CC BY
49
УДК. 621
С. Ю. АНДРЕЕВ, канд. техн. наук, генеральный директор И. П. ФЕДОРОВ, главный метролог КП «Харьковские тепловые сети», г. Харьков С. В. МЕЛЬНИЧЕНКО, зам. гл. инженера
Октябрьский филиала КП «Харьковские тепловые сети», г. Харьков
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В ПЕРИОД ЭКСПЛУАТАЦИИ
В статье описан алгоритм определения фактической величины термического сопротивления в период эксплуатации теплобменников для их своевременной промывки с целью снижения затрат на поддержание заданных температурных показателей.
У статті описано алгоритм визначення фактичної величини термічного опору в період експлуатації теплобменников для їх своєчасного промивання з метою зниження витрат на підтримку заданих температурних показників.
Введение
Для каждого из пространств теплообменного аппарата, существуют свои определенные особенности расчета гидравлического сопротивления, обусловленные спецификой конструкции и условиями взаимодействия потока и канала, что напрямую связано с интенсивностью теплопередачи. Интенсивность теплопередачи (тепловой поток) пропорциональна разности температур греющего и нагреваемого веществ. Кроме того, она зависит от термического сопротивления пленок рабочих тел, находящихся в контакте с поверхностью теплообмена, и термического сопротивления стенки. Вследствие образования твердых отложений на поверхностях теплообменника (накипи) термическое сопротивление возрастает.
Определение фактической величины термического сопротивления особенно необходимо в период эксплуатации теплообменников для их своевременной промывки. Так как именно несвоевременная промывка теплопередающих поверхностей теплообменника приводит к необоснованному увеличению затрат на поддержание заданных температурных показателей.
Для определения термического сопротивления в качестве исходных данных необходимо иметь фактические температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменника и расход хотя бы одного из теплоносителей. Получив необходимые данные при испытании теплообменника можно приступать к расчетам по нижеприведенному алгоритму:
Алгоритм определения термического сопротивления на поверхностях пластин (трубок) в теплообменном аппарате (ТА)
1. Определяем теплофизические свойства теплоносителей при средних температурах:
р - плотность,
гл .. гЛж
Ср - удельная теплоемкость, \
X - коэффициент теплопроводности,
V - кинематическая вязкость, —;
Рг - критерий Прандтля;
2. Определяем количество тепла в единицу времени, передаваемое в ТА и расход греющего теплоносителя:
дй =£л^Л ,кВт;
61
& ' 3|й
т С„т -£т ■ (Г1 — 73)’
К"
Св, С. - объёмные расходы нагреваемой воды и греющего теплоносителя, —.
Далее определяем скорости воды и теплоносителя в каналах для пластинчатых ТА или скорость воды в трубках и скорость теплоносителя в межтрубном пространстве для кожухотрубных ТА:
Гк 36Ф*Э -^-т* 1'ПЭ
и"
О - расход теплоносителя или воды, —;
/ч — площадь сечения одного канала, м2; т - число каналов в пакете;
— скорость движения рабочей среды в каналах,
Ий.« =
ТЕ 3-600
2
- площадь живого сечения трубок, м ;
=
и
■ - скоро-сть теплоносителя н меаорубном пространстве —і
площадь межтрубного пространства, м ;
3. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке пластины (трубки):
Для пластинчатых ТА:
га, =
— К НТ ТЯТТ Л £>£>тд я г*™, —
4 ..........................■ всг
Мщ = с ■ Дат№ ■ Рг^ ■ (“Ц - критерий Нуссель-та;
[1]
коэф-ты сип зависят от типоразмера пластины и выбираются по таблице [1] ВД» ■ &
Де1- =—------ — критерий Рейколцдсэ;
гя
с16 — &к Бивалентный диаметр канал а,определяется конструктивно, и;
Для кожухотрубных ТА:
- 4-163 ■ (1400 + 1Є ■ - 0,035 ■ 1^) ■■
о, = дВ | у ^ — ?квквад19НТНЬ1^ ^И0тр иежтрубнюго пространствами!
Ве — внутренний диаметр во,до-по#огревэтел я,и;
— иа^уайлый диаиетр трубі>п-иі
2 - число трубок в водоподогревателе;
Тд, — средняя температура теплоносителя в иежтру&нои пространстве, “С;
И
4. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от стенки пластины (трубки) к воде: Для пластинчатых ТА:
' А*
Ъ 1
Для кожухотрубных ТА:
лЕ = ІД63 ■ (1400 - 12 ■ ідр - ■ (У ■ -^-1
оґв — внутренний диаметр трубок, м: ^ — средняя температура воды в тртоках,сС;
5. Средний температурный напор:
4** -
дь~ =
ер
іп
іі\.
еС:
[2-]
6. Зная поверхность теплообмена и средний температурный напор, определяем коэффициент теплопередачи:
д ■ к?3
к —
я ■ а*-'
1-Й
[1]
В г
гиа ■ “Я*
Б - поверхность- ТА, И";
7. Из коэффициента теплопередачи выражаем термическое сопротивление отложений на стенках пластин (трубок):
м-“С
Вт 1
Дл— термическое сопротивление отложений, ■
— толшинн пластины (трубки), мі Яст— коэффициент теплопроводности материала стенок
Кт
и ■ “С*
Теперь, зная термическое сопротивление отложений на стенках пластин (трубок) можно приступать к поверочному расчету. Целью расчета является определение расхода теплоносителя, необходимого для нагрева горячей воды и температуры теплоносителя на выходе из ТА.
Алгоритм поверочного теплового расчета
В качестве исходных данных мы имеем термическое сопротивление загрязнений,
температуру греющего теплоносителя на входе в ТА, расход и температуры нагреваемого теплоносителя на входе и выходе из ТА.
1. Решение можно найти только методом последовательных приближений. Изначально задаемся температурой теплоносителя на выходе из ТА. Производим вычисления, описанные в пунктах (1) - (5) предыдущего расчета.
2. Определяем коэффициент теплопередачи:
3. Определяем количество тепла, переданное в ТА от теплоносителя к воде:
£ ■ Р ■ £4%,
Фгп =
4. В случае если количество тепла, посчитанное по тепловому балансу (рассматривается в п. 2 предыдущего расчета) отличается более чем на 5 % от количества
тепла, посчитанного по уравнению теплопередачи задаемся новым значением
температуры теплоносителя на выходе из ТА и повторяем расчеты, описанные в пунктах (1) -(3).
2 ■ - *?тп)
п =
"!■ От сс
Когда решение найдено и нам известны расход греющего теплоносителя, необходимого для нагрева горячей воды и температура теплоносителя на выходе из ТА можем приступать к гидравлическому расчету.
5. Общее гидравлическое сопротивление секции пластин для среды:
.4
коэффициент общего-гидравлического сопротивления единицы
дясмн.
относительной длины канала;
Величина А определяется по таблице и зависит от типоразмера пластин [1]; Ьпр — приведенная длина канала, и;
Местное гидравлическое сопротивление штуцера:
IV
шт
е (Па):
е -коэффициент местного сопротивления;
Для кожухотрубных ТА:
Потери давления внутри трубок составят, при длине секции 4м
Щу = ■ щ
при длине секций 2м
где
— скорость- воды н труека*,-^
и
п - число секций;
Потери давления в межтрубном пространстве, ^4-1
где
- скорость но-ды н межтрубном пространстве:
п - число секций;
А - вспомогательная величина, принимается по табл. 14.16 [2]
По результатам поверочного расчета делаем выводы об эффективности работы теплообменника и необходимости очистки теплопередающих поверхностей. Ориентировочное расчетное значение термического сопротивления загрязнений при
нормальных условиях эксплуатации около 0,0002 с каждой стороны пластины для
водопроводной воды в качестве рабочей среды.
Программное обеспечение для расчета теплообменных аппаратов
Так как поверочный расчет включает в себя достаточно емкие и сложные расчеты, то для облегчения процесса обработки данных, полученных при испытаниях теплообменников, была написана программа «Расчет ТА».
На данном этапе имеется возможность ее применения для пластинчатых теплообменных аппаратов (ТА) РС - 0,5Р, Р - 0,3 и Н - 0,1, а также для водоводяных скоростных секционных водоподогревателей по ОСТ 34-588-68. В дальнейшем в нее будут добавлены критериальные уравнения для расчета и других типов ТА (например АИкЬауа1, ДАН).
В программе реализованы, как расчет одного отдельно взятого теплообменника, так и теплообменников подключенных по параллельной, смешанной и последовательной схеме. Для тех случаев, когда в обратном трубопроводе квартальной сети высокое давление и нет возможности весь теплоноситель пропускать через первую ступень в программе предусмотрен расчет, учитывающий допустимое падение давления на первой ступени ТА.
Программа состоит из двух частей. Первая часть сводится к определению термического сопротивления отложений (Кг), т. е. к испытанию теплообменных аппаратов. После определения Кг, во второй части программы можно рассчитать расход теплоносителя, необходимый для нагрева горячей воды и температуру теплоносителя на выходе из ТА (поверочный тепловой расчет).
Для определения термического сопротивления отложений в качестве исходных данных необходимо иметь фактические температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменника, расход горячей воды, тип теплообменника, количество пластин и число ходов теплоносителей. Когда внесены все исходные данные (если что-то не внесено, программа напомнит), следует нажать кнопку «Добавить».
Программа вычислит расход теплоносителя, отношение расходов, тепловую мощность ТА, средний температурный напор, коэффициент теплопередачи, эффективность и, наконец, термическое сопротивление отложений. Все данные заносятся в таблицу.
Если возникла необходимость удалить все данные расчетов, необходимо нажать кнопку «Очистить».
Программа не будет производить расчеты, если в качестве исходных данных будут заданы заведомо некорректные данные или данные, которые могут привести к нереальным результатам (например, температура горячей воды больше температуры теплоносителя на входе в ТА или если в результате вычислений получится отрицательное значение К;). И выдаст мигающее сообщение: «Убедитесь, что введенные данные корректны».
№12 Cll8) 2013 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУАИТ
N
UU
В конечном итоге вычисляются средние значения коэффициента теплопередачи, термодинамической эффективности и термического сопротивления отложений. Если среднее
значение термического сопротивления составляет от 0 до 0,0002 1^т1. то- ячейка с
результатом закрасится в зелёный цвет (теплообменник чистый), если от 0,0002 до 0,0004
' то в оранжевый (термическое сопротивление отложений в пределах нормы), если
больше 0,0004 - то в красный (следует обратить на это внимание, т.к. термическое
г,'-.»
сопротивление выше нормативного значения для водопроводной воды 0,0002 с одной и
другой стороны пластины).
Для проведения поверочного расчета исходные данные следующие:
1. Фактическая температура теплоносителя на входе в ТА;
2. Рассчитанное в первой части программы термическое сопротивление загрязнений;
3. Температура горячей воды;
4. Фактическая температура холодной воды;
5. Фактический расход холодной воды на нужды ГВС;
Неизвестными величинами остаются расход теплоносителя, необходимый для нагрева горячей воды и температура теплоносителя на выходе из ТА.
Задаваясь температурой на выходе из ТА, методом последовательных приближений программа рассчитает неизвестные величины, а также просчитает потери напора в теплообменнике. Если они составляют больше 5 м.в.ст., цвет шрифта меняется на красный.
Если необходимо произвести расчеты для теплообменников, подключенных по параллельной, смешанной пли последовательной схеме, необходимо нажать кнопку «Для
расчета режимных карт». После этого необходимо заполнить поля с исходными данными, описать теплообменник первой и второй ступени и выбрать схему включения ТА. Затем нажимаем кнопку «Рассчитать» и программа методом последовательных приближений с выбранным шагом рассчитает расходы и температуры теплоносителя и воды в ключевых точках, а также тепловую мощность, коэффициент теплопередачи, температурный напор, термодинамическую эффективность, соотношение расходов и потери давления по средам в каждой ступени.
Для того, чтобы учесть потери напора на 1-й ступени и через неё пропустить лишь часть теплоносителя, устанавливаем флажок «учитывать гидравлику» и указываем допустимое падение давления на ней в м.в.ст. Для того чтобы уменьшить шаг расчетов в 5 раз без изменения точности расчета следует установить флажок «точнее». Чтобы прервать выполнение расчетов необходимо установить флажок «прервать». Кнопки «Очистить», «Печать» и «Закрыть» говорят сами за себя.
Расчет двух ступеней производится также как и расчет одной ступени за тем лишь отличием, что число приближений заметно увеличивается, т. к. неизвестной является температура подогретой воды между ступенями.
Также увеличивается число итераций при учете потерь давления на ТА 1-й ступени, из-за корректировки расхода теплоносителя через нее.
После проведения расчетов можно сделать выводы об эффективности работы теплообменника(ов), о необходимости очистки теплопередающих поверхностей, достаточности поверхностей теплообмена, правильности компоновки ТА и др.
Список литературы
1. РТМ-26-01-36-70 «Теплообменники пластинчатые. Методы тепловых и гидромеханических расчетов» (руководящий технический материал) Москва - 1971;
2. «Справочник строителя. Монтаж внутренних санитарно-технических устройств» Москва, стройиздат 1984 г. под. ред. канд. техн. наук И. Г. Староверова. Издание третье, переработанное и дополненное
AUTOMATION OF HEAT EXCHANGER RESISTANCE COMPUTATION DURING OPERATION
S. Yu. ANDREEV, Candidate of Engineering, director general I. P. FEDOROV, main metrologist
S.V. MELNICHENKO, deputy of main engineer
This paper describes an algorithm for determining the actual value of the thermal resistance of heat exchangers during operation for their timely washing in order to reduce the costs of maintaining the specified temperature values.
1. RTM-26-01-36-70 «Teploobmennikiplastinchatye. Metody teplovykh igidravlichnykh raschetov» (rukovodyashchiy tekhnicheskiy material) Moskva - 1971.
2. «Spravochyik stroitelya. Montazh vnutrennikh sanitarno-tekhnicheskikh ustroystv», Moskva, stroyizdat 1984 g. pod. red. cand. techn. nauk I. G. Staroverova. Izdanie trete, per-erabotannoe s dopolnennoe.
Поступила в редакцию 10.10 2013 г.
