Теплообменник «труба в трубе»

Опубликовано 28 Фев 2016
Рубрика: Теплотехника | 28 комментариев



ТеплообменДля нагрева холодной воды (разумеется, без смешивания) от системы отопления используются теплообменные аппараты — рекуператоры, в которых две среды движутся в своих полостях, разделенные металлической стенкой. Горячая вода системы отопления, остывая,...

...через стенку нагревает холодную воду в системе горячего водоснабжения.

Из рекуператоров наибольшее распространение получили пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники, которые широко используются не только в коммунальном хозяйстве, но и в первую очередь в различных отраслях промышленности и энергетики. При этом в качестве греющих и нагреваемых сред могут быть самые разнообразные жидкости и газы.

Пластинчатые теплообменники компактнее и эффективнее «древних советских» кожухотрубчатых рекуператоров, однако, последние более просты в изготовлении и в несколько раз дешевле. А некоторые современные образцы отечественных кожухотрубных теплообменников обыгрывают в разы по всем статьям западные пластинчатые аналоги (rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=341).

Теплообменник «труба в трубе» – это простейший вариант кожухотрубного аппарата.

В этой статье представлен алгоритм и теплотехнический расчет в Excel водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе». Если греющая и нагреваемая среды — не вода, то некоторые исходные данные и формулы, использованные в программе, требуется существенно изменить!

Водо-водяной теплообменник «труба в трубе». Расчет в Excel.

На рисунке, представленном ниже, внутренняя труба является теплообменной, а наружная – кожуховой. Греющая вода движется слева направо и остывает, отдавая тепло через стенку внутренней трубы нагреваемой воде. Нагреваемая вода движется справа налево и нагревается.

Снаружи аппарат теплоизолирован. В расчете далее условно принято, что теплоизоляция обеспечивает абсолютное отсутствие теплообмена между наружной трубой и окружающей средой.

Если наружная труба не изолируется, то в расчете необходимо учесть потери тепла окружающему пространству. Как это сделать, можно посмотреть здесь.

Теплообменник труба в трубе

Изображенная на рисунке схема движения жидкостей называется противотоком – нагреваемая вода движется навстречу греющей. Прямотоком, соответственно, будет движение потоков в одном направлении.

Из скриншота программы очевидно, что пользователю нужно заполнить светло-бирюзовые и бледно-зеленые ячейки исходными данными и в светло-желтых ячейках считать результаты вычислений.

Расчет в Excel теплообменника труба в трубе

Расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» выполняется по нижеприведенному алгоритму.

i=1 – для греющей воды и внутренней стенки теплообменной трубы

i=2 – для нагреваемой воды и внешней стенки теплообменной трубы

x=1 – при прямотоке

x=2 – при противотоке

9. Средняя температура воды

ti=(tiвх+tiвых)/2

10. Средняя температура поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы в первом приближении

tст1=tст2=(t1+t2)/2

11. Передаваемая тепловая мощность

N=G2*Cp*(t2вых-t2вх)

8. Температура греющей воды на выходе

t1вых=t1вх-N/(G1*Cp)

12. Средняя плотность воды

ρi=-0,003*ti2-0,1511*ti+1003,1

13. Среднее значение коэффициента кинематической вязкости воды

νi=0,0178/(1+0,0337*ti+0,000221*ti2)/10000

14. Среднее значение коэффициента теплопроводности воды

λi=0,581+0,0012*ti

15. Среднее значение критерия Прандтля для воды

Pri=7,5-0,0694*ti

16. Скорость движения воды во внутренней трубе и в кольцевом пространстве наружной трубы

v1=G1/(π*d12/4)/ρ1

v2=G2/(π*(d22-D12)/4)/ρ2

Желательно чтобы скорость движения воды находилась в диапазоне 0,25…2,5 м/с. Большие значения из диапазона предпочтительнее с точки зрения увеличения турбулентности потока и, следовательно, коэффициента теплоотдачи, но не предпочтительны с точки зрения увеличения гидравлического сопротивления системы, требующего насосы повышенных мощностей.



17. Число Рейнольдса для греющего и нагреваемого потоков

Re1=v1*d1/ν1

Re2=v2*(d2D1)/ν1

Режим течения воды по трубам должен быть турбулентным, т.е. Re>2300 (еще лучше, если Re>10000).

18. Среднее значение критерия Прандтля для внутренней и внешней поверхностей стенки теплообменной внутренней трубы

Prстi=7,5-0,0694*tстi

19. Критерий Нуссельта со стороны греющей и со стороны нагреваемой воды

Nu1=0,021*Re10,8*Pr10,43*(Pr1/Prст1)0,25

Nu2=0,017*Re20,8*Pr20,4*(Pr2/Prст2)0,25*(d2/D1)0,18

20. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды стенке и от стенки нагреваемой воде

α1=Nu1*λ1/d1

α2=Nu2*λ2/(d2-D1)

21. Коэффициент теплопередачи

K=1/(1/α1+((D1d1)/2)/λст-1/α2)

22. Максимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δtmax=t1вхt2вх

Если x=2 (противоток) и t1вхt2вых>t1выхt2вх, то

Δtmax=t1вхt2вых

Если x=2 (противоток) и t1вхt2вых<t1выхt2вх, то

Δtmax=t1выхt2вх

23. Минимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δtmin=t1выхt2вых

Если x=2 (противоток) и t1вхt2вых<t1выхt2вх, то

Δtmin=t1вхt2вых

Если x=2 (противоток) и t1вхt2вых>t1выхt2вх, то

Δtmin=t1выхt2вх

24. Среднелогарифмический температурный напор

Δtср=(ΔtmaxΔtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)

25. Плотность теплового потока

q=K*Δtср

10*. Теперь следует вернуться к пункту 10 и вычислить средние температуры поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы во втором приближении по новым формулам

tст1=t1-q/α1

tст2=t2+q/α2

!!! С новыми значениями температур поверхностей стенки нужно заново выполнить расчеты по пунктам 18-21 и 25 и опять пересчитать значения tст1 и tст2 в третьем приближении…

В представленной программе расчет в Excel выполняется 6 раз. Для точности необходимой на практике обычно бывает достаточно выполнить 2 или 3 приближения.

26. Площадь поверхности нагрева

F=N/q

27. Расчетная длина нагревателя

L=F/(π*d1)

28. Диаметры присоединительных патрубков

dпi=(3600*Gi/(π*vmax*ρi))0,5/30

В расчете максимальная скорость воды vmax принята равной 1,8 м/c. При необходимости можно ее увеличить до 2,5 м/с или принять равной скорости движения воды по теплообменнику.

На этом теплотехнический расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» можно считать завершенным. Гидравлический расчет поможет выполнить эта статья на блоге.

Отложения, образующиеся в процессе эксплуатации на поверхностях стенки внутренней теплообменной трубы, существенно влияют на коэффициент теплопередачи и могут со временем в 1,5-2 раза снизить эффективность работы любого теплообменника. Рассмотренный расчет в Excel это не учитывает.

Заключение.

Посмотрите небольшое видео о работе в представленной программе, которое поможет быстрее понять логику алгоритма и некоторых штатных приемов работы в Excel.

Теперь, считая теплообменник «труба в трубе», вы, уважаемые читатели, избавлены от рутинных ручных расчетов, и у вас будет больше времени на техническое творчество.

Прошу уважающих труд автора скачивать файл с программой после подписки на анонсы статей в блоке ниже статьи или наверху любой страницы блога.

Ссылка на скачивание файла: teploobmennik-truba-v-trube (xls 111KB)

Другие статьи автора блога

На главную


Введите Ваш e-mail:

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

28 комментариев на «Теплообменник «труба в трубе»»

  1. Александр 29 Фев 2016 00:06

    Александр, огромное спасибо за Ваши расчетные программы — очень, очень удобны и помогают.

  2. Игорь 29 Фев 2016 01:46

    Замечательно. Но к сожалению такие простые схемы теплообмена не имеют практического применения в теплообменных аппаратах. Используются многотрубные или аппараты со спирале-витыми одиночными трубами или в пучках.

  3. Александр Воробьев 29 Фев 2016 09:33

    Да, этот расчет не для серьезного «промышленного проектирования», а для быстрой оценки возможностей простых теплообменников в единичном «кустарном производстве», в быту и для студентов.

    Расчет новых совершенных промышленных теплообменных аппаратов — узкая тема, требующая часто индивидуальных решений.

  4. Николай 01 Мар 2016 18:40

    Не плохо бы оценить подобный способ подогрева , но уже уличного воздуха от батареи центрального отопления...Хотелось бы оценить зависимость воздушного потока от теплоотдачи батареи и сколько времени должен работать вентилятор...Сейчас у многих стоят пластиковые окна и лишний жар — просто бич для здоровья...Конечно можно правильно рассчитать радиаторы , но если уже стоят...Совсем будет отлично получить от вас рекомендации о наилучшей конструкции теплообменника для смешивания двух потоков — уличного и комнатного ( циркулирующего ) потоков...чтобы не ледяной воздух в комнату впускать......Циркулирующий поток комнатного воздуха должен быть в 3-4 раза больше уличного потока...как вот лучше обеспечить эффективное смешивание потоков ? Нужен ли теплоаккумулятор в виде ребристой решётки ?

  5. Николай 01 Мар 2016 18:52

    Думал о совместной работе электрокаллорифера и батареи ЦО для обогрева уличного входящего потока...Хотел бы от вас услышать критику в свой адрес...может где то не додумал чего...В таблице заложен логический контроль ввода данных...Похоже , если применить аэросмеситель потоков , то в сезон более жаркого отопления можно вообще наверное не включать электрокалорифер...Вот такая вышла таблица...https://yadi.sk/i/U56YLM2PpnzMN

  6. Николай 01 Мар 2016 18:55

    Кстати , спасибо , поднаучился у вас некоторым хитрым приёмам работы в EXCEL...

  7. Николай 01 Мар 2016 19:46

    А насколько эффективно охлаждать воздух водой ? Есть такие кондиционеры с водяным охлаждением , увлажнением и очисткой воздуха от пыли.......Ведь в самую жару и влажность воздуха выше......Нашёл таблицу охлаждения этим методом...А как будет меняться при охлаждении влажность воздуха ? А если будет достигнут предел влажности , то для снижения надо будет опять воздух горячим нагнетать в комнаты ...без охлаждения ? Таблица...https://yadi.sk/i/zc_dKWbqpeUaq

  8. Александр Воробьев 02 Мар 2016 20:47

    Не пойму, Николай, зачем использовать дорогой в эксплуатации ЭЛЕКТРОкалорифер, если у Вас избыток тепла от приборов отопления? Или Вы так нашли наиболее дешевое решение по исправлению ошибок, допущенных при проектировании и строительстве?..

    Воздух водой охлаждать эффективно ровно на столько — на сколько эффективно воздух водой нагревать (почти все системы отопления зданий). Не понял «таблицу по охлаждению». Что за температуры она показывает?

  9. Николай 03 Мар 2016 15:58

    Избыток тепла бывает только в морозы -20С... -25С...просто духота...а потом начинается экономия энергоносителей...

    Не совсем согласен на счёт сравнения охлаждения и нагревания водой воздуха в данном случае только потому , что при нагреве постоянно поступают каллории , а при охлаждении ( кстати уточняю — в аппарате что я видел в интернете используется замкнутый оборот небольшого объёма воды которую распыляют на фильтр-решётку , фильтруют...и вроде бы нет никакой фреоновой системы , а иначе зачем что то изобретать новое ) этим методом вода отбирает тепло , но скорее аккумулирует его и не так эффективно рассеивает особенно в жару...только за счёт испарения...

    А в таблице , я так понял , указаны температуры уже охлаждённого воздуха , которые можно достичь при конкретной уличной температуре и соответственно при определённой влажности воздуха...

  10. Николай 03 Мар 2016 16:18

    Вот я и думаю , что в сезон наиболее жаркого отопления не стоит вообще включать калорифер...Но в остальные периоды не плохо бы...Не в сезон отопления ( осень , весна ) , когда температура не ниже -5С...15С...калорифер в самый раз...А его дороговизна зависит от объёмов пропускаемого воздуха......если скромно и рационально , то не думаю что разорительно будет...Конечно за удобство нужно и платить...Я вот сравниваю...когда у нас стояли деревянные рамы со щелями...жизненной энергии было больше...Кстати стоит вспомнить опыты Чижевского А.Л...снижение заряда ионов кислорода тоже даром не проходит........Он ставил опыт на здоровых мышах в герметичной камере подавая туда отфильтрованный воздух через толстый слой ваты...Итог — смерть через 2 недели от нервного истощения...

  11. Николай 03 Мар 2016 16:26

    Вот такой прибор я имел ввиду...не кондиционер — мойщик воздуха , но тоже охладитель...http://www.venta.ru/airwashing/

  12. Николай 03 Мар 2016 16:36

    В общем я хотел узнать на сколько эффективно охлаждать воздух за счёт испарения воды...а не циркуляцией воды......А главное как долго будет сохраняться эффект охлаждения , при возможном росте влажности воздуха...Хотя пишут , что не растёт влажность и о гигрометрах можно забыть...но испарение происходит...

  13. Александр Воробьев 03 Мар 2016 19:15

    Градирню приходилось считать и эксплуатировать, но в ней вода охлаждалась продувкой воздуха (воздух, соответственно, нагревался и выбрасывался). На вопрос — на сколько эффективно? — я не знаю как отвечать. Отвечу, как спросили: эффективно!

    Трудно что-то толковое написать Вам, не зная о чем идет речь — о квартире, доме, цехе, магазине...

    Если жара у Вас в морозы, то значит не правильно настроен тепловой узел — слишком крутой график температуры теплоносителя. И надо устранять причину, а не бороться с последствиями.

  14. Николай 04 Мар 2016 11:07

    Если охлаждать воду в градирне не в жаркие периоды , то тут без сомнений...Речь шла о квартире , был бы магазин — был бы и кондиционер...без вопросов...Конечно проще правильно выбрать радиатор , но график отопления не я составляю......И энергоносители не я экономлю...Так что борьба больше не с последствиями , а с мудрецами-чиновниками...Да и вообще вне сезон отопления тоже надо вентилировать без холодных сквозняков......И тут вовсе не нужно гонять сотнями кубометры , достаточно обеспечить минимум воздухообмена. Это лучше чем наглухо закрытые окна или их частое открытие-закрытие. Зачем эта суета , если можно всё доверить автоматике......

  15. Николай 04 Мар 2016 11:16

    Мне понравилась идея с промывкой воздуха. Живой воздух не выдаст ни один кондиционер. А пыли ужасно много стало в воздухе и машин много на дорогах...соответственно и смога тоже......Летом , стоит только открыть окна на застекленном балконе — все подоконники покрываются через несколько дней слоем земельно-песчаной пыли...Так что я уверен не одна лишь пыльца с цветов виновата в аллергии...

  16. Александр Воробьев 08 Мар 2016 11:09

    Да, идея промывки воздуха водой, я думаю, интересна и перспективна. Собирался приобрести пылесос, работающий по похожей схеме. Но массово доступные модели, появившиеся в начале «нулевых», почему-то исчезли с прилавков магазинов.

  17. Николай 18 Мар 2016 16:08

    Ну и хорошо что не купили...) Воздух нужно чистить круглосуточно.......а не раз в неделю.......Пыль летит и от тряпок и с улицы...Покупайте мойку воздуха...Или соорудите собственными силами.........конструкция то примитивная в принципе.......Фонтан — тоже неплохая альтернатива мойке воздуха......

  18. Николай 07 Апр 2016 21:04

    Вот интересно , чтобы нагреть ( или охладить ) определённый объём воздуха с Т1 до Т2 ( и наоборот с Т2 до Т1 ) , нужно затратить одну и туже мощность нагревателя ( охладителя )...? Или есть некоторая разница ? Можно ли рассчитать мощность кондиционера по формуле тепловентилятора ?

  19. Николай 07 Апр 2016 21:11

    Судя по характеристикам устройств ( тепловая пушка и кондиционер ) ...КПД у них разные...Тепловая пушка потребляет...пусть 3 кВт и отдаёт примерно столько же...А кондиционер потребляет 2,8 кВт , а отбирает 5,275 кВт...

  20. Николай 07 Апр 2016 21:12

    Отбирает = охлаждает.......

  21. Николай 07 Апр 2016 21:16

    В общем то КПД на расчёт мощности повлиять не должен...это показатель производительности всё же...

  22. Александр Воробьев 07 Апр 2016 22:10

    Чтобы нагреть (или охладить) определённый объём воздуха В ИЗОЛИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ с Т1 до Т2 (и наоборот с Т2 до Т1), нужно затратить не МОЩНОСТЬ нагревателя (охладителя), а одно и то же КОЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ подать или забрать (при отсутствии потерь, т.е. КПД=1)! Мощность определяет лишь время этого процесса.

  23. Николай 07 Апр 2016 22:22

    Спасибо Александр ! Да , в Джоулях более грамотно...Значит нужно не гнаться за Мощностями , а улучшать теплоизоляцию......как и в случае с электроотоплением...А квадратные метры предела охлаждения , тоже маркетинговая уловка........

  24. Николай 07 Апр 2016 22:27

    У кондиционеров скорее главный предел находится на улице , т.е. предельная температура воздуха при которой нарушается теплоотдача.......И он не зависит от мощности......

  25. виталий 30 Апр 2016 16:06

    хочу приобрести программу расчета водоподогревателя туба в трубе

  26. Кирилл 21 Июл 2016 11:09

    Добрый день.

    Хотел быстренько прикинуть ориентировочную длину Т.О. при следующих параметрах(охладть): Один контур 600С а на выходе 40-50С. А другой контру на входе 10С, на выходе уже сколько получится( но желательно тоже дойти до 600С). ДЛина нужна была. Расчет не выдал результаты. Что я не так сделал?

  27. Александр Воробьев 21 Июл 2016 14:42

    Кирилл, здравствуйте.

    Представленный в статье расчет ведется для воды при небольших избыточных давлениях. При средней температуре воды в любом из контуров выше ~ +108C критерий Прандтля для воды, вычисляемый по эмпирической формуле, становится отрицательным, чего быть не должно. А далее в другой эмпирической формуле для критерия Нуссельта это отрицательное число Excel должен возвести в дробную степень, чего по законам математики делать нельзя...

    Еще раз: расчет предназначен для ВОДЫ со средней температурой не более +108С. Для других жидкостей при других температурах должны быть применены другие формулы для всех критериев, вязкости и теплопроводности.

  28. Кирилл 21 Июл 2016 18:52

    Спасибо

Ваш отзыв







  • Посетители: 657 649

  • Подписчики: 3 416