁ ven = 9 ºС;
• Teplota ohřívaného média na vstupu t₂ in = 8 °С;
• Teplota ohřívaného média na výstupu t₂ ven = 12 ºС;
• Hmotnostní spotřeba topného média G₁ = 14000 kg/h;
• Hmotnostní spotřeba vyhřívaného nosiče G₂ = 17500 kg/h;
• Standardní hodnota měrné tepelné kapacity s_р =4,2 kJ/kg‧ºС;
• Součinitel prostupu tepla k = 6,3 kW/m2.

1) Určíme výkon tepelného výměníku pomocí rovnice tepelné bilance:

Qin = 14000‧4,2‧(14 – 9) = 294000 kJ/h

Qout = 17500‧4,2‧(12 – 8) = 294000 kJ/h

Qin = Qout. Podmínky tepelné bilance jsou splněny. Výslednou hodnotu převedeme na měrnou jednotku W. Za předpokladu, že 1 W = 3,6 kJ/h, Q = Qin = Qout = 294000/3,6 = 81666,7 W = 81,7 kW.

2) Určete hodnotu tlaku t. Je určeno vzorcem:

3) Určíme teplosměnnou plochu pomocí rovnice pro přenos tepla:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 m2.

Při provádění výpočtu zpravidla nejde vše hladce, protože je nutné vzít v úvahu všechny druhy vnějších a vnitřních faktorů, které ovlivňují proces výměny tepla:

• vlastnosti konstrukce a provozu zařízení;
• ztráta energie během provozu zařízení;
• koeficienty prostupu tepla tepelných nosičů;
• rozdíly v práci na různých částech plochy (diferenciální charakter) atp.

Můžete nezávisle provést tepelný výpočet na základě výše uvedených rovnic a získat výsledek ve formátu pdf (v polích „Přípustné ztráty“, „Výpočtový tlak“ a „Tmax“ můžete zadat libovolné údaje, jediné omezení je: Tmax > t1).

DŮLEŽITÉ: Pro co nejpřesnější a nejspolehlivější výpočet musí inženýr pochopit podstatu procesu přenosu tepla z jednoho tělesa do druhého. Měl by mu být také co nejvíce poskytnuta potřebná normativní a vědecká literatura, protože na základě mnoha veličin byly vypracovány příslušné normy, které musí odborník dodržovat.

Závěry

Co získáme výsledkem výpočtu a jaké je jeho konkrétní použití?

Řekněme, že firma obdrží zakázku. Je nutné vyrobit tepelné zařízení s danou teplosměnnou plochou a výkonem. To znamená, že podnik nestojí před otázkou velikosti zařízení, ale před otázkou materiálů, které poskytnou požadovaný výkon s danou pracovní plochou.

K vyřešení tohoto problému se provádí tepelný výpočet, to znamená, že jsou určeny teploty chladicích kapalin na vstupu a výstupu zařízení. Na základě těchto údajů jsou vybírány materiály pro výrobu prvků zařízení.

V konečném důsledku lze říci, že pracovní plocha a teplota média na vstupu a výstupu aparatury jsou hlavními vzájemně souvisejícími ukazateli kvality výměníku tepla. Po jejich určení pomocí tepelného výpočtu bude inženýr schopen vyvinout základní řešení pro návrh, opravy, řízení a údržbu výměníků tepla.

V příštím článku se podíváme na účel a vlastnosti mechanického výpočtu výměníku tepla, proto se přihlaste k odběru našeho e-mailového zpravodaje a novinek na sociálních sítích, abyste oznámení nepromeškali.