Изчисляване на топлообменник: как влияят проектните допускания

Еднаквите kW невинаги означават еднакъв резултат.

Разберете как софтуерът, проектните допускания и конструкцията на пластините влияят върху реалната работа на топлообменника.

На пръв поглед два топлообменника, означени като 100 kW, би трябвало да работят по сходен начин. 

В практиката обаче това често не е така.

Причината не е непременно в самото оборудване и не е в софтуера, с който е направено изчислението. Тя най-често се крие в условията и допусканията, използвани при самото оразмеряване.

Съвременните топлообменници се избират чрез специализиран софтуер. Програмите изчисляват необходимата топлинна мощност, топлообменната площ, хидравличните параметри и определят конкретната конфигурация на оборудването.

Как софтуерът изчислява топлообменник
 

Например необходимата топлинна мощност се определя чрез:

След това програмата определя температурната разлика, която реално участва в процеса на топлообмен:

Тази стойност представлява реалната движеща сила на топлообмена и има пряко влияние върху необходимата площ и размера на оборудването.

Съществува и специален случай, когато . Тогава логаритмичната формула става неопределена и .

Точно този случай често се среща при системи с много близки температурни режими и е важен при сравняване на изчислителни листи.

След определяне на тези параметри се изчислява необходимата площ за топлообмен:

Софтуерът не взема решения вместо инженера – той изчислява зададените параметри.
Поради тази причина една и съща задача може да даде различни резултати при различни входни условия.

Малки промени в използваните параметри могат да доведат до съществено различни размери, различен брой пластини и различна цена на оборудването.

Какво означава "агресивно изчисление"
 

В практиката често се използва терминът „агресивно изчисление“. Под това обикновено се разбира използване на по-оптимистични проектни допускания, които водят до по-малък и по-евтин топлообменник.

Това може да включва:

• използване на по-висок коефициент на топлопреминаване;
• използване на по-благоприятни температурни режими;
• подценяване на бъдещото замърсяване на повърхностите;
• използване на по-оптимистични хидравлични условия.

Нека разгледаме прост пример.

Да приемем, че са необходими 100 kW мощност при еднакви температурни условия.

• Ако при изчислението се използва коефициент на топлопреминаване U = 1000 W/m²K, необходимата площ ще бъде приблизително 5 m²
• Ако се използва U = 1500 W/m²K, необходимата площ става 3.33 m²

Разликата е приблизително 33% по-малка необходима площ.

Това първоначално изглежда като предимство:

• по-малък топлообменник;
• по-малък брой пластини;
• по-ниска цена;
• по-компактни размери.

Именно това е целта на агресивния подход при изчисленията – чрез използване на по-оптимистични проектни допускания да се достигне до по-компактно и по-нискостойностно решение.

В основата на този подход често стои предположението, че една инсталация рядко работи продължително при максимално проектно натоварване и че по-голямата част от времето ще функционира при нормални режими.

Подобно решение може да бъде напълно приложимо, когато ограниченията му са предварително известни и са съобразени още на етапа на проектиране.

Какви проблеми могат да възникнат
 

Проблемът възниква тогава, когато реалните условия започнат да се различават от условията, използвани при изчислението. Докато системата работи в нормални режими, подобни компромиси често остават незабелязани. При пиково натоварване обаче ограниченията започват да се проявяват.

Компромисите обикновено не се виждат в офертата.
Те се проявяват след пускане на системата в реална експлоатация.
 

Когато инсталацията започне да работи при по-високо натоварване, могат да се появят проблеми, които първоначално не са били видими. Системата може да не достига зададените температури, оборудването да работи близо до максималния си режим, а консумацията на енергия постепенно да се увеличава.

В подобни ситуации помпите и останалите компоненти често работят при по-тежки условия, което води до по-бързо износване и повишени разходи за поддръжка.

При пикови режими последствията могат да станат още по-осезаеми. Възможно е отоплителната система да не достига необходимата температура през зимни периоди, охладителната система да не осигурява необходимото охлаждане или производствен процес да работи под проектния си капацитет.

Тогава първоначалната икономия често води до последващи корекции като:

• добавяне на допълнителни пластини;
• подмяна на топлообменника;
• промени по тръбната инсталация;
• подмяна на помпи;
• допълнителни сервизни дейности;
• престой на производството.

Първоначално по-ниската цена в подобни случаи може впоследствие да доведе до значително по-високи общи разходи.

Съществува и още един фактор, който често води до погрешни сравнения.

При пластинчатите топлообменници клиентите често сравняват броя пластини. На пръв поглед изглежда логично, че повече пластини означават по-голяма мощност или по-добър топлообменник. В действителност това не винаги е вярно.

Защо броят пластини не е достатъчен критерий
 

Съвременните пластини могат да бъдат с различен релеф и различна геометрия на каналите. Именно тези особености определят:

• интензивността на топлообмена;
• турбулентността на потока;
• пада на налягане;
• устойчивостта на замърсяване;
• ефективността на използваната площ.

Развитието на релефите на пластините през последните години се превърна в една от основните области за иновации при пластинчатите топлообменници.

Поради тази причина два топлообменника могат да имат еднаква мощност, но различен брой пластини, различни размери и различни експлоатационни характеристики.

Затова броят пластини сам по себе си също не е достатъчен критерий за сравнение.

В крайна сметка еднаквите числа невинаги означават еднакъв резултат.

Истинският въпрос не е:

„Колко kW е топлообменникът?“

а:

„При какви условия са получени тези kW?“

Отговорът на този въпрос обикновено се съдържа в изчислителните листи, където са записани температурните режими, дебитите, проектните допускания и условията, използвани от софтуера.

В следващите статии разглеждаме:
Как се чете изчислителен лист и кои параметри трябва да се проверяват, за да могат различни предложения да бъдат сравнени коректно.
Как да сравняваме изчислителни листи за топлообменници
Реален пример с няколко изчислителни листа за една и съща мощност и защо еднаквите kW невинаги означават еднакво решение.
Една задача, три изчисления за пластинчат топлообменник