В качестве опытного теплообменника был взят подогреватель сетевой воды типа ПСВ-45-7-15, Саратовского завода тяжелого машиностроения, установленный на промплощадке НПО «Факел» (г. Петербург) и предназначенный для демонтажа.
Работы по наладке и испытаниям проводились персоналом НПО «Факел» по программе, разработанной автором настоящей статьи и при его непосредственном участии.
Подогреватель имеет вертикальный трубный пучок типовой конструкции с U-образными латунными трубками, производительностью по воде — 90 м3/ч (25,0 кг/с). Греющий пар с давлением Р=0,50-0,60 МПа поступал в подогреватель от местной котельной.
Основные данные подогревателя к началу проведения испытаний:
1.трубки латунные Æ22х1,0мм;
2.число трубок 485-12=473 шт. (12 трубок ранее заглушено, что в пределах нормы);
3.число ходов — Z=2.
При вертикальном положении подогревателя было проведено 26 опытов, при наклонном—32. Длительность выхода подогревателя на стабильный режим работы, в каждом опыте, составляла примерно 15 мин.
Схема установки и измерений приведена на рис.1. Изменение давления греющего пара в подогревателе в диапазоне 0,12—0,25 МПа, осуществлялось задвижкой (П-1) в ручном режиме на подводящем паропроводе греющего пара непосредственно к теплообменнику (ТО).
Изменение расхода нагреваемой воды осуществлялось выходной задвижкой (В-2) вручную. Уровень конденсата греющего пара (КГП) в подогревателе поддерживался постоянным с помощью ручного управления регулятора уровня (Р-1) и контролировался по водомерному стеклу (на рис.1 не показано).
Температура нагреваемой воды на входе в подогреватель изменялась в диапазоне 18,0-20,0°С, на выходе из подогревателя 45,0-65,0°С.
Во время испытаний проводились измерения следующих величин:
1.расход нагреваемой воды измерялся с помощью штатной измерительной шайбы (РШ-2) по эксплуатационному регистрирующему расходомеру и по специально подключенному на время испытаний дифманометру ДТ-50, производства ГК «Промприбор», г.Москва, с максимальной погрешностью + (-) 2,0 мм.рт.ст. и ценой деления шкалы – 1,0 мм.;
- температура нагреваемой воды на входе T1 и на выходе T2 из подогревателя определялась по ртутным лабораторным термометрам с ценой деления 0,1° С;
- температура конденсата греющего пара Тк на выходе из подогревателя определялась по ртутному лабораторному термометру с ценой деления 0,1° С;
- давление греющего пара на входе Рп (5) и в корпусе подогревателя Рпод. определялась по образцовым манометрам типа ОМ-6 с ценой деления 0,05 кг/см2;
- расход греющего пара, поступающего в теплообменник ТО, определялся с помощью специально установленной на трубопроводе подвода пара измерительной диафрагмы и подключенного к ней дифманометра типа ДТ-50.
Изменение режима работы подогревателя производилось вручную. При проведении опытов замеры велись на установившемся режиме работы.
Значения температур и давлений записывались через каждые 5 мин, а расходов пара и воды через одну минуту. Затем эти данные усреднялись.
Небаланс по тепловой нагрузке между водяной и паровой сторонами составлял до 10% как вертикального, так и наклонного подогревателя.
Для окончательной обработки количество переданного тепла в подогревателе принято по водяной стороне, поскольку измерение расхода и температур воды намного точнее.
Рис. 1. Схема проведения замеров параметров пара и воды при испытании подогревателя типа ПСВ — 45-7-15
Обработка опытных данных производилась по следующим формулам [1, с. 246-261]:
- Тепловая нагрузка по водяной стороне, ккал/час
где:
Gв—расход воды, кг/час;
Cв—теплоемкость воды, ккал/кг-град;
T1— температура воды на входе в подогреватель, ° С;
T2—температура воды на выходе из подогревателя, °С.
- Давление пара в подогревателе, МПа (кгс/см):
Рп = b + h, (2)
где:
b—барометрическое давление, МПа (кгс/см);
р—показания манометра М-2, МПа (кгс/см).
- Нагрев воды в подогревателе, °С
∂T = T2 -T1 (3)
- Недогрев воды в подогревателе, °С
∂T = Tн- Т2 (4)
где:
Тн-температура насыщения пара (°С), определяемая по давлению в подогревателе;
Т2 – температура воды на выходе из теплообменника, °С.
- Среднелогарифмическая разность температур:
∂T = T2 -T1 / 2,31g(Tн- Т1) / (Tн- Т2), (5)
- Коэффициент теплопередачи, ккал/мч град
Кв = GвСв(T2 -T1) / FΔ T , (6)
где:
F — поверхность теплообмена, м2;
Св – теплоёмкость воды, ккал/кг град
Коэффициент теплопередачи Кв в теплообменных аппаратах зависит от скорости и расхода нагреваемой среды, ее средней температуры, расхода и давления греющего пара, количества воздуха в паре.
Во время испытаний изменялись все параметры, однако в дальнейшем считалось, что количество воздуха оставалось неизменным как в вертикальном, так и в наклонном подогревателе.
Это утверждение может быть обосновано одинаковыми условиями пуска подогревателя во всех опытах, а также неизменностью коэффициента теплопередачи в течение длительного времени при постоянном режиме работы.
В соответствии с принятой в технической литературе методикой результаты испытаний представлены в виде зависимости коэффициентов теплопередачи и относительного недогрева от расхода воды с учетом перечисленных выше факторов.
В качестве характеристики подогревателей нами была использована величина относительного недогрева воды вида:
∂T / ΔT = (Тн- Т2) / [(T2 — T1) / 2,31g(Tн- Т1) / (Tн- Т2)], (7)
которая не зависит от величины тепловой нагрузки теплообменника и давления греющего пара в подогревателе.
Это позволяет проводить сопоставление эффективности работы подогревателя при вертикальном и наклонном его положении.
Анализ полученных результатов показал, что в наклонном теплообменнике относительный недогрев в среднем на 20—25% ниже, чем в вертикальном, что соответствует указанному выше увеличению коэффициента теплопередачи.
Это увеличение объясняется ростом коэффициента теплоотдачи со стороны конденсируемого пара с появлением устойчивой капельной конденсацией.
Так как, при наклоне трубчатки подогревателя появляется вектор гравитации, который разрывает поверхностную пленку конденсата греющего пара и «оголяет» трубную систему для подвода к ней греющего пара.
В процессе испытаний работы подогревателя в наклонном положении, нами были увеличены углы наклона от 5о до 30°- 40° к вертикали.
Как показали экспериментальные данные, увеличение угла не ведёт к столь большому увеличению коэффициента теплоотдачи от греющего пара нагреваемой воде, как при углах от 20° до 25°.
Выводы.
Полученные экспериментальные данные качественно подтверждают результаты теоретического анализа нашей работы и позволяют считать, что:
1.применение угла наклона трубного пучка к вертикали (не более 25°) приводит к увеличению коэффициента теплопередачи от греющего пара к нагреваемой воде на 20-25%;
2.уменьшение относительного недогрева может рассматриваться как один из способов повышения эффективности работы конденсирующих теплообменных аппаратов;
- позволяет без дополнительных дорогостоящих технических устройств внутри подогревателя (отбойные направляющие аппараты, завихрители, спиральные насадки и т.п.), при минимальных переделках компоновки обвязки трубопроводами подогревателя, получать высокий термодинамический эффект теплопередачи;
- ведёт к уменьшению количества теплообменных аппаратов почти на треть, без изменения окончательного нагрева рабочего тела;
- данный вариант компоновки подогревателей особенно актуален при современном дефиците топлива, т.к. наклонная компоновка подогревателей позволяет резко уменьшить расход греющего пара, что ведет к уменьшению удельного расхода тепла на единицу греющей среды и соответственно топлива;
- данный способ интенсификации теплообмена в рекуперативных подогревателях зарегистрирован в Роспатенте.
Список литературы:
- Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – 2-е изд.- М.: Энергия, 1977, с. 246-261.[schema type=»book» name=»ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ» description=»В настоящей статье приведены результаты исследования влияния наклона вертикального трубного пучка рекуперативного теплообменника, проведённые в промышленно-экспериментальных условиях, в результате которых установлено увеличение коэффициента теплопередачи на 20-25%. » author=»Груздев Вячеслав Борисович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-04″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]