Caractéristiques thermiques et hydrauliques de la prise de force. Recommandations pour la sélection des échangeurs de chaleur à plaques
Principes généraux des schémas d'approvisionnement en chaleur
Un système d'approvisionnement en chaleur est un système permettant de transporter l'énergie thermique (sous forme d'eau chauffée ou de vapeur) d'une source d'énergie thermique jusqu'à son consommateur.
Le système d'alimentation en chaleur se compose principalement de trois parties : la source de chaleur, le consommateur de chaleur, réseau de chaleur- utilisé pour transporter la chaleur de la source au consommateur.
- Chaudière à vapeur dans une centrale thermique ou une chaufferie.
- Échangeur de chaleur réseau.
- Pompe de circulation.
- Échangeur de chaleur pour système d'alimentation en eau chaude.
- Échangeur de chaleur du système de chauffage.
Le rôle des éléments du circuit :
- chaudière - source de chaleur, transfert de chaleur de combustion du combustible vers le liquide de refroidissement ;
- équipement de pompage - création d'une circulation de liquide de refroidissement ;
- pipeline d'alimentation - fourniture de liquide de refroidissement chauffé de la source au consommateur ;
- pipeline de retour - retour du liquide de refroidissement refroidi à la source depuis le consommateur ;
- équipement d'échange de chaleur - conversion de l'énergie thermique.
Graphiques de température
Dans notre pays, c'est accepté réglementation de la qualité fourniture de chaleur aux consommateurs. Autrement dit, sans modifier le débit de liquide de refroidissement à travers le système consommateur de chaleur, la différence de température à l'entrée et à la sortie du système change.
Ceci est réalisé en modifiant la température dans le tuyau d'alimentation en fonction de la température de l'air extérieur. Plus la température extérieure est basse, plus la température dans la conduite d'alimentation est élevée. En conséquence, la température de la canalisation de retour change également en fonction de cette dépendance. Et tous les systèmes consommateurs de chaleur sont conçus en tenant compte de ces exigences.
Les graphiques de la dépendance des températures du liquide de refroidissement dans les conduites d'alimentation et de retour sont appelés graphiques de température du système de chauffage.
La programmation des températures est fixée par la source d'alimentation en chaleur en fonction de sa puissance, des besoins des réseaux de chaleur et des besoins des consommateurs. Les graphiques de température sont nommés en fonction des températures maximales dans les canalisations d'alimentation et de retour : 150/70, 95/70...
La coupure du graphique en haut correspond au moment où la chaufferie n'a pas assez de puissance.
Couper le graphique en bas - pour garantir les performances Systèmes ECS.
Les systèmes de chauffage fonctionnent principalement selon un horaire 95/70 pour assurer température moyenne V appareil de chauffage 82,5°C à -30°C.
Si la température requise dans la canalisation d'alimentation est fournie par une source de chaleur, alors la température requise dans la canalisation de retour est fournie par le consommateur de chaleur avec son système consommateur de chaleur. Si la température de l'eau de retour du consommateur augmente, cela signifie un fonctionnement insatisfaisant de son système et entraîne des amendes car cela entraîne une détérioration des performances de la source de chaleur. Dans le même temps, son efficacité diminue. Par conséquent, il existe des organismes de surveillance spéciaux qui surveillent que les systèmes consommateurs de chaleur des consommateurs produisent la température de l'eau de retour en fonction de tableau de température ou inférieur. Cependant, dans certains cas, une telle surestimation est autorisée, par exemple. lors de l'installation d'échangeurs de chaleur de chauffage.
Le programme 150/70 vous permettra de transférer la chaleur d'une source de chaleur avec une consommation de liquide de refroidissement inférieure. Toutefois, un liquide de refroidissement dont la température est supérieure à 105 °C ne peut pas être fourni aux systèmes de chauffage domestique. L'horaire est donc abaissé, par exemple de 95/70. La réduction est réalisée en installant un échangeur de chaleur ou en mélangeant l'eau de retour dans la canalisation d'alimentation.
Hydraulique des réseaux de chaleur
La circulation de l'eau dans les systèmes d'alimentation en chaleur est assurée par des pompes de réseau au niveau des chaufferies et des points de chauffage. Étant donné que la longueur des itinéraires est assez grande, la différence de pression dans les canalisations d'alimentation et de retour créées par la pompe diminue avec la distance par rapport à la pompe.
La figure montre que le consommateur le plus éloigné présente la plus petite chute de pression disponible. C'est-à-dire pour fonctionnement normal ses systèmes consommateurs de chaleur doivent avoir la résistance hydraulique la plus faible pour garantir le débit d'eau requis à travers eux.
Calcul des échangeurs de chaleur à plaques pour les systèmes de chauffage
L'eau de chauffage peut être préparée en chauffant dans un échangeur de chaleur.
À calcul d'un échangeur de chaleur à plaques pour produire de l'eau de chauffage, les données initiales sont prises pour la période la plus froide, c'est-à-dire lorsque températures élevées et par conséquent la consommation de chaleur la plus élevée. C'est le pire mode pour un échangeur de chaleur conçu pour le chauffage.
Une caractéristique du calcul de l'échangeur de chaleur pour le système de chauffage est l'augmentation de la température de l'eau de retour côté chauffage. Ceci est autorisé spécifiquement parce que tout échangeur de chaleur à surface ne peut fondamentalement pas refroidir retourner l'eauà la température du graphique, si de l'eau avec la température du graphique s'écoule à travers le côté chauffé jusqu'à l'entrée de l'échangeur de chaleur. Habituellement, une différence de 5 à 15°C est autorisée.
Calcul des échangeurs de chaleur à plaques pour systèmes d'eau chaude
À calcul échangeurs de chaleur à plaques pour systèmes d'eau chaude les données initiales sont prises pour la période de transition, c'est-à-dire lorsque la température du liquide de refroidissement d'alimentation est basse (généralement 70°C), eau froide a le plus basse température(2-5°C) et le système de chauffage fonctionne toujours - nous sommes entre mai et septembre. C'est le pire mode pour l'échangeur de chaleur ECS.
La charge de conception des systèmes ECS est déterminée en fonction de la disponibilité des échangeurs de chaleur du ballon de stockage sur le site où les échangeurs de chaleur sont installés.
En l'absence de réservoirs, les échangeurs à plaques sont calculés à l'aide de charge maximale. Autrement dit, les échangeurs de chaleur doivent assurer le chauffage de l'eau même avec une consommation d'eau maximale.
S'il existe des réservoirs de stockage, les échangeurs de chaleur à plaques sont conçus pour une charge horaire moyenne. Les réservoirs des batteries sont constamment réapprovisionnés et compensent les pics de consommation d’eau. Les échangeurs de chaleur doivent uniquement assurer la recharge des réservoirs.
Le rapport entre les charges horaires maximales et moyennes atteint 4 à 5 fois dans certains cas.
Veuillez noter qu'il est pratique de calculer vous-même les échangeurs de chaleur à plaques.
On calcule le coefficient 1 côté vapeur de chauffage pour le cas de condensation sur un faisceau de n canalisations verticales de hauteur H :
=
2,04
=
2,04
= 6765 W/(m 2 K), (10)
ici , , , r sont les paramètres physiques du condensat à la température du film de condensat t k, H – la hauteur des tuyaux de chauffage, m ; t – différence de température entre la vapeur de chauffage et les parois des tuyaux (acceptée entre 3...8 0 C).
Valeurs de la fonction А t pour l'eau à température de condensation de la vapeur
|
Température de condensation de la vapeur tk, 0 C | ||||||
L'exactitude des calculs est jugée en comparant la valeur obtenue 1 et ses valeurs limites, qui sont données au paragraphe 1.
Calculons le coefficient de transfert de chaleur α 2 des parois des tuyaux vers l'eau.
Pour ce faire, vous devez choisir une équation de similarité de la forme
Nu = AR m Pr n (11)
En fonction de la valeur du nombre Re, le mode d'écoulement du fluide est déterminé et l'équation de similarité est sélectionnée.
(12)
Ici n est le nombre de tuyaux par course ;
dint = 0,025 - 20,002 = 0,021 m – diamètre interne tuyaux;
À Re > 10 4, nous avons un régime turbulent stable de mouvement de l'eau. Alors:
Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,43 (13)
Le nombre de Prandtl caractérise la relation entre les paramètres physiques du liquide de refroidissement :
=
= 3,28. (14)
, , , s – densité, viscosité dynamique, conductivité thermique et capacité thermique de l'eau à t moy.
Nu = 0,023 26581 0,8 3,28 0,43 = 132,8
Le nombre de Nusselt caractérise le transfert de chaleur et est lié au coefficient 2 par l'expression :
Nu = 
, 
2
=
=
= 4130 W/(m 2 K) (15)
En tenant compte des valeurs de 1, 2, de l'épaisseur de paroi du tuyau = 0,002 m et de sa conductivité thermique st, nous déterminons le coefficient K à l'aide de la formule (2) :
=
= 2309 W/(m 2 K)
Nous comparons la valeur obtenue de K avec les limites du coefficient de transfert thermique, qui ont été indiquées au paragraphe 1.
Nous déterminons la surface de transfert de chaleur à partir de l'équation de base du transfert de chaleur en utilisant la formule (3) :
=
= 29 m2.
Encore une fois, selon le tableau 4, sélectionnez un échangeur de chaleur standard :
surface d'échange thermique F = 31 m 2,
diamètre du boîtier D = 400 mm,
diamètre du tuyau d = 25×2 mm,
nombre de coups z = 2,
nombre total de tuyaux N = 100,
longueur (hauteur) des tuyaux H = 4 m.
Réserve d'espace 
(la réserve de zone doit être comprise entre 5 et 25 %).
4. Calcul mécanique de l'échangeur de chaleur
Lors du calcul de la pression interne, l'épaisseur de la paroi du boîtier k est vérifiée à l'aide de la formule :
k = 
+C, (16)
où p – pression de vapeur 4·0,098 = 0,39 N/mm 2 ;
D n – diamètre extérieur du boîtier, mm ;
= 0,9 coefficient de résistance de soudure ;
supplémentaire = 87…93 N/mm 2 – contrainte admissible pour l'acier ;
C = 2...8 mm – augmentation pour corrosion.
k = 
+ 5 = 6 mm.
Nous acceptons une épaisseur de paroi normalisée de 8 mm.
Les plaques tubulaires sont en tôle d'acier. L'épaisseur des tôles tubulaires en acier est comprise entre 15 et 35 mm. Il est choisi en fonction du diamètre des tuyaux évasés d n et du pas des tuyaux .
La distance entre les axes des tuyaux (pas des tuyaux) τ est choisie en fonction du diamètre extérieur des tuyaux d n :
τ = (1,2…1,4) d n, mais pas inférieur à τ = d n + 6 mm.
Le pas normalisé pour les tuyaux d n = 25 mm est τ = 32 mm.
p = 
.
Avec un pas donné de 32 mm, l'épaisseur de la grille doit être d'au moins
p = 
= 17,1 mm.
On accepte finalement p = 25 mm.
Lors du calcul des connexions à bride, la taille du tire-fond est spécifiée. Nous acceptons un boulon en acier M16 dans un raccordement à bride pour les appareils d'un diamètre D in = 400...2000 mm.
Déterminons la charge admissible sur 1 boulon lors du serrage :
q b = (d 1 – c 1) 2 , (17)
où d 1 = 14 mm – diamètre intérieur du filetage du boulon ;
avec 1 = 2 mm – surépaisseur structurelle pour les boulons en acier au carbone ;
= 90 N/mm 2 – contrainte de traction admissible.
q b = 
(14 – 2) 2 90 = 10 174 N.
Objectif de l'étude
Pour comprendre comment un PHE peut être modifié pour optimiser ses performances dans des conditions données, il est important de connaître ses propriétés thermiques et hydrauliques. Évidemment, cela ne sert à rien de prévoir une chute de pression plus élevée dans le PHE s'il ne peut pas être utilisé, c'est-à-dire s'il est impossible de réduire la taille du PHE ou d'augmenter sa productivité. Un excellent moyen de visualiser les propriétés du PHE est d’étudier la dépendance de la surface totale d’échange thermique sur l’écoulement du fluide. Nous ferons varier le débit de fluide de zéro à l'infini, comme le montre l'exemple ci-dessous.Charge thermique
Il n'y a pas de valeurs spécifiques pour la surface de transfert de chaleur de réserve ou la perte de charge d'une grande importance Cependant, il est plus facile de raisonner avec des nombres réels qu’avec des symboles abstraits. Bien qu’il s’agisse d’un système eau-eau, le même raisonnement est valable pour un condenseur, pour un système au glycol, etc.PHE conçu de manière optimale
Cela signifie ce qui suit :- La surface de transfert de chaleur de réserve, M, est exactement égale à la valeur spécifiée de 5 %. En d’autres termes, la surface réelle de transfert de chaleur est 5 % plus grande que la valeur calculée.
- La différence de pression doit être pleinement utilisée, c'est-à-dire égale à la valeur réglée de 45 kPa.
Modification du débit d'eau
Voyons maintenant comment cela change superficie totale surface d'échange thermique lorsque le débit d'eau, X, passe de zéro à l'infini. Nous considérerons cette dépendance sous deux conditions - avec une chute de pression constante ou avec une réserve constante de surface d'échange thermique.Chute de pression
La chute de pression ne doit pas dépasser 45 kPa lorsque le débit d'eau passe de zéro à l'infini. Il n'y a aucune exigence concernant la valeur de transfert de chaleur. Regardons la figure 1. La dépendance est très simple. Si le débit d’eau est nul, alors le nombre de plaques – et la surface – sont nuls. Si le débit augmente, il faut ajouter de nouveaux plateaux, ou plutôt de nouveaux canaux. Initialement, la surface dépend approximativement linéairement du débit. Approximativement, puisque l'augmentation de la surface se produit, bien entendu, de manière discrète, un canal à la fois. Le graphique doit être une ligne en escalier, mais ici, pour simplifier l'image, nous considérerons cette ligne comme continue.A mesure que le débit augmente, un nouvel effet apparaît : une baisse de pression dans éléments de connexion. En raison de cet effet, la chute de pression dans les canaux de l'échangeur de chaleur diminue. Conformément à cette réduction, le nombre de chaînes devra être augmenté proportionnellement. La courbe s'écarte vers le haut d'une ligne droite. A un certain débit d'eau, toute la perte de charge existante sera perdue dans les éléments de raccordement, et il ne restera plus rien pour les canaux. En d’autres termes, il faudrait un nombre infini de canaux pour acheminer ce flux d’eau. Sur le graphique cela se traduit par l’apparition d’une asymptote verticale.
Cependant, bien avant que cela ne se produise, un deuxième échangeur de chaleur sera probablement ajouté. L'ajout d'un deuxième dispositif réduira les pertes de charge dans les éléments de raccordement, ce qui signifie que la majeure partie des pertes de charge restera sur les canaux. Le nombre de canaux diminuera brusquement, comme le montre la Fig. 2.
Nous allons maintenant augmenter encore le débit et ajouter une troisième prise de force, et le nombre de canaux diminuera à nouveau fortement. Cela sera répété pour la quatrième, cinquième... fois. La courbe devient progressivement plus douce, se rapprochant d'une ligne droite à mesure que le débit augmente et que des blocs s'ajoutent. Attention! Le côté refroidi de l’échangeur thermique n’est délibérément pas pris en compte à ce stade. Nous y reviendrons plus tard.
Réserve de surface d'échange thermique
La marge doit être d'au moins 5 %. Il n'y a aucune restriction sur la chute de pression. Passons à la Fig. 3. Il nous sera plus pratique de commencer notre réflexion avec un débit d'eau infini, puis de le réduire. Attention! Dans la discussion précédente, nous avons ajouté des canaux pour maintenir une certaine chute de pression. Ici, nous devons augmenter la surface d'échange thermique pour fournir la charge thermique.Dans le cas d'un débit infini, la température de l'eau en sortie est égale à la température en entrée, c'est-à-dire moyenne (CPT) maximale. Cela correspond à une faible surface de transfert thermique, une vitesse d'eau élevée dans les canaux et un coefficient de transfert thermique K élevé. Une diminution du débit d'eau s'accompagne de deux effets dont chacun entraîne une augmentation de la surface :
- Le CRT diminue, lentement au début, puis plus rapidement.
- Le débit d'eau à travers chaque canal diminue, ce qui signifie que le coefficient K diminue également.
Dans un échangeur de chaleur infiniment grand, l'eau chaufferait jusqu'à 12°C, soit la température de l'eau augmenterait de 10 K. Cela correspond au débit d'eau
X = 156,2/(4,186 x 10) = 3,73 kg/s.
Dans le cas où une chute de pression constante était maintenue, on pourrait réduire la surface en ajoutant de nouveaux blocs. Pouvons-nous faire quelque chose de similaire maintenant ? Raison principale, forçant une augmentation de la surface d'échange thermique, est une diminution du CPT. Nous n'avons pas la capacité d'augmenter le CPT à des débits et des températures donnés. Au contraire, l'échangeur thermique peut dégrader le CPT par rapport au fonctionnement à contre-courant, même si le PHE est bien conçu à cet égard.
Cependant, une autre raison forçant à augmenter la surface est une diminution de K due à une diminution du débit dans les canaux. Divisons la surface d'échange thermique requise entre les deux appareils et connectons-les en série. Le débit dans les canaux doublera, ce qui augmentera la valeur K et réduira la surface. Pour des coûts encore plus faibles, la zone peut être divisée entre trois, quatre... appareils série. Cela ralentira quelque peu la croissance de la zone, mais à mesure que la différence de température se rapproche de zéro, la zone tend vers l'infini.
Avant d'acheter un échangeur de chaleur, les clients comparent les offres de différents fournisseurs et fabricants et leur envoient les premières données. La société expérimentée Astera présente six caractéristiques qui affectent le coût final du produit et auxquelles vous devez d'abord prêter attention afin que le désir d'économiser ne se transforme pas en double dépense.
Le coût des échangeurs de chaleur comprend les coûts d'ingénierie et une composante commerciale. Cet article révèle le premier aspect.
- Épaisseur des plaques de transfert de chaleur et matériau de leur fabrication
L’épaisseur des plaques est la première chose à laquelle vous prêtez attention lors du choix d’un échangeur de chaleur. Plus il est épais, plus le coût de l'équipement est élevé. Cela est dû à deux facteurs :
- Plus de masse métallique pour produire des plaques ;
- Plus de plaques pour un transfert de chaleur de haute qualité à travers l'épaisseur de la paroi et pour obtenir la puissance requise.
L'épaisseur moyenne des plaques est de 0,5 mm. Les échangeurs de chaleur de grandes tailles standards avec un DN à partir de 150 et nécessitant une pression de fonctionnement élevée sont équipés de plaques de 0,6 mm. À une pression de 10 kgf/cm² et DU jusqu'à 150, une épaisseur de 0,4 mm est autorisée. Plus les plaques sont fines, plus la durée de vie de l'équipement d'échange thermique est courte.
Le plus souvent utilisé comme matériau de plaque acier inoxydable Marque AISI316. Cependant, certains producteurs la remplacent par la variété AISI304. Il coûte moins cher, contient moins de nickel et de molybdène, ce qui signifie que le matériau est plus sensible à la corrosion. Si l'échangeur thermique fonctionne dans des conditions environnementales idéales, cela est acceptable. Mais lorsqu'il s'agit d'un système d'alimentation en eau chaude (et que du chlore y est utilisé), il existe un risque que l'équipement ne dure pas longtemps. Pour éviter d'avoir des ennuis, il est recommandé d'étudier attentivement et de voir de quel type d'acier sont faites les plaques.
- Pression de travail
Le type, les dimensions et le prix de l'échangeur de chaleur dépendent de la pression de fonctionnement. Plus il est bas, moins l’équipement est bon marché. Par conséquent, vous devez décider à l'avance quel paramètre est requis. Minimum pression de travail est de 6 kgf/cm². En conséquence, un tel dispositif est le plus abordable, car il utilise des dalles et des plaques minces.
- Coefficient de transfert d'énergie thermique
Plusieurs données sont utilisées pour calculer le coefficient de transfert thermique :
- Puissance de l'échangeur de chaleur ;
- Delta de température ;
- Valeurs de réserve de surface et de consommation d'énergie ;
- Diamètre de connexion ;
- Vitesse de mouvement des fluides, etc.
Cet indicateur est calculé à l'aide de la formule. Plus il est élevé, meilleures sont les performances de l'échangeur thermique. À mesure que la vitesse de déplacement du fluide dans les canaux augmente, le transfert de chaleur augmente. La vitesse peut être augmentée en réduisant le nombre de canaux, c'est-à-dire de plaques.
L'inconvénient d'un débit de fluide élevé est un dépôt de tartre plus rapide sur les parois. Par conséquent, les équipements de chauffage coûteront moins cher, mais le coût de fonctionnement augmentera en raison du colmatage des canaux par des sels de magnésium et de calcium. Un nettoyage de démontage sera nécessaire de temps en temps.
Il est efficace, mais son coefficient de transfert thermique ne dépasse en réalité pas 7 000 W/m2 2 K. Par conséquent, si un fabricant propose un équipement avec un coefficient de 10 000 W/m2 2 K, cela devrait être préoccupant.
- Réserve de surface pour le transfert de chaleur
Un bon échangeur de chaleur doit avoir une réserve de 10 à 15 % surface d'échange thermique. Si le fabricant s'est fixé pour objectif de rendre le produit moins cher, alors ce paramètre approchera de zéro. Selon les experts dans le domaine des équipements d'échange thermique, une valeur nulle est une tromperie pour l'acheteur, car s'il y a une erreur dans des indicateurs tels que le calcul de la charge, un sous-chauffage à température optimale liquide de refroidissement, l'appareil peut tout simplement ne pas fonctionner. Même la contamination de la surface affectera négativement ses performances.
- Perte de pression
Δ p représente la quantité de perte de pression, ou hauteur. Elle est mesurée en m.v.s. ou en Pa. Le client indique l'indicateur souhaité dans le questionnaire.
Si le processus de fonctionnement nécessite une réduction ou une perte de pression minimale pendant le fonctionnement, l'échangeur de chaleur doit être équipé de un grand nombre assiettes Si le changement de pression n'est pas d'une grande importance, vous pouvez alors vous limiter à des équipements d'échange thermique plus compacts, et donc moins chers.
Comment le nombre de plaques affecte-t-il la perte de pression ? Il existe une explication assez simple à cela. Plus il y a de plaques, plus il y a de canaux entre les plaques. Il y a moins de résistance au passage d'un certain volume de liquide, et donc la perte de pression est insignifiante.
Lors de l'achat d'équipement, vous devez être prudent et comparer l'indicateur de perte de pression avec les données spécifiées dans le questionnaire. Sinon, certains fabricants peu scrupuleux peuvent indiquer des valeurs légèrement gonflées et rendre l'équipement moins cher pour l'acheteur. Mais généralement, une perte de pression élevée est hautement indésirable.
- Diamètre nominal
Cet indicateur est parfois appelé diamètre de connexion. Il doit être déterminé à l'aide d'une formule. Cela dépend des paramètres définis par le client potentiel. La méthode de calcul détermine si un indicateur DU à un chiffre est requis ou, en option, s'il est possible d'utiliser une deuxième taille, qui diffère par son diamètre nominal. Dans ce dernier cas, si une section plus petite est acceptable, ils s’arrêtent là. Ainsi, un échangeur de chaleur avec DN65 est moins cher qu'un équipement avec DN100. Cela est dû au fait que plus la section est grande, plus la plaque est grande. équipement thermique.
Il faut prendre en compte l'instant suivant: Lorsque la section transversale des tuyaux se rétrécit, la vitesse d'écoulement du fluide augmente. En conséquence, la pression diminuera encore davantage. Si l'équipement thermique doit être utilisé pendant une longue période, la plaque adjacente à la section d'écoulement peut être détruite.
Conclusion
Pour comparer avec compétence les options proposées par les usines produisant des échangeurs de chaleur, nous vous recommandons de toujours garder à l'esprit la conformité de l'équipement avec les objectifs qui lui sont fixés. À savoir:
- Épaisseur de l'acier et des tôles : l'acier de qualité AISI316 d'une épaisseur d'au moins un demi-millimètre est préférable.
- La pression dans les plaques doit répondre aux caractéristiques requises.
- Plus le coefficient de transfert thermique est proche de 7 000 W/m2 2 K, mieux c'est.
- La marge de surface optimale est de 10 à 15 %.
- Le paramètre de perte de pression dépend des conditions de fonctionnement et est déterminé par le client.
- Le diamètre du raccordement dépend des tâches, mais il faut garder à l'esprit que plus la télécommande est petite, plus la perte de pression sera importante et plus vite les plaques s'useront.
La société Astera espère que cet article vous sera utile et, sur la base de ces six caractéristiques, vous ferez bon choixéquipement d'échange de chaleur.