Modeling of the plate heat exchangers in the double-circuit water-supply system

Full Text

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.

About the authors

Sergey V Ivanyakov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Yuri V Ignatenkov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Denis S Konovalenko

Samara State Technical University

Senior Teacher 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files