Принцип работы теплообменника
Теплообменник Устройство, в котором один теплоноситель отдаёт тепловую энергию другому. Контакт между средами либо отсутствует (рекуперативные схемы), либо имеется частичное смешение (смесительные). Кажущаяся простота скрывает сложную физику: три механизма теплопередачи работают параллельно, температурный профиль вдоль аппарата нелинейный, влияют режим течения, загрязнения и десятки параметров конструкции. Поэтому чтобы правильно выбрать и рассчитать аппарата пластинчатого типа или аппарата кожухотрубного типа невозможен без знания как заводских каталогов, так и фундаментальных уравнений переноса тепла.
Для проектировщиков ИТП, инженеров КИП, специалистов по теплоснабжению и закупщиков предназначен этот материал: им важно осознавать, что именно они приобретают и почему. Сначала рассмотрим физическую сторону теплопередачи — теплопроводность, конвекцию, излучение, — после чего перейдём к пошаговому алгоритму расчёта и сравнению U для разных типов аппаратов. Все формулы рабочие; значения U соответствуют практике казахстанского и европейского рынков (РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, ЭТРА).
Как устроена теплопередача: три механизма внутри одного теплообменника
Работа любого теплообменного аппарата опирается на три базовых механизма переноса тепла. В реальных условиях они протекают одновременно, однако в отдельных зонах их интенсивность различается. Чтобы правильно читать техпаспорта и выбирать оборудование, важно понимать их соотношение пластинчатых теплообменников паяного типа либо иной техники.
Тепло проходит сквозь твёрдый материал — стенку трубки либо пластины. Математически описывается законом Фурье: q = −λ·grad(T), где λ — теплопроводность материала.
У нержавеющей стали AISI 316 λ≈15 Вт/(м·К), у меди ≈390, у титана ≈22. Стенка пластины толщиной 0.4–0.6 мм снижает термическое сопротивление до минимума.
Главный механизм для теплообменных аппаратов. Закон Ньютона-Рихмана: q = α·(T_стенки − T_среды), где α — коэффициент теплоотдачи (Вт/(м²·К)).
При турбулентном течении (Re>2300) α возрастает в 3–10 раз по сравнению с ламинарным. Гофры пластин типа «ёлочка» намеренно вызывают турбулизацию даже на малых скоростях.
Нагретая поверхность испускает электромагнитные волны. Закон Стефана-Больцмана: q = ε·σ·(T⁴₁ − T⁴₂). Преобладает при T>500°C.
В аппаратах с жидкостью для отопления и ГВС (T до 130°C) доля излучения крайне мала — менее 1% общего теплового потока.
где Q — мощность теплового потока (Вт), U — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К), A — поверхностная площадь (м²), ΔTср — средний логарифмический температурный напор (LMTD). На этой формуле базируются все инженерные расчёты теплообменного оборудования (СН РК 4.02-01-2011).
LMTD — средний логарифмический температурный напор — принимает во внимание, что перепад температур горячего и холодного потоков изменяется вдоль аппарата по нелинейному закону:
здесь ΔT₁ — температурный перепад на входе, ΔT₂ — на выходе
Если ΔT₁ и ΔT₂ близки, допустимо среднее арифметическое; когда они различаются более чем в 2 раза, погрешность станет выше 5%, поэтому без формулы LMTD не обойтись. Методика подробнее описана в материале расчёт теплообменника на тепловую нагрузку.
Деление по способу передачи тепла
В зависимости от того, как контактируют теплоносители, все аппараты относят к трём классам. В промышленности, ГВС и отоплении чаще всего применяется первый класс — рекуперативные.
Среды отделены друг от друга герметичной стенкой. Тепловая энергия проходит сквозь материал стенки, массообмен отсутствует. Сюда входят пластинчатые, кожухотрубные, спиральные и витые конструкции.
- Среды не смешиваются
- Теплоносители могут быть несовместимы
- U = 1000–6000 Вт/(м²·К)
Одна и та же насадка или ротор попеременно соприкасаются то с горячим, то с холодным потоком. Насадка накапливает тепло, а после отдаёт его холодной среде.
- Не исключена частичная утечка
- Используются в металлургии и газотурбинных установках
- Переключательные и ротационные (Юнгстрём)
Нагретая и холодная среды соединяются напрямую. КПД получается очень высоким, однако такой вариант допустим лишь для совместимых сред — к примеру, пар + вода.
- Скрубберы, деаэраторы
- Частный случай — градирни
- Для большинства отопительных задач не годятся
Здесь и в большинстве задач теплоснабжения речь идёт именно о рекуперативных аппаратах. Если нужен сравнительный обзор, читайте виды пластинчатых теплообменников и сопоставление разборных и паяных моделей.
Шесть типов конструкции рекуперативных аппаратов
Передача тепла через стенку у всех рекуперативных аппаратов происходит по одной схеме, однако конструкция определяет серьёзные различия в стоимости, габаритах и эффективности. Далее приведены шесть основных типов, охватывающих почти все задачи отопления, ГВС, охлаждения и технологических процессов.
Набор гофрированных пластин AISI 316 сжат шпильками между прижимными плитами. Уплотнители — NBR/EPDM. Основные производители: РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, ЭТРА.
Сервис: возможность разборки для очистки и увеличения мощности путём добавления пластин.
Пластины соединены медной или никелевой пайкой в единый блок. Уплотнения и шпильки отсутствуют. Производители: SWEP, Danfoss, Alfa Laval CB, Funke TPL.
Подробнее: пластинчатые теплообменники паяного типа с пайкой медью.
В цилиндрическом корпусе размещён пучок трубок — гладких либо оребрённых. Первая среда идёт по трубкам, вторая — по межтрубному пространству. Это классическое решение для высоких температур и давлений.
Сравнение: сравнение кожухотрубного и пластинчатого.
Из листового металла скручены две концентрические спирали. Каналы имеют неизменное сечение, среды движутся противотоком. Используются для шламов, загрязнённых и вязких жидкостей.
Подробно: теплообменники спирального типа для сред сложного состава.
Самое простое исполнение: одна труба вложена в другую. По внутренней трубе проходит первый теплоноситель, по кольцевому зазору — второй. Нередко такие аппараты делают секционными.
Детально: аппарат типа труба в трубе.
Пучки труб с наружным оребрением — петлевым либо дисковым. Развитая поверхность компенсирует малое α со стороны газа. Используются в экономайзерах и воздухоохладителях.
Не следует смешивать с пластинчатыми аппаратами. Тепло передаётся по тому же принципу, однако геометрия рассчитана именно на газовую среду.
Когда речь о стандартном отоплении или ГВС, устанавливать кожухотрубный аппарат нет необходимости: пластинчатый аппарат обеспечит в 3–6 раз более высокое U при малых габаритах. Подробное руководство по подбору — как подобрать теплообменник.
Схемы течения сред: прямоток, противоток, перекрёстный ток
Взаимное направление потоков теплоносителей часто недооценивают. Если площадь поверхности и U одинаковы, схема с противотоком обеспечивает на 15–25% большую мощность по сравнению с прямотоком. Такой эффект напрямую связан с профилем LMTD.
Потоки теплоносителей идут навстречу друг другу. Это даёт самый равномерный температурный напор вдоль аппарата.
- Наибольший LMTD
- ε до 95–98%
- Типовое решение для пластинчатых
- T_x_out способна превысить T_h_out
Движение обоих потоков совпадает по направлению. На входе ΔT достигает максимума, а на выходе становится наименьшей. КПД при этом ограничен.
- Значение LMTD меньше на 15–25%
- Показатель ε ограничен 60–70%
- Используется там, где возможен термошок
- Предотвращает перегрев стенки
Направления потоков образуют угол 90°. По эффективности это середина между вариантами. Чаще всего встречается в газо-жидкостных устройствах, например в воздушных радиаторах.
- Коэффициент поправки F составляет 0.85–0.95
- Простота размещения в схеме
- Типовое решение для оребрённых аппаратов
- При многопроходной схеме F увеличивается
Именно противоточную схему применяют в пластинчатых аппаратах РИДАН НН, Alfa Laval M-серии и Kelvion VT. Из-за внутренней геометрии каналов прямоточное движение в таких моделях невозможно физически; это конструктивное достоинство, заложенное в самом принципе.
Показатели эффективности: U, ε, NTU
Работу теплообменника характеризуют три связанных между собой параметра. Важно их не смешивать: нередко «КПД» из рекламных материалов путают с инженерной эффективностью ε.
Единица — Вт/(м²·К). Определяется через обратные величины α₁, α₂ и термическое сопротивление стенки. 1/U = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂ + R_f
R_f — fouling factor, то есть тепловое сопротивление загрязнений; как правило, 0.0001–0.0005 м²К/Вт.
Величина безразмерная: ε = Q_факт / Q_max. Для холодного потока также: ε = (T_х_out − T_х_in) / (T_г_in − T_х_in).
Для качественного пластинчатого аппарата ε = 0.85–0.95. Для обычного кожухотрубного — 0.55–0.75.
NTU = U·A / C_min, при этом C_min — наименьшая теплоёмкость потоков (G·c). Показывает «потенциал» устройства.
При NTU=1 ε≈63%, при NTU=3 ε≈90%, при NTU=5 ε≈95%. Увеличение NTU свыше 5 даёт небольшой прирост.
Существенно: главные критерии для нахождения α в каналах — числа Re (Рейнольдса) и Pr (Прандтля). Alfa Laval, Funke, РИДАН применяют свои корреляции вида Nu = C·Rem·Prn·(μ/μ_w)k, которые получены на опытных стендах. В типовом расчёте такие данные уже «зашиты» в селекшн-софт, например Alfa Laval CAS или Funke FCS.
Как считают теплообменник: 8 шагов от задания до выбора модели
Верный расчёт всегда идёт по одинаковой последовательности — неважно, подбираете вы аппарат для ГВС жилого дома или промышленный пастеризатор. Далее приведён алгоритм, согласованный с СН РК 4.02-01-2011, стандарты ГОСТ и СТ РК и СТ РК.
Вид сред, нужная мощность Q (кВт), температурные графики T_г_in/out и T_х_in/out, расходы G₁ и G₂, рабочее и расчётное давление, нормативы (СН РК 4.02-01-2011 для отопления, СН РК 4.01-02-2013 для ГВС). Перечень необходимых данных — в материале исходные данные для расчёта.
Основное выражение: Q = G·c·ΔT, где G — массовый расход (кг/с), c — удельная теплоёмкость (Дж/(кг·К)), ΔT — перепад температуры. Для воды c=4186 Дж/(кг·К). При фазовом переходе добавляется r — скрытая теплота парообразования; для воды r=2256 кДж/кг.
Для противотока: ΔT₁ = T_г_in − T_х_out, ΔT₂ = T_г_out − T_х_in. LMTD = (ΔT₁−ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂). При перекрёстном движении берётся поправочный коэффициент F по номограммам.
При подборе U принимают по таблице выше для выбранного типа аппарата. Для пластинчатого ГВС это, как правило, 4500–5500 Вт/(м²·К). Точное значение U производитель уточнит на этапе CAS-расчёта.
A = Q / (U · LMTD). Это значение служит нижней границей. На fouling factor (отложение накипи) закладывают запас 10–20%. Подробнее — в статье подбор теплообменного оборудования.
ΔP по обеим сторонам обязан оставаться в пределах задания (обычно 30–50 кПа). Сильная турбулентность увеличивает α, однако растёт и ΔP. Здесь нужен баланс между мощностью насоса и площадью теплообменника.
Для воды и пара стандартом считается AISI 316. Титан применяют для морской воды и агрессивных сред. SMO 254 — для горячего рассола. Уплотнения: NBR (до 110°C, маслостойкое), EPDM (до 150°C, для пара и горячей воды), Viton (до 180°C). Подробнее: аппараты из нержавеющей стали.
Для жилого дома мощностью 60–150 кВт подойдут РИДАН НН 07 или Alfa Laval M3/M6. Для квартала либо ИТП на 0.5–2 МВт — РИДАН НН 21 / НН 41 или Kelvion VT04. Для промышленных задач 5–25 МВт — Alfa Laval M10-BFG, Funke FP 10. Все позиции есть в нашем каталоге пластинчатых аппаратов.
Q = 200 кВт. Греющий контур — теплосеть 90/70°C, нагреваемая вода ГВС 5/60°C.
Расход ГВС: G = Q/(c·ΔT) = 200 000 / (4186·55) = 0.87 кг/с ≈ 3.1 м³/ч.
Получаем ΔT₁ = 90−60 = 30°C и ΔT₂ = 70−5 = 65°C. Тогда LMTD = (65−30)/ln(65/30) = 45.3°C.
Если U = 5000 Вт/(м²·К), то A = 200 000/(5000·45.3) = 0.88 м².
С запасом 15% на загрязнение получаем → 1.0 м². Подойдёт РИДАН НН 07 или Alfa Laval M3 (16–20 пластин).
Области применения для разных типов аппаратов
Тот же принцип передачи тепла используется в десятках случаев. Далее — таблица, где типовым задачам сопоставлены рекомендуемые типы теплообменников.
Детальный разбор задач, где показан принцип работы пластинчатого теплообменника, — в статье сферы применения пластинчатых аппаратов.
Шесть заблуждений относительно принципа работы
Такие ошибки бывают и у заказчиков, и у начинающих инженеров. Чаще всего они приводят либо к лишним затратам на оборудование, либо к недостаточному нагреву на объекте.
«Нужен теплообменник на 200 кВт» — это не габарит, а тепловой поток. Фактические размеры определяются U, LMTD и режимом. При ΔT=10°C и ΔT=50°C размеры различаются в 5 раз.
Считают по «чистым» поверхностям. После полугода на жёсткой воде накипь даёт R_f=0.0003 м²К/Вт, а U снижается на 20–30%. Поэтому запас площади 10–15% обязателен.
Малый расход → ламинарный режим → α снижается в разы. Если в задании G на 30% меньше расчётного, аппарат никогда не даст паспортную мощность.
Когда при сборке входы холодного и горячего потоков меняют местами, вместо противотока получается прямоток. LMTD снизится на 20%, и аппарат недогреет ГВС на 5–8°C.
Для обычного ГВС/отопления такое решение в 3–5 раз крупнее по габаритам и в 2 раза дороже по площади. Кожухотрубный вариант оправдан лишь при P>25 бар, T>200°C или агрессивных средах.
NBR для ГВС при T=70°C — рискованно (предел 110°C, а пики могут достигать 130°C). Для горячего ГВС и отопления подходит только EPDM. Для масел и пара выше 150°C — Viton или HNBR.
Вопросы, которые задают часто
1. Какой принцип лежит в основе работы теплообменника?
2. В чём причина преимущества пластинчатого над кожухотрубным?
3. Для чего служит LMTD и что это такое?
4. Как расшифровывается коэффициент теплопередачи U?
5. Какие преимущества даёт противоток по сравнению с прямотоком?
6. Что понимают под fouling factor?
7. Применима ли формула Q=G·c·ΔT абсолютно во всех расчётах?
8. Сказывается ли число Рейнольдса на самом принципе работы?
9. Эффективность ε и КПД — равнозначные понятия?
10. Какие нормативы применяются при расчёте теплообменника в Казахстане?
Публикации блога по теме
Поэтапный алгоритм подбора с учётом задачи, бюджета и того, насколько доступно обслуживание.
Полный набор формул, числовые примеры, способ определения U и площади.
В каких случаях тот или иной конструктивный принцип выгоден и технически обоснован.
Чем отличаются разборные, паяные, полусварные и сварные модели и где их применяют.
Принцип работы, расчёт и производители для вязких, загрязнённых сред и шламов.
В каких ситуациях стоит доплачивать за разборную конструкцию, а в каких лучше взять цельный паяный аппарат.
Инженеры ТПЛ-Сервис подберут теплообменник под вашу задачу
Пришлите исходные данные — мощность, температуры, расходы, давление — и инженеры подберут модель РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, ЭТРА или SWEP с учётом бюджета и сроков. Будут приняты во внимание fouling factor, гидравлика и доступность сервиса в вашем регионе Казахстана.
Материал подготовлен инженерным отделом teploobmennic.kz с учётом действующих СН РК 4.02-01-2011, СН РК 4.01-02-2013, стандарты ГОСТ и СТ РК и ГОСТ 27590-2005. Все типовые значения U и ε взяты из открытых каталогов производителей (РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, SWEP) и практики подбора оборудования для объектов в Казахстане.
- Комментарии

