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 (Alfa-Laval, Funke и др.) 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. Как показано в [1], 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/(м К). Многолетняя эксплуатация КТАСТ показывает, что большая загрязняемость для в этих аппаратах в силу эффекта самоочистки внутренней, наиболее загрязняемой сетевой водой, 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, нехарактерна. При этом оказывается, что КТАСТ в загрязненном состоянии характеризуются коэффициентами теплопередачи, которые ничуть не хуже коэффициентов теплопередачи загрязненных ПТА.

По мнению авторов статьи, 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, приведенные в [2].

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, по мнению авторов статьи, нерационально.

Заказчики КТАСТ или ПТА, по нашему мнению, должны оценивать параметры заказываемых аппаратов с помощью малотрудоемкой методики проектного расчета, аналогичной по сути методике СНИП. Подобная методика должна включать в себя следующие шаги:

  1. анализ и преобразование к удобному виду исходных данных;
  2. предварительный выбор изготовителя и анализ имеющихся рекламных материалов изготовителя;
  3. расчет коэффициента теплопередачи (для КТАСТ отнесенного к наружной поверхности труб) с помощью регрессионного уравнения типа, Вт/(м2 К):

    где коэффициенты b0, b1, b2 — коэффициенты уравнения регрессии, представленные изготовителем;
    Q1 — расходы воды в межтрубном пространстве для КТАСТ или греющей воды для ПТА, м3/ч;
    Q2 — расходы воды в одном трубном ходе КТАСТ или нагреваемой воды для ПТА, м3/ч;
  4. вычисление среднего логарифмического напора  [2]по заданному температурному графику;
  5. определение требуемой площади А поверхности теплопередачи:  где  — тепловой поток подогревателя, кВт;
  6. вычисление требуемой длины труб КТАСТ: ,
    где d — наружный диаметр трубы, используемой в КТАСТ, м;
    n — число труб в КТАСТ,
    или числа пластин ПТА: , где А1 — площадь поверхности теплопередачи одной пластины ПТА по данным изготовителя.

Необходимые для применения методики данные должны быть получены изготовителем по результатам расчета или эксперимента и температуре греющей воды 70–110°С и температуре нагреваемой воды 40–70°С, при этом максимальные рекомендуемые значения расходов должны быть ограничены максимальными допускаемыми потерями давления 50 кПа (5 м. вод. ст.), а минимальные — значениями коэффициентов теплоотдачи около 3000 Вт/(м2 К).

Литература

  1. Жаднов О. В. Пластинчатые теплообменники — дело тонкое // Новости теплоснабжения, № 3, 2005, с. 39–53.
  2. Бажан П. И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам / П. И. Бажан, Г. Е. Каневец, В. М. Селиверстов. –М.: Машиностроение, 1989. – 366 с.