Мощность теплообменника: как определить у работающего аппарата и можно ли увеличить её пластинами

ООО «ПРОМТЕХРЕШЕНИЯ» · 

На шильде теплообменника мощности часто нет, а если есть, это мощность для одного расчётного режима. Сколько аппарат отдаёт сейчас, при этих температурах и с этим слоем накипи, можно узнать только измерением. Разбираем, как правильно измерить мощность работающего теплообменника, как по замеру понять, насколько он загрязнён, сколько пластин должно быть в аппарате и что на самом деле дают добавленные пластины. Последнее особенно важно: прирост почти всегда меньше, чем ожидают.

Коротко

•      Мощность аппарата зависит от температур и расходов, одной цифры у него нет. Паспортная мощность относится к расчётному режиму.

•      Фактическую мощность считают по формуле Q = 1,163 × V × Δt по каждой стороне в установившемся режиме и сверяют стороны между собой.

•      Точность определяет перепад температур. У теплосчётчика класса 2 при перепаде 5 °C погрешность около ±5 %, при 3 °C уже ±7 %. Мерить лучше по стороне с большим перепадом.

•      По замеру считают фактический коэффициент теплопередачи. Если он ниже расчётного на 30 % и больше, аппарат пора чистить.

•      Пластины добавляют, если хватает длины направляющих рамы. Число пластин меняют на чётное, размер стяжки пересчитывают.

•      Если расходы остаются прежними, прирост мощности намного меньше прироста площади. В нашем расчёте плюс 27 % пластин дали плюс 6 % мощности, а удвоение пакета плюс 18 %.

•      Почти линейный прирост бывает, только когда вместе с пластинами растут расходы, то есть когда выросла сама нагрузка.

Что такое мощность теплообменника

Тепловая мощность это количество тепла, которое аппарат передаёт от одной среды к другой за единицу времени. Её выражают в киловаттах или гигакалориях в час: 1 Гкал/ч равна 1,163 МВт. Для воды формула простая:

Q (кВт) = 1,163 × V (м³/ч) × Δt (°C)

Например, подогреватель ГВС греет 1,44 м³/ч воды с 5 до 65 °C. Мощность 1,163 × 1,44 × 60 ≈ 100 кВт. Та же формула работает для греющей стороны: если сетевая вода 2,88 м³/ч остывает с 70 до 40 °C, получается те же 100 кВт.

Важно понимать, что мощность не свойство аппарата. Один и тот же теплообменник при сетевой воде 70 °C даст одну мощность, при 90 °C другую, при чистых и при заросших пластинах третью. Поэтому мощность на шильде или в паспорте означает «столько аппарат даёт в расчётном режиме». Как устроен аппарат и почему его эффективность так зависит от напора и скорости, разобрано в статье о принципе работы пластинчатого теплообменника.

Правила технической эксплуатации (приказ Минэнерго от 14.05.2025 № 511) требуют при осмотрах контролировать температуры, давления и расходы обеих сред, фактическую производительность и гидравлическое сопротивление (п. 407). Результаты наладочных испытаний и эксплуатационных измерений вносят в паспорт водоподогревателя (п. 413), а периодичность задаёт инструкция по эксплуатации (п. 414).

Как измерить мощность работающего аппарата

Отдельной российской методики испытаний именно пластинчатых водоподогревателей нет. Логику можно взять из методических указаний по испытаниям сетевых подогревателей МУ 34-70-001-82: их задача как раз определить фактический температурный напор, сравнить с расчётным и оценить загрязнение.

1.    Установившийся режим. Регулятор не должен дёргать клапан, нагрузка стабильна. По МУ 34-70-001-82 каждый опыт включает 10-12 отсчётов с интервалом 2-3 минуты, колебания расхода не больше ±5 %, температуры не больше ±2 °C.

2.    Четыре температуры. На входе и выходе обеих сторон. Лучше всего термометры в гильзах. Накладные датчики на трубе ставят на зачищенный металл под изоляцию.

3.    Два расхода. Из архива теплосчётчика по сетевой стороне, по второй стороне накладным ультразвуковым расходомером или по счётчику ГВС.

4.    Перепады давления. До и после аппарата по обеим сторонам. Рост сопротивления при том же расходе прямо указывает на загрязнение.

5.    Мощность по каждой стороне. Q = 1,163 × V × Δt.

6.    Сверка сторон. В установившемся режиме значения должны быть близки, обычно расхождение до 5-10 %. Если больше, ищут ошибку замера, перетоки или байпас.

7.    Сравнение с расчётом. По расчётному листу и паспорту.

Точность замера

Слабое место любого замера мощности это малый перепад температур. Пример из паспорта теплосчётчика класса 2: погрешность по тепловой энергии считается как ±(3 + 4·Δtmin/Δt + 0,02·qp/q) %. При минимальном перепаде 3 °C и номинальном расходе получается:

Погрешность теплосчётчика класса 2 по тепловой энергии

С накладными датчиками температуры хуже. Если каждый из двух датчиков ошибается на 0,5 °C, при перепаде 5 °C погрешность мощности около 14 %, при 40 °C около 2 %. Накладной ультразвуковой расходомер даёт порядка ±1-1,5 % по расходу. Практический вывод: мерить по стороне с большим перепадом. В подогревателе ГВС это нагреваемая вода, она греется на 50-60 °C.

Для ориентира, насколько точно вообще удаётся совпасть с расчётом. Новый аппарат Alfa Laval при стендовом испытании по сертификации AHRI считается прошедшим, если даёт не меньше 95 % расчётной мощности при перепаде давления не больше 115 % расчётного.

Быстрая проверка по архиву теплосчётчика

Грубую картину даёт месячный архив. Допустим, в январе дом в Туле получил 450 Гкал. В январе 744 часа, средняя мощность 450 / 744 ≈ 0,60 Гкал/ч, около 0,70 МВт. Расчётная нагрузка отопления по проекту 1,0 Гкал/ч при −24 °C. При средней январской температуре −7,6 °C ожидаемая нагрузка (20 + 7,6) / (20 + 24) ≈ 0,63 от расчётной, то есть около 0,63 Гкал/ч.

Фактические 0,60 Гкал/ч близки к ожидаемым. Если в квартирах при этом тепло, а регулирующий клапан не стоит постоянно открытым, у аппарата есть запас. Если клапан открыт полностью, в квартирах холодно, а потребление заметно ниже ожидаемого, нужен подробный замер: либо теплообменник не справляется, либо сеть не даёт графика. Архив показывает потребление здания, поэтому вывод о самом аппарате делают только вместе с замером температур на нём.

Как по замеру понять, что аппарат загрязнён

Из мощности и температур считают фактический коэффициент теплопередачи:

k = Q / (F × Δtср)

Здесь F рабочая площадь: число пластин минус две крайние, умноженное на площадь одной пластины. Δtср среднелогарифмический температурный напор, его считают по разностям температур на концах аппарата. Расчётный коэффициент берут из расчётного листа: по п. 8.2.10 СП 510 в расчёте водоподогревателя должны быть мощность, расходы, потери давления, напор, коэффициент теплопередачи и площадь.

Логику оценки можно взять из руководящего документа по контролю сетевых подогревателей РД 34.40.505: состояние считают удовлетворительным, если фактический коэффициент ниже расчётного для чистой поверхности меньше чем на 30 %. При 30 % и больше аппарат нуждается в чистке. Документ писался для ТЭС, но для пластинчатых аппаратов эта граница тоже работает как ориентир.

Пример

Подогреватель ГВС на 100 кВт, площадь 1,16 м². По расчёту греющая вода 2,88 м³/ч остывает с 70 до 40 °C, нагреваемая 1,44 м³/ч греется с 5 до 65 °C. Напор на концах 5 и 35 °C, LMTD = 30 / ln 7 ≈ 15,4 °C. Расчётный коэффициент 100 000 / (1,16 × 15,4) ≈ 5 590 Вт/(м²·°C).

Допустим, через два сезона при тех же расходах нагреваемая вода выходит только 55 °C. Мощность 1,163 × 1,44 × 50 ≈ 84 кВт, греющая вода уходит с температурой около 45 °C. Напор на концах 15 и 40 °C, LMTD ≈ 25,5 °C. Фактический коэффициент 84 000 / (1,16 × 25,5) ≈ 2 830 Вт/(м²·°C).

Падение почти 50 %, больше порога 30 %. Термическое сопротивление отложений 1/2 830 − 1/5 590 ≈ 0,00017 м²·°C/Вт. Аппарат пора промывать. Наращивать его бессмысленно: новые пластины при той же накипи на старых проблему не решат. Как промывать, в статьях о промывке и о накипи, признаки загрязнения собраны в статье 7 признаков.

Есть и признак без измерения мощности. По п. 412 ПТЭ аппарат подлежит очистке, если гидравлическое сопротивление выросло выше установленного значения. Перепад давления при том же расходе растёт раньше, чем мощность падает заметно.

Сколько пластин в теплообменнике

Число пластин считают от площади:

F = Q / (k × Δtср) × 1,2;   N = F / f + 2

Множитель 1,2 это запас поверхности 20 %, который п. 8.2.4 СП 510 требует для водо-водяных подогревателей тепловых пунктов. f площадь одной пластины, две пластины добавляют на крайние, которые в теплообмене не участвуют. Каналов на каждую среду в одноходовом аппарате около (N − 1) / 2.

Пример. Отопление 300 кВт, сеть 130/70, внутренний контур 80/60. Напор на концах 50 и 10 °C, LMTD ≈ 24,9 °C. При ориентировочном коэффициенте 5 000 Вт/(м²·°C) площадь 300 000 / (5 000 × 24,9) ≈ 2,4 м², с запасом 2,9 м². На пластинах Ридан НН№14 площадью 0,15 м² это 2,9 / 0,15 + 2 ≈ 22 пластины. Сетевой воды 4,3 м³/ч, воды отопления 12,9 м³/ч, для портов Ду 50 это с запасом.

Это оценка. Коэффициент теплопередачи зависит от скорости в каналах, а она от числа каналов, поэтому точное число пластин даёт программа подбора производителя. Пошаговый подбор описан в статье как подобрать пластинчатый теплообменник.

Можно ли увеличить мощность, добавив пластины

Можно, и производители это прямо разрешают. Ридан, ЭТРА и завод Теплосила в руководствах по эксплуатации пишут одинаково: допускается увеличивать поверхность теплопередачи добавлением пластин при условии достаточной длины направляющих. Но физика здесь коварная.

Если расходы остаются прежними, тот же поток делится на большее число каналов. Скорость в каналах падает, турбулентность тоже, и коэффициент теплопередачи снижается. Площадь растёт, а каждый её квадратный метр работает хуже. Alfa Laval в руководстве по подбору аппаратов прямо пишет: увеличение сечения без роста расхода снижает скорость, турбулентность, коэффициент теплопередачи и касательное напряжение у стенки.

Мы посчитали это по методике расчёта пластинчатых водоподогревателей из СП 41-101-95 для пластины площадью 0,6 м². Греющая вода 70 °C, 30 т/ч, нагреваемая 5 °C, 25 т/ч, противоток:

Что дают добавленные пластины

Выводы из таблицы:

•      При прежних расходах плюс четверть пластин даёт около плюс 6 % мощности. Удвоение пакета даёт меньше 20 %.

•      Если пластины добавляют вместе с ростом расходов, скорости сохраняются, и прирост почти равен приросту площади: плюс 25 % каналов дали плюс 26 % мощности, а потери давления остались прежними.

•      Если поднять только расходы, мощность тоже растёт, но потери давления увеличиваются почти в полтора раза: в нашем примере с 19 до 28 кПа по греющей стороне.

•      Потери давления при добавлении пластин падают: при плюс 27 % площади с 19 до 13 кПа. Иногда это и есть цель, когда насос не справляется.

Отсюда правило. Пластины добавляют, когда выросла нагрузка и вместе с ней расходы, или когда аппарат изначально подобран без запаса и работает с огромным перепадом давления. Если мощность упала из-за загрязнения, сначала промывка. Лишняя площадь при прежнем расходе ещё и зарастает быстрее: Alfa Laval называет целевое касательное напряжение у стенки 50 Па и минимальное 35 Па, при меньшем отложения держатся на пластинах.

Ограничения при добавлении пластин

Длина рамы

Каждая рама вмещает свой диапазон пластин. Пример по каталогу Ридан и карточкам нашего каталога:

Запас зависит от того, где аппарат стоит внутри своего диапазона. Ридан НН№62 на 80 пластинах стоит на раме 69-115. Его можно довести до 114 пластин: рабочая площадь вырастет с 53 до 76 м², на 44 %. Тот же аппарат на 112 пластинах получит только две пластины. Фиксированного процента запаса нет, его проверяют по паспорту и замеру направляющих. Диапазоны рам могут отличаться в разных редакциях документации, поэтому решает паспорт конкретного аппарата.

Чётное число и новый размер стяжки

По руководству Ридан пластины добавляют и убирают чётным числом. Новый размер сжатия пакета считают по формуле К1 = К × (S + n) / S, где К размер из паспорта, S исходное число пластин, n добавленные пластины. Для НН№62 с 80 до 114 пластин размер вырастет в 114 / 80 = 1,425 раза. Как стягивать пакет и какие допуски у разных производителей, разобрано в статье о сборке пластинчатого теплообменника.

Скорость в патрубках

Если пластины добавляют под рост расхода, проверяют порты. Alfa Laval в руководстве по аппаратам для отопления и кондиционирования ориентируется на скорость в патрубках не больше 4,9 м/с (16 футов в секунду). Пересчёт в расход воды:

Если расход упирается в порт, добавлять пластины бессмысленно, нужен аппарат с портами крупнее или второй аппарат параллельно.

Согласование и документы

Danfoss разрешает работу при изменённых условиях только после письменного согласования и выпускает новую заводскую табличку. Ридан и ЭТРА допускают доукомплектование по своим руководствам. В любом случае после сборки аппарат проходит гидравлическое испытание: Ридан требует его каждый раз после ремонта или очистки. Новые число пластин, площадь и размер стяжки вносят в паспорт, по п. 413 ПТЭ туда же вносят результаты измерений.

Как добавляют пластины

1.    Замер и расчёт. Фактическая мощность, расходы, потери давления, новая нагрузка. Поверочный расчёт показывает, сколько пластин нужно и хватит ли портов.

2.    Проверка рамы. Тип рамы по паспорту, длина направляющих и шпилек.

3.    Заказ пластин. Того же типа, с тем же углом гофр, материалом и толщиной, с уплотнениями того же материала и крепления.

4.    Разборка и чистка. Старые пластины промывают, иначе новые и старые будут работать по-разному.

5.    Сборка. Новые пластины ставят по схеме сборки, сохраняя чередование и рисунок сот.

6.    Стяжка до нового размера по формуле К1 с допусками изготовителя.

7.    Гидравлическое испытание и запись в паспорт.

8.    Контрольный замер мощности в установившемся режиме.

Пластины и уплотнения к основным брендам есть в разделе пластин и уплотнений. Сколько стоит доукомплектование по сравнению с новым аппаратом, мы считали в статье о ремонте пластинчатого теплообменника.

Другие способы поднять мощность

Иногда мощности «не хватает» из-за режима, хотя сам аппарат в порядке: сеть даёт подачу ниже графика, обводы открыты, насос внутреннего контура подобран с огромным запасом. Как график сети влияет на мощность ИТП, разобрано в статье о температурном графике и подборе теплообменника.

Типичные ошибки

•      Считают мощность по шильде. Паспортная мощность относится к расчётным температурам. Сегодняшние могут быть совсем другими.

•      Мерят при перепаде 2-3 °C. Ошибка датчиков даёт десятки процентов по мощности.

•      Мерят в переходном режиме. Клапан ходит, температуры плывут, стороны не сходятся.

•      Добавляют пластины к грязному пакету. Мощность почти не растёт, хотя прокладки и пластины уже куплены.

•      Ждут прироста, равного приросту площади. При прежних расходах он в разы меньше.

•      Ставят пластины другого угла гофр. Меняются теплопередача и сопротивление, пакет становится неоднородным.

•      Забывают пересчитать размер стяжки. Пакет пережимают или недотягивают.

Чем поможет ПромТехРешения

Сделаем поверочный расчёт действующего аппарата по вашим замерам и покажем, что даст промывка, добавление пластин или новый аппарат. Если нужно, подберём пластины и уплотнения, соберём пакет и проведём опрессовку. Расчёт бесплатно: подбор теплообменника, работы по обслуживанию на странице технического обслуживания.

Частые вопросы

Как определить мощность работающего теплообменника?

Измерить в установившемся режиме температуры на входе и выходе обеих сторон и расходы, посчитать мощность по формуле Q = 1,163 × V × Δt для каждой стороны и сверить их. Расхождение обычно до 5-10 %. Удобнее всего брать расход сетевой воды из архива теплосчётчика.

Как рассчитать тепловую мощность теплообменника по расходу и температурам?

Для воды Q (кВт) = 1,163 × V (м³/ч) × Δt (°C). Например, 1,44 м³/ч воды, нагретой с 5 до 65 °C, это около 100 кВт. Для гликоля нужно учитывать его теплоёмкость, она ниже, чем у воды.

Как понять, что теплообменник загрязнён, по замеру?

Посчитать фактический коэффициент теплопередачи k = Q / (F × Δtср) и сравнить с расчётным из расчётного листа. Если фактический ниже на 30 % и больше, аппарат нуждается в чистке. Ранний признак: рост перепада давления при том же расходе.

Сколько пластин в теплообменнике?

Число пластин считают от площади: N = F / f + 2, где F нужная площадь с запасом 20 %, f площадь одной пластины, две пластины крайние. Например, отоплению на 300 кВт при сети 130/70 и контуре 80/60 нужно около 2,9 м², на пластинах Ридан НН№14 это около 22 пластин.

Можно ли увеличить мощность теплообменника добавлением пластин?

Можно, если хватает длины направляющих рамы. Но при прежних расходах прирост небольшой: по нашему расчёту плюс 27 % пластин дают около плюс 6 % мощности. Почти пропорциональный прирост бывает, когда вместе с пластинами растут расходы, то есть выросла нагрузка.

Почему после добавления пластин мощность почти не выросла?

Поток разделился на большее число каналов, скорость и турбулентность упали, и коэффициент теплопередачи снизился. Площадь выросла, но каждый её метр работает хуже. Вторая частая причина: пластины добавили к грязному пакету без промывки.

Сколько пластин можно добавить в теплообменник?

Столько, сколько позволяет рама: у каждой рамы свой диапазон. Например, Ридан НН№62 на 80 пластинах стоит на раме для 69-115 пластин, его можно довести до 114. Пластины добавляют чётным числом, размер стяжки пересчитывают по формуле К1 = К × (S + n) / S.

Нужно ли согласовывать добавление пластин с производителем?

Ридан и ЭТРА в руководствах по эксплуатации допускают добавление пластин при достаточной длине направляющих. Danfoss разрешает работу при изменённых условиях только после письменного согласования и выпускает новую табличку. В любом случае после сборки нужна опрессовка и запись в паспорт.

Насколько точно теплосчётчик показывает мощность теплообменника?

У теплосчётчика класса 2 погрешность по тепловой энергии зависит от перепада температур: около ±7 % при 3 °C, ±5,4 % при 5 °C, ±3,6 % при 20 °C. Поэтому мощность надёжнее считать по стороне с большим перепадом.

Что лучше: добавить пластины или поставить второй теплообменник?

Если на раме есть место и порты пропускают нужный расход, дешевле добавить пластины. Если рама или порты исчерпаны или нужен резерв, ставят второй аппарат параллельно. Для ГВС СП 510 и так требует два аппарата по 50 % в каждой ступени.