Расчёт пароводяного подогревателя: методика, формулы, пример
Расчёт пароводяного подогревателя: методика, формулы, пример
Методика расчёта пароводяного подогревателя: тепловой баланс, LMTD для конденсирующегося пара, коэффициент теплопередачи пар-вода, определение площади поверхности и подбор типоразмера по ГОСТ.
Содержание
Шаг 1–2: Тепловой баланс
Тепловой баланс пароводяного теплообменника строится из уравнений для обеих сред:
Сторона пара: Q = D × r
- Q — тепловая нагрузка, Вт (или кВт)
- D — расход пара, кг/с
- r — теплота парообразования: 2257 кДж/кг при 100°C (атм. давление); 2163 кДж/кг при 4 бар; 2066 кДж/кг при 10 бар
Если пар не полностью конденсируется (перегретый пар): Q = D × (h_пар - h_конд), где h — энтальпия из таблиц водяного пара.
Сторона воды: Q = G × cp × (T2out - T2in)
- G — расход воды, кг/с
- cp = 4.187 кДж/(кг·К) для воды
- T2in, T2out — температуры воды на входе и выходе
Из баланса определяем D (расход пара) или G (расход воды), если один из них неизвестен.
Подробнее: пароводяной подогреватель ПП | кожухотрубный пароводяной ТО
Шаг 3: LMTD для конденсирующегося пара
Особенность пароводяного ТО: температура пара постоянна по всей длине (конденсация — изотермический процесс при данном давлении). Поэтому расчёт LMTD упрощается:
- T_пар = T_насыщения (при рабочем давлении пара)
- Температурный напор на входе: ΔT1 = T_пар - T2out
- Температурный напор на выходе: ΔT2 = T_пар - T2in
- LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
Поправочный коэффициент Ft = 1.0 (не применяется при конденсации — схема тока не важна для конденсирующегося пара).
Пример: пар 4 бар → T_пар = 143°C. Вода 60°C → 80°C.
ΔT1 = 143 - 80 = 63°C. ΔT2 = 143 - 60 = 83°C.
LMTD = (63 - 83) / ln(63/83) = 20 / 0.274 = 73°C
Смотрите также: каталог кожухотрубных теплообменников
Шаг 4: Коэффициент теплопередачи пар-вода
Коэффициент теплопередачи (K, Вт/м²К) для пароводяных ТО значительно выше, чем для вода-вода:
- Конденсация пара (межтрубное): коэффициент теплоотдачи 5000–15000 Вт/(м²К). Конденсация — очень эффективный процесс.
- Вода в трубах: 2000–8000 Вт/(м²К) в зависимости от скорости.
- Стенка трубки: латунь λ=110 Вт/(м·К), нержавейка λ=15 Вт/(м·К).
- Загрязнения (fouling): Rs = 0.0001–0.0005 м²К/Вт.
Результирующий K = 2000–4000 Вт/(м²К) для кожухотрубного пар-вода. Для ориентировочного расчёта принимают K = 3000 Вт/(м²К).
Высокий К объясняет компактность пароводяных ТО по сравнению с водо-водяными: при том же LMTD площадь меньше.
Шаг 5–6: Площадь поверхности и запас
Необходимая площадь поверхности теплообмена:
A = Q / (K × LMTD)
Где:
- Q — тепловая нагрузка в Вт
- K — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К)
- LMTD — среднелогарифмический температурный напор, °C
К расчётной площади прибавляют запас 15–25% на:
- Загрязнение поверхности (fouling) в процессе эксплуатации
- Неточность определения K и LMTD
- Изменение нагрузки
Давление пара влияет на температуру насыщения (T_пар), что меняет LMTD. При выборе рабочего давления пара используйте таблицу насыщения водяного пара (Приложение к ГОСТ 31842).
Пример расчёта: ПП для ГВС
Задача: нагреть воду ГВС от 5°C до 60°C, расход воды G = 5 кг/с, пар 3 бар (T_нас = 133°C).
Шаг 1: Q = G × cp × ΔT
Q = 5 × 4.187 × (60 - 5) = 5 × 4.187 × 55 = 1151 кВт
Шаг 2: D = Q / r
r при 3 бар ≈ 2171 кДж/кг
D = 1151 / 2171 = 0.530 кг/с = 1908 кг/ч
Шаг 3: LMTD
ΔT1 = 133 - 60 = 73°C. ΔT2 = 133 - 5 = 128°C
LMTD = (73 - 128) / ln(73/128) = 55 / 0.560 = 98.2°C
Шаг 4: A = Q / (K × LMTD)
A = 1151000 / (3000 × 98.2) = 3.90 м²
С запасом 20%: A_расч = 3.90 × 1.2 = 4.68 м²
Подобрать: кожухотрубный ТО с площадью 5 м² или ближайшую серию выше.
Нужен расчёт пароводяного ТО?
Инженеры выполнят точный расчёт и подберут подогреватель по ГОСТ
Калькулятор пароводяного теплообменника
Расчёт расхода пара для нагрева воды
Частые вопросы
Почему у пар-вода не нужен поправочный коэффициент Ft?
Поправочный коэффициент Ft учитывает отклонение от противотока. При конденсации пара его температура постоянна по всей длине теплообменника — независимо от схемы тока (прямоток, противоток, перекрёстный). Поэтому Ft = 1.0 и не применяется. Это упрощает расчёт и повышает его точность.
Какой запас площади закладывать при расчёте?
Для пароводяных ТО рекомендуется запас 15–20% от расчётной площади. Больший запас (25–30%) закладывают при: неопределённости качества воды, вероятном росте нагрузки, паре с возможным перегревом. Слишком большой запас (более 40%) нежелателен — аппарат будет работать в нерасчётном режиме с риском затопления конденсатом. Расчёт: 8-800-302-58-75.
Как учесть перегретый пар в расчёте?
Расчёт перегретого пара делится на два этапа: 1) Десупергитинг (охлаждение перегретого пара до насыщения) — Q1 = D × cp_пар × (T_перегр - T_нас), K1 ~ 500 Вт/(м²К), небольшая площадь. 2) Конденсация насыщенного пара — Q2 = D × r, K2 ~ 3000 Вт/(м²К). Суммарная площадь: A = A1 + A2. На практике при перегреве до 50°C можно взять запас +10% к основному расчёту.
Как изменяется LMTD при изменении давления пара?
Температура насыщения пара растёт с давлением: 1 бар = 100°C, 2 бар = 120°C, 4 бар = 143°C, 6 бар = 159°C, 10 бар = 180°C. Повышение давления пара увеличивает T_пар и, соответственно, LMTD. Это позволяет уменьшить площадь ТО или увеличить нагрузку при той же площади. Однако повышение давления требует более прочного и дорогого аппарата.
Что такое «затопление конденсатом» пароводяного ТО?
Если конденсатоотводчик не справляется с отводом конденсата (или неправильно подобран), конденсат накапливается в межтрубном пространстве. Часть поверхности трубок оказывается под конденсатом — К резко падает (вода-вода вместо пар-вода). Мощность ТО снижается. Правильный подбор КО с запасом пропускной способности 2–3 от расчётного расхода конденсата предотвращает затопление.
Нужен ли гидравлический расчёт пароводяного ТО?
Да, для водяной стороны (трубная сторона). Необходимо обеспечить расчётную скорость воды в трубках 0.5–1.5 м/с для хорошего теплообмена и приемлемого гидравлического сопротивления. Паровая сторона: давление пара задаётся с запасом от потерь в паропроводе; конденсат сливается самотёком или конденсатоотводчиком. Полный расчёт: 8-800-302-58-75.