Жидкостный теплообменник
Жидкостный теплообменник работает по схеме жидкость-жидкость: вода-вода (ЖКХ), вода-этиленгликоль (отопление с антифризом), вода-масло (охлаждение гидросистем), масло-масло (термостат). Расчёт по Q=GcΔT, LMTD, NTU, материалы пластин под среду, схемы обвязки.
Жидкостный теплообменник — аппарат для передачи тепла между двумя жидкими средами без их смешивания: вода-вода, вода-этиленгликоль, вода-масло, масло-масло, вода-пропиленгликоль. Используется в ИТП ЖКХ, системах отопления с антифризом, охлаждении гидравлики, тепловых насосах и геотермии. По типу конструкции делится на пластинчатые (разборные, паяные), кожухотрубные, кожухопластинчатые, спиральные и U-образные. Подбор ведётся по тепловой мощности Q = G·c·ΔT, среднелогарифмическому температурному напору LMTD и допустимым потерям давления ΔP с учётом fouling factor и материала под конкретную пару сред.
Типы жидкостных теплообменников
Жидкостный теплообменник — устройство, в котором тепло передаётся между двумя несмешивающимися жидкими потоками через разделительную стенку. Конструкция определяется требуемой мощностью, рабочими давлениями, агрессивностью сред и допустимыми габаритами. Разберём пять основных типов, применяемых в российской и европейской практике для пары «жидкость-жидкость».
Пластинчатые разборные (ПТО)
Самый распространённый тип жидкостного теплообменника в системах ЖКХ и промышленности. Пакет тонких гофрированных пластин из нержавеющей стали (AISI 304, 316L, 316Ti, титан) стянут между плитами шпильками, между пластинами — резиновые уплотнения NBR, EPDM или Viton. Площадь — от 0,1 до 2500 м² на аппарат, мощность — от 5 кВт до 50 МВт, коэффициент теплопередачи 3000-7000 Вт/м²·К. Разбирается для механической очистки, легко наращивается добавлением пластин. Подробнее — на странице пластинчатые теплообменники.
Кожухотрубные (КТТО)
Классическая конструкция — пучок труб диаметром 16-25 мм внутри цилиндрического кожуха. Одна жидкость движется по трубному пространству, вторая — по межтрубному. Применяются при давлениях до 6,4 МПа, температурах до 350°C, площадях до 1200 м². Коэффициент теплопередачи 800-2500 Вт/м²·К — ниже, чем у пластинчатых, но конструкция надёжнее при пульсациях, гидроударах и больших ΔP. Незаменимы для масла высокой вязкости и тяжёлых нефтепродуктов. Каталог — кожухотрубные теплообменники.
Кожухопластинчатые
Гибрид: пакет сваренных пластин помещён в стальной кожух. Объединяет преимущества обоих типов — высокий K (до 5000 Вт/м²·К) и стойкость к давлению до 4,0 МПа. Применяются для пары вода-масло гидросистем при ΔP>0,3 МПа и для перегретых теплоносителей промышленных контуров.
Спиральные
Две длинные полосы листового металла свёрнуты в спираль, образуя два канала прямоугольного сечения. Эффективны для загрязнённых сред с механическими включениями (промстоки, шламы, охлаждённая суспензия). Самоочищаются за счёт высоких скоростей потока в узком канале — fouling factor сводится к минимуму.
U-образные и витые
Разновидность кожухотрубных с U-образным пучком — компенсация температурных расширений без сальников. Применяются в подогревателях бойлерных, маслоохладителях турбин и в качестве встроенных теплообменников водогрейных котлов с высоким перепадом температур (ΔT>100°C).
Типичные пары сред жидкость-жидкость
Конструкция, материал и резина определяются именно парой сред. Универсального «жидкостного» аппарата под все задачи не существует — теплообменник, рассчитанный на вода-вода в ИТП, не подойдёт для масла гидростанции. Ниже — пять самых распространённых пар.
Греющая сетевая вода 130/70°C нагревает сетевую воду внутреннего контура отопления 95/70°C или ГВС 60°C. K = 5000-7000 Вт/м²·К. Материал — AISI 304, EPDM. Базовая задача ИТП многоквартирного дома и теплопункта офисного здания. Каталог — водяные теплообменники.
Контур отопления с антифризом — для дач, удалённых объектов, наружных воздухоохладителей. Сетевая вода греет раствор гликоля внутреннего контура. K = 4000-5500 Вт/м²·К (ниже на 15-20% из-за вязкости гликоля). Уплотнения EPDM, теплоносители — теплоносители для отопления.
Охлаждение гидравлического или редукторного масла промышленной техники, прессов, ЧПУ-станков. Расход масла 50-500 л/мин, температура входа 70-90°C, выхода 40-50°C. K=1500-2500 Вт/м²·К из-за высокой вязкости масла. Уплотнения NBR/Viton. Подбор — охлаждение жидкости.
Стабилизация температуры технологических масел в металлообработке, экструзионных линиях, испытательных стендах. Обе среды — масло разной температуры. K=800-1500 Вт/м²·К. Требуются кожухотрубные или кожухопластинчатые аппараты — пластинчатые разборные не справляются с двусторонней высокой вязкостью.
Тепловой насос «вода-вода» или «грунт-вода»: первичный контур — пропиленгликоль 30%, циркулирующий по скважинам, вторичный — вода системы отопления. K=3500-5000 Вт/м²·К. Низкие ΔT 3-5°C — нужны паяные ПТО большой площади или разборные с длинными каналами. См. для отопления.
Растворы солей, кислот, щелочей низкой концентрации, рассолы холодильных систем. Материал — AISI 316L, 904L или титан. Уплотнения — Viton/Kalrez. Подробный разбор — статья «теплообменник вода-вода».
Расчёт жидкостного теплообменника
Расчёт жидкостного теплообменника — последовательность из четырёх шагов: тепловой баланс, среднелогарифмический температурный напор, требуемая площадь поверхности и проверка гидравлики. Подробный пример — на странице тепловой расчёт теплообменника.
Шаг 1. Тепловой баланс Q = G·c·ΔT
Тепловая мощность Q (кВт) равна произведению массового расхода G (кг/с) на удельную теплоёмкость c (кДж/кг·К) и на разность температур ΔT (К). Для воды c = 4,19 кДж/кг·К, для этиленгликоля 40% — 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.
Шаг 2. LMTD — среднелогарифмический температурный напор
LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁/ΔT₂), где ΔT₁ и ΔT₂ — разности температур на двух концах теплообменника. Чем больше LMTD, тем меньшая площадь нужна для той же мощности. Пример: греющая 110→70°C, нагреваемая 60→95°C, противоток — ΔT₁=110−95=15°C, ΔT₂=70−60=10°C, LMTD = (15−10)/ln(1,5) ≈ 12,3°C.
Шаг 3. Площадь F = Q / (K·LMTD·Fₜ)
Требуемая площадь теплопередачи F (м²) равна Q, делённому на произведение коэффициента теплопередачи K (Вт/м²·К), LMTD и поправочного коэффициента Fₜ для непротивоточных схем. Для чистого противотока Fₜ=1, для перекрёстного потока с одним ходом Fₜ=0,85-0,95, для смешанного — Fₜ=0,7-0,9. Поправочный коэффициент учитывает реальную геометрию каналов аппарата.
Шаг 4. Метод NTU (число единиц переноса)
Альтернативный подход, когда неизвестны выходные температуры. NTU = K·F / (G·c)ₘₐₙ, эффективность ε = Q₄ₑ₄ₘ / Qₘₐₜ. По графикам ε-NTU для противотока, прямотока и перекрёстного потока определяют достижимые температуры на выходе. Полезно при проверочных расчётах существующего оборудования и режимах с переменной нагрузкой.
Чем меньше требуемый ΔT «недогрев» на холодном конце (1-3°C) — тем больше площадь и тем дороже аппарат. Жадность по недогреву удваивает стоимость теплообменника при выигрыше в 1-2°C.
Параметры выбора жидкостного ТО
Полный опросный лист на жидкостный теплообменник содержит 12-15 параметров. Минимально необходимые для подбора — шесть. Без них любой проект тендера превращается в гадание. См. также как выбрать теплообменник.
1. Тепловая мощность Q (кВт)
Передаваемая мощность определяется расчётом нагрузки потребителя по СП 60.13330 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» либо по технологическому регламенту установки. Запас 10-15% к проектному значению — стандартная инженерная практика для компенсации зарастания и сезонных пиков.
2. Расходы и температуры обеих 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 потеря давления ΔP
Для ИТП ЖКХ — 20-60 кПа на каждый контур, для промышленности — до 150 кПа. Слишком жёсткое ограничение ведёт к увеличению числа пластин и стоимости. Слишком слабое — к снижению скорости в каналах, росту fouling и снижению K.
4. Fouling factor (запас на загрязнение)
Коэффициент термического сопротивления отложений по ГОСТ 27590. Чистая водопроводная — 0,000018 м²·К/Вт, оборотная — 0,00006, артезианская — 0,0001. Заклад fouling — это запас по площади 10-30% сверх «чистого» расчёта на 5-7 лет работы между промывками.
5. Давления и температуры расчётные
Pmax и Tmax для каждого контура. Для разборных ПТО — обычно до 1,6 МПа и 150°C (NBR) или 180°C (EPDM HT). Для кожухотрубных — до 6,4 МПа и 350°C. Для паяных компактных — до 3,0 МПа и 200°C.
6. Среда и материалы
Состав среды, концентрация, рН, наличие хлоридов и взвесей. От этого зависят марка стали пластин/труб и тип резины уплотнений. Ошибка на этапе — потеря оборудования за 6-12 месяцев из-за коррозии.
Материалы под пары сред
Выбор материала пластин или труб — критическое решение. AISI 304 для всех — миф, который заканчивается межкристаллитной коррозией через год. См. статью про нержавейку.
AISI 304 (08Х18Н10)
Базовая нержавеющая сталь для пресной питьевой и отопительной воды с содержанием хлоридов до 100 мг/л и температурой до 130°C. 80% задач ЖКХ закрываются ею. Cтоимость пластины — 100% базы. Не пригодна для гликоля концентрата, морской воды, сточных 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.
Уплотнения NBR, EPDM, Viton, HNBR
NBR — для нефтепродуктов, масел минеральных, до 110°C. EPDM — для воды питьевой, отопительной, гликолей, до 160°C (EPDM HT — 180°C). Viton — для агрессивных сред, кислот, концентрированных гликолей, до 200°C. HNBR — гибрид для парогазовых сред, до 150°C. Каталог уплотнений — пластины и уплотнения.
Схемы обвязки и движения теплоносителей
В жидкостных теплообменниках реализуется три базовых схемы движения сред: противоток, прямоток и перекрёстный поток. От схемы зависит достижимый LMTD при тех же входных и выходных температурах. Подробнее — принцип работы теплообменника.
Противоток
Среды движутся навстречу друг другу. Даёт максимально возможный LMTD и наименьшую площадь. Fₜ=1,0. Базовый режим для пластинчатых разборных и кожухотрубных с U-пучком. Позволяет достичь tₕₒₜ_ₒᵤₜ < tcₒₗd_ᵢₙ — невозможно для прямотока.
Прямоток
Среды движутся в одном направлении. Удобен в ситуациях, когда нужно ограничить нагрев чувствительной к перегреву жидкости — на выходе горячая и холодная сред стремятся к одной температуре. Fₜ=1,0, но достижимый ΔT меньше.
Перекрёстный
Среды движутся под углом 90°. Характерен для кожухотрубных с одним ходом, спиральных в режиме «спираль-крест». Fₜ=0,75-0,95. Применяется, когда конструктивно противоток невозможен.
Применение жидкостных теплообменников
ЖКХ и индивидуальные тепловые пункты
Базовая задача — разделение контуров: магистральная сетевая вода от ТЭЦ передаёт тепло домовому контуру отопления и ГВС. Защищает дом от загрязнённого высокотемпературного теплоносителя 130°C/1,6 МПа. По СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов» — обязательная схема для всех новых ИТП. Подробнее — устройство теплового пункта и эффект установки ИТП.
Системы отопления с антифризом
Загородные дома, дачи, удалённые объекты без постоянного отопления зимой — используется этиленгликоль или пропиленгликоль 30-50% как теплоноситель вторичного контура. Жидкостный теплообменник изолирует контур котла (где может быть обычная вода) от незамерзающего контура отопления. Каталог — теплообменники для отопления и обзор моделей.
Охлаждение масла гидросистем и редукторов
Прессы, экструдеры, металлообрабатывающие станки с ЧПУ, гидростанции дробильно-сортировочных комплексов. Маслоохладители принимают масло 70-90°C и отдают тепло технической воде, охлаждённой до 25-35°C на градирне. Подробнее на странице маслоохладителей и в обзоре охлаждающих ПТО.
Тепловые насосы вода-вода и вода-грунт
Тепловой насос имеет два жидкостных теплообменника: испаритель (хладагент-рассол/грунт) и конденсатор (хладагент-вода отопления). Для пары жидкость-жидкость на стороне рассола применяют паяные пластинчатые из 316L с EPDM. См. водо-водяные теплообменники.
Геотермальные контуры и LowEx-системы
Скважинные геозонды 80-200 м с раствором пропиленгликоля 25% передают грунтовое тепло (8-12°C) через жидкостный ТО в контур теплового насоса. Низкие ΔT 3-5°C требуют больших поверхностей теплопередачи F=10-50 м² на 10 кВт мощности.
Нагрев и подогрев жидкостей в производстве
Подогрев технологической воды для мойки, дозревания, ферментации — пищевая, фармацевтическая, химическая отрасли. Каталог по применению — нагрев и подогрев жидкости.
Майнинг-фермы и иммерсионное охлаждение
Контур диэлектрической жидкости (минеральное масло, фторкетоны) передаёт тепло водяному контуру градирни через жидкостный ТО. Тепло можно использовать на отопление здания. См. водяное охлаждение майнинг-ферм.
Бренды жидкостных теплообменников
На российском рынке представлены три основные группы производителей: отечественные (РИДАН, ЭТРА, КС, Машимпэкс), европейские (Alfa Laval, Funke, Kelvion, Sondex, SWEP, Tranter) и азиатские. По параллельному импорту и складским остаткам доступны все основные марки.
| Бренд | Происхождение | Специализация | Сроки |
|---|---|---|---|
| КС НАШ БРЕНД | Россия, ТПЛ-Сервис | ИТП, ГВС, отопление с антифризом, масло | от 5 рабочих дней |
| РИДАН | Россия | ЖКХ, ИТП, ГВС | 7-21 день |
| ЭТРА | Россия | Отопление, ГВС, промышленность | 10-30 дней |
| ТТАИ / ТИЖ | Россия | ИТП, отопление | 14-21 день |
| Машимпэкс | Россия, ОЕМ Alfa Laval | ИТП, ГВС, промышленность | 15-45 дней |
| Alfa Laval | Швеция | Полный спектр, флагман | 30-90 дней |
| Funke | Германия | ПТО, паяные, кожухотрубные | 30-60 дней |
| Kelvion (GEA) | Германия | Промышленные ПТО, кожухотрубные | 45-90 дней |
| Sondex | Дания | ПТО, сварные | 30-60 дней |
Монтаж и обвязка
Грамотная обвязка жидкостного теплообменника продляет его ресурс с 3-5 до 15-30 лет. Минимальный обязательный набор арматуры — на каждом из четырёх патрубков. См. подключение теплообменника и монтаж теплообменника.
- Фильтр-грязевик на каждом входе — обязательно. Сетка 0,5-1,0 мм. Защищает каналы от шлама, окалины, песка. Самый частый виновник аварийного выхода — отсутствующий или забитый грязевик.
- Манометры на входе и выходе обеих сред. Контроль ΔP — индикатор зарастания. Рост ΔP на 30-50% над расчётным — сигнал к промывке.
- Термометры на всех четырёх патрубках. Без них невозможно проверить тепловой баланс и эффективность.
- Шаровые краны или дисковые затворы перед каждым патрубком — для возможности отключения без слива системы.
- Обратные клапаны для исключения противотока при остановке насоса.
- Воздухоотводчики в верхних точках обвязки — особенно для гликолей, склонных к выделению воздуха.
- Дренажные краны в нижних точках — для слива при сервисе и зимней консервации.
- Компенсаторы (сильфонные или П-образные участки) — для термических расширений при ΔT>60°C.
- Опоры на собственный фундамент или раму, не на патрубки. Категорически нельзя подвешивать теплообменник за фланцы.
6 ошибок при подборе жидкостного ТО
Расчёт по теплоёмкости воды для пары вода-масло даёт занижение площади в 2-3 раза. Масло вязкостью 30 сСт имеет K=1500-2000 Вт/м²·К против 5500 для воды. Подбор делается только по точным свойствам масла при рабочей температуре.
При концентрации этиленгликоля >40% и температуре >90°C сталь 304 начинает корродировать по границам зёрен через 6-12 месяцев. Норма — 316L с уплотнениями EPDM.
Экономия 5-10 тысяч на грязевике приводит к зарастанию каналов за 6-12 месяцев и потере 30-50% эффективности. Промывка стоит дороже грязевика в 5-10 раз. Подробно — промывка ПТО.
Гипертрофированный запас увеличивает площадь, стоимость и снижает скорости в каналах — это, парадоксально, ускоряет загрязнение. Норма — запас 10-15% сверх расчётной нагрузки, fouling factor по ГОСТ 27590.
«Просто вода» без указания pH, жёсткости, концентрации хлоридов — это гарантия неправильного материала. Особенно для скважинной воды (повышенное железо, сероводород) и оборотной (антинакипины, биоциды).
При требовании tₕₒₜ_ₒᵤₜ < tcₒₗd_ᵢₙ прямоток принципиально не работает — нужен только противоток. Ошибка приводит к недогреву на 10-20°C и невозможности достижения проектных температур ГВС.
Сравнение K-коэффициента по парам сред
Типичные значения K для пластинчатых разборных и кожухотрубных теплообменников при стандартных скоростях в каналах
Какой материал под пару сред — decision tree
Частые вопросы про жидкостные ТО
Что такое жидкостный теплообменник?
Чем жидкостный отличается от водо-воздушного?
Какой ТО лучше для пары вода-этиленгликоль 40%?
Как рассчитать мощность жидкостного ТО?
Можно ли использовать ПТО для масла?
Какой fouling factor принимать для расчёта?
Как часто чистить жидкостный ТО?
Чем отличается ПТО от паяного?
Можно ли заменить кожухотрубный ТО пластинчатым?
Какой ресурс жидкостного теплообменника?
Подбор жидкостного теплообменника — инженер ТПЛ-Сервис
Инженер ТПЛ-Сервис рассчитает жидкостный теплообменник под вашу пару сред за 1-3 рабочих дня: тепловой баланс, LMTD, площадь, поверочный гидравлический расчёт, подбор материала пластин и уплотнений по составу среды. Учитываем fouling factor по ГОСТ 27590, требования СП 60.13330 и СП 41-101-95, нормы СНиП 41-01. Предложим 2-3 варианта: оптимальный по цене (бренд КС — наш бренд, срок от 5 рабочих дней), классические российские (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 типовых задач — готовые подборки: пластинчатые, кожухотрубные, паяные, охлаждение жидкости, нагрев и подогрев, ГВС, отопление, водяные. Дополнительно — теплоносители, пластины и уплотнения, оборудование для промывки.
- Комментарии
