Моделирование работы пластинчатых теплообменников в системе двухконтурного водоснабжения

Полный текст

В производствах, требующих большого количества воды для охлаждения, используют блоки с естественным охлаждением в градирнях, обладающих низкой себестоимостью охлаждения [1]. Обычно используются два вида систем с естественным охлаждением: - одноконтурные, в которых охлаждение осуществляется водой, непосредственно проходящей через градирни; - двухконтурные, в которых охлаждение осуществляется хладагентом закрытого цикла, охлажденным водой открытого цикла, проходящей через градирни. Одноконтурные системы позволяют получить хладагент (воду) с температурой на 3-6 °С выше температуры по влажному термометру, но при этом из-за непосредственного контакта воды с воздухом в градирне вода загрязняется, а также происходит испарение в атмосферу продуктов, попавших в воду из технологических аппаратов. Применение двухконтурных систем снижает загрязнение хладагента закрытого контура, но при этом температура охлаждения обеспечивается на уровне 2-3 °С выше температуры, которая может быть достигнута в системах открытого типа. Кроме этого, наличие двух контуров хладагентов приводит к увеличению потребления электроэнергии на перекачку. На рассматриваемом предприятии реализована двухконтурная система оборотного водоснабжения с передачей тепла в пяти пластинчатых теплообменниках общей площадью 7320 м2. Усредненные параметры работы теплообменников приведены в табл. 1. Результаты замеров работы теплообменников показали, что гидравлическое сопротивление открытого водооборотного контура значительного выше, чем сопротивление закрытого. Это повышение давления вызвано образованием отложений (накипи) на стенках пластин. Таблица 1 Усредненные параметры работы теплообменников № ТО Водооборотный контур Температура входа, °С Температура выхода, °С Расход, м3/ч Перепад давления, кПа Срок эксплуатации после очистки, месяцев Март 2016 г. 1 Открытый - - - - на очистке 2 21,0 27,5 1962 132 2 3 21,0 28,0 1872 153 2 4 21,0 26,0 2520 142 1 5 21,0 26,0 1368 120 11 1 Закрытый - - - - на очистке 2 35,0 24,0 1411 28 2 3 35,0 28,5 2304 138 2 4 35,0 22,5 1008 26 1 5 35,0 25,5 1153 48 11 Июнь 2016 г. 1 Открытый 21,5 27,1 1892 181 3 2 21,4 27,5 1853 180 5 3 21,5 28,8 960 200 5 4 21,4 27,9 1456 178 4 5 21,4 25,4 2026 184 2 1 Закрытый 33,5 24,2 1053 38 3 2 33,6 24,9 1549 22 5 3 33,6 28,5 1621 30 5 4 33,5 24,7 1121 16 4 5 33,5 22,9 1007 8 2 Анализируя значения перепадов давления на теплообменниках по открытому и закрытому водооборотным контурам, можно сделать вывод, что толщина загрязнений в закрытом контуре значительно меньше толщины загрязнений в открытом (перепад давления в 5-8 раз меньше при соизмеримых расходах, см. табл. 1). Следовательно, можно предположить, что все термическое сопротивление процессу теплопередачи сосредоточенно в загрязнениях открытого контура, а загрязнениями закрытого контура можно пренебречь. Для определения скорости нарастания загрязнений в каналах открытого контура была использована математическая модель работы пластинчатых теплообменников, основанная на следующих уравнениях: - критериальное уравнение теплоотдачи в каналах пластинчатых теплообменников [2, 3, 4]: , (1) где Nu - критерий Нуссельта; Re - критерий Рейнольдса; Pr - критерий Прандтля; Prcn - критерий Прандтля при температуре стенки; A, n - эмпирические коэффициенты; - уравнение гидравлического сопротивления пластинчатого теплообменника, рассчитывается по выражению [2, 3, 5] , (2) где - сумма местных сопротивлений; w - скорость движения среды в канале, м/с; r - плотность среды, кг/м3; B - эмпирический коэффициент. Таблица 2 Сравнение экспериментальных и расчетных параметров работы теплообменников № ТО Цикл Экспериментальные данные Расчетные параметры Температура выхода, °С Перепад давления, кПа Температура выхода, °С Перепад давления, кПа 1 Открытый 27,1 181,8 26,9 181,5 2 27,5 180,0 27,7 178,5 3 28,8 200,0 29,3 208,0 4 28,0 178,3 28,7 174,0 5 25,4 183,8 25,0 183,1 1 Закрытый 24,2 38,2 23,8 9,0 2 24,9 22,0 25,1 19,5 3 28,5 29,5 28,7 20,5 4 24,8 15,5 25,1 10,1 5 22,9 8,4 22,9 8,3 Варьируемыми параметрами математической модели пластинчатых теплообменников являются эмпирические коэффициенты A, B, n. Обработка замеров работы пластинчатых теплообменников позволила определить значения варьируемых параметров: А = 0,135; B = 15; n = 0,73. В этом случае скорость нарастания загрязнений в каналах открытого контура может быть описана уравнением , (3) где t - срок эксплуатации после очистки, месяцев. Сравнение экспериментальных данных и расчетных параметров по полученной математической модели с учетом скорости нарастания загрязнений приведено в табл. 2. Из результатов сравнения видно, что полученная математическая модель обладает достаточной точностью. Это позволило использовать ее при проведении работ по оптимизации технологических параметров системы двухконтурного водоснабжения.

Об авторах

Сергей Викторович Иваняков

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Юрий Иосифович Игнатенков

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Денис Владимирович Коноваленко

Самарский государственный технический университет

старший преподаватель кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы