Методика расчета кожухотрубных теплообменников

» 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 (подогреватель пароводяной ПП), 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 отношение 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.»

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

Энергетика и промышленность России 15.12.06