аспирант
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
ОКСО 08.04.01 Строительство
BISAC TEC009000 Engineering (General)
Рассмотрена актуальность работы информационно-диагностических систем в сфере мониторинга теплообменного оборудования пластинчатого типа. Надежность контролирующих устройств, требует точного математического описания теплогидродинамических процессов в каналах теплообмена. Классическое описание данных процессов, подразумевает равномерное распределение расходов рабочей среды по длине пакета пластин, что в свою очередь предполагает равные условия формирования продуктов солеотложения на поверхностях нагрева пластинчатого теплообменника. Применение зависимостей, учитывающих равенство расходов по пакету пластин, снижает достоверность диагностики эффективности работы водогрейных аппаратов пластинчатого типа. Так как геометрическое пространство, образованное пластинами представляет собой параллельные каналы, соединенные участками транзитных коллекторов, то в качестве метода гидравлического расчета особенностей распределения потоков жидкости по каналам теплообмена предложен метод характеристик сопротивления. Выявлена зависимость конструктивных особенностей расположения межпластинных каналов относительно входа теплоносителя в распределительный коллектор. Установлено, что в каналах, наиболее удаленных от входного патрубка, расход циркулирующего теплоносителя меньше по сравнению с ближайшими каналами. Гипотеза о влиянии взаимного расположения каналов по отношению к входному патрубку подтверждается численными исследованиями гидродинамического режима пластинчатого теплообменного аппарата.
энергоемкость, энергоэффективность, пластинчатые теплообменные аппараты, тепловой режим, гидравлические условия, поверхность нагрева, накипеобразование, каналы теплообмена, потокораспределение, диагностика работы оборудования, сопротивление каналов, характеристика сопротивления
Введение. В Российской Федерации на долю теплоты приходится около 70 % от всей генерируемой энергии. Высокая энергоемкость систем потребления тепла определяется не только масштабами страны, но и показателями неэффективности конкретной области теплопотребления [1,2]. Сфера теплоснабжения является самым крупным сегментом, на который расходуются первичные топливно-энергетические ресурсы [3].
Тепловые потери при транспортировке теплоносителя, отсутствие автоматизированного отпуска тепла в тепловых пунктах с учетом погодных условий, эксплуатация устаревшего оборудования, разбалансировка систем отопления и др. требуют дополнительного перерасхода энергии, что повышает показатель энергоемкости систем теплоснабжения в целом [4].
Введение закона о переходе на закрытые системы горячего водоснабжения [5], является одной из мер по снижению расходов на топливных ресурсов и повышению качества теплоснабжения. Данное решение в области модернизации коммунальной энергетики, характеризуется оснащением тепловых пунктов современными высокоэффективными теплообменными аппаратами [6, 7]. Кроме того, наблюдается активная замена, уже эксплуатирующихся кожухотрубных теплообменников, на более компактные пластинчатые теплообменные устройства [6].
Повсеместно низкое качество водопроводной воды в городах России [8, 9] и относительно малые проходные сечения каналов теплообмена, формируют благоприятные условия для накопления различного рода загрязнений на поверхности нагрева [9, 10]. При этом формирование толщины накипи в пределах 0,3 мм снижает коэффициент теплопередачи примерно в 2,5 раза, в зависимости от конструктивных особенностей аппарата [11]. В результате чего, эффективность работы теплообменного оборудования снижается, а поддержание заданных режимных параметров требует дополнительного перерасхода энергии [9, 11].
Диагностика работы теплообменного оборудования является эффективным инструментом в комплексе мер [2, 12–14] по обеспечению бесперебойной работы аппаратов. Так как своевременное устранение продуктов накипи с поверхностей нагрева не только снижает дополнительные расходы на топливо, но и предупреждает полный выход из строя (прогорание пластин) водогрейного оборудования.
Для проведения конструкторских и поверочных расчетов существуют несколько методик [15–17], в основе которых заложены допущения: стационарность процесса теплообмена, пренебрежение потерями в окружающую среду; физические свойства жидкости считаются постоянными; распределение расходов теплоносителя по отдельным каналам принимается равномерным; гидравлические условия в пределах отдельных групп каналов одинаковы. Введение подобных упрощений объясняется сложностью геометрической конструкции пластинчатого теплообменного оборудования, которая усложняет принцип описания тепло- гидравлического режима аппарата.
Интеллектуальная составляющая систем информационного контроля работы теплообменных агрегатов базируется на решении математических моделей, описывающих течение конкретного процесса, а определение стабильности работы устройства на сопоставлении текущих рабочих параметров с номинальными значениями в условиях заданного режима [12]. В таком случае теоретическое описание теплогидродинамических процессов в каналах теплообмена должно обладать высокой точностью, учитывать влияние загрязняющих слоев на характер теплообмена, а также иметь минимальные и незначительные погрешности расчета.
В классическом подходе описания теплового режима пластинчатых водонагревателей [15] заложено важное допущение – равенство расходов по всем каналам и равномерный нагрев теплоносителя по длине пакета пластин. При этом через определенное время работы теплообменника следует ожидать формирование одинаковой толщины слоя накипи в каждом канале. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям [10, 18–20] характер распределения слоев накипи является неравномерным как по поверхности пластины, так и по длине пакета пластин. Поэтому, математическое описание процессов нагрева жидкости в пластинчатых теплообменниках, основанное на равномерном распределении расходов между каналами ведет к снижению точности диагностической системы.
Таким образом, приравнивание гидравлических условий между каналами теплообмена в описании теплогидродинамических процессов теплообменных аппаратов пластинчатого типа, является существенным недостатком.
Цель работы: определить зависимость распределения расходов по каналам теплообмена, учитывая их расположение относительно входа теплоносителя в распределительный коллектор с учетом фактора загрязнения.
Гипотеза. Неравномерность потокораспределения возможно определить методом характеристик сопротивления.
Задачи:
- произвести аналитический расчет потокораспределения пластинчатого теплообменного аппарата методом характеристик сопротивления;
- проверить справедливость предлагаемой методики расчета, с помощь численного исследования;
- исследовать влияние толщины накипи в каналах теплообмена на распределение объемов жидкости по длине пакета пластин;
Методы исследования. Так как, геометрическое пространство пластинчатого теплообменного аппарата (рис. 1), образованное пластинами представляет собой параллельные каналы теплообмена, соединенные участками транзитных коллекторов, то для описания теплогидродинамических процессов в каналах теплообмена воспользуемся методикой гидравлического расчета с учетом характеристик сопротивления отдельных участков движения рабочих сред [21, 22].
Рис. 1 Принципиальная схема движения рабочих сред в пластинчатом теплообменном аппарате.
1 – участки транзитных коллекторов;
2 – рабочий канал,
нагреваемой жидкости; 3 – рабочий канал, греющей жидкости; 4 – угловые отверстия в пластинах;
5 – входные патрубки
Принцип действия пластинчатого теплообменника заключается в том, что жидкость поступает по распределительному коллектору в теплообменные каналы, образованные пластинами. При этом длина коллектора зависит от числа каналов и пластин. Определяя гидравлическое распределение потоков в пластинчатом аппарате, принимаем расчетную схему, представленную на рисунке 2.
Рассмотрим, разборный пластинчатый теплообменник фирмы «Ридан» типа НН-14 TL, с общим количеством пластин 50 штук, при этом сформировано 25 греющих и 23 нагреваемых канала и 2 крайних пластины. Каналы, по которым теплоноситель движется в одном направлении, являются параллельными и заполняются жидкостью через продольные коллекторы, образованные чередующимися угловыми отверстиями в пластинах. Нагреваемая и греющая жидкости всегда отделены друг от друга. Общий расход «горячего» теплоносителя на входе в аппарат равен Gг = 5,1 кг/с, а «холодного» Gх = 1,45 кг/с.
Рис. 2 Расчетная схема гидравлического режима
пластинчатого теплообменника
Принимаем к расчету наиболее популярное одностороннее подключение, при котором четыре патрубка подключены к одной пластине. Коэффициенты местных сопротивлений (к.м.с.) учитываем на тройники при растекании потоков по каналам и на тройники при слиянии потоков, в момент выхода жидкости из межпластинного пространства в сборный коллектор. Для самого удаленного канала, относительно входа теплоносителя в аппарат, применяем коэффициент местного сопротивления как для поворотного участка под углом 90о.
Определение коэффициентов на преодоление местных сопротивлений в виде гофр на поверхности теплообмена является труднодостижимой задачей, так как расчет современных теплообменников производится за счет вычислительных программ фирм-разработчиков. При этом некоторые характеристики заложены в неявной форме, в том числе и к.м.с. для конкретной геометрической конфигурации пластин. Поэтому, в качестве допущения и с целью подтверждения гипотезы о неравномерном распределении потоков жидкости по каналам теплообмена в зависимости от их расположения относительно входных патрубков, проведем гидравлический расчет теплообменника, считая, что пластины плоские.
Основная часть. Характеристика сопротивления, рассматриваемого участка, определяется по соотношению:
, (1)
где нижний индекс «k» – характеризует параметр, на рассматриваемом участке движения теплоносителя; ζк – коэффициент на местные сопротивления; ρ – плотность теплоносителя, кг/м3;
wк – скорость жидкости на участке, м/с; fк – площадь поперечного сечения канала, м2.
Общая характеристика сопротивления параллельных участков S1.2.II вычисляется по формуле:
. (2)
Участок коллектора 2–3 расположен последовательно по отношению к каналам 1 и 2, поэтому общая характеристика сопротивлений части аппарата, включающей каналы 1 и 2, и участок коллектора 2–3 вычисляется как сумма характеристик сопротивления по формуле:
(3)
Для определения расходов воды по каналам и участкам используются уже известные из предыдущего расчета величины характеристик сопротивления и следующие зависимости:
, (4)
, (5)
, (6)
. (7)
Для наглядности получаемых результатов, используем значения расходов в каналах по отношению к расходу в условиях равномерного распределения потоков, получая удельную величину. Таким образом, на рисунке 3 представлены значения удельных расходов по всем каналам в случае равного распределения объемов теплоносителя между каналами Gn и удельные значения расходов жидкости, учитывая гидравлические сопротивления при движении рабочей среды от входного патрубка до замыкающего канала GJ. При этом канал №1 принят первым по отношению входа теплоносителя в транзитный коллектор, а №23 – самый удаленный.
Рис. 3 Диаграмма распределения теплоносителя по каналам теплообмена пластинчатого
водонагревателя с учетом взаимного расположения относительно входа теплоносителя в транзитный коллектор
Согласно полученным результатам (рис. 3), наблюдается расхождение в объемах циркулируемой жидкости, между первым и последним каналами, примерно в 2 раза. Такой результат объясняется влиянием дополнительных гидравлических сопротивлений, преодолеваемых теплоносителем при перемещении жидкости от входного патрубка к рассматриваемому каналу.
С целью подтверждения справедливости применения предложенной методики гидравлического расчета, проведем численное исследование рассматриваемого теплообменного аппарата с помощью программного комплекса SolidWorks. В качестве модели для описания турбулентного течения в каналах теплообмена пластинчатого водонагревателя была принята стандартная математическая k-ɛ модель.
Согласно численному расчету (рис. 4), максимальная скорость наблюдается в канале наиболее близко расположенному к выходному патрубку нагреваемого теплоносителя. В то же время отмечается повышение средней скорости течения жидкости в последнем канале – №23 относительно предпоследнего - №22, что объясняется меньшим коэффициентом местного сопротивления коллекторного участка, принятого в качестве отвода с к.м.с. ξ=0,3. Для коллекторных участков от первого до предпоследнего канала принимается к.м.с как для тройников на разделение ξ=0,7 и слияние потоков ξ=0,5 при выходе из рассматриваемого канала. В целом просматривается снижение средней скорости теплоносителя по длине пакета пластин от первого до последнего канала.
Рис. 4 Визуализация полей скорости течения жидкости в каналах рассматриваемой плоскости.
1 – входной патрубок греющего теплоносителя; 2 – выходной патрубок нагреваемого теплоносителя;
3 - первый канал теплообмена по нагреваемой стороне; 4 – двадцать третий канал теплообмена по нагреваемой стороне; 5 – двадцать второй канал по нагреваемой стороне
Так как характеристика сопротивления участка зависит от его площади поперечного сечения, формула (1), то сужение проточной части теплообменного канала, в результате образования слоя накипи, предполагает изменение характеристики сопротивления канала, в котором образовалась накипь.
На рисунке 5 представлена динамика изменения соотношения расходов между крайними каналами, в зависимости от предполагаемой толщины накипи на поверхностях нагрева. Рассмотрим четыре варианта, когда толщина слоя продуктов солеотложения достигает δн =0,15 мм, 0,31 мм, 0,53 мм, 0,9 мм.
Рис. 5 Расчетные данные соотношения удельных расходов. G1/Gn – отношение удельного расхода в первом
канале к удельному расходу в условиях равномерного потокораспределения; GJ/Gn – отношение удельного расхода в последнем канале к удельному расходу в условиях равномерного потокораспределения;
G1/GJ– отношение удельных расходов между первым канале к последним каналом
Полученные расчетные соотношения удельных расходов между первым и последним каналами, приближают значения эти параметры к 1 при максимальном зарастании, когда толщина накипи достигла значения 0,9 мм. Данные результаты свидетельствуют о том, что геометрическое расстояние между пластинами оказывает влияние на равномерность распределения расходов жидкости по длине пакета пластин. Кроме того, применение метода характеристик сопротивления в качестве методики гидравлического расчета пластинчатого теплообменного аппарата позволяет определить рациональные конструктивные соотношения ширины рабочих каналов. Т.е. получить такие расстояния между пластинами, при которых гидравлическое распределение потоков будет уравниваться.
Результаты численного расчета гидравлического режима пластинчатого теплообменника, в условиях моделирования условий зарастания каналов на 0,15 мм, 0,31 мм, 0,53 мм и в условиях абсолютно чистой поверхности, представлены на рисунке 6. Полученные значения подтверждают справедливость, применения прямого метода характеристик сопротивления для проведения гидравлического расчета пластинчатого теплообменного аппарата.
Рис. 6 Сравнение полученных результатов зависимости отношения расходов в каналах теплообмена от
толщины накипи, аналитическим и численным методом расчета. G1/G23 - отношение расхода жидкости
в 1 канале к последнему; G1/Gn - отношение расхода жидкости в 1 канале к идеальному; G23/Gn – отношение
расхода жидкости в последнем канале к идеальному
Выводы: Проведенные исследования подтверждают поставленную гипотезу: использование теории гидравлического расчета по характеристикам сопротивления позволяет определить неравномерность потокораспределения теплоносителей по каналам теплообменных аппаратов пластинчатого типа. Результаты аналитического расчета и моделирования в среде SolidWorks распределения количества жидкости по длине пакета пластин (в том числе с учетом фактора загрязнения на поверхности нагрева) свидетельствуют о превышении расходов через первые каналы над расходами через последние. Следовательно, исключение допущения о равномерности потокораспределения позволит повысить точность диагностики работы теплообменного аппарата, например, возможно определение степени загрязнения теплообменной поверхности по режимным характеристикам (температуре и расходам теплоносителей) аппаратов.
1. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения России // Новости Теплоснабжения. 2008. №3 [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.ntsn.ru. (дата обращения 08.09.2020)
2. Елистратова Ю.В., Глазков Р.А., Семиненко А.С. Роль системы контроля эффективности пластинчатых теплообменников в области теплоэнергетики // Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2020. № 10. С. 33-40. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2020-5-10-33-40
3. Некрасов А.С., Синяк Ю.В., Воронина С.А., Семикашев В.В. Современное состояние теплоснабжения России // Проблемы прогнозирования. 2011. №1. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennoe-sostoyanie-teplosnabzheniya-rossii (дата обращения: 06.10.2020).
4. Зысин Л.В., Калютик А.А. Теплообменное оборудование. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 230 с.
5. Федеральный закон Российской Федерации от 7декабря 2011 г. № 417-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с принятием Федерального закона «О водоснабжении и водоотведении». Режим доступа: https://base.garant.ru/70103068/. (дата обращения 15.10.2020)
6. Ефимов А.Л., Шварев Л.В., Юркина М.Ю. Проблемы и особенности расчета теплообменников водяных систем теплоснабжения // РосТепло. Режим доступа: https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2359. (дата обращения 08.09.2020)
7. Калабин С.Е. Экономический эффект от внедрения энергосберегающего оборудования: пластинчатых теплообменников, блочных индивидуальных тепловых пунктов // С.О.К. 2005. №8. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.c-o-k.ru/articles/ekonomicheskiy-effekt-ot-vnedreniya-energosberegayuschego-oborudovaniya-plastinchatyh-teploobmennikov-blochnyh-individual-nyh-teplovyh-punktov (дата обращения 03.09.2020)
8. Галковский В.А., Чупова М.В. Анализ снижения коэффициента теплопередачи теплообменных аппаратов вследствие загрязнения поверхности // Интернет-журнал «Науковедение». 2017. Том 9, №2 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/41TVN217.pdf
9. Жданов О.В. Накипь и проблемы теплоэнергетики // Интернет-журнал «Новости теплоснабжения». 2006. №4. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.ntsn.ru(дата обращения 04.09.2020)
10. Зеттлер Х.У. Влияние свойств поверхности и распределения потока на загрязнение поверхностей теплообмена. СПб.: Страта, 2014.452 с.
11. Жаднов О.В. Пластинчатые теплообменники - дело тонкое // Интернет-журнал «Новости теплоснабжения», 2015. №4, [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://elibrary.ru/title_about.asp?id=9670 (дата обращения 04.09.2020)
12. Трухний А.Д., Зройчиков Н.А. , Ломакин Б.В., Седов И.В. Информационно-диагностическая система контроля подогревателей сетевой воды турбоустановки Т-250/300-240 // Теплоэнергетика. 1998. №1. С. 30-34.
13. Минко В.А., Феоктистов А.Ю., Гунько И.В., Елистратова Ю.В., Тарасенко Н.В., Ткач Л.В. Методы проведения и эффективность мероприятий по борьбе с накипеобразованием в системах теплопотребления // Вестник БГТУ им В.Г. Шухова. 2015. №2. С. 16-19.
14. Дорошенко И.В. Исследование теплообмена и разработка технологии комплексной защиты поверхностей нагрева котельных установок // 05.14.04 - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Череповец. 2005 г.
15. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: «Машиностроение». 1973. 288 с.
16. СП 41-101-95 // Проектирование тепловых пунктов.: Своды правил по проектированию и строительству.
17. Справочник по теплообменникам: Пер. с англ. / Под ред. О.Г. Мартыненко. Т.2. М.6. Энергоатомиздат,1987. 352с.
18. Kananeh A.B. Fouling in Plate Heat Exchangers: Some Practical Experience. Heat Exchangers - Basics Design Applications. 2012. Pр. 533-550.
19. Kho T. Effect of flow distribution on scale formation in plate and frame heat exchangers // Chem Eng Res Des. 1997. Pp. 635-640.
20. Чернышев Д.В., Купленов Н.И. Особенности распределения накипи по поверхности пластинчатого водонагревателя // Энергосбережение. 2000 Международная научно-техническая конференция. ТулГУ. 2000. 127 с.
21. Белинкий Е.А. Рациональные системы водяного отопления. Л.: Госстройиздат. 1963. 208 c.
22. Minko V.A., Seminenko A.S., Alifanova A.I., Elistratova Yu.V., Tkach L.V. Аssumptions and premises of heating systems hydraulic calculation methods. Eco. Env.& Cons. 21(2). Pp. 55-60.
