К диагностике технического состояния теплообменных аппаратов по параметрам эксплуатации

В. С. Орбис-Дияс, канд. техн. наук, генеральный директор,

М. А. Адамова, заместитель директора, ЗАО «Промэнерго наладка»

Теплообмен пластинчатых теплообменных аппаратов описывается уравнениями:

(1)

 где Nu_г – число Нуссельта горячего теплоносителя, которое находится по формуле:

(1.1)

где а_Г – коэффициент теплоотдачи горячего теп-лоносителя к стенке, Вт/м²•°C;

l_Г – характерный размер, (эквивалентный) диаметр по горячему теплоносителю, м;

l_Г – коэффициент теплопроводности горячего теплоносителя, Вт/м•°C;

Re_Г – число Рейнольдса горячего теплоносителя, которое находится по формуле:

где с_Г – скорость течения горячего теплоносителя, м/с;

g_Г – кинематический коэффициент вязкости горячего теплоносителя, м²/с;

Pr_Г – число Прандтля горячего теплоносителя;

Nu_X – число Нуссельта холодного теплоносителя, которое находится по формуле:

(1.2)

где а_Х – коэффициент теплопередачи от стенки холодному теплоносителю, Вт/м²•°C;

l_Х – характерный размер по холодному теплоносителю, м;

l_Х – коэффициент теплопроводности холодного теплоносителя, Вт/м•°C;

Re_Х – число Рейнольдса холодного теплоносителя, которое находится по формуле:

где с_Х  – скорость течения холодного теплоносителя, м/с;

g_Х – кинематический коэффициент вязкости холодного теплоносителя, м²/с.

Пренебрегая значением d/l_ст, запишем уравнение для коэффициента теплопередачи пластинчатого теплообменного аппарата:

(2)

где d  – толщина пластин пластинчатого теплообменного аппарата, м;

l_ст – коэффициент теплопроводности материала пластин, Вт/м•°C;

m, n и A – числовые значения в критериальных уравнениях (1), свойственные сугубо конкретным пластинчатым теплообменным аппаратам и извлекаемые из сопроводительной технической документации заводов-изготовителей.

Определение и выбор параметров m, n и A вызывает главное затруднение, поскольку формы пластин пластинчатого теплообменного аппарата весьма разнообразны и каждой свойственны свои показатели в критериальном уравнении. Мы рекомендуем два способа их оценки:

1. Получение этих данных вместе с расчетными листами от поставщиков пластинчатого теплообменного аппарата.

2. Определение коэффициента А по расчетно-паспортным данным завода-изготовителя:

где К_пасп – паспортный коэффициент теплопередачи, Вт/м²•°C;

n = 0,43;

m= 0,45 (L/l)^0,1 по данным [2],

где L – длина канала, м;

l – характерный размер (м), которых находим по формуле:

l = 2S, где S – ширина канала, м.

С учетом формул 1, 1.1 и 1.2 можно после преобразований записать:

(3)

Подставляя а_г и а_x из (3) в (2), получим после преобразований:

(4)

Теперь запишем уравнение теплового баланса пластинчатого теплообменного аппарата:

(5)

или

(6)

Известно, что:

(7)

Решая уравнение (7) относительно с_x с учетом формул 4 и 6, получим:

(8)

где f_x и f_г – площадь сечения пластинчатого теплообменного аппарата по холодному и горячему теплоносителям, м²;

r_x и r_г – плотность холодного и горячего теплоносителей, кг/м³;

С_рx и С_рг – теплоемкости холодного и горячего теплоносителей, Дж/кг•°C;

Dt_x = t_xк- t_xн , °C

Dt_г = t_гн- t_гк , °C

где t_xк и t_xн – конечная и начальная температуры холодного теплоносителя пластинчатого теплообменного аппарата по данным измерений;

t_гн и t_гк – начальная и конечная температуры горячего теплоносителя пластинчатого теплообменного аппарата по данным измерений;

dt – средний логарифмический напор по данным измерений, °C.

После вычислений c_х по формуле (8) определяются все необходимые параметры, характеризующие техническое состояние пластинчатого теплообменного аппарата:

- мощность теплового потока N (кВт);

- коэффициент теплопередачи K (Вт/м²•°C);

- объемные расходы холодного и горячего теплоносителей Q_х и Q_г (м³/ч).

Представленная выше методика, основанная на измерении только четырех температур теплоносителей (t_хк, t_хн, t_гн, t_гк), позволяет без использования расходомеров определять расходы теплоносителей со средней погрешностью ±15 %.

Такая методика является практическим и единственным способом оценки расходов теплоносителей через теплообменные аппараты при наладке гидравлических и тепловых режимов, поскольку не представляется возможным установить к каждому пластинчатому теплообменному аппарату расходомер в условиях действующих котельных и ЦТП, обладающий, кстати, достаточно высоким гидравлическим сопротивлением.

Сравнение опытных характеристик пластинчатого теплообменного аппарата с паспортными данными, мониторинг за изменением характеристик в функции времени и расходов дает возможность суждения о текущем техническом состоянии аппаратов.

На рисунке представлены данные расчетных и опытных значений мощности теплового потока аппарата (N_х = Q_хr_хC_pхDt_х), полученные по результатам обследования теплообменного оборудования в котельной ЗАО «Карат».

Представленная методика активно используется специалистами ЗАО «Промэнерго наладка» при проведении сервисного обслуживания теплотехнического оборудования построенных нами котельных и ЦТП в Москве и Московской области. Данный инженерный способ позволил установить наличие отложений в аппаратах, отклонение тепловых режимов от расчетных, разработать технические решения по оптимизации режимов и модернизации теплотехнических схем.

Литература

1. Орбис-Дияс В. С., Адамова М. А. Эксплуатационная диагностика водо-водяных подогревателей котельных и ЦТП // Энергосбережение.1999. № 6. С. 44–45.

2. Тарасов Ф. М. Тонкослойные теплообменные аппараты. М.–Л.: Машиностроение, 1964.