Как рассчитать теплообменник вода во

Δt_max = t_1вых — t_2вх

23. Минимальный температурный напор

Если x =1 (прямоток), то

Δt_min = t_1вых — t_2вых

Если x =2 (противоток) и t_1вх — t_2вых t_1вых — t_2вх , то

P. S. (20.10.2019)

Решил попробовать повысить точность вычислений и занялся переработкой алгоритма. В итоге в новый вариант программы внесены следующие изменения:

1. В исходных данных добавился еще один параметр – давление воды ( P_i ). Хотя существенного влияния на теплофизические параметры воды давление не оказывает, но всё же…

2. Средняя температура воды в трубах ( t_i ) вычисляется по уточненному алгоритму. Для потока, в котором температура воды изменяется меньше, она определяется как среднеарифметическая: t_i =( t_iвх + t_iвых )/2. Для потока, в котором температура от входа до выхода изменяется больше, средняя температура определяется как сумма или разность среднеарифметической температуры другого потока и среднелогарифмического напора: t_j = t_i ± Δt_ср .

3. Теплофизические параметры воды – плотность ( ρ_i ), коэффициент кинематической вязкости ( ν_i ), коэффициент теплопроводности ( λ_i ), критерий Прандтля ( Pr_i ), изменяющиеся от температуры и давления, теперь определяются с помощью пользовательских функций Полковова Вячеслава Леонидовича с более высокой точностью.

4. Попытался расширить диапазон применения программы. К турбулентному режиму ( Re >10000) добавил переходный режим течения (2300 Re Nu ), необходимый для определения коэффициента теплоотдачи ( α ), вычисляется по нижеприведенным формулам, которые были выбраны после долгого и тщательного анализа существующих критериальных зависимостей, предложенных Михеевым М.А., Исаченко В.П., Кутателадзе С.С., Петуховым Б.С., В. Гниелински. Так как в расчетах никак не учитывается шероховатость поверхностей труб и степень их загрязненности, то предпочтение было отдано выражениям, которые выдают при прочих равных меньшие значения критерия Нуссельта.

Для потока воды в круглом сечении внутренней трубы:

К₀₁ =-0,002*( Re₁ /1000) 4 +0,0633*( Re₁ /1000) 3 -0,854*( Re₁ /1000) 2 +8,7529*( Re₁ /1000) -12,639

Для потока воды в кольцевом сечении межтрубного пространства:

Nu’₂ =4*( Pr₂ / Pr _ст2 ) 0,25 /при Re =2300/

Nu»₂ =0,017*10000 0,8 * Pr₂ 0,4 *( Pr₂ / Pr_ст2 ) 0,25 *( d₂ / D₁ ) 0,18 /при Re =10000/

Определяющим размером для кругового сечения является диаметр d₁ , для кольцевого сечения – эквивалентный диаметр d_экв = d₂ — D₁ . Определяющая температура – средняя температура потока t_i .

5. Расчет теплопередачи выполнен по формулам для цилиндрической стенки без упрощений, примененных ранее, где использовались зависимости для плоской стенки.

Линейный коэффициент теплопередачи ( K_L ) вычисляется по формуле:

Линейная плотность теплового потока ( q_L ):

6. Расчетная длина нагревателя ( L ):

L = N / q_L

Температуры поверхностей стенок ( t_стi ), как и ранее, определяются шестью итерациями, чего более чем достаточно для обеспечения абсолютной точности вычислений.

Четыре важных замечания:

1. При проектировании теплообменников переходного режима течения жидкостей следует, все-таки, стремиться избегать по причине низкого значения коэффициента теплоотдачи ( α_i ) и значительной погрешности существующих методик расчетов.

2. По данным открытых источников расхождение результатов экспериментов и расчетов по примененным в новой версии программы формулам находится в весьма широких пределах ±20%.

3. На скриншотах в основной статье и в P. S. показаны примеры расчетов с одинаковыми исходными данными. Расчетная длина нагревателя, полученная по старой программе, на 25% меньше, чем по обновленной версии! Это обусловлено в первую очередь тем, что для потока в кольцевом сечении при переходном режиме была не совсем правомерно применена формула для турбулентного течения.

4. Программа тестировалась на примере задачи 12-2 из Задачника по теплопередаче (Краснощеков Е.А., Сукомел А.С., 1980, стр. 219-222). Расхождение результатов — расчетных длин — 1,2%. При этом в Задачнике расчет выполнен по упрощенным формулам и без итераций.

Ссылка на скачивание файла с обновленной программой:

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

58 комментариев на «Теплообменник «труба в трубе»»

Александр 29 Фев 2016 00:06

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

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.

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.

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 ?

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

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

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

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?

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 ?

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.

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

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.

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.

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

хочу приобрести программу расчета водоподогревателя туба в трубе

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?

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.

Александр, при такой же схеме компоновки прямотока но использование в качестве нагревателя электро тэн. Расчет останется прежним? Тоесть мы просто приравниваем первую часть формулы к константе температуры.

Дмитрий, я не понял Ваш вопрос. Напишите подробней.

Я имел в виду конструкцию прямоточного водонагревателя.

С той лишь разницей, что в вашем случае тепло передается от теплоносителя во внутреннем кожухе среде заключенной между внешним и внутренним кожухами. А в моем вопросе я имел в виду когда внутренний конструкцию заменяет электротэн и среда нагревается от накала спирали.

То есть расчет площади соприкосновения электротэна.

Поскольку величина нагрева тэна постоянная да и температура гораздо выше.

Нет, Дмитрий, для вашего случая этот расчет не годится. Количество тепловой энергии, идущей от нихрома через наполнитель и стенку трубки тэна зависит от параметров среды, в которую тэн помещен. Температура наружной поверхности трубки тэна — величина отнюдь не постоянная!

В вашем случае можно сделать простой расчет по равенству мощностей подводимой и отводимой.

Смотрите расчеты проточного бытового электрического водонагревателя.

Спасибо за разъяснение.

У вас есть такие примеры расчетов или можно заказать такой расчет?

Смысл расчета подробно изложен с примером у меня здесь.

Если хотите, можете заказать такой расчет. Пришлите более подробное описание того, что мастерите.

Доброго времени суток! Александр, огромное Вам спасибо за проделанную Вами работу. У меня есть вопрос по критерию Прандтля. Как я понимаю, Вы взяли приближенную формулу для воды. Для стенки используете ее же. На сколько это справедливо и корректно?

Заранее спасибо за ответ!

С уважением, Александр.

Да, критерий Прандтля считается в программе по приближенной формуле более-менее справедливой для диапазона температуры воды 40 — 80 градусов Цельсия («с натяжкой»: 20 — 100). Следует, конечно, заменить её на более точную /программа была написана еще в «доинтернетовскую эпоху» при дефиците справочной информации/.

Что касается вопроса — почему эта же формула используется для стенки? Не для стенки. Критерий Прандтля — критерий подобия в процессе теплообмена газов и жидкостей. В нашем случае среда одна — вода. Точная формулировка — не «число Прандтля для стенки», а «критерий Прандтля для воды при температуре стенки . градусов».

Спасибо Вам за разъяснение. В качестве благодарности, высылаю формулу для Excel для вычисления Прандтля для воды 0-200 С (состоит из двух формул и более точно вычисляет критерий) может пригодится кому-то еще.

С3 — ячейка с температурой. Если Вас не затруднит, подскажите, на сколько отличаются расчеты для теплообменника труба в трубе в трубе, где греющая жидкость проходит в наибольшем и наименьшем диаметре, а нагреваемая, между ними. может у Вас есть ссылка, где можно что-то почитать об этом расчете. Спасибо Вам!

Спасибо за аппроксимирующую таблицу формулу.

По вопросу другой схемы теплообменника:

все формулы те же, только теплообмен идет через 2 стенки. Нужно задать новый перечень исходных данных, написать уравнения теплового баланса с новыми граничными условиями и решить их.

Посмотрите книгу А.И. Пеховича и В.М. Жидких Расчеты теплового режима твердых тел. Там есть ответы на все вопросы, но разобраться и понять совсем не просто.

Александр, могли бы ли Вы создать подобную программу с другими начальными условиями? Если у Вас есть такая возможность и желание, договорится о подробностях можно по почте.

Создать такую программу — это безусловно достижение. Простая и очень удобная программа для всех, кто работает в области теплотехники и теплоснабжения, а также студентов, инженеров и научных работников. Низкий поклон Вам Александр Васильевич!

Спасибо за высокую оценку моего труда, Гасан Басирович.

Спасибо за калькулятор, тока не понял как сделать греющюю воду снаружи, а нагреваемую во внутренней трубе?

Не стоит делать греющую воду снаружи.

Спасибо, очень удобно пользоваться программой. А почему не стоит греющюю воду снаружи, а нагреваемую во внутренней трубе?

Средняя температура греющей воды больше, чем средняя температура нагреваемой. Тепловой поток потерь через наружную трубу в окружающее пространство при прочих равных зависит от разницы температур наружной поверхности теплообменника и температуры окружающей среды. В каком случае потери тепла будут больше?

Расчет теплообменника для охлаждения битума можно заказать?

Я не занимаюсь сейчас этой темой.

Александр, а можно заказать расчет похожий на ваш экселевский, но когда неизвестны некоторые входные данные? У нас нужно нагревать раствор воды с солью во время эндотермической реакции. Мощность охлаждения известна. Поможете?

Сергей, пришлите исходные данные и условия задачи. Тогда будет понятно — смогу помочь или нет.

Здравствуйте, Александр! В формуле 20 определение альфа холодной воды разве разность диаметров между внешней и внутренней трубами не следует делить пополам? Ведь расстояние между внешней и внутренней трубами вдвое меньше разности их диаметров. Если это действительно так, то коэффициент теплоотдачи альфа 2 должен получаться вдвое больше, чем указано в формуле 20. То же самое в формуле 17 для числа Рейнольдса 2. Пожалуйста, ответьте.

Я сейчас делаю срочные расчеты и мне нельзя ошибиться. Заранее благодарю. Вячеслав. 26.06.19.

Кроме того, формула 21 коэффициента теплопередачи приведена как для плоской стенки, но ведь в действительности там цилиндрическая геометрия. В знаменатель формулы для цилиндрической геометрии входит логарифм отношения диаметров и произведения коэффициентов теплоотдачи на соответствующий диаметр.

Жду ответа. Вячеслав. 26.06.19.

По формулам 17 и 20: не следует делить. Это эквивалентный диаметр кольцевого сечения dэ=d2-D1.

Первоисточник выслал Вам на почту.

А можно ли с помощью этого файла сделать расчет для греющей наружной? Сильно ли влияет на расчет где греющая и где нагреваемая жидкости?

Мне важно чтобы труба нагреваемой жидкости была доступна для чистки.

И как можно посчитать насколько простые завихрители в межтрубном пространстве(например спирально намотанная на внутреннюю трубу проволока) и во внутренней трубе (например спирально скрученная пластинка или «пружина») влияют на КПД теплообменника?

Можно попробовать, считая, что вода по внутренней трубе нагревает со знаком «минус» (т.е. охлаждает) воду в кольцевом канале. При этом наружная теплоизоляция полностью блокирует теплопотери. Алгоритм расчетов желательно, все-таки, пересмотреть детально.

Завихрители увеличивают гидравлическое сопротивление, но улучшают теплообмен. Как посчитать «на сколько» я не знаю. Обычно это определяется в результате многочисленных опытов, хотя есть, наверное, сложные программы моделирования процесса.

Можно эту программу перестроить под другие потоки? )) пар по межтрубке, а гексан по трубе ? )

Перестроить — это написать заново. Нужно все формулы для воды заменить на соответствующие для пара и гексана. У меня этих формул нет.

Источник