Жидкостный теплообменник
Теплообменный аппарат для жидких сред — теплообменное устройство, которое обеспечивает перенос тепла между двумя жидкостями, не допуская их смешивания: вода-вода, вода-этиленгликоль, вода-масло, масло-масло, вода-пропиленгликоль. Применяется в тепловых пунктах ЖКХ, отопительных контурах с антифризом, для охлаждения гидравлических систем, в тепловых насосах и геотермальных установках. По конструкции бывает пластинчатым (разборным, паяным), кожухотрубным, кожухопластинчатым, спиральным и U-образным. Расчёт выполняют по тепловой мощности Q = G·c·ΔT, среднелогарифмическому температурному напору LMTD и допустимым потерям давления ΔP, принимая во внимание fouling factor и материал для конкретной пары сред.
Разновидности жидкостных теплообменников
Жидкостный теплообменник представляет собой аппарат, где два потока жидкости, не смешиваясь, обмениваются теплом через стенку. На выбор конструкции влияют нужная мощность, давление в контуре, химическая агрессивность сред и ограничения по размерам. Ниже рассмотрены пять базовых типов, которые используются в казахстанской и европейской инженерной практике для схем «жидкость-жидкость».
Разборные пластинчатые (ПТО)
Наиболее востребованный вариант жидкостного теплообменника в промышленности и коммунальном хозяйстве. Между опорными плитами шпильками стянут блок тонких гофрированных пластин из нержавейки (AISI 304, 316L, 316Ti, титан); герметичность между пластинами обеспечивают прокладки NBR, EPDM или Viton. Поверхность одного аппарата — 0,1–2500 м², тепловая мощность — 5 кВт–50 МВт, коэффициент теплопередачи — 3000–7000 Вт/м²·К. Аппарат можно разобрать для механической очистки и просто расширить, добавив пластины. Детальнее — на странице теплообменники пластинчатого типа.
Кожухотрубные аппараты (КТТО)
Традиционное исполнение: внутри цилиндрического корпуса размещён пучок труб диаметром 16–25 мм. Один теплоноситель идёт по трубам, другой омывает их снаружи в межтрубном пространстве. Рабочие параметры — давление до 6,4 МПа, температура до 350°C, площадь до 1200 м². Коэффициент теплопередачи составляет 800–2500 Вт/м²·К, что ниже, чем у пластинчатых, зато такие аппараты устойчивее к пульсациям, гидроударам и значительным ΔP. Они незаменимы для высоковязкого масла и тяжёлых нефтепродуктов. Каталог — теплообменники кожухотрубного исполнения.
Кожухопластинчатые
Смешанная схема: сваренный пластинчатый блок заключён в стальной корпус. Такой аппарат берёт лучшее от двух конструкций — высокий K (до 5000 Вт/м²·К) и способность держать давление до 4,0 МПа. Его применяют в контурах вода-масло гидросистем при ΔP > 0,3 МПа, а также для перегретых теплоносителей промышленных контуров.
Спиральные
Из двух длинных металлических лент формируют спираль, создавая два канала прямоугольного сечения. Такая геометрия подходит для загрязнённых потоков с механическими примесями (промстоки, шламы, охлаждённая суспензия). Высокая скорость в узком канале обеспечивает самоочистку, поэтому fouling factor удаётся свести к минимуму.
U-образные, а также витые
Модификация кожухотрубных аппаратов с U-образным пучком: температурные расширения компенсируются без сальников. Используются в бойлерных подогревателях, маслоохладителях турбин, а также как встроенные теплообменники водогрейных котлов, где перепад температур велик (ΔT > 100°C).
Распространённые сочетания сред «жидкость-жидкость»
Именно пара сред задаёт конструкцию, материалы и тип уплотнений. Универсального жидкостного аппарата на все случаи нет: теплообменник, подобранный для вода-вода в ИТП, не годится для масла гидростанции. Далее приведены пять наиболее частых пар.
Сетевая греющая вода 130/70°C подогревает воду внутреннего отопительного контура 95/70°C либо ГВС 60°C. K = 5000–7000 Вт/м²·К. Исполнение — AISI 304, EPDM. Это типовая задача ИТП жилого дома и теплового пункта офисного здания. Каталог — теплообменники для водяных систем.
Отопительный контур с антифризом — решение для загородных объектов, удалённых площадок и наружных воздухоохладителей. Сетевая вода нагревает гликолевый раствор внутреннего контура. K = 4000–5500 Вт/м²·К (на 15–20% ниже из-за вязкости гликоля). Уплотнения EPDM, теплоносители — жидкости для отопления.
Охлаждение масла в гидравлике, редукторах, прессах и станках с ЧПУ. Расход масла 50–500 л/мин, на входе 70–90°C, на выходе 40–50°C. K = 1500–2500 Вт/м²·К, что связано с высокой вязкостью масла. Уплотнения NBR/Viton. Подбор — жидкостное охлаждение.
Поддержание температуры технологических масел в металлообработке, на экструзионных линиях и испытательных стендах. Оба потока — масло с разной температурой. K = 800–1500 Вт/м²·К. Здесь нужны кожухотрубные или кожухопластинчатые аппараты: разборные пластинчатые не работают при высокой вязкости с обеих сторон.
Тепловой насос «вода-вода» или «грунт-вода»: первичный контур заполнен пропиленгликолем 30% и циркулирует по скважинам, вторичный — вода отопительной системы. K = 3500–5000 Вт/м²·К. Из-за малых ΔT 3–5°C требуются паяные ПТО с большой площадью либо разборные с удлинёнными каналами. См. для систем отопления.
Солевые, кислотные и щелочные растворы невысокой концентрации, а также рассолы холодильных установок. Материал — AISI 316L, 904L или титан. Уплотнения — Viton/Kalrez. Детальный разбор — материал «теплообменник вода-вода».
Как рассчитать жидкостный теплообменник
Расчёт жидкостного теплообменника состоит из четырёх этапов: тепловой баланс, среднелогарифмический температурный напор, необходимая площадь поверхности и проверка гидравлики. Подробный пример — на странице расчёт тепловой для теплообменника.
Этап 1. Тепловой баланс Q = G·c·ΔT
Тепловая мощность Q (кВт) находится как произведение массового расхода G (кг/с), удельной теплоёмкости c (кДж/кг·К) и перепада температур ΔT (К). Для воды c = 4,19 кДж/кг·К, для 40% этиленгликоля — c ≈ 3,5 кДж/кг·К, для минерального масла И-30А — c ≈ 1,9 кДж/кг·К. По закону сохранения энергии Q₁ = Q₂, то есть G₁·c₁·ΔT₁ = G₂·c₂·ΔT₂.
Этап 2. LMTD — среднелогарифмический температурный напор
LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁/ΔT₂), где ΔT₁ и ΔT₂ — разности температур на концах теплообменника. Чем выше LMTD, тем меньшая площадь потребуется при той же мощности. Пример: греющий поток 110→70°C, нагреваемый 60→95°C, противоток — ΔT₁=110−95=15°C, ΔT₂=70−60=10°C, LMTD = (15−10)/ln(1,5) ≈ 12,3°C.
Этап 3. Площадь F = Q / (K·LMTD·Fₜ)
Искомая площадь теплопередачи F (м²) равна Q, разделённому на произведение коэффициента теплопередачи K (Вт/м²·К), LMTD и поправки Fₜ для схем, отличных от чистого противотока. Для чистого противотока Fₜ=1, для перекрёстного потока с одним ходом Fₜ=0,85–0,95, для смешанного — Fₜ=0,7–0,9. Поправка отражает фактическую геометрию каналов аппарата.
Этап 4. Метод NTU (число единиц переноса)
Альтернативный способ, когда выходные температуры неизвестны. NTU = K·F / (G·c)ₘₐₙ, эффективность ε = Q₄ₑ₄ₘ / Qₘₐₜ. По графикам ε-NTU для противотока, прямотока и перекрёстного потока находят достижимые температуры на выходе. Это удобно при проверочных расчётах имеющегося оборудования и при переменной нагрузке.
Чем меньше требуемый «недогрев» на холодном конце (1–3°C), тем больше площадь и выше цена аппарата. Экономия на недогреве может удвоить стоимость теплообменника ради выигрыша всего в 1–2°C.
Что нужно для подбора жидкостного ТО
Полный опросный лист на жидкостный теплообменник включает 12–15 параметров. Для подбора минимально нужны шесть. Без них тендерный проект превращается в угадывание. См. также выбор теплообменника: с чего начать.
1. Мощность тепловая Q (кВт)
Передаваемая мощность рассчитывается по нагрузке потребителя согласно СН РК 4.02-01-2011 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и соответствующим СТ РК либо по технологическому регламенту установки. Запас 10–15% к проектной величине — обычная инженерная практика, чтобы учесть загрязнение и сезонные пики.
2. Температуры и расходы двух сред
G₁, T₁ᵢₙ, T₁ₒᵤₜ для первичного контура и G₂, T₂ᵢₙ, T₂ₒᵤₜ для вторичного. Минимум 5 из 6 значений должны быть заданы, шестое вычисляется из теплового баланса. Если задано меньше — подбор делается с допущениями.
3. Допустимая величина потерь давления ΔP
В ИТП сферы ЖКХ на контур ориентируются на 20-60 кПа, в промышленных системах — вплоть до 150 кПа. Если предел зажать слишком сильно, возрастут число пластин и цена. Если же сделать его чрезмерно свободным, упадут скорости в каналах, усилится fouling, а K снизится.
4. Коэффициент fouling (резерв на загрязнение)
Термическое сопротивление загрязнений принимают согласно ГОСТ 27590 и СТ РК. Для чистой водопроводной воды — 0,000018 м²·К/Вт, для оборотной — 0,00006, для артезианской — 0,0001. Учёт fouling даёт прибавку к площади 10-30% относительно «чистого» расчёта — запас на 5-7 лет между промывками.
5. Расчётные значения давления и температуры
Для каждого контура указывают Pmax и Tmax. Разборные ПТО чаще всего рассчитаны на 1,6 МПа и 150°C (NBR) либо 180°C (EPDM HT). Кожухотрубные аппараты — до 6,4 МПа и 350°C. Компактные паяные — до 3,0 МПа и 200°C.
6. Материалы и рабочая среда
Нужно знать состав среды, концентрацию, рН, присутствие хлоридов и взвешенных частиц. Именно эти данные определяют марку стали для пластин или труб и вид резины для уплотнений. Промах на данном этапе оборачивается коррозионным выходом оборудования из строя за 6-12 месяцев.
Подбор материалов для пар сред
Материал пластин или труб — один из ключевых выборов. Утверждение, что всем подойдёт AISI 304, — заблуждение; через год это может привести к межкристаллитной коррозии. См. материал о нержавеющей стали.
AISI 304 (08Х18Н10)
Это основная нержавейка для отопительной и пресной питьевой воды, если хлориды не выше 100 мг/л, а температура — до 130°C. Ею решается 80% задач ЖКХ. Цена пластины принимается за 100% базы. Не подходит для концентрированного гликоля, морской воды и стоков с хлоридами.
AISI 316L / 316Ti (03Х17Н14М3)
С молибденом 2-3% — выдерживает хлориды до 200-300 мг/л, концентрированный этиленгликоль (50-65%), пропиленгликоль, оборотную воду с антинакипинами. Стоимость +25-35% к 304. Стандарт для систем с антифризом и для бассейновых ТО при концентрации хлора до 0,5 мг/л.
Титан Grade 1/2 (ВТ1-0)
Морская вода, рассолы, среды с хлоридами >500 мг/л, разбавленные кислоты. Абсолютная стойкость к питтинговой коррозии. Стоимость +300-500% к 304. Применяется для береговых ТЭЦ, опреснительных установок, бассейнов с морской водой, химической промышленности.
Резины для уплотнений: NBR, EPDM, Viton, HNBR
NBR подходит для минеральных масел и нефтепродуктов, температура — до 110°C. EPDM применяют для питьевой и отопительной воды, гликолей, предел — 160°C (EPDM HT — 180°C). Viton выбирают для кислот, агрессивных сред, концентрированных гликолей, до 200°C. HNBR — гибридный вариант для парогазовых сред, до 150°C. Каталог уплотнений — пластины с уплотнениями.
Движение теплоносителей и схемы обвязки
Жидкостные теплообменники работают по одной из трёх основных схем движения сред: противоток, прямоток, перекрёстный поток. При одинаковых температурах на входе и выходе именно схема определяет возможный LMTD. Подробнее — как работает теплообменник.
Противоток
Потоки идут навстречу. Такой вариант обеспечивает наибольший LMTD и минимальную площадь. Fₜ=1,0. Это основной режим для разборных пластинчатых аппаратов и кожухотрубных с U-пучком. Даёт возможность получить tₕₒₜ_ₒᵤₜ < tcₒₗd_ᵢₙ, что для прямотока недостижимо.
Прямоток
Оба потока направлены одинаково. Схема полезна, если требуется не допустить перегрева чувствительной жидкости: на выходе температуры горячей и холодной среды сближаются. Fₜ=1,0, однако возможный ΔT ниже.
Перекрёстный
Потоки пересекаются под углом 90°. Такой ход типичен для одноходовых кожухотрубных и спиральных аппаратов в режиме «спираль-крест». Fₜ=0,75-0,95. Используется там, где противоток нельзя реализовать конструктивно.
Где применяются жидкостные теплообменники
ЖКХ и ИТП (индивидуальные тепловые пункты)
Главная функция — гидравлически развести контуры: сетевая вода из магистрали ТЭЦ отдаёт тепло контуру отопления дома и ГВС. Дом защищается от загрязнённого высокотемпературного теплоносителя 130°C/1,6 МПа. Согласно СН РК 4.02-04-2013 «Проектирование тепловых пунктов» (а также действующим СТ РК) — это обязательная схема для всех новых ИТП. Подробнее — состав теплового пункта и результат монтажа ИТП.
Отопительные системы на антифризе
Для загородных домов, дач и удалённых объектов, где зимой отопление не постоянно, в качестве теплоносителя вторичного контура берут этиленгликоль или пропиленгликоль 30-50%. Жидкостный теплообменник отделяет контур котла (там возможна обычная вода) от незамерзающего отопительного контура. Каталог — отопительные теплообменники и модельный обзор.
Отвод тепла от масла гидросистем и редукторов
Прессы, экструдеры, станки с ЧПУ для металлообработки, гидростанции дробильно-сортировочных комплексов. Маслоохладители получают масло с температурой 70-90°C и передают тепло технической воде, которая на градирне охлаждена до 25-35°C. Подробнее на странице про маслоохладители и в обзоре охлаждающих пластинчатых теплообменников.
Тепловые насосы типа вода-вода и вода-грунт
В тепловом насосе используются два жидкостных теплообменника: испаритель (хладагент — рассол/грунт) и конденсатор (хладагент — вода отопления). Для пары жидкость-жидкость со стороны рассола ставят паяные пластинчатые аппараты из 316L с EPDM. См. теплообменники вода-вода.
LowEx-системы и геотермальные контуры
Геозонды в скважинах глубиной 80-200 м с 25% раствором пропиленгликоля отбирают грунтовое тепло (8-12°C) и через жидкостный ТО подают его в контур теплового насоса. Малые ΔT 3-5°C вынуждают применять увеличенные поверхности теплопередачи: F=10-50 м² на 10 кВт мощности.
Подогрев и нагрев жидкостей на производстве
Технологическую воду подогревают для мойки, дозревания, ферментации — это пищевая, фармацевтическая и химическая промышленность. Каталог по применению — подогрев и нагрев жидкости.
Иммерсионное охлаждение и майнинг-фермы
Диэлектрическая жидкость (минеральное масло, фторкетоны) в своём контуре отдаёт теплоту водяному контуру градирни через жидкостный ТО. Эту теплоту допускается применять для отопления здания. См. охлаждение майнинг-ферм водой.
Марки жидкостных теплообменников
Казахстанский рынок делится на три главные группы производителей: локальные (РИДАН, ЭТРА, КС, Машимпэкс), европейские (Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, SWEP, Tranter) и азиатские. Благодаря параллельному импорту и складским запасам доступны практически все ключевые марки.
| Бренд | Страна происхождения | Область специализации | Сроки |
|---|---|---|---|
| КС НАШ БРЕНД | ТПЛ-Сервис, Россия | ИТП, ГВС, антифризное отопление, масло | начиная от 5 рабочих дней |
| РИДАН | Россия | ГВС, ЖКХ, ИТП | 7-21 день |
| ЭТРА | Россия | Промышленность, отопление, ГВС | 10-30 дней |
| ТТАИ / ТИЖ | Россия | Отопление, ИТП | 14-21 день |
| Машимпэкс | ОЕМ Alfa Laval, Россия | Промышленность, ИТП, ГВС | 15-45 дней |
| Alfa Laval | Швеция | Флагман, полный спектр | 30-90 дней |
| Funke | Германия | Кожухотрубные, паяные, ПТО | 30-60 дней |
| Kelvion (GEA) | Германия | Кожухотрубные, промышленные ПТО | 45-90 дней |
| Sondex | Дания | Сварные, ПТО | 30-60 дней |
Обвязка и монтаж
Ресурс жидкостного теплообменника с 3-5 лет можно довести до 15-30 лет, если обвязка выполнена правильно. Обязательный минимум арматуры ставится на всех четырёх патрубках. См. схема подключения теплообменника и установка теплообменника.
- Грязевик-фильтр Обязателен на каждом входе. Размер ячейки сетки — 0,5-1,0 мм. Препятствует попаданию в каналы шлама, окалины, песка. Чаще всего аварийный выход случается из-за отсутствующего или засорённого грязевика.
- Манометры Устанавливают на входе и выходе каждого из двух потоков. ΔP служит индикатором загрязнения. Если ΔP вырос на 30-50% относительно расчётного, пора промывать.
- Термометры Нужны на всех четырёх патрубках. Если их нет, проверить тепловой баланс и эффективность не получится.
- Краны шаровые либо дисковые поворотные затворы, по одному перед каждым патрубком, чтобы отключать без слива системы.
- Клапаны обратные чтобы при остановке насоса не возник противоток.
- Воздухоотводчики в самых высоких местах трубной обвязки — в первую очередь когда речь о гликолевых растворах, из которых активно выходит воздух.
- Краны для дренажа в самых низких участках — чтобы слить теплоноситель во время обслуживания и при подготовке к зиме.
- Компенсаторы (участки сильфонного типа либо П-образной формы) — чтобы компенсировать температурное удлинение, когда ΔT>60°C.
- Опоры опирать на отдельный фундамент либо раму, а не на присоединительные патрубки. Подвешивание аппарата за фланцы недопустимо в принципе.
6 ошибок при подборе жидкостного ТО
Если для пары вода-масло считать по теплоёмкости воды, площадь окажется заниженной в 2-3 раза. У масла с вязкостью 30 сСт K=1500-2000 Вт/м²·К, тогда как у воды — 5500. Подбирать нужно исключительно по реальным характеристикам масла при рабочей температуре.
Когда этиленгликоль превышает 40%, а температура выше 90°C, сталь 304 уже через 6-12 месяцев подвергается межкристаллитной коррозии. Правильный выбор — 316L и уплотнения EPDM.
Сэкономив 5-10 тысяч на грязевике, вы получите забитые каналы уже через 6-12 месяцев и падение эффективности на 30-50%. Промывка обойдётся в 5-10 раз дороже самого грязевика. Детали — чистка ПТО.
Чрезмерный запас ведёт к росту площади и цены, а скорости в каналах падают — и загрязнение, как ни странно, идёт быстрее. Ориентир — 10-15% сверх расчётной нагрузки, fouling factor по ГОСТ 27590.
Формулировка «просто вода» без pH, жёсткости и содержания хлоридов почти наверняка приведёт к ошибке в выборе материала. Особенно это касается скважинной воды (высокое железо, сероводород) и оборотной (антинакипины, биоциды).
Если требуется tₕₒₜ_ₒᵤₜ < tcₒₗd_ᵢₙ, прямоток в принципе не даст результата — необходим исключительно противоток. Иначе недогрев на 10-20°C и проектных температур ГВС не достичь.
Сопоставление K-коэффициента для разных пар сред
Характерные величины K для разборных пластинчатых и кожухотрубных аппаратов при обычных скоростях в каналах
Выбор материала для пары сред — decision tree
Вопросы, которые чаще всего задают о жидкостных теплообменниках
Жидкостный теплообменник — что это?
В чём разница между жидкостным и водо-воздушным?
Какой теплообменник выбрать для вода-этиленгликоль 40%?
Как определить мощность жидкостного теплообменника?
Применим ли ПТО для масла?
Какой fouling factor брать в расчёт?
С какой периодичностью чистить жидкостный теплообменник?
В чём отличие ПТО от паяного?
Допустима ли замена кожухотрубного теплообменника на пластинчатый?
Каков срок службы жидкостного теплообменника?
Подбор жидкостного теплообменника выполняет инженер ТПЛ-Сервис
Инженер ТПЛ-Сервис подготовит расчёт жидкостного теплообменника для вашей пары сред за 1-3 рабочих дня: тепловой баланс, LMTD, площадь, проверочный гидравлический расчёт, выбор материала пластин и уплотнений с учётом состава среды. Принимаем во внимание fouling factor по ГОСТ 27590, требования СН РК 4.02-01-2011 и СН РК 4.02-04-2013, нормы СН РК Предложим 2-3 варианта: оптимальный по цене (бренд КС — это наш бренд, срок от 5 рабочих дней), классические от российских производителей (РИДАН, ЭТРА, ТТАИ), европейские (Alfa Laval, Funke, Kelvion). Подробнее — в статье как выбрать теплообменник, а также области применения ПТО, разборные ПТО и общий FAQ.
Для стандартных задач есть готовые подборки: пластинчатые, кожухотрубные, паяные, жидкостное охлаждение, подогрев и нагрев, ГВС, отопление, водяные. Дополнительно — теплоносители, уплотнения и пластины, промывочное оборудование.
Также смотрите: паяный аппарат Kaori R096 в контуре фреон-вода.
Также смотрите: теплообменник ЭТРА ЭТ-100.
- Комментарии

