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); d_с - толщина стенки, разделяющей теплоносители, м; l_с - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м×К).

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

(2)

где l_н - 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 d_н.

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 = Ф_у×l,

где: Ф_у - удельный параметр, отнесенный к единице длины подогревателя, l - длина подогревателя, м. Удельный параметр Ф_у 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 Ф_у = 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 Ф_у = 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 Dt_б, Dt_м - разность температур греющего и нагреваемого теплоносителя на концах теплообменника (Dt_б - большее значение, Dt_м - 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 - G_1,0 = 2000 кг/ч; расход нагреваемой воды - G_2,0 = 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

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 l_н = 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):

Dt_б = t¢₁ - t²₂; Dt_м = 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 d_н 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

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 l_н = 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

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 Ф_у = 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

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.

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:

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

Ф₀ = n×Ф_у× 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 Dt_б = t¢₁ - t²₂; Dt_м = 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

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.

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:

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

Ф₀ = Ф_у×L_пр.

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).