1. Какой принцип обеспечивает функционирование теплообменного аппарата?

Работа базируется на трёх способах переноса тепла: теплопроводность сквозь стенку (закон Фурье), конвективный обмен между теплоносителем и стенкой в обоих направлениях (закон Ньютона-Рихмана), а также излучение (закон Стефана-Больцмана; в жидкостных устройствах им можно пренебречь). Общую мощность задаёт уравнение Q = U·A·LMTD.

2. В чём причина большей эффективности пластинчатого аппарата по сравнению с кожухотрубным?

В пластинчатом за счёт гофрирования турбулентность возникает уже на малых скоростях (Re>1000, тогда как в трубах Re>2300). Это увеличивает α₁ и α₂ в 3–5 раз. Дополнительно противоточная компоновка и малая толщина стенки (0.4–0.6 мм вместо 2.5–4 мм в трубках) обеспечивают суммарный U = 3500–6000 Вт/(м²·К) против 800–2000.

3. Для чего применяют LMTD и что это за величина?

Под LMTD понимают средний логарифмический температурный напор, то есть условно эффективную разность температур вдоль аппарата, учитывающую нелинейный характер её изменения. Формула: LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂). Полученную величину вводят в уравнение Q = U·A·LMTD, чтобы найти необходимую площадь теплопередачи.

4. Какую роль играет коэффициент теплопередачи U?

Коэффициент U, измеряемый в Вт/(м²·К), представляет собой обобщённый показатель: он отражает количество ватт теплоты, проходящей сквозь 1 м² поверхности, если температурный перепад равен 1°C. Его формируют величины, обратные α (теплоотдача с каждой из сторон), термическое сопротивление стенки δ/λ и fouling factor: 1/U = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂ + R_f.

5. Какие преимущества даёт противоток перед прямотоком?

Если организован противоток, LMTD возрастает на 15–25%; при неизменной площади мощность также увеличивается на 15–25%. Помимо этого, в противотоке холодный теплоноситель теоретически способен нагреться почти до входной температуры горячего — показатель ε доходит до 0.95. Для прямотока ε не превышает 0.6–0.7.

7. Применима ли формула Q=G·c·ΔT повсеместно?

Лишь до тех пор, пока отсутствует фазовый переход. Когда пар конденсируется или жидкость испаряется, главную роль играет скрытая теплота r: Q = G·r. Для пара r=2256 кДж/кг; даже при 0.1 кг/с пара получается 225 кВт мощности, если ΔT=0 (изотермическая конденсация). Подобные задачи требуют отдельного расчёта парожидкостных аппаратов.

9. Эффективность ε и КПД — одинаковые понятия?

Нет. Эффективность ε = Q_факт / Q_max отражает долю максимально возможной теплоты, которую аппарат реально передал. КПД теплообменника как устройства — это (Q_получено / Q_отдано); в герметичном рекуперативном аппарате он стремится к 100% (потери через корпус <1%). Таким образом, ε характеризует «качество» теплообмена, а КПД — тепловой баланс.

Теплообменник передаёт тепло между двумя потоками через 3 механизма (теплопроводность, конвекция, излучение) по формуле Q = G · c · ΔT с проверкой LMTD. В статье: физика теплопередачи, 6 конструкций, схемы движения, расчётная логика и пример расчёта.

--Принцип работы теплообменника

Принцип работы теплообменника

Q: 6. Что означает fouling factor?

Под fouling factor (R_f) понимают тепловое сопротивление загрязняющего слоя — накипи, отложений, биоплёнки — на поверхности теплообмена. Единица измерения — м²·К/Вт. Для городской воды R_f=0.0001–0.0002, для жёсткой 0.0003–0.0005. Он входит в выражение 1/U как слагаемое наряду с прочими сопротивлениями. Если его не учесть, через 6–12 месяцев работы расчётной площади станет недостаточно.

Q: 8. Сказывается ли число Рейнольдса на самом принципе работы?

На принцип — нет, а вот на эффективность — самым серьёзным образом. По Re судят о режиме течения: ламинарный (Re<2300 в трубах, <400 в пластинчатых каналах), переходный, турбулентный. Когда режим турбулентный, α возрастает в 3–10 раз, поскольку хаотичное движение усиливает подвод тепла к стенке. Гофры пластин как раз и создают турбулентность при малых скоростях, что снижает затраты на насосы.

Q: 10. Какими нормативами руководствуются при расчёте теплообменника в Казахстане?

Основополагающие документы: СН РК 4.02-01-2011 («Отопление, вентиляция и кондиционирование»), СН РК 4.01-02-2013 («Внутренний водопровод и канализация»), СН РК 4.02-04-2013 («Тепловые сети»), стандарты ГОСТ и СТ РК («Аппараты теплообменные пластинчатые») и соответствующие СТ РК. Для промышленного оборудования — ГОСТ 27590-2005 (пластинчатые ТА для систем теплоснабжения).

Модель и цена в тенге — в чате за минуту

Напишите модель или задачу — инженер ответит сразу, без звонков и форм.

18 июня 2017 21:00

// Советы покупателям

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).

Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию. Инженерный подбор теплообменного аппарата — без оплаты. Проектный расчёт ведётся согласно СН РК 4.02-04-2013 и СН РК 4.01-02-2013, срок — от 30 до 60 минут. Оригинальное оборудование поставляем напрямую от РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, Tranter, ЭТРА, Теплохит, Машимпэкс GEA. Поможем выбрать пластинчатый, кожухотрубный или паяный теплообменник — консультация бесплатна. Производитель даёт гарантию.

разновидность теплопередачи

теплопроводность, конвекция, излучение

Q=GcΔT

основное уравнение

тепловая производительность аппарата

1000–6000

Вт/(м²·°C)

практический разброс значений U

95%

эффективность

пластинчатые в режиме противотока

15–30 лет

ресурс

при правильной эксплуатации

Схема передачи теплоты через пакет пластин

Через тонкие пластины AISI 316 два потока — нагретый и охлаждённый — идут навстречу друг другу. Тепловая энергия передаётся из красного контура в синий, при этом среды не контактируют.

ΔT горячего

20 °C

ΔT холодной стороны

55 °C

КПД пакета

≈ 92 %

Значения коэффициента теплопередачи U в зависимости от типа теплообменника

Рост U позволяет уменьшить площадь поверхности при неизменной тепловой мощности. Наибольшие показатели — у пластинчатых аппаратов: сказываются малая толщина стенок и элементы турбулизации.

Разборный пластинчатый 3500–6000 Вт/(м²·°C)

60%

Паяный пластинчатый с медной пайкой 4000–6500 Вт/(м²·°C)

65%

Кожухотрубный, схема вода – вода 800–2000 Вт/(м²·°C)

15%

Сварной спиральный 1500–3000 Вт/(м²·°C)

25%

Труба-в-трубе / витой 500–1500 Вт/(м²·°C)

10%

Блочный графитовый 300–1000 Вт/(м²·°C)

Приведённые U относятся к стандартной паре «вода-вода» и чистым стенкам. Загрязнения в виде накипи или масла уменьшают U на 20–40%.

Три способа передачи тепловой энергии

В действующем аппарате эти три механизма задействованы параллельно, однако их доля определяется температурой, скоростью потока и свойствами среды.

Кондукция

Теплопроводность

q = −λ · dT/dx

Энергия передаётся сквозь твёрдый материал благодаря колебаниям кристаллической решётки. В пластинчатом аппарате этот путь лежит через стенку пластины.

λ AISI 316: 16.3 Вт/(м·K)
λ меди: 401 Вт/(м·K)

Конвекция

Конвективный перенос

q = α · (T_ст − T_ж)

Горячие и холодные слои жидкости или газа перемешиваются. Именно этот механизм преобладает в межпластинчатых каналах.

α воды: 2000–10000
α пара: 5000–15000 Вт/(м²·K)

Радиация

Излучение

q = ε · σ · T⁴

Тепло распространяется электромагнитным излучением и не требует среды. Существенен при T > 500 °C — например, в печах и котлах.

σ: 5.67·10⁻⁸ Вт/(м²·K⁴)
ε стали: 0.6–0.85

Для аппаратов с водой главный вклад даёт конвекция — около 85% переноса; через стенку тепло проходит за счёт кондукции, а излучением можно пренебречь.

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.

1. Кондуктивный механизм

Теплопроводность

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.

2. Конвективный перенос

Перенос вместе с потоком

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.

3. Лучистый теплообмен

Перенос излучением

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.

Основная формула теплопередачи

Q = U · A · ΔT_ср

где Q — мощность теплового потока (Вт), U — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К), A — поверхностная площадь (м²), ΔT_ср — 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:

LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)

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.

95% рынка

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)

промышленные задачи

Регенеративные

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)

отдельные случаи

Смесительные

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.

Разборные пластинчатые

Набор гофрированных пластин AISI 316 сжат шпильками между прижимными плитами. Уплотнители — NBR/EPDM. Основные производители: РИДАН, Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, ЭТРА.

U: 3500–6000 Вт/м²К до 25 МВт

Сервис: возможность разборки для очистки и увеличения мощности путём добавления пластин.

Паяные пластинчатые

Пластины соединены медной или никелевой пайкой в единый блок. Уплотнения и шпильки отсутствуют. Производители: SWEP, Danfoss, Alfa Laval CB, Funke TPL.

U: 4000–6500 Вт/м²К до 30 бар

Подробнее: пластинчатые теплообменники паяного типа с пайкой медью.

Кожухотрубные

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.

U: 800–2000 Вт/м²К до 200 бар

Сравнение: сравнение кожухотрубного и пластинчатого.

Спиральные

Из листового металла скручены две концентрические спирали. Каналы имеют неизменное сечение, среды движутся противотоком. Используются для шламов, загрязнённых и вязких жидкостей.

U: 1500–3000 Вт/м²К самоочистка

Подробно: теплообменники спирального типа для сред сложного состава.

Труба в трубе (витые)

Самое простое исполнение: одна труба вложена в другую. По внутренней трубе проходит первый теплоноситель, по кольцевому зазору — второй. Нередко такие аппараты делают секционными.

U: 500–1500 Вт/м²К небольшая мощность

Детально: аппарат типа труба в трубе.

Газ-жидкость (оребрённые)

Пучки труб с наружным оребрением — петлевым либо дисковым. Развитая поверхность компенсирует малое α со стороны газа. Используются в экономайзерах и воздухоохладителях.

F_рёбер до 20:1 газ → жидкость

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.

оптимум

Противоток

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

Прямоток

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

Перекрёстный

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.

Коэффициент передачи тепла

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.

Эффективность

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

Количество единиц переноса

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.

Вид устройства	U, Вт/(м²·К)	Типичная ε	Удельный показатель площади
Разборные пластинчатые	3500–6000	0.85–0.95	до 700 м²/м³
Паяные пластинчатые	4000–6500	0.85–0.93	до 1000 м²/м³
Гладкие кожухотрубные	800–2000	0.55–0.75	60–150 м²/м³
Спиральные	1500–3000	0.7–0.85	200–300 м²/м³
Труба в трубе (витые)	500–1500	0.5–0.7	30–80 м²/м³
Газ-жидкостные оребрённые	30–100 (со стороны газа)	0.6–0.85	100–500 м²/м³

Существенно: главные критерии для нахождения α в каналах — числа Re (Рейнольдса) и Pr (Прандтля). Alfa Laval, Funke, РИДАН применяют свои корреляции вида Nu = C·Re^m·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.

Формирование технического задания

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.

Баланс тепла

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.

Расчёт LMTD

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.

Ориентировочный подбор U

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.

Площадь по расчёту

A = Q / (U · LMTD). Это значение служит нижней границей. На fouling factor (отложение накипи) закладывают запас 10–20%. Подробнее — в статье подбор теплообменного оборудования.

Расчёт гидравлики

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.

Подбор материалов и уплотнений

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.

Выбор конкретной модели

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.

Образец расчёта (ГВС жилого дома)

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.

Задача	Подходящий тип	Параметры	Решение
Горячее водоснабжение жилого дома	Разборный пластинчатый	5/60°C, 30–500 кВт	для ГВС
Отопление	Разборный пластинчатый	95/70 → 80/60°C, 50 кВт – 5 МВт	отопительные задачи
Бассейны	С титановыми пластинами, паяный	28°C, вода с хлором	бассейновые задачи
Пастеризация	Санитарный пластинчатый	72–85°C, EHEDG	Alfa Laval Front
Многоконтурный ИТП	Пластинчатый двойной	ГВС + отопление	РИДАН, Машимпэкс
Масляное охлаждение	Кожухотрубный	большая вязкость, ΔP	кожухотрубные

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.

Ошибка №1

Смешивают мощность с площадью

«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.

Ошибка №2

Забывают про fouling factor

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.

Ошибка №3

Не принимают во внимание расход

Малый расход → ламинарный режим → α снижается в разы. Если в задании G на 30% меньше расчётного, аппарат никогда не даст паспортную мощность.

Ошибка №4

Путают схему движения

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.

Ошибка №5

«Выберу кожухотруб — он надёжнее»

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.

Ошибка №6

«Универсальное» уплотнение

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?

Основу составляют три механизма передачи тепла: теплопроводность сквозь стенку (закон Фурье), конвекция от теплоносителя к стенке и обратно (закон Ньютона-Рихмана), а также излучение (закон Стефана-Больцмана, в жидкостных аппаратах им можно пренебречь). Общая мощность выражается уравнением Q = U·A·LMTD.

2. В чём причина преимущества пластинчатого над кожухотрубным?

Гофрированная поверхность пластинчатого аппарата запускает турбулентный режим при низких скоростях: Re>1000, в трубном же пучке порог выше — Re>2300. Как следствие α₁ и α₂ увеличиваются в 3–5 раз. Вместе с противотоком и тонкой стенкой 0.4–0.6 мм (в трубках 2.5–4 мм) это даёт суммарный U = 3500–6000 против 800–2000 Вт/(м²·К).

3. Для чего служит LMTD и что это такое?

Под LMTD понимают средний логарифмический температурный напор, то есть усреднённую по длине устройства разность температур, учитывающую нелинейный характер её изменения. Расчёт ведут по LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂). Полученную величину вводят в Q = U·A·LMTD, чтобы найти необходимую площадь теплопередачи.

4. Как расшифровывается коэффициент теплопередачи U?

Коэффициент U, Вт/(м²·К), отражает интегрально, какое количество теплоты в ваттах проходит сквозь 1 м² поверхности, если температурный напор равен 1°C. Он определяется через обратные величины α с двух сторон, термическое сопротивление стенки δ/λ и fouling factor: 1/U = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂ + R_f.

5. Какие преимущества даёт противоток по сравнению с прямотоком?

Противоток обеспечивает LMTD на 15–25% больше; при неизменной площади мощность также возрастает на 15–25%. Помимо этого, при противотоке температура нагреваемой холодной среды теоретически способна подойти к температуре входа горячей — эффективность ε доходит до 0.95. Для прямотока ε не превышает 0.6–0.7.

6. Что понимают под fouling factor?

Fouling factor (R_f) — это тепловое сопротивление, которое создаёт слой загрязнений — накипи, отложений, биоплёнки — на поверхности теплообмена. Единица измерения — м²·К/Вт. Для городской воды R_f=0.0001–0.0002, для жёсткой 0.0003–0.0005. В формуле 1/U его учитывают вместе с остальными сопротивлениями. Если не принять его во внимание, через 6–12 месяцев работы расчётной площади может не хватить.

7. Применима ли формула Q=G·c·ΔT абсолютно во всех расчётах?

Лишь до тех пор, пока отсутствует фазовый переход. Если пар конденсируется или жидкость испаряется, главную роль играет скрытая теплота r: Q = G·r. Для пара r=2256 кДж/кг, поэтому даже при расходе 0.1 кг/с получается 225 кВт при ΔT=0 (изотермическая конденсация). Подобные задачи требуют отдельного расчёта парожидкостных аппаратов.

8. Сказывается ли число Рейнольдса на самом принципе работы?

На принцип — нет, а вот на эффективность влияние критическое. Именно Re задаёт режим течения: ламинарный (Re<2300 в трубах, <400 в каналах пластинчатого аппарата), переходный или турбулентный. Когда поток турбулентен, α становится в 3–10 раз больше, так как хаотичное движение усиливает подвод тепла к стенке. Гофрирование пластин намеренно вызывает турбулентность уже при небольших скоростях, что снижает нагрузку на насосы.

9. Эффективность ε и КПД — равнозначные понятия?

Нет. Эффективность ε = Q_факт / Q_max отражает долю максимально возможной теплоты, которую аппарат успел передать. КПД же теплообменника — это (Q_получено / Q_отдано); в герметичном рекуперативном устройстве он приближается к 100% (потери через корпус <1%). Таким образом, ε характеризует «качество» теплообмена, а КПД — тепловой баланс.

10. Какие нормативы применяются при расчёте теплообменника в Казахстане?

Основой служат СН РК 4.02-01-2011 («Отопление, вентиляция и кондиционирование»), СН РК 4.01-02-2013 («Внутренний водопровод и канализация»), СН РК 4.02-04-2013 («Тепловые сети»), стандарты ГОСТ и СТ РК («Аппараты теплообменные пластинчатые»), а также применимые СТ РК. Для промышленного оборудования используют ГОСТ 27590-2005 (пластинчатые ТА для систем теплоснабжения).

Гид

Как подобрать теплообменник

Поэтапный алгоритм подбора с учётом задачи, бюджета и того, насколько доступно обслуживание.

Расчёт

Тепловой расчёт аппарата

Полный набор формул, числовые примеры, способ определения U и площади.

Сравнение

Кожухотрубный против пластинчатого

В каких случаях тот или иной конструктивный принцип выгоден и технически обоснован.

Типология

Разновидности пластинчатых теплообменников

Чем отличаются разборные, паяные, полусварные и сварные модели и где их применяют.

Спецтипы

Теплообменники спирального типа

Принцип работы, расчёт и производители для вязких, загрязнённых сред и шламов.

Выбор

Разборные или паяные

В каких ситуациях стоит доплачивать за разборную конструкцию, а в каких лучше взять цельный паяный аппарат.

Инженеры ТПЛ-Сервис подберут теплообменник под вашу задачу

Расчёт в течение 1 рабочего дня. Без оплаты.

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.

+7 (727) 310-71-46 info@teploobmennic.kz Производитель даёт гарантию 12–60 мес.

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.