Методика расчета кожухотрубных теплообменных аппаратов

Наука и новые технологии С. Е. Исаев, к. т. н., А. Ф. ЧЕРНОВ, к. т. н., П. И. Бажан, д. т. н., А. Н. Назин (г. Нижний Новгород)

Современные кожухотрубные теплообменные аппараты для систем водоснабжения (КТАСТ), в которых реализованы наиболее эффективные решения по схемам тока, толщинам стенок труб, корпусов, фланцев, трубных решеток, крышек без снижения их прочности и осуществлена интенсификация теплоотдачи путем накатки кольцевых плавноочерченных выступов на внутренней поверхности трубы и в сравнении с теплообменными аппаратами, спроектированными на основе конструктивных решений 50-летней давности и выпускаемыми до сих пор, например по ГОСТ 27590‑88, выигрывают практически по всем показателям.

Основным недостатком КТАСТ является невозможность достижения высоких значений коэффициентов теплоотдачи при низких скоростях течения теплоносителей (достоинство пластинчатых аппаратов), вследствие чего они не могут конкурировать с пластинчатыми теплообменными аппаратами (ПТА) ведущих мировых производителей в тех случаях, когда требуется передавать большие тепловые потоки при малых температурных напорах.

Преимущество ПТА по высоким значениям коэффициента теплопередачи, однако, сводится на нет в случае загрязнения этих теплообменников. ПТА с расчетным коэффициентом теплопередачи (без загрязнения теплообменной поверхности) 7000 Вт/(м2 К) в случае нарастания на теплообменной поверхности слоя накипи толщиной 0,3 мм (для ПТА рядовой случай) имеет коэффициент теплопередачи 2545 Вт/(м2 К), что в 2,75 раза меньше расчетного значения.

Отсюда следует, что при расчете и оптимизации параметров водоводяных КТАСТ и ПТА всегда необходимо считать поверхность теплообмена покрытой слоем загрязнений с термическим сопротивлением 0,00012 м2 К/Вт, что эквивалентно сопротивлению слоя накипи толщиной 0,15‑0,3 мм с теплопроводностью 1,2‑3 Вт/(м2 К). Многолетняя эксплуатация КТАСТ показывает нехарактерность большой загрязняемости в этих аппаратах в силу эффекта самоочистки поверхности труб направленными в пограничный слой турбулентными вихрями, возникающими при обтекании плавноочерченных турбулизаторов определенной высоты, расположенных на оптимальном расстоянии друг от друга, и разрушающими отложения на той стадии, когда они представляют собой маловязкие структуры. При этом оказывается, что КТАСТ в загрязненном состоянии характеризуются коэффициентами теплопередачи, которые ничуть не хуже коэффициентов теплопередачи загрязненных ПТА.

Процесс выбора наилучшей конструкции КТАСТ должен представлять собой интерактивный диалог изготовителей КТАСТ и заказчиков этих аппаратов, при этом субъекты договорных отношений должны рассчитывать параметры КТАСТ по различным методикам.

Изготовители КТАСТ и ПТА для этой цели должны использовать компьютерные программы поверочного теплового расчета, в которых реализованы не только последние достижения теории теплообмена, но и теории теплообменных аппаратов в части расчета среднего температурного напора, тепловой эффективности, зависящих от схемы тока теплоносителей и неизвестных концевых температур. Кроме этого, должны моделироваться байпасные и обводные течения (при наличии в межтрубном пространстве КТАСТ поперечных перегородок). Авторы статьи используют в своей компьютерной программе уравнения. Выполненные автором многочисленные проверки показали, что в подавляющем большинстве расчетных случаев не следует стремиться к решению распределенных задач, хотя возможности современных компьютеров это позволяют. Многолетний опыт выполнения расчетов КТАСТ показывает, что поэлементный тепловой расчет или интервально-итерационные тепловые расчеты КТАСТ не позволяют достичь большего приближения результатов расчетов к результатам экспериментальной проверки параметров КТАСТ, выполненной на исследовательском стенде или на месте эксплуатации, по сравнению с так называемым интегральным тепловым расчетом, основанным на использовании сосредоточенной модели КТАСТ. А если это так, то излишнее усложнение компьютерных программ нерационально.

Заказчики КТАСТ или ПТА должны оценивать параметры заказываемых аппаратов с помощью малотрудоемкой методики проектного расчета, аналогичной по сути методике СП 41‑101‑95. Подобная методика должна включать в себя следующие шаги: анализ и преобразование к удобному виду исходных данных; предварительный выбор изготовителя и анализ имеющихся рекламных материалов изготовителя; расчет коэффициента теплопередачи (для КТАСТ отнесенного к наружной поверхности труб) с помощью регрессионного уравнения типа.

Также читайте в номере № 12 (76) декабрь 2006 года:

Руководство карельских энергокомпаний обсудило вопросы готовности энергетического комплекса региона к работе в ОЗП

27 ноября в Петрозаводске состоялось заседание постоянной рабочей группы руководителей дочерних обществ ОАО РАО «ЕЭС России» в Республике Карелия. Открывая заседание, директор по стратегическому управлению ОАО «Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада» Александр Михальков напомнил, что постоянная рабочая группа в Карелии, как и в других регионах пиковых нагрузок, была сформирована в соответствии с приказом предс...
Чтобы лампочка не гасла

Когда говорят о настоящем и перспективах электроэнергетической отрасли России, на первый план часто выходит чисто экономическая составляющая реформы – способы и направления привлечения инвестиций, оценка усилий, необходимых для ее технического перевооружения. Менее заметной остается работа технических служб, необходимая для эффективной и бесперебойной работы энергосистемы. Между тем, именно благодаря их неустанному труду в наши до...
Украина и Белоруссия изучают прибалтийский рынок электроэнергии

Как стало известно, Украина и Белоруссия изучают перспективы возможного совместного выхода на рынки электроэнергии Прибалтийских стран. «У нас есть несколько проектов, которые связаны с использованием транзитных возможностей Белоруссии и совместным выходом на рынки Балтийских стран в части торговли электроэнергией», – сказал министр топлива и энергетики Украины Юрий Бойко после встречи с министром энергетики Белоруссии Александро...
Антимонопольное бюро ФРГ поддержало ужесточение правил в энергетике

Федеральное антимонопольное бюро Германии поддержало планы правительства по ужесточению антимонопольного законодательства в сфере энергетики, сказал глава бюро Ульф Бeге. «Я поддерживаю эту инициативу… Мы нуждаемся в большей конкуренции, не столько из‑за цен, сколько для создания возможностей для участников рынка и торговцев», – сказал он в интервью. Отвечая на угрозы энергетических компаний о возможном замораживании инвести...
«Последний из могикан»

Из восьми человек, работавших в бригаде в далеком 1952 году на монтаже оборудования станции, он один остался «в здравом уме и твердой памяти». Все начиналось много лет назад, когда Андрея Гоненко, 23-летнего рабочего с электростанции поселка Широкий, направили на учебу в г. Артем. Он знал, что по возвращении с учебы должен приступить к работе на Райчихинской ТЭЦ в качестве старшего машиниста турбин. Однако тогда, в апреле 1952 года,...