Диагностика водо-водяных теплообменников

Водо-водяные теплообменные аппараты (секционные, пластинчатые) широко применяются в системах теплоснабжения. В таких теплообменниках за счет теплоты горячей воды (греющего теплоносителя) происходит подогрев холодной воды (нагреваемого теплоносителя). Коэффициент теплопередачи k в водо-водяных теплообменниках из-за высокой теплоотдачи к жидким теплоносителям (воде) является высоким (1000¸5000 Вт/(м2×К)), и поэтому сильно зависит от состояния поверхности теплообмена: при выпадении накипи на поверхности теплообмена или другом ее загрязнении коэффициент теплопередачи значительно снижается, что ухудшает эффективность работы теплообменника. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности накипи имеет весьма низкое значение, и даже незначительный слой отложений создает большое термическое сопротивление (слой котельной накипи толщиной 1 мм по термическому сопротивлению примерно эквивалентен 40 мм стальной стенки).

В газо-водяных и газо-газовых теплообменниках состояние поверхности теплообмена достаточно слабо влияет на теплопередачу, что связано с низкой теплоотдачей к газообразным теплоносителям.

Коэффициент теплопередачи через плоскую чистую стенку (без накипи и др.), Вт/(м2×К) определяется выражением:

 

(1)

 

где a1 и a2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей, Вт/(м2×К); dс - толщина стенки, разделяющей теплоносители, м; lс - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м×К).

При наличии слоя накипи толщиной dн, м, коэффициент теплопередачи будет равен:

(2)

 

где lн - коэффициент теплопроводности накипи, который в зависимости от плотности и химического состава отложений изменяется в широких пределах 0,13÷3,14 Вт/(м×К). Тепловую эффективность работы теплообменника можно описать, если определить отношение коэффициента теплопередачи k при наличии накипи к коэффициенту k0 при чистой поверхности теплообмена. Если известно отношение k/k0, то из формулы (2) можно определить термическое сопротивление и эквивалентную толщину слоя отложений dн.

Рассмотрим эффективный метод диагностики состояния загрязненности водо-водяных теплообменных аппаратов, позволяющий легко определять относительный коэффициент теплопередачи k/k0 загрязненного теплообменника по отношению к этому же теплообменнику с абсолютно чистой поверхностью. Для анализа используются только результаты измерения 4-х температур (на входе и выходе теплообменника по обоим потокам). Сущность метода заключается в следующем. Признанные авторитеты отечественной теплоэнергетики Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер в своих работах теоретически и практически обосновали существование замечательного параметра водоводяного подогревателя «Ф», значение которого для данного подогревателя величина практически постоянная. Параметр подогревателя Ф в общем случае определяется по формуле:

 

, (3)

 

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К); F – площадь поверхности нагрева, м2; G1, G2 – расходы греющей и нагреваемой воды, кг/с; c – теплоемкость воды, Дж/(кг×К).

Параметр подогревателя Ф остается практически постоянным в широком диапазоне изменения G1 и G2. Так, значение параметра секционных водо-водяных подогревателей прямо пропорционально их длине:

 

Ф = Фу×l,

 

где: Фу - удельный параметр, отнесенный к единице длины подогревателя, l - длина подогревателя, м. Удельный параметр Фу зависит в основном от отношений площадей сечений трубок и межтрубного пространства и практически не зависит от удельной площади поверхности нагрева, приходящейся на единицу длины подогревателя, т.е. от номера или диаметра корпуса подогревателя. Для всех типоразмеров секционных водо-водяных подогревателей по ОСТ 34-588-68 и ГОСТ 27 590-8 можно практически принимать одно и то же значение удельного параметра Фу = 0,11 м-1 при чистой поверхности нагрева, т.е. при отсутствии на ней накипи и загрязнений.

Параметр Ф пластинчатого водо-водяного подогревателя зависит от типоразмера (конструкции и профиля пластин) и не зависит от количества пластин. Для отечественных серийных пластинчатых теплообменников можно принимать значение удельного параметра одного канала Фу = 1,1 м-1.

Параметр подогревателя в расчетном (основном) режиме равен:

 

 

При абсолютно чистой поверхности нагрева водоподогревателя:

 

Ф = Ф0.

 

При загрязнении поверхности нагрева водоподогревателя фактическое значение параметра Ф уменьшается:

 

0 < Ф < Ф0.

 

Если сравнивать загрязненный и чистый теплообменники при одних и тех же расходах рабочих сред, получим:

 

(4)

 

Для теплового расчета водоводяных теплообменников используют соотношения:

 

(5)

 

где Q – тепловой поток, передаваемый от греющего теплоносителя к нагреваемому, Вт; dt1, dt2 - изменение температур греющего и нагреваемого теплоносителя в теплообменнике, К; - среднелогарифмический температурный напор:

 

(6)

 

где Dtб, Dtм - разность температур греющего и нагреваемого теплоносителя на концах теплообменника (Dtб - большее значение, Dtм - меньшее значение).

Используя формулы (5) выражение (3) можно привести к виду:

 

. (7)

 

Нетрудно видеть, что все параметры, входящие в формулу (7), вычисляются на основании значений 4-х температур, которые легко измерить на работающем аппарате. При этом расходы теплоносителей определять не нужно. Для вычисления расчетного (Ф0) и фактического (Ф) параметра теплообменника в формулу (7) следует подставить соответствующие значения температур рабочих сред на входе и выходе теплообменника. Затем, по формуле (4) легко определить: k/k0 = Ф/Ф0. Из формулы (2), зная отношение k/k0, можно определить термическое сопротивление и эквивалентную толщину слоя отложений.

Задача 1.Имеется противоточный секционный водоводяной теплообменник с площадью поверхности нагрева F = 2 м2. Общий вид и сечение кожухотрубного водо-водяного подогревателя показан на рис. 1.

 

 

Рис 1. Общий вид и сечение горизонтального секционного

кожухотрубного водоводяного подогревателя

 

При незагрязненной поверхности нагрева при расчетном режиме греющая вода поступает в теплообменник с температурой t¢1 = 85 °С и охлаждается до t²1 = 55 °С, нагреваемая вода поступает с температурой t¢2 = 25 °С и нагревается до t²2 = 65 °С. При этом расход греющей воды - G1,0 = 2000 кг/ч; расход нагреваемой воды - G2,0 = 1500 кг/ч. В процессе эксплуатации теплообменника расходы греющей и нагреваемой воды, а также их температуры изменяются. Экспериментально определялись температуры греющей и нагреваемой воды на входе и выходе из теплообменника через 1, 2, 3, 4 и 5 месяцев эксплуатации теплообменника. Результаты измерений приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Значения измеренных температур

Время t¢1 t²1 t¢2 t²2
1 мес.
2 мес.
3 мес.
4 мес.
5 мес.

 

Определить относительную тепловую эффективность теплообменника k/k0 и эквивалентную толщину слоя накипи на поверхности нагрева теплообменника через 1, 2, 3, 4 и 5 месяцев эксплуатации. Коэффициент теплопроводности слоя накипи принять равным lн = 1,2 Вт/(м×К).

 

Методика решения. На рис. 2 показан характер изменения температур греющей и нагреваемой воды в противоточном теплообменнике. На рис. 2 обозначено: С1 = с×G1; С2 = с×G2 – водяные эквиваленты теплоносителей. Теплоемкость воды в интервале температур 0¸100 °С равна с = 4,19 кДж/(кг×К).

 

Рис. 2. Изменение температур воды в противоточном теплообменнике

 

Определяется количество теплоты, передаваемой от греющей воде к нагреваемой при расчетном режиме, Вт:

 

или

 

где [с] = Дж/(кг×К), [G] = кг/c. Изменение температур теплоносителей в теплообменнике определяется по выражениям:

 

dt1 = t¢1 - t²1; dt2 = t²2 - t¢2,

 

где значения t¢1, t²1, t²2, t¢2 берутся для расчетного режима работы.

По формуле (6) определяется среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями при расчетном режиме работы, где температурные напоры на горячем и холодном конце теплообменника определяются выражениями (см. рис. 2):

 

Dtб = t¢1 - t²2; Dtм = t²1 - t¢2.

 

Определяется коэффициент теплопередачи от греющей воды к нагреваемой при расчетном режиме работы при чистой поверхности нагрева, Вт/(м2×К):

 

 

Определяется параметр Ф0 для расчетного режима работы:

 

 

где dt1, dt2 и рассчитываются по температурам теплоносителей в расчетном режиме.

Для нерасчетных режимов по данным табл. 1 рассчитывается параметр Ф теплообменника через 1, 2, 3, 4 и 5 месяцев после начала эксплуатации по формуле (7), где dt1, dt2 и рассчитываются по температурам теплоносителей в соответствующем режиме.

По формуле (4) определяется отношение коэффициентов теплопередачи при расчетных расходах греющей и нагреваемой воды для загрязненного и чистого теплообменника через 1, 2, 3, 4 и 5 месяцев после начала эксплуатации.

Из формулы (2) выражаем эквивалентную толщину слоя накипи:

 

 

По результатам расчета требуется построить график изменения эквивалентной толщины слоя накипи dн по месяцам.

 

Задача 2.Имеется противоточный пластинчатый водоводяной теплообменник. Общий вид и пластины пластинчатого теплообменника показаны на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Общий вид (а) и пластины (б) пластинчатого теплообменника; 1 – пластина; 2 – станина; 3 – резиновые прокладки; 4 – выступ пластины

При незагрязненной поверхности расчетный коэффициент теплопередачи теплообменника составляет k0 = 5500 Вт/(м2К). Экспериментально определялись температуры греющей и нагреваемой воды на входе и выходе из теплообменника в самом начале эксплуатации теплообменника, через 1, 2, 3 и 5 месяцев эксплуатации теплообменника. Результаты измерений приведены в табл. 2. Действительные расходы воды неизвестны.

Таблица 2. Значения измеренных температур

Время t¢1 t²1 t¢2 t²2
0 мес.
1 мес.
2 мес.
3 мес.
5 мес.

 

Требуется определить относительную тепловую эффективность теплообменника k/k0 и эквивалентную толщину слоя накипи на поверхности нагрева теплообменника через 1, 2, 3 и 5 месяцев эксплуатации. Теплопроводность накипи принять равной lн = 1,2 Вт/(м×К).

 

Задача 3.Проводились измерения температур греющей и нагреваемой воды на трех действующих секционных водо-водяных подогревателях. Значения измеренных температур приведены в табл. 3. Действительные расходы воды неизвестны.

 

Таблица 3. Значения измеренных температур

№ подогр. t¢1 t²1 t¢2 t²2

 

Подогреватель № 1 - 4-х секционный, длина одной секции 2000 мм. Подогреватель № 2 - 3-х секционный, длина секции 4000 мм. Подогреватель № 3 - 2-х секционный, длина секции 2000 мм. Для секционных водо-водяных подогревателей можно практически принимать одно и то же значение удельного параметра Фу = 0,11 м-1 при чистой поверхности нагрева.

Требуется определить относительную тепловую эффективность теплообменника k/k0 для каждого из теплообменников. Какие из теплообменников можно считать достаточно чистыми, а какой –загрязненным?

 

Задача 4.Проводились диагностика пяти разных серийных секционных водо-водяных подогревателей с длиной секции L = 2000 мм, работающих по схеме противотока. Общий вид и сечение кожухотрубного водо-водяного подогревателя показан на рис. 1. В табл. 4 приведены характеристики секционных подогревателей.

 

Таблица 4. Характеристики секционных подогревателей

  Характеристика Обозначение подогревателя по ГОСТ 27590-88
Поверхность нагрева одной секции, F0, м2. 0,37 0,65 1,11 1,76 3,40 5,89 10,0 13,8 19,8 25,8

 

Число последовательно включенных секций n, значения измеренных температур греющей и нагреваемой воды на входе и на выходе из теплообменника, и расход нагреваемой воды приведены в таблице 5.

Таблица 5. Число секций, температуры и расходы воды.

Обозначение подогревателя Число секций Температуры греющей воды на входе и выходе, °С Температуры нагреваемой воды на входе и выходе, °С Расход нагреваемой воды, кг/ч
  n t¢1 t²1 t¢2 t²2 G2
49,5 56,4
48,1 54,7
53,0 47,4
43,8 45,1
45,9 44,3

 

Определить относительную тепловую эффективность теплообменника k/k0 для каждого из теплообменников, тепловую мощность теплообменника Q, кВт, расход греющей воды G1, кг/ч, и коэффициент теплопередачи k для работающего теплообменника.

Ответы:

подогреватель Ф k/k0 Q, кВт G1, кг/ч k
1,26 0,9 264,6
1,36 0,85 574,8
0,84 0,7
1,05 0,75
0,95 0,95

 

Методика решения. Для секционных водо-водяных подогревателей при чистой поверхности нагрева можно практически принимать одно и то же значение удельного параметра Фу = 0,1 м-1. Полный параметр Ф0 для подогревателя с чистой поверхностью определяется выражением:

 

Ф0 = n×Фу× L,

 

где n – число последовательно включенных секций; L - длина одной секции, м.

Для работающего подогревателя по измеренным температурам греющей и нагреваемой воды по формуле (7) определяется текущее значение параметра Ф, где dt1 = t¢1 - t²1; dt2 = t²2 - t¢2 - изменения температур греющей и нагреваемой воды; - среднелогарифмический температурный напор в подогревателе, определяемый по формуле (6), где Dtб = t¢1 - t²2; Dtм = t²1 - t¢2.

Если Ф @ Ф0, то поверхность теплообменника чистая, коэффициент эффективности практически равен 1. Если Ф < Ф0, то поверхность нагрева загрязнена отложениями (накипи и т.п.), и тепловая эффективность k/k0 определяется выражением (4).

Тепловая мощность теплообменника определяется выражением:

 

 

где с = 4,19 кДж/(кг×К), [G] = кг/c.

Расход греющей воды, кг/с, определяется выражением:

 

 

Коэффициент теплопередачи в теплообменнике, Вт/(м2×К):

(8)

 

где F = n×F0 – полная поверхность теплообмена подогревателя, м2; F0 – площадь теплообмена одной секции, м2 (из табл. 4).

Задача 5.Проводились измерения температур греющей и нагреваемой воды на пяти различных действующих пластинчатых водо-водяных подогревателях. Общий вид пластинчатого теплообменника показан на рис. 3. Конструктивные размеры пластин приведены в табл. 6.

 

Таблица 6. Конструктивные характеристики пластин

Характеристики Тип пластины
0,3 0,5 0,6
Габаритный размер (длина´ширина´толщина), мм 1370´300´1 1400´670´1 1375´600´1
Поверхность теплообмена F0, м2 0,3 0,5 0,6
Приведенная длина канала Lпр, м 1,12 0,8 1,01

 

Число пластин m, значения измеренных температур греющей и нагреваемой воды на входе и на выходе из теплообменников, и расход нагреваемой воды приведены в таблице 7.

Таблица 7. Тип и число пластин, температуры и расход воды.

Тип пластины Число пластин Температуры греющей воды на входе и выходе, °С Температуры нагреваемой воды на входе и выходе, °С Расход нагреваемой воды, кг/ч
  m t¢1 t²1 t¢2 t²2 G2
0,3 60,3 55,2
0,5 58,2 49,5
0,6 57,6 43,2
0,5 58,5 45,5
0,3 50,7 53,0

 

Определить относительную тепловую эффективность теплообменника k/k0 для каждого из теплообменников, тепловую мощность теплообменника Q, кВт, расход греющей воды G1, кг/ч, и коэффициент теплопередачи k для работающего теплообменника.

Ответы:

Ф k/k0 Q, кВт G1, кг/ч k, Вт/(м2×К)
0,84 0,75
0,76 0,95
0,606 0,6
0,64 0,8
1,12

 

Методика решения. Для пластинчатых теплообменников c чистой поверхностью нагрева удельный параметр одного канала Фу = 1 м-1. Приведенная длина канала Lпр определяется типом пластины (табл. 6). Так как течение воды в каналах параллельное, то параметр Ф0 для всего теплообменника равен:

 

Ф0 = Фу×Lпр.

 

Остальные параметры (Ф, k/k0) определяются так же, как в предыдущей задаче. Тепловая мощность теплообменника, кВт, определяется выражением:

 

(9)

 

где с = 4,19 кДж/(кг×К), [G] = кг/c.

Из выражения (8) определяется Q и расход греющей воды G1.

Коэффициент теплопередачи в теплообменнике, Вт/(м2×К), определяется выражением (8), где [Q] = Вт; F = m×F0 – полная поверхность теплообмена теплообменника, м2; F0 – поверхность теплообмена одной пластины, м2 (из табл. 6).






Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 4246; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.099 сек.