26.10.2026
Як
Дослідження
Розрахунок пластинчастого теплообмінника для харчового виробництва: які дані потрібні для підбору
Запиту «потрібен теплообмінник на 10 000 л/год» недостатньо для підбору обладнання. За однакової продуктивності молоко, вершки та цукровий сироп потребуватимуть різних розрахунків, конфігурацій пластин і витрат теплоносія.
Правильний підбір починається з теплового балансу, властивостей продукту та перевірки доступних ресурсів. Нижче – вихідні дані, формули й розрахункові приклади для підготовки технічного завдання.
Які дані потрібні для розрахунку теплообмінника
Для початкового підбору потрібно описати обидві сторони теплообмінника: продукт і середовище, яке його нагріває або охолоджує.
| Параметр | Що потрібно вказати | Чому це важливо |
|---|---|---|
| Продукт | Назва, склад, концентрація, вміст жиру та сухих речовин | Впливає на теплоємність, в’язкість і схильність до відкладень |
| Продуктивність | Мінімальна, номінальна та максимальна витрата | Визначає теплове навантаження й гідравлічні режими |
| Температури продукту | На вході та потрібна на виході | Дозволяє розрахувати кількість тепла, яку потрібно передати |
| Нагрівальне або охолоджувальне середовище | Вода, водно-гліколевий розчин, гаряча вода чи інше середовище | Визначає доступний температурний напір і витрату |
| Параметри середовища | Температура на вході, доступна витрата, допустима температура на виході | Показує, чи можна виконати завдання на наявних ресурсах |
| Втрати тиску | Допустимі окремо для кожної сторони | Обмежують вибір каналів, кількості ходів і насосів |
| Частинки | Максимальний розмір, концентрація, форма та чутливість до пошкодження | Впливають на вибір зазору й конструкції |
| Робочий цикл | Тривалість роботи між миттями, пуски, зупинки, зміни продукту | Потрібний для оцінювання забруднення та змінних режимів |
| CIP | Витрата, температури, хімічні засоби та концентрації | Визначає вимоги до очищення й сумісності матеріалів |
Якщо точних властивостей продукту ще немає, це потрібно зазначити. Припущення можна використовувати для попереднього розрахунку, але перед замовленням критичні параметри слід підтвердити.
1. Розрахуйте теплове навантаження
Для нагрівання або охолодження рідини без фазового переходу використовують формулу:
Q = ṁ × cₚ × ΔT
де:
- Q – теплове навантаження, кВт;
- ṁ – масова витрата, кг/с;
- cₚ – питома теплоємність, кДж/(кг·°C);
- ΔT – зміна температури продукту, °C.
Якщо продуктивність задана в літрах за годину, спочатку потрібно перейти до масової витрати.
Приклад: охолодження молока від 20 до 4 °C
Приймемо для розрахунку:
- продуктивність – 10 000 л/год;
- густину молока – 1,03 кг/л;
- питому теплоємність – 3,9 кДж/(кг·°C);
- температуру на вході – 20 °C;
- температуру на виході – 4 °C.
Густина й теплоємність тут прийняті для прикладу. Для остаточного підбору використовують властивості конкретного продукту.
Крок 1. Визначаємо масову витрату:
10 000 × 1,03 = 10 300 кг/год.
Крок 2. Переводимо її в кілограми за секунду:
10 300 ÷ 3 600 ≈ 2,86 кг/с.
Крок 3. Розраховуємо теплове навантаження:
Q = (10 300 ÷ 3 600) × 3,9 × (20 − 4) ≈ 178,5 кВт.
Отже, у заданому режимі від молока потрібно відводити приблизно 178,5 кВт тепла.
Це теплова потужність, а не споживання електроенергії. Електроспоживання холодильної установки й насосів розраховують окремо.
Якщо теплообмінник є частиною пастеризатора з регенерацією, навантаження визначають для кожної секції. Загальне нагрівання продукту не дорівнює потребі в зовнішньому теплі.
2. Перевірте, скільки потрібно охолоджувального середовища
Тепло, яке віддає продукт, має прийняти охолоджувальне середовище.
Для того самого прикладу припустімо, що використовується вода з температурою:
- на вході в теплообмінник – 1 °C;
- на виході – 6 °C.
Необхідна масова витрата води:
ṁ = Q ÷ (cₚ × ΔT)
За теплоємності води 4,18 кДж/(кг·°C):
ṁ = 178,5 ÷ [4,18 × (6 − 1)] ≈ 8,54 кг/с.
У перерахунку на годину це приблизно 30 750 кг/год, або 30,8 м³/год за прийнятої густини води близько 1 000 кг/м³.
Тепер запит до системи охолодження стає конкретним: чи може вона стабільно подавати близько 30,8 м³/год води за температури 1 °C і приймати відповідне теплове навантаження?
Перевіряти потрібно одночасно:
- доступну холодопродуктивність;
- витрату на підключенні;
- температуру під навантаженням;
- доступний перепад тиску;
- одночасну роботу інших споживачів.
Для водно-гліколевого розчину розрахунок потрібно повторити з його фактичною концентрацією, теплоємністю, густиною та в’язкістю. Параметри води для цього не підходять.
3. Врахуйте найгіршу температуру доступного середовища
Розрахунок на «ідеальній» температурі може дати обладнання, яке не забезпечить потрібного результату влітку або при піковому навантаженні.
Повернімося до охолодження молока до 4 °C.
| Температура води на вході | Прийнята температура води на виході | Різниця між молоком на виході та водою на вході | Що змінюється |
|---|---|---|---|
| 1 °C | 6 °C | 3 °C | Базовий розрахунковий режим |
| 3 °C | 6 °C | 1 °C | Потрібні більша витрата води й перевірка достатності поверхні теплообміну |
| 4 °C | 6 °C | 0 °C | Охолодження молока точно до 4 °C недосяжне за скінченної площі у звичайному непрямому теплообміннику |
При підвищенні температури води з 1 до 3 °C та збереженні виходу води на рівні 6 °C її розрахункова витрата зростає:
ṁ = 178,5 ÷ [4,18 × (6 − 3)] ≈ 14,24 кг/с, або приблизно 51,3 м³/год.
Але навіть збільшення витрати не гарантує результату на вже підібраному апараті: зменшується температурний напір, тому потрібен повторний тепловий та гідравлічний розрахунок.
У технічному завданні потрібно вказувати температуру середовища під виробничим навантаженням, включно з найгіршим погодженим режимом.
4. Чому за потужністю не можна визначити кількість пластин
Значення «178,5 кВт» ще не визначає типорозмір теплообмінника.
У спрощеному вигляді:
Q = U × A × ΔTₗₘ
де:
- U – загальний коефіцієнт теплопередачі;
- A – ефективна площа теплообміну;
- ΔTₗₘ – середньологарифмічний температурний напір.
Для ілюстрації візьмемо попередній режим: молоко 20 → 4 °C, вода 1 → 6 °C, протитечія.
Температурні різниці на кінцях апарата становлять 14 і 3 °C. Середньологарифмічний температурний напір – приблизно 7,14 °C.
Якщо умовно прийняти U = 1 500 Вт/(м²·°C), отримаємо:
A = 178 500 ÷ (1 500 × 7,14) ≈ 16,7 м².
Це ілюстрація формули, а не готовий підбір. Коефіцієнт U не можна довільно переносити з іншого продукту або теплообмінника.
В остаточному розрахунку враховують:
- властивості обох середовищ;
- геометрію та рифлення пластин;
- швидкість руху в каналах;
- кількість ходів;
- забруднення поверхні;
- допустимі втрати тиску.
Кількість пластин визначають за конкретною моделлю та схемою компонування. Два апарати з однаковою площею можуть мати різні теплові й гідравлічні характеристики.
5. В’язкість і частинки: назви продукту недостатньо
Позначення «вершки», «соус» або «сироп» не дає достатньо інформації для підбору.
Потрібно знати властивості продукту в усьому робочому температурному діапазоні. Особливо це важливо під час охолодження: зі зниженням температури в’язкість може суттєво зростати.
Для неньютонівських продуктів одного значення в’язкості без умов вимірювання недостатньо. Бажано надати залежність від температури та швидкості зсуву або результати випробувань.
| Продукт або особливість | Які дані потрібні додатково |
|---|---|
| Вершки та концентровані молочні продукти | Жирність, сухі речовини, в’язкість за робочих температур |
| Цукровий сироп | Концентрація, температурна залежність в’язкості, ризик кристалізації |
| Соус або пюре | Реологічні властивості, волокна, частинки, чутливість структури до зсуву |
| Сік із м’якоттю | Максимальний розмір частинок, їхня частка та схильність до накопичення |
| Продукт зі схильністю до пригару | Допустимі температури поверхні, тривалість циклу, характер відкладень |
За результатами оцінювання може знадобитися ширший канал або інший тип теплообмінника – трубчастий чи скребковий. Пластинчасту конструкцію потрібно підтвердити для конкретного продукту.
6. Втрати тиску: узгодьте їх із насосами
Теплообмінник може відповідати тепловому завданню, але не забезпечити потрібного потоку з наявним насосом.
Наприклад, якщо на апарат можна виділити лише 0,5 бар, пропозиція з розрахунковими втратами 1,2 бар не відповідає цій умові. Ці значення наведені як приклад, а не як рекомендовані межі.
У розрахунку потрібно перевіряти окремо:
- втрати тиску на продуктовій стороні;
- втрати тиску на стороні нагрівального або охолоджувального середовища;
- опір трубопроводів, фільтрів, клапанів та іншого обладнання;
- потрібний тиск після теплообмінника;
- робочу точку насоса.
Робочий тиск і допустимі втрати тиску – різні параметри. Міцність апарата за заданого тиску не означає, що насос забезпечить потрібну витрату через нього.
Окремо оцінюють перепад тиску між двома середовищами. Для процесів із підвищеними гігієнічними вимогами необхідний режим визначають на рівні всієї системи.
7. Забруднення та CIP потрібно врахувати до замовлення
Результат на чистому теплообміннику після запуску не показує, як він працюватиме наприкінці виробничого циклу.
У технічному завданні слід зазначити:
- потрібну тривалість безперервної роботи між миттями;
- характер очікуваних відкладень;
- допустиму зміну температур і втрат тиску;
- доступні витрату, температуру й хімічні режими CIP;
- спосіб перевірки результативності миття.
Запас поверхні має бути обґрунтованим. Просте додавання пластин може збільшити кількість паралельних каналів і зменшити швидкість потоку. Тому після зміни пакета потрібно повторно перевірити теплопередачу, гідравліку та режим миття.
Для пластин і ущільнень оцінюють сумісність одночасно з продуктом, теплоносієм і мийними засобами. Харчовий допуск матеріалу не замінює перевірку його хімічної та температурної стійкості.
Що потрібно отримати від постачальника
Разом із пропозицією на пластинчастий теплообмінник варто запросити розрахунковий лист із такими даними:
| Показник | Що має бути підтверджено |
|---|---|
| Розрахункові режими | Мінімальна, номінальна та максимальна продуктивність, погоджені температурні умови |
| Тепловий баланс | Навантаження, витрати та температури обох середовищ |
| Властивості продукту | Густина, теплоємність, в’язкість та інші прийняті параметри |
| Гідравліка | Втрати тиску окремо для кожної сторони |
| Конфігурація | Модель, тип пластин, площа, кількість ходів і схема підключення |
| Матеріали | Марки матеріалів пластин, ущільнень і продуктових з’єднань |
| Умови експлуатації | Робочі та розрахункові тиски й температури, вимоги до CIP |
| Обслуговування | Простір для розбирання, доступ до пакета, порядок огляду й заміни ущільнень |
| Розширення | Чи можна збільшити продуктивність і за яких умов потрібен повторний розрахунок |
Для підбору теплообмінників APV та API Schmidt важливий розрахунок конкретної конфігурації. Назва серії або максимальна продуктивність із каталогу не підтверджують роботу на вашому продукті.
Які дані надіслати для початкового розрахунку
Щоб почати підбір, достатньо підготувати короткий опис:
- Що потрібно нагрівати або охолоджувати.
- Мінімальну, номінальну й максимальну продуктивність.
- Температуру продукту на вході та потрібну на виході.
- Склад, в’язкість і наявність частинок.
- Доступне середовище, його температуру та витрату.
- Допустимі втрати тиску.
- Тривалість виробничого циклу й параметри CIP.
Якщо потрібно замінити наявний теплообмінник, додайте фото шильдика, розрахунковий лист, схему підключення та фактичні вимірювання температур, витрат і тисків.
Viravix Engineering допомагає розрахувати й підібрати пластинчастий теплообмінник для харчового виробництва, перевірити доступні ресурси та інтегрувати обладнання в технологічну лінію. Надішліть вихідні дані – ми підготуємо рішення з урахуванням продукту, режимів роботи, миття та обслуговування.
Надіслати заявку на розрахунок