Нахождение времени межпромывочного этапа и запаса поверхностей теплообмена пластинчатого теплообменного аппарата с учетом процесса накипеобразования при приготовлении горячей воды с целью повышения надежности теплоснабжения



Рассматриваются вопросы определения оптимального времени межпромывочного этапа и оптимального значения величины запаса теплообменной поверхности в пластинчатых водонагревателях для получения горячей воды, как способ повышения надежности теплообменного оборудования и системы теплоснабжения в целом.

Ключевые слова: надежность теплоснабжения, пластинчатый теплообменник, термическое сопротивление, коэффициент теплопередачи, накипеобразование, продолжительность межпромывочного этапа, реагентная промывка, запас поверхности теплообмена.

Под надёжностью теплоснабжения понимают способность системы транспорта тепловой энергии выполнять заданные функции во время эксплуатации, и выражается в бесперебойном снабжении потребителя теплоносителем с заданными параметрами, установленными на этапе проектирования. Однако в ходе процессов накипеобразования в теплообменном оборудовании это свойство не реализуется должным образом, и параметры теплоносителя начинают отличаться от ранее принятых при расчёте поверхности теплообмена, в результате потребитель ощущает непредвиденные и недопустимые изменения качества тепловой энергии.

По собственным современным параметрам пластинчатые теплообменники, уже давно опередили в техническом совершенстве применяемые в системе теплоснабжения Российской Федерации трубчатые и кожухотрубные теплообменные аппараты. Коэффициент теплопередачи у водяных пластинчатых водоподогревателей систем горячего водоснабжения, при поверхности теплообмена, незадействованной в эксплуатации и не покрытых накипью, достигает 5–8 кВт/(м²·К) [1, с.76–79].

Пластинчатые теплообменники ввиду своей конструкции создают примерно в несколько раз выше проектный коэффициент теплопередачи [2, с.39–43], по сравнению с трубчатыми и кожухотрубными, но стоит отметить их высокую степень зависимости от качества водоподготовки и, как следствие, к влиянию процесса накипеобразования, что существенно снижает процесс теплопередачи между металлом и теплоносителем.

Вода для систем теплоснабжения в Российской Федерации, поступающая в теплообменные аппараты характеризуется повышенным содержанием солей элементов, вызывающих процессы накипеобразовании и коррозии на стенках металла, и, как следствие, проектный режим пластинчатого теплообменника в значительной степени отличается от эксплуатационного, а снижение коэффициента теплопередачи влечет за собой повышение температуры жидкостного теплоносителя или его подачи. В условиях эксплуатации данные процессы не всегда осуществимы по техническим причинам и приходится использовать промывку теплообменников.

При уменьшенном, по сравнению с проектным, коэффициентом теплопередачи для компенсации последствий процессов накипеобразования стоит отметить запас теплообменной поверхности ∆S, который необходимо учитывать при подборе теплообменника.

Анализируя примеры заказов теплообменных аппаратов у поставщиков по опросным документам видно, что часто не учитывается запас теплообменной поверхности либо в значительной степени занижен, составляя не более 10 % от расчетной поверхности без накипи S₀.

Исходя из данных эксплуатации таких теплообменных аппаратов как пластинчатые водонагреватели установлено, что при заниженном качестве водоподготовки в системах хозяйственно-питьевого водопровода уменьшение коэффициента теплопередачи происходит в стремительном темпе. Например, по данным в центральном тепловом пункте Москвы произошло снижение данного показателя на 50 % при среднем качестве поступающей воды. Этот факт свидетельствует о том, что при постоянных начальных температурах теплоносителей, предусмотренных при проектировании, необходимая степень нагрева воды создается только при установке двух одинаковых теплообменных аппаратов.

Малый запас ∆S создаст необходимость частых промывок теплообменника, повышая эксплуатационные затраты, и уменьшит межпромывочный этап, а чрезмерно завышенная величина ∆S уменьшит число промывок, но приведет к росту единовременных капитальных затрат на пластинчатый теплообменный аппарат, которые выше эксплуатационных. В данном вопросе необходим поиск оптимального значения ∆S.

Как следствие изменения курса иностранных валют и иностранного производства пластин теплообменных аппаратов, цена данных теплообменников составляет первостепенную категорию единовременных капитальных затрат при проектировании тепловых пунктов, также и затраты на реагентную промывку составляют большую долю эксплуатационных затрат. Данные факты свидетельствуют об экономической целесообразности определения на стадии проектирования поверхности теплообменного аппарата с учетом реального процесса накипеобразования и промывочных этапов.

Суть методики состоит в минимизации ежегодных затрат на амортизацию запаса поверхности теплообменного аппарата ∆S и эксплуатационных затрат на периодичную реагентную промывку пластинчатого водонагревателя, что соответствует равенству затрат:

далее

где - коэффициент амортизации пластинчатого водонагревателя, %/100; , - цена 1 м² поверхности теплообмена и затрат на промывку, руб./м²; - расчетная поверхность теплообмена в проекте без накипи, м²; , - продолжительность этапа между очередными промывками и годовой эксплуатации пластинчатого водонагревателя, сут.

При изначальных проектных значениях температуры и подачи теплоносителя, необходимый коэффициент эффективности степени нагрева воды при снижении коэффициента теплопередачи из-за процесса накипеобразования будет соответствовать определенному условию:

где , - коэффициенты теплопередачи при отсутствии накипеобразования и при его начале.

Коэффициент теплопередачи определяют исходя из соотношения:

где , - термическое сопротивление теплопередачи при чистой поверхности и термическое сопротивление поверхности после развития процесса накипеобразования.

Из приведенных выше зависимостей получим

и далее

откуда

Таким образом, интенсификация процесса образования слоя накипи обуславливается качественным составом исходной воды, тепловым и гидравлическим режимами эксплуатации пластинчатого теплообменника [3, с. 48–49]. В окончании периода между реагентными промывками сопротивление загрязненного накипного слоя на поверхности теплообмена толщиной в соответствии с принятой математической моделью [4, с. 40–80] может быть представлено в виде:

где , - скорости появления слоя и смыва накипи при промывке; - коэффициент теплопроводности накипи на поверхности пластины.

По проанализированным результатам исследования:

где , - экспериментальные постоянные величины, - концентрация солей, приводящих к образованию накипи в среде, кг/м³; - касательное напряжение на поверхности накипеобразования, Па; - температура среды, ˚С.

Термическое сопротивление представлено в виде:

где - соотношение скоростей нагреваемого и греющего теплоносителей; - скорость холодного теплоносителя; - перечень величин, отражающих теплофизические параметры среды и особенности конструкции пластинчатого теплообменника; - термическое сопротивление пластин теплообменного аппарата.

Из приведенных зависимостей следует, что интервал межпромывочного этапа между двумя промывками можно определить для конкретных параметров исходных проектных данных для поиска наиболее оптимального значения величины.

Главными ценообразующими факторами, определяющими величину , является стоимость 1 м² поверхности теплообмена , и эксплуатационные затраты на реагентную промывку , руб./м².Стоит также отметить зависимость этих величин в неравной степени от курса иностранных валют, что плохо сказывается на точности расчетов из-за постоянства эксплуатационных затрат, цена которых изменяется во времени.

В таблице 1 представлены результаты расчетов оптимального времени межпромывочного этапа при скорости нагреваемой среды V_х = 0,4 м/с в зависимости от исходных величин. В качестве исходных данных были выбраны значения пластин типа М10-БФЖ, а также С=0,00356 кг/м³; а_м=0,19; λ_н=1,049 Вт/(м ·˚С); =12,7·10–¹⁰; a=13374. Результаты восьми расчетов представлены с шагом 1 тыс.руб./м² поверхности теплообмена в диапазоне от 3 тыс.руб./м² до 10 тыс.руб./м² включительно с эксплуатационными затратами на реагентную промывку= 100 руб/м² [5, с. 322–331].

Таблица 1

Результат расчета экономически выгодных величин относительной величины запаса поверхности теплообмена ∆S/S₀ и продолжительности этапа между двумя промывками τ_мпр пластинчатого теплообменного аппарата

	= =1,12; = =0,194 мм	= =1,07; = =0,184 мм	= =1,01; = =0,176 мм	= =0,96; = =0,170 мм	= =0,91; = =0,159 мм	= =0,875; = =0,150 мм	= =0,85; = =0,145 мм	= =0,80; = =0,139 мм
,сут при = 100 руб/м2	120	99	78	67	57	52	48	43

Анализируя полученные данные видно, что с ростом удельной стоимости реагентной промывки поверхности теплообменного оборудования экономически целесообразный межпромывочный этап растет, и приведенная зависимость отражает продолжительности этого этапа во времени.

Из приведенных данных следует, что необходимость обеспечения надёжности теплообменных аппаратов и системы теплоснабжения в целом напрямую зависит от контроля процессов накипеобразования еще на стадии проектирования тепловых пунктов [6, с. 83–100] и подбора необходимой величины запаса поверхности пластинчатого теплообменника, достигающую до 100 % от необходимой площади пластин при нынешнем низком качестве исходной воды из хозяйственно-питьевого водопровода.

Литература:

1. Коваленко Л. М., Глушков А. Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. —: Энергоатомиздат, 1986. — 240 с.
2. Жаднов О. В. Пластинчатые теплообменники — дело тонкое // Новости теплоснабжения. — 2005. — № 3. — С. 39–53.
3. Купленов Н. И., Мотовицкий С. В. Определение запаса теплообменной поверхности и продолжительности межпромывочного периода пластинчатого водонагревателя для ГВС // Новости теплоснабжения. — 2007. — № 4. — С. 48–49.
4. Чернышев Д. В. Прогнозирование накипеобразования в пластинчатых водонагревателях для повышения надежности их работы: дис. … канд. техн. наук — М., 2002. — С. 40–80с.
5. Бажан П. И., Каневец Г. Е., Селиверстов В. М. Справочник по теплообменным аппаратам. — М.: Машиностроение, 1989. — 368 с.
6. Соколова С. С. Обеспечение эффективности автоматизированной системы управления температурным режимом производственных зданий: дис. … канд. техн. наук — М., 2004. — С. 83–100.