CC BY
9
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 697.328
DOI: 10.22227/1997-0935.2023.5.737-746
Влияние накипных отложений на температурный режим в каналах теплообменников пластинчатого типа
Юлия Васильевна Елистратова, Артём Сергеевич Семиненко, Валерий Анатольевич Уваров, Всеволод Афанасьевич Минко
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова);
г. Белгород, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. На современном этапе развития системы теплоснабжения наблюдается переход от кожухотрубных конструкций к пластинчатому исполнению теплообменных аппаратов (ТА). Их достоинства — компактность и эффективность. Основной эксплуатационной проблемой является загрязнение межпластинных каналов, из-за чего снижается тепловая эффективность и увеличиваются эксплуатационные затраты. Цель исследования — доказать влияния накипных отложений и индивидуальных гидравлических условий в каждом канале на температурный режим ТА пластинчатого типа. Поскольку этот вопрос в теории ТА недостаточно изучен и имеет значительные допущения, то диагностика засорения каналов некорректна.
Материалы и методы. Для установления гидродинамического режима ТА пластинчатого типа применяется теория характеристик сопротивления гидравлических систем. Температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из каждого канала теплообмена устанавливаются на основании закона сохранения масс. Данный метод позволил использовать результаты гидродинамического расчета по характеристикам сопротивления для расчета температурного режима пластинчатого ТА по длине пакета пластин, в том числе с учетом влияния накипных отложений. Достоверность предложенных методик определялась методом сравнения по критерию Пирсона и Стьюдента ^ п с результатами компьютерного моделирования. ® с
Результаты. Выявлена зависимость между конечными температурами теплоносителя на выходе из каналов от не- Щ н равномерного потокораспределения теплоносителя с учетом загрязненности каналов. Применение теории харак- ^ | теристик сопротивления для расчета теплогидродинамического режима пластинчатого ТА и предлагаемого расчета ^ Я теплового режима, в том числе с учетом фактора накипеобразования, даст возможность повысить точность диагно- д Ж стики загрязнения и снизить эксплуатационные потери. М С
Выводы. Проведенные исследования подтверждают влияние накипных отложений ТА и индивидуальных гидрав- Я Ч лических условий межпластинных каналов на температурный режим. Результаты исследования представляют науч- ^ I ный и практический интерес при изучении и разработке интенсифицированных поверхностей теплообмена с целью повышения энергетических показателей ТА, а также в области диагностики режимных параметров водогрейного оборудования в период его эксплуатации.
о 7
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гидравлические условия, численные исследования, накипеобразование, энергоэффектив- г 0
ность, пластинчатые теплообменные аппараты, тепловой режим а §
— со
Благодарности. Исследования проводились в рамках гранта Президента РФ для ведущей научной школы — „ № НШ-25.2022.4 с использованием оборудования Центра высоких технологий Белгородского государственного тех- о 7 нологического университета имени В.Г. Шухова. ° 3
сл " it —
С 41
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Елистратова Ю.В., Семиненко А.С., Уваров В.А., Минко В.А. Влияние накипных отложений на температурный режим в каналах теплообменников пластинчатого типа // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 5, С. 737-746. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.5.737-746 ° 3
ш 4
Автор, ответственный за переписку: Юлия Васильевна Елистратова, tgv.info@mail.ru. ° —
>оэ
i °
Influence of scale deposits on the temperature conditions с о in the channels of plate-type heat exchangers ° ) _ V ■
Yulia V. Elistratova, Artem S. Seminenko, Valeriy A. Uvarov, Vsevolod A. Minko
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTUnamed after V.G. Shukhov);
Belgorod, Russian Federation ® со
oo в
ABSTRACT 1 E
(Л Э
Introduction. At the present stage of development of the heat supply system, the transfer from shell-and-tube constructions u о
to the plate version of heat exchange apparatus is observed. Their main advantages are compactness and efficiency. Ф w
The main operational problem is the fouling of the inter-plate channels as a result of which the thermal efficiency decreases and , ,
operational costs increase. The aim of the work is to establish the dependence of fouling and individual hydraulic conditions 2 2 in each channel on the temperature regime of a plate-type heat exchanger. Since this issue in the theory of heat exchange
apparatuses is not well studied in and has significant assumptions, the diagnosis of fouling of channels is incorrect. W W Materials and methods. The theory of resistance characteristics of hydraulic systems is used to determine the hydrodynamic
© Ю.В. Елистратова, А.С. Семиненко, В.А. Уваров, В.А. Минко, 2023 Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
mode of plate-type heat exchange apparatus. The temperatures of heating and heated heat carriers at the outlet of each heat exchange channel are determined on the basis of the mass conservation law. This method made it possible to use the results of hydrodynamic calculation of resistance characteristics to calculate the temperature conditions of a plate heat exchange apparatus along the length of the plate pack, including the effect of scale deposits. The validity of the proposed methods was determined by comparing the Pearson's and Student's criteria with the results of computer modelling. Results. The dependence between final temperatures of the coolant at outlet of channels depending on the flow distribution of the coolant, taking into account channel impurity was found. The application of the theory of resistance characteristics to calculate the thermal-hydrodynamic mode of the plate heat exchanger and the proposed calculation of the thermal regime, including taking into account the factor of fouling, will improve the accuracy of pollution diagnosis and reduce operating losses.
Conclusions. The conducted research confirms the influence of fouling of heat-exchange apparatuses and individual hydraulic conditions of inter-plate channels on the temperature regime. Results of research represent scientific and practical interest at studying and development of the intensified surfaces of heat exchange with the purpose of increase of power indicators of heat-exchange apparatuses, and also in the field of diagnostics of mode parameters of water-heating equipment in the period of its operation.
KEYWORDS: hydraulic conditions, numerical studies, scaling, energy efficiency, plate heat exchange apparatuses, thermal regime
Acknowledgements. The research was carried out within the framework of the Grant of the President of the Russian Federation for the leading scientific school No. SC-25.2022.4 using the equipment of High Technology Centre of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov.
FOR CITATION: Elistratova Yu.V., Seminenko A.S., Uvarov V.A., Minko V.A. Influence of scale deposits on the temperature conditions in the channels of plate-type heat exchangers. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(5):737-746. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.5.737-746 (rus.).
Corresponding author: Yulia V. Elistratova, tgv.info@mail.ru.
собствуют образованию и накоплению различного рода загрязнений [11-13]. В результате чего тепло-гидродинамические характеристики аппаратов снижаются [11, 14-16], что приводит к экономическим потерям предприятия. В работах [6, 13, 17, 18] определено влияние загрязнения теплообменников на экономические потери технологических предприятий. Данная проблема также наблюдается и в высокоиндустриальных странах (Великобритания, США): оценка потерь составляет 0,25 % валового национального продукта (ВНП) [17], а для промышленных предприятий Новой Зеландии — около 0,15 % от ВНП [18].
Поэтому своевременная очистка, диагностика состояния и предупреждение загрязнения тепло-обменных каналов — актуальный вопрос, игнорирование которого приводит к экономическим потерям, которые возможно минимизировать, учитывая режимные параметры и условия функционирования гидравлической сети [19].
Контроль параметров работы теплообменных аппаратов как гидравлическим режимом — потери давления, так и тепловым режимом — начальные и конечные температуры теплоносителей, является важным условием в поддержании эффективности и безаварийной работы системы [10, 14, 19]. Важны применяемые методы и устройства сбора и анализа информации. Корректность результата диагностики зависит от используемого математического описания гидродинамических процессов. Данный вопрос в теории теплообменных аппаратов недостаточно изучен и имеет значительные допущения, что служит причиной некорректной диагностики загрязнения каналов [20, 21]. Кроме того, существующие теории режимов теплообменных аппаратов основаны
ВВЕДЕНИЕ
о о
N N О О N N
Энергетическая стратегия России на период
до 2030 года, утвержденная Распоряжением Пра-
1П и? вительства Российской Федерации от 13.11.2009
* ® № 1715-р, определяет основные перспективы и про-
$ граммы теплоэнергетического комплекса, направ-
3 ленные на развитие энергетики РФ. Одна из целей во со
. программы — организация надежного теплоснаб-
^ жения населения, а также обеспечение рациональ-
^ з ной и эффективной работы системы горячего водо-
i с
о
•у > снабжения [1, 2].
-у ^ Теплообменные аппараты (ТА) пластинчато-
= .3 го типа в рамках концепции теплоэнергетической
О ф сети третьего поколения являются неотъемлемым
§ о структурным элементом [3, 4], обеспечивающим
со ^ показатели эффективности тепловой сети: энерго-
о § сбережение, повышение качества предоставляе-
™ § мых услуг, надежность и требуемые параметры
от о теплоносителя [5-7].
— Широкий модельный ряд, модернизирован-
с
.Е о ная геометрия пластин, высокая технологичность
6Ъ с конструктивных параметров и коэффициент тепло-
^ ° л,
со передачи, относительно малые размеры формируют высокоэнергетические показатели работы теплооб-
§ ° менного оборудования пластинчатого типа [8-10].
Таким образом, следует полагать, что эксплуатация
от § пластинчатых теплообменников в сфере теплоснаб-
Т ^ жения — залог снижения энергоемкости и роста
о Э эффективности функционирования распределитель-У (А
^ ц ных пунктов тепла.
Качество исходной воды (содержание накипео-бразующих солей) во многих городах России [9, 10]
5 -Я и конструктивные особенности пластинчатых теплообменных аппаратов (относительно малые проходные сечения межпластинных каналов) спо-
на применении постоянных безразмерных параметров без учета режимов работы [22], т.е. без учета отклонения расчетного режима работы аппарата по отношению к фактическому.
Известны условия формирования накипи в пластинчатых теплообменниках, обобщающие имеющиеся подходы описания процесса солеотложения [23]. Достоинство данной теории заключается в учете времени эксплуатации оборудования, специфики геометрии теплообменных пластин и скорости движения теплоносителей. Недостаток — условие постоянного и равномерного потокораспределения и температурного режима теплоносителя между каналами.
В исследовании [24] исключается допущение о равномерности потокораспределения и предлагается использовать теорию характеристик сопротивления гидравлических систем для определения потокораспределения теплоносителя по каналам ТА пластинчатого типа. Методика позволяет учитывать взаимное расположение каналов и установить зависимость распределения потоков жидкости между каналами в аппарате, учитывая их взаимное расположение.
Так как одним из ключевых факторов образования солеотложения на поверхности пластин (внутри каналов) является температура рабочей среды, то и интенсивность процесса накипеобразования в каждом канале будет зависеть от температурного режима в нем.
Цель исследования — доказать влияние наличия накипных отложений и индивидуальных гидравлических условий в каждом канале на температурный режим ТА пластинчатого типа.
Задачи:
• предложить аналитическое решение задачи теплового режима в каналах теплообменника с учетом неравномерности расходов и наличия накипных отложений;
• изучить влияние степени загрязнения каналов теплообмена на температурный режим в каналах по длине пакета пластин;
• провести численные исследования температурного режима пластинчатого ТА.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве рассматриваемого устройства принимаем ТА, который состоит из 12 пластин площадью 0,15 м2 каждая, с начальными температурами 95 и 5 °С при одностороннем подключении и прямоточной схеме движения теплоносителя. Общий расход греющего теплоносителя Gг = 5 кг/с, нагреваемого Gх = 3 кг/с. Нумерация каналов производится от неподвижной плиты. Допущения: тепловые потери в окружающую среду и фазовые переходы отсутствуют.
Отложение накипи на теплообменных пластинах приводит к уменьшению поперечного сечения канала /: уменьшение межпластинного зазора равно
толщине дополнительного слоя (в дальнейших расчетах принято допущение о равномерном образовании накипи по длине пластин):
/ = «( - 5Н),
(1)
где а — ширина рабочей пластины, м; Ь — рабочая ширина канала (расстояние между пластинами), м; 5 — толщина накипи, м.
Гидравлическая характеристика канала зависит от величины слоя накипи. Ее изменение определяется по полученной ранее зависимости характеристики сопротивления канала с учетом образования накипи на поверхности пластины для пластинчатого ТА, Па/(кг/ч)2, [24]:
Я, =5,
РК
2.(р^.а(Ь-8и1)
(2)
где — условный коэффициент гидравлического сопротивления межпластинного канала [23]; р — плотность теплоносителя, кг/м3; V — скорость теплоносителя в канале, м/с; нижний индекс «к» указывает маркировку отдельного канала.
Принято уравнение для расчета теплового баланса отдельно взятого канала в виде:
ш • дг„ = к • к • д?„„ + к
• Д^
(3)
где W — водяной эквивалент, нижний индекс соответствует номеру пластины п и принимает значения от 1 до (N-1), где N — число пластин в ТА; ДК — разность температур канала на входе и выходе из канала; К — коэффициент теплопередачи; F — площадь поверхности пластины; Д/П — разность температур между теплоносителями, разделенными соответствующим номером пластины.
Конечные температуры греющего и нагреваемого ^ теплоносителей определяем с учетом закона сохранения масс:
С =
с:
1К
с
(4)
(5)
где и — суммарные расходы теплоносителей по каналам, кг/ч; и ^ — температуры на выходе из /-го греющего и /-го нагреваемого каналов соответственно, °С; ОГ и ОX — общие массовые расходы теплоносителей, кг/ч; Wг и Wх — водяные эквиваленты сред, Дж/с°С.
Для расчета принимаем толщины накипи 5н, соответствующие определенным периодам эксплуатации [23]: 0,15 мм (14 дней эксплуатации); 0,31 мм (31 день эксплуатации); 0,53 мм (62 дня эксплуатации); 0,9 (180 дней эксплуатации).
е е
(0 о
¡Я с
О Г
М С
О сЛ
п СО
У 1
о со
и -
-
О
о
о
СО СО
о
п ю
2 ; Г ; о о
о П
ф ) [[ ® «
л '
ю п ■ г
(Я □ (Я У С о Ф Ж „01 „01
О О 10 10 Ы Ы
fO et N (У
о о
сч су
1Л 1Л К Ф О 3 > (Л С И
л "! Ш со
. т-
ül 1I
"с? CD
o
œ œ
E о CL °
^ С
m о
8 <S cd SE
en ^
Z £
w £ W о
u 3
" «e
M i :
íi
U tfl ф ф
to >
Для решения поставленной задачи использован вычислительный комплекс Maple, листинг программы приведен на рис. 1.
restart;
к := 6954: F = 0.15 : pi = 12 : кап := pi - 1: 4197
Wl := ^--s-.tl ■■= 95: кап 4197
W2 — —--3: t2 ■= 5: ^характеристика среды в четных каналах
кап
#характеристика среды в нечетных каналах
if tl >t2 then #задание разности температур в канале
for i from 1 to [kan ] do
ifftac^yj =0thenM[í] := a[i]-t2:W[i] ■■= W2
elseM[i] := tl-ali]: W[i] ~ 07fi;od;
else
for i from 1 to [kan] do
iffrac(j) =0 then M[i] ~ a[¡] - tl: W[i] ~ Wl
else M[i] := t2-a[i]: W[i} := W2 fi; od; fi;
if tl > t2 then #прямоток: температурный напор через пластину
for i from 2 to [pi — 1) do
(ll-t2) -(a[i-l]-a[i]> tl -12 \
if frac I у I =0 then/if/3[j] ~ ■
In
, a[i - 1] -a[/] ,
, „П (tl-ti) ~(a[i]-a[i-l]) _ .. else4íp[i] := —;
4 a[i]-a[i-l] J
else
fori from 2 to (pi — 1) do
iffracijUthe,^
'"( a[i| —a[i- 1 ] ) elseMi] ;= ■]-«[.']) fi;od;fi.
I ( 12-11 )
Рис. 1. Листинг программы расчета температурного режима в каналах пластинчатого теплообменного аппарата в вычислительном комплексе Maple
Fig. 1. Listing of the program for calculating the temperature conditions in the channels of a plate heat exchange apparatus in the universal mathematical environment Maple
Расчет теплового режима с учетом общепринятых допущений о равенстве тепловых и гидравлических условий между каналами по длине пакета пластин осуществляется по методике В.В. Нащокина [25].
89,21
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 2, 3 представлены результаты расчета конечных температур греющего ¿г" и нагреваемого теплоносителей по длине пакета пластин при различной толщине отложений. Для сравнения приведены значения конечных температур, определенных в равномерном потокораспределении между каналами (значения конечных температур рабочей жидкости принимают равные значения между всеми каналами в рамках греющего или нагреваемого контура соответственно) при отсутствии отложений.
Расчет при условии толщины накипи 0 мм учитывает неравномерность потокораспределения из-за геометрического расположения каналов [25]. Экстремум температур греющего теплоносителя крайних каналов объясняется адиабатностью с окружающей средой, т.е. их теплообменная поверхность снижена относительно промежуточных каналов. Различие температур остальных каналов объясняется неравномерностью потокораспреде-ления вследствие гидродинамических процессов. Следует отметить, что при увеличении разброса отношений расходов первого и последнего каналов (при увеличении количества теплообменных пластин) увеличится и разброс в значениях конечных температур.
С увеличением толщины накипных отложений наблюдается снижение температуры от первого канала к последнему (наиболее удаленного от входа теплоносителя в распределительный коллектор) по холодному контуру циркуляции теплоносителя. Отклонение температуры на выходе из 5-го канала по отношению к среднему значению t '' в 1-4 каналах составляет от 2,0 до 1,6 °С в соответствии с толщиной накипи от 0,15 до 0,53 мм.
Поэтапное уравнивание температур в каналах объясняется односторонним подключением аппарата и существенным снижением расхода теплоноси-
89,81
0 мм
87,04 85 84,08
80 78,2 75 70 65 60 55
83,80
83,76
83,74
83,68
79,87 74,84
70,71
66,81
79,80 74,69
70,71
66,40
79,77 74,65
70,71
66,40
79,66 74,47
70,71
66,82
87,80 85,01
78,43
70,71
0,15 мм
0,31 мм
70,71
0,53 мм
Известные данные
Known data
1 2 3 4 5 6
Номер канала / Channel number
Рис. 2. Значение конечных температур греющего теплоносителя
Fig. 2. The temperature value of the heating coolant at the outlet of the heat exchange channels
tr , ос
55,00 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00
47,12
45,8 45,8 45,8
47,16
1
2
3
24,44 19,17
45 Номер канала / Channel number
I I 0 мм 1= 0,15 мм I-1 0,31 мм
I-1 0,53 мм
Известные —О— данные
Known data
Рис. 3. Значение конечных температур нагреваемого теплоносителя Fig. 3. The temperature value of the heated coolant at the outlet of the channels
t ", °С
x 5
теля для наиболее удаленных каналов по греющему и нагреваемому контурам при снижении проходного сечения каналов из-за образования накипи. При этом максимальное расхождение температур теплоносителя по греющему контуру составляет 12 °С в условиях «чистой» поверхности и 6,1 °С при наличии накипных отложений толщиной 0,53 мм, что определяется снижением теплового потока через теплообменную стенку из-за снижения общего коэффициента теплопередачи с учетом слоя накипи.
Таким образом, установлена зависимость между конечными температурами теплоносителя на выходе из каналов в зависимости от потокораспре-деления теплоносителя с учетом загрязненности каналов, которая подтверждается численным исследованием теплового режима в каналах теплообмен-
ника с учетом неравномерного распределения потоков по длине пакета пластин (рис. 4). Компьютерное моделирование проводилось в среде SolidWorks. Для описания турбулентного течения принята стандартная математическая к-е модель
Результаты аналитического и численного исследования доказывают влияние наличия накипных отложений и индивидуальных гидравлических условий в каждом канале на температурный режим ТА пластинчатого типа.
С целью анализа функциональной зависимости между полученными значениями конечных температур используем коэффициент корреляции Пирсона, как характеристику степени сходимости результатов расчета по предложенным аналитическим зависимостям и численному методу расчета.
< 09
(D (D
t О
ITH
m _
G Г
0 CO n CO
1 № У 1
J to
u s
I
n о ®g
o № n
80,01
51,43 I
Температура (текучая среда), °С / Temperature (fluid), °С Температура у выходного патрубка (заливка — горячая вода) Temperature at the outlet pipe (filling — hot water)
Температура (текучая среда), °С / Temperature (fluid), °С Температура у выходного патрубка (заливка — холодная вода) Temperature at the outlet pipe (filling — cold water) b
Рис. 4. Визуализация полей температур жидкости на выходе из каналов: 1 — входной патрубок греющего теплоносителя; 2 — выходной патрубок нагреваемого теплоносителя; а — по греющему контуру: 3 — первый канал теплообмена по греющей стороне; 4 — последний канал теплообмена по греющей стороне; b — по нагреваемому контуру: 3 — первый канал теплообмена по нагреваемой стороне; 4 — последний канал теплообмена по нагреваемой стороне
Fig. 4. Visualization of the temperature fields of the liquid at the outlet of the channels: 1 — the inlet pipe of the heating coolant; 2 — the outlet pipe of the heated coolant; a — along the heating circuit: 3 — the first heat exchange channel on the heating side; 4 — the last heat exchange channel on the heating side; b — along the heated circuit: 3 — the first channel heat exchange on the heated side; 4 — the last heat exchange channel on the heated side
CO CO
n
a о № s r 6 l§
№ )
¡1
® CO
00 n
1 T s 3
w <
с о ¡¡
J,,
О О № № Ы Ы
1
2
a
Корреляция r = 0,96725 / Correlation r = 0,96725
Корреляция r = 0,98486 / Correlation r = 0,98486
0,999
0,998
0,997
0,996
0,995
id
ol 0,994
0,993
0,992
0,991
0,990
О
Л
/
0,988 0,989 0,990 0,991 0,992 0,993 0,994 0,995 0,996 0,997 0,998
0.95 Дов Инт.
t1 "/t" аналитический метод / analytical method
a
1,28
1,26
1,24
1,22
or
1,20
id
ol 1,18
^t 1,16
1,14
1,12
1,10
1,08
1,10 1,12 1,14 1,16 1,18 1,20 1,22 1,24 1,26 1,28
tj"/tm" аналитический метод / analytical method b
fO ft
N (V
О О
N СЧ
1Л 1Л К ф О 3
> (Л
с и
л "! Ш со
■ т-
i;f fi 1
"с? О)
о g
о о CO CD
I
■t о
CO CN
w «
to E
^ w
E о
cC °
с
Ю О
8 й
cd EE
cn ^
Z £
w £
to °
L. W
О tfl ф ф
to >
Рис. 5. Рассеяние температур греющего теплоносителя между крайними каналами: а — для отношения конечных температур теплоносителя из первого канала к температуре из последнего канала по греющей стороне t"/t"; b — для отношения конечной температуры из первого канала к температуре из канала по греющей стороне без учета накипи и неравномерного потокораспределения t"/tj'
Fig. 5. Diagrams of the scattering function of the temperature ratios of the heating coolant between the extreme channels obtained by numerical and analytical calculation methods: a — for the ratio of the temperature of the coolant at the outlet of the first channel to the temperature at the outlet of the last channel on the heating side tj ''/t." ; b — for the ratio of the temperature of the coolant at the outlet of the first channel to the temperature at the outlet of the channel on the heating side according
to the known data t, ''/t '
1 m
Для обезразмеривания переменных примем следующие отношения:
• конечные температуры из первого канала к конечной температуре из последнего канала по греющей стороне ^''/?.";
• конечные температуры из первого канала к конечной температуре по греющей стороне без учета накипи и неравномерного потокораспределения ^ "/¿т";
• конечные температуры из последнего канала к конечной температуре по греющей стороне без учета накипи и неравномерного потокораспределения ^
Условия формирования накипи 5 = 0; 0,15; 0,31 и 0,51 мм.
Построение квадратной корреляционной матрицы и графика рассеяния выбранных переменных производилось в программном комплексе Statistica.
На рис. 5, 6 представлены диаграммы рассеяния и полученные коэффициенты корреляции Пирсона для выбранных отношений температур теплоносителя.
Следует отметить, что во всех случаях положительны и приближаются к единице: минимальное значение г достигает значения 0,96725 при сравнении величин ^''/?", полученных численным и аналитическим методами расчета, а максимальное составляет г = 0,99928 при сравнении величин
Корреляция r = 0,99928 / Correlation r = 0,99928
1,10 1,12 1,14 1,16 1,18 1,20 1,22 1,24 1,26 1,28 t1"/tm" аналитический метод / analytical method 10,95 Дов.инт. |
Рис. 6. Рассеяние конечных температур из последнего канала к температуре из канала по греющей стороне без учета накипи и неравномерного потокораспределения t^'/tj'
Fig. 6. Diagram of the scattering function for the ratio of the temperature of the coolant at the outlet of the last channel to the temperature at the outlet of the channel on the heating side according to the known data ^ "/tj'
/1''//т''. Полученные коэффициенты корреляции Пирсона для значений рассматриваемых отношений температур греющего теплоносителя на выходе из каналов, рассчитанных аналитическим методом с учетом расположения каналов и численным методом, подтверждают:
1) прямую корреляцию с отсутствием точек выброса между анализируемыми значениями;
2) функциональная связь между значениями сравниваемых параметров, полученных методом характеристик сопротивления и численным методом расчета, близким к линейному;
3) сходимость функций изменения значений сравниваемой температуры греющего теплоносителя на выходе из каналов по методу характеристик и по численному методу расчета в зависимости от толщины накипи предполагает достоверность результатов расчета рассматриваемыми способами.
Значения и в каналах, полученные аналитическим и численным методами расчета, также оценивались по критерию Стьюдента. Расхождения между сравниваемыми величинами оказались статистически незначимы, что подтверждает удовлетворительную степень сходимости результатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные исследования подтверждают влияние накипных отложений и индивидуальных гидравлических условий каналов на температурный режим ТА пластинчатого типа. Выполненные аналитические и численные исследования подтверждают снижение тепловой эффективности теплообменных аппаратов из-за падения конечных температур теплоносителя при нарушении потокораспределения вследствие загрязнения теплообменных каналов. Применение теории характеристик сопротивления для расчета теплогидродинамического режима пластинчатого ТА и предлагаемого расчета теплового режима, в том числе с учетом фактора накипеобразования, позволит повысить точность диагностики загрязнения и снизить эксплуатационные потери. Валидация предложенной методики расчета пластинчатого теплообменника обеспечивается удовлетворительной степенью сходимости полученных результатов различными методами расчета. Результаты исследования представляют научный и практический интерес при изучении и разработке интенсифицированных поверхностей теплообмена с целью повышения энергетических показателей теплообменных аппаратов, а также в области диагностики режимных параметров водогрейного оборудования в период его эксплуатации.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Рыбкина Г.В., Яблокова А.А. Современное состояние теплоснабжения и его развитие // Промышленные процессы и технологии. 2022. Т. 2. № 2. С. 89-99. DOI: 10.37816/2713-0789-2022-2-2(4)-89-99
2. Буланин В.А. Алгоритм анализа энергоэффективности источника теплоснабжения // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. 2019. № 9. С. 54-62. DOI: 10.34031/article_5da452a45dbf30.07663447
3. Соловьев В.И. Цифровая трансформация систем теплоснабжения муниципального образования // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2019. № 2 (14). С. 52-61. DOI: 10.25729/2413-0133-2019-2-05
4. Mol C. GeoWatt research of fourth-generation thermal grids // EnergyVille. 2018. URL: https://www. energyville.be/en/research/geowatt-research-fourth-generation-thermal-grids
5. Lund H., 0stergaard P.A., Chang M., Werner S., Svendsen S., Sorknas P. et al. The status of 4th generation district heating: Research and results // Energy. 2018. Vol. 164. Pp. 147-159. DOI: 10.1016/j. energy.2018.08.206
6. Sundar S., Rajagopal M.C., Zhao H., Kuntumalla G., Meng Y., Chang H.C. et al. Fouling modeling and prediction approach for heat exchangers using deep learning // International Journal of Heat
and Mass Transfer. 2020. Vol. 159. P. 120112. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120112
7. Khavin G. Simulation and design of welded plate heat exchangers with channels of different corrugation height // Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2019. Pp. 453-462. DOI: 10.1007/978-3-319-93587-4_47
8. Shah R.K. Heat exchangers. Encyclopedia of energy technology and the environment. New York : Wiley, 1994. Pp. 1651-1670.
9. Рыдалина Н.В., Аксенов Б.Г., Степанов О.А., Антонова Е.О. Применение пористых материалов в теплообменных аппаратах системы теплоснабжения // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 3. С. 3-13. DOI: 10.30724/1998-9903-2020-22-3-3-13
10. Елистратова Ю.В., Семиненко А.С., Мин-ко В.А. Актуальность моделей загрязнения для диагностики состояния пластинчатых теплообменников // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. № 10. С. 33-40. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-10-33-40
11. Xu Z., Han Z., Wang J., Li Y. Numerical simulation of CaSO4 crystallization fouling in a rectangular channel with vortex generators // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 101. Pp. 42-50. DOI: 10.1016/j.icheatmasstrans-fer.2018.12.014
12. Томилин А.К., Беспалов В.И., Беспалов В.В. Технология магнитной обработки воды против со-леотложения: теория и практика // Известия Том-
e е
<D (D t О
i G Г
S С
0 CO n CO
1 i У 1
J to
u-
^ I
n о
i 3 о
=! ( n
q
CO CO
о
n i
Г 6
О О
С о
ф ) [[
® 8
л '
. DO
■ т
s У с о <D Ж 01 01
2 2 О О 10 10 U W
о о
N N О О N РЧ
líf 10 ¡É (V U 3
> (Л
с и
НО 09 . г
во щ
¡I
ф ф
О ё
о
о о СО <г
Si §
(Л "
41 ü
ся с
£= О
CL ° ^ с ю о
со ¡I о Е
СП ^ т- ^
<л
(Л
Z «я
El
CD CD CO >
ского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. № 1. С. 54-63. DOI: 10.18799/24131830/2021/1/2999
13. Berce J., Zupancic M., Moze M., Golobic I. A review of crystallization fouling in heat exchangers // Processes. 2021. Vol. 9. Issue 8. P. 1356. DOI: 10.3390/pr9081356
14. Mukhametzyanov Z.R., Kulakov P.A., Rubt-sov A. V. Methods for monitoring the technical condition of plate heat exchangers // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1582. Issue 1. P. 012054. DOI: 10.1088/1742-6596/1582/1/012054
15. Татаринцев В.А. Особенности накипеобра-зования в трубах теплообменных аппаратов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2022. Т. 22. № 1. C. 97-105. DOI: 10.14529/power220111
16. Kumar A., Yadav S., Mondloe D., Barewar V., Kumar Y., Pandit V. CFD analysis of Gypsum crystallization fouling in 2D plate heat exchangers // International Journal of Advanced Technology and Engineering Exploration. 2022. Vol. 9. Issue 86. DOI: 10.19101/IJATEE.2021.874616
17. Kananeh A.B., Peschel J. Fouling in Plate Heat Exchangers: Some Practical Experience // Heat Exchangers — Basics Design Applications. 2012. DOI: 10.5772/34026
18. Müller-Steinhagen H., Malayeri M.R., Watkin-son P. Fouling of heat exchangers-new approaches to solve an old problem // Heat Transfer Engineering. 2005. Vol. 26. Issue 1. Pp. 1-4. DOI: 10.1080/01457630590889906
19. Faes W., Lecompte S., Ahmed Z., Bael J., Salen-bien R., Verbeken K. et al. Corrosion and corrosion pre-
Поступила в редакцию 31 января 2023 г. Принята в доработанном виде 20 марта 2023 г. Одобрена для публикации 19 апреля 2023 г.
Об авторах: Юлия Васильевна Елистратова — кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции; Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова); 308012, г. Белгород, ул. Костюкова д. 46; РИНЦ ID: 853532, Scopus: 57201772844, ORCID: 0000-0003-1989-0632; tgv.info@mail.ru;
Артём Сергеевич Семиненко — кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции; Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова); 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46; РИНЦ ID: 637658, Scopus: 57193724941, ResearcherID: L-7237-2015, ORCID: 0000-0002-0581-4391; seminenko.as@gmail.com;
Валерий Анатольевич Уваров — доктор технических наук, профессор, доцент кафедры теплогазоснаб-жения и вентиляции; Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова); 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46; РИНЦ ID: 456690, Scopus: 7006666298, ORCID: 0000-0003-3614-8536; tgv@bstu.ru;
Всеволод Афанасьевич Минко — доктор технических наук, профессор, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции; Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова); 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46; РИНЦ ID: 124780; tgv@bstu.ru. Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
vention in heat exchangers // Corrosion Reviews.
2019. Vol. 37. Issue 2. Pp. 131-155. DOI: 10.1515/ corrrev-2018-0054
20. Юркина М.Ю. Совершенствование тепло-обменных аппаратов водяных систем теплоснабжения повышением энергетической эффективности: дис. ... канд. техн. наук. М., 2009. 180 с.
21. Кулаков П.А., Рубцов А.В., Афанасенко
B.Г., Зубкова О.Е., Иванова К.К., Шарипова Р.Р. Выбор определяющих параметров технического состояния, оказывающих влияние на остаточный срок службы теплообменного оборудования // Известия ТПУ. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 1.
C. 97-105. DOI: 10.18799/24131830/2020/1/2451
22. Рафальская Т.А., Рудяк В.Я. Влияние расходов теплоносителей на параметр теплообменника при переменных режимах его работы // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 5. С. 621-633. DOI: 10.22227/1997- 0935.2019.5.621-633
23. Чернышев Д.В. Прогнозирование накипе-образования в пластинчатых водонагревателях для повышения надежности их работы : дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2002. 182 с.
24. Елистратова Ю.В., Семиненко А.С., Минко В.А., Рамазанов Р.С. Особенности распределения потоков жидкости в пластинчатых теплообменниках // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова.
2020. № 12. С. 47-55. DOI: 10.34031/2071-73182020-5-12-47-55
25. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача : учебное пособие. М. : Высшая школа, 1969. 560 с.
1. Rybkina G.V., Yablokova A.A. The current state of heat supply and its development. Industrial
Processes and Technologies. 2022; 2(2):89-99. DOI: 10.37816/2713-0789-2022-2-2(4)-89-99 (rus.).
2. Bulanin V. The algorithm of analysis of energy efficiency of heat supply source. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019; 9:54-62. DOI: 10.34031/article_5da452a45dbf30.07663447 (rus.).
3. Solov'ev V.I. Digital transformation of heat supply systems of a municipality. Information and Mathematical Technologies in Science and Management. 2019; 2(14):52-61. DOI: 10.25729/2413-01332019-2-05 (rus.).
4. Mol C. GeoWatt research of fourth-generation thermal grids. EnergyVille. 2018. URL: https://www. energyville.be/en/research/geowatt-research-fourth-generation-thermal-grids
5. Lund H., 0stergaard P.A., Chang M., Werner S., Svendsen S., Sorknss P. et al. The status of 4th generation district heating: Research and results. Energy. 2018; 164:147-159. DOI: 10.1016/j.en-ergy.2018.08.206
6. Sundar S., Rajagopal M.C., Zhao H., Kuntu-malla G., Meng Y., Chang H.C. et al. Fouling modeling and prediction approach for heat exchangers using deep learning. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020; 159:120112. DOI: 10.1016/j.ijheatmas-stransfer.2020.120112
7. Khavin G. Simulation and design of welded plate heat exchangers with channels of different corrugation height. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2019; 453-462. DOI: 10.1007/978-3-319-93587-4_47
8. Shah R.K. Heat exchangers. Encyclopedia of Energy Technology and the Environment. New York, Wiley, 1994; 1651-1670.
9. Rydalina N.V., Aksenov B.G., Stepanov O.A., Antonova E.O. Application of porous materials in heat exchangers of heat supply system. Power engineering: research, equipment, technology. 2020; 22(3):3-13. DOI: 10.30724/1998-9903-2020-22-3-3-13 (rus.).
10. Elistratova Y., Seminenko A., Minko V. Relevance of contamination models for diagnostics of plate heat exchangers. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2020; 10:33-40. DOI: 10.34031/2071-73182020-5-10-33-40 (rus.).
11. Xu Z., Han Z., Wang J., Li Y. Numerical simulation of CaSO4 crystallization fouling in a rectangular channel with vortex generators. International Communications in Heat and Mass Transfer. 2019; 101:42-50. DOI: 10.1016/j.icheatmasstrans-fer.2018.12.014
12. Tomilin A.K., Bespalov V.I., Be-spalov V.V. Technology of magnetic water treatment against scaling: theory and practice. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Engineering of Georesources. 2021; 332(1):54-63. DOI: 10.18799/24131830/2021/1/2999 (rus.).
13. Berce J., Zupancic M., Moze M., Golobic I. A review of crystallization fouling in heat exchangers. Processes. 2021; 9(8):1356. DOI: 10.3390/pr9081356
14. Mukhametzyanov Z.R., Kulakov P.A., Rubtsov A.V. Methods for monitoring the technical condition of plate heat exchangers. Journal of Physics: Conference Series. 2020; 1582(1):012054. DOI: 10.1088/1742-6596/1582/1/012054
15. Tatarintsev V.A. Features of scale formation in heat exchanger tubes. Bulletin of South Ural State University. Series "Power Engineering". 2022; 22(1):97-105. DOI: 10.14529/power220111 (rus.).
16. Kumar A., Yadav S., Mondloe D., Bare-war V., Kumar Y., Pandit V. CFD analysis of Gypsum crystallization fouling in 2D plate heat exchangers. International Journal of Advanced Technology and Engineering Exploration. 2022; 9(86). DOI: 10.19101/ IJATEE.2021.874616
17. Kananeh A.B., Peschel J. Fouling in plate heat exchangers: Some practical experience. Heat Exchangers — Basics Design Applications. 2012. DOI: 10.5772/34026
18. Muller-Steinhagen H., Malayeri M.R., Wat-kinson P. Fouling of heat exchangers-new approaches to solve an old problem. Heat Transfer Engineering. 2005; 26(1):1-4. DOI: 10.1080/01457630590889906
19. Faes W., Lecompte S., Ahmed Z., Bael J., Salenbien R., Verbeken K. et al. Corrosion and corrosion prevention in heat exchangers. Corrosion Reviews. 2019; 37(2):131-155. DOI: 10.1515/corrrev-2018-0054
20. Yurkina M.Yu. Improvement of heat exchangers of water heating systems with an increase in energy efficiency : thesis of candidate of technical sciences. Moscow, 2009; 180. (rus.).
21. Kulakov P.A., Rubtsov A.V., Afanas-enko V.G., Zubkova O.E., Ivanova K.K., Shari-pova R.R. Choice of determining parameters of the technical condition influencing the residual service life of heat exchange equipment. Izvestiya Tomskogo Politekhnicheskogo Universiteta Inzinir-ing Georesursov. 2020; 331(1):97-105. DOI: 10.18799/24131830/2020/1/2451 (rus.).
22. Rafalskaya T.A., Rudyak V.Ya. Influence of coolant flow rates on the heat exchanger parameter at variable operation modes. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2019; 14(5):621-633. DOI: 10.22227/19970935.2019.5.621-633 (rus.).
23. Chernyshev D.V. Prediction of scale formation in plate water heaters to improve the reliability of their operation : thesis of candidate of technical sciences. Tula, 2002; 182. (rus.).
24. Elistratova Y., Seminenko A., Minko V., Ramazanov R. Features of liquid flow distribution in plate heat exchangers references. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2020; 12:47-55. DOI: 10.34031/2071-7318-2020-5-12-47-55 (rus.).
25. Nashchokin V.V. Technical thermodynamics and heat transfer: textbook. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1969; 560. (rus.).
e е
<D (D
t О
iH G Г
S С
0 CO n CO
1 Ф
y 1
J со
u-
^ I
n о
ф 3 о
=¡ ( n
q
CO CO
q
n Ф
Г 6
О О
С о
ф ) [[
® 8 л '
ю п ■ т
(Л У с о (D Ж 01 01
2 2 О О 2 2 W W
W (0
N N
o o
tv N
in in
K 0
U 3 > in
C M 2
HQ 09
. r
CO m
<D <u
O g
----
§ I
S = z ■ i
CO g CO E
£= O
CL °
• c
Ln O
S H
o E
CD ^
CO CO
C w
il
CD CD CO >
Received January 31, 2023.
Adopted in revised form on March 20, 2023.
Approved for publication on April 19, 2023.
Bionotes: Yuliya V. Elistratova — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov); 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation; ID RSCI: 853532, Scopus: 57201772844, ORCID: 0000-0003-1989-0632; tgv.info@mail.ru;
Artem S. Seminenko — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov); 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation; ID RSCI: 637658, Scopus: 57193724941, ResearcherlD: L-7237-2015, ORCID: 0000-0002-0581-4391; seminenko.as@gmail.com;
Valeriy A. Uvarov — Doctor of Technical Sciences, Professor, Associate Professor of the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov); 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation; ID RSCI: 456690, Scopus: 7006666298, ORCID: 0000-0003-3614-8536; tgv@bstu.ru;
Vsevolod A. Minko — Doctor of Technical Sciences, Professor, Associate Professor of the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov); 46 Kostyukova st., Belgorod, 308012, Russian Federation; ID RSCI: 124780; tgv@bstu.ru.
Author contributions: all authors have made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The authors declare no conflict of interest.
