ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПУНКТОВ

Автор: Волжан М. Н.
Источник: Материалы сборника «ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЇ» http://www.kdu.edu.ua/statti/Tezi/Tezi_2012/112.pdf

Введение

Тепловой пункт является одним из основных элементов системы теплоснабжения здания: представляет собой автоматизированную модульную установку, которая передает тепловую энергию от внешних тепловых сетей (ТЭЦ, РТЕ или котельной) к системе отопления или горячего водоснабжения. Он обеспечивает развязку по температуре и давлению между водой от источника тепла в первом контуре и теплоносителем, циркулирующим во втором контуре здания. В современных тепловых пунктах обычно используется независимая схема подключения системы отопления и горячего водоснабжения.

Теплообменник – это базисное оборудование для теплового пункта, которое обеспечивает основные проектные решения. Данное оборудование является базой для проектирования и расширения пункта теплообмена. От характеристик оборудования в немалой степени зависит и тепловой режим в здании, и возможность эффективного энергоснабжения. В теплообменных аппаратах теплопередача осуществляется от одной среды к другой через разделяющую их стенку и обусловлена рядом факторов, является многосложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти процессы не обособлены, находятся в каком-то сочетании и действуют одновременно. Для теплообменного оборудования большое значение имеет конвективный теплообмен или теплопередача, которая осуществляется при совокупном и единовременном действии теплопроводности и конвекции.

Цель работы.

Сравнительный анализ показателей эффективности передачи тепла различных теплообменных пунктов с последующим выбором наиболее экономичного.

Материал и результаты исследования.

Процессы теплообмена действуют в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций. По способу передачи тепла теплообменники делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных теплообменниках рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных теплообменниках тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Смесительные теплообменники по устройству проще поверхностных: тепло в них используется с более высоким КПД. Но данный вид теплообменников пригоден лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства возможно смешение рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменниках теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева и направление теплового потока в каждой точке стенки время от времени меняется. Рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия являются наиболее распространенными в промышленности и теплоснабжении зданий разного назначения. Самыми распространенными видами рекуперативных теплообменников являются витые, спиральные, кожухотрубные и пластинчатые.

Поверхность нагрева витых теплообменников слагается из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители перемещаются по трубному и межтрубному пространствам. Витые аппараты чаще всего применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники выгодно отличаются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Спиральные теплообменники. В спиральных аппаратах поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках создают разными способами. Наиболее выгоден способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом исключается смешение теплоносителей, а в случае вышедшей из строя прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко ремонтировать каналы. Если материал уплотнения разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон («глухой» канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом «глухой» канал недоступен для механической очистки.

Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь тогда, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей. Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Спиральный теплообменник отличается небольшими габаритами, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Кожухотрубчатые теплообменники. Основными компонентами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб закрепляются в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой. Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах. Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса используют кожухотрубчатые теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции. Аппараты жесткой конструкции реализуют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства. В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа. В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе.

Пластинчатые теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми уплотнениями, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины изготавливают из тонколистовой стали (толщина 0,5–0,6 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены «в елку» (шаг гофр 10,5; 21,5; 30 мм; высота 4–7 мм). К пластинам приклеивают или присоединяют (бесклеевая технология) резиновые уплотнения круглой и специальной формы для герметизации конструкции; среды направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал. Течение теплоносителей в пластинчатых аппаратах может быть осуществлено прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 360.

Выводы.

Теплообменник любого типа представляет собой аппарат, основной функцией которого является передача тепла от одной среды к другой. Наиболее эффективным считается такой теплообменник, который при минимальном расходе рабочих сред через аппарат максимально передает тепловую энергию от одной среды к другой. Поскольку в тепловом аппарате происходит только теплообмен от среды к среде, нельзя говорить о прямой экономии тепла, получаемой в результате замены аппарата: тепло просто передается от одной среды к другой. Однако от эффективности передачи тепла в агрегате косвенно зависит эффективность работы периферийного по отношению к аппарату теплового оборудования, а следственно – и его экономичность. В каждом конкретном случае экономичность работы аппарата определяется правильностью его расчета и соответствием работы этих расчетов, а также условиями его применения

Таким образом, наиболее экономичным сравнительно с другими видами можно считать пластинчатый теплообменник по ряду следующих факторов: высокая интенсивность теплообмена за счет утонченных пластин между двумя средами; компактность, а вследствие этого – значительная экономия пространства для установки аппарата, что бывает очень важно при отсутствии места; малые тепловые потери с поверхности аппарата без теплоизоляции; низкая скорость протекания теплоносителя по аппарату, что обеспечивает высокое качество теплообмена; короткий путь теплоносителя по аппарату при использовании приборов автоматического регулирования температуры; любая появляющаяся протечка определяется визуально; высокая турбулентность потоков теплоносителя, что обеспечивает высокую сопротивляемость теплообменной поверхности к образованию различного рода отложений, снижающих КПД теплообмена; в случае ошибки в расчетах или изменении присоединительной нагрузки поверхности теплообменника можно легко изменить, добавляя или убирая определенное количество пластин; постоянная времени пластинчатого теплообменника в десятки раз меньше, чем, например, в кожухотрубных аппаратах, что обеспечивает качественную работу автоматики, точное поддержание задания по температуре и, как следствие, экономичность работы аппарата.

Литература

Пырков В. В. Современные тепловые пункты. Автоматика и регулирование. – К.: ДП «Такі справи», 2007. – 252 с.
Глушков А. Ф., Довман Г. Б., Кукин Е. Б. Указания по ремонту и реконструкции эксплуатируемых тепловых пунктов с целью повышения надежности функционирования и экономии теплоты. АКХ им. К.Д. Панфилова – М.: Стройиздат, 1990. – 112 с.
Жук А. З., Козлов Б. М. Оптимизация систем отопления и водоснабжения. Проблема енергозбереження. – К., 2002. – 13 с.