Разработана методика подбора и расчета пластинчатых теплообменников для различных современных схем тепловых пунктов систем теплоснабжения, учитывающая местные условия работы. Разработана компьютерная программа по предложенной методике. Выполнено сравнение характеристик пластинчатых теплообменников.
Ключевые слова: система теплоснабжения, тепловая сеть, тепловой пункт, пластинчатый теплообменник.
Среди теплообменников всех типов пластинчатые теплообменники (ПТО) обладают самым высоким коэффициентом теплопередачи и другие преимущества по сравнению с другими типами теплообменного оборудования: компактность, малую величину недогрева, низкие трудозатраты при ремонте оборудования, увеличение КПД теплового пункта.
В качестве пластинчатых подогревателей ранее применялись водоподогреватели по ГОСТ 15518, которые не предназначались специально для работы в системах теплоснабжения. Они громоздки и менее эффективны по сравнению с конструкциями таких фирм как «Alfa Laval», «Sondex», «Funke», «Ecoflex», «APV», «Danfoss». Но зарубежные фирмы не раскрывают методик подбора водоподогревателей и дают только общие характеристики рекомендуемых к применению в тепловых пунктах пластинчатых теплообменников.
В условиях Сибири и других регионов нашей страны с длительным стоянием отрицательных температур в течение года и относительно низкого качества сред и оборудования в системах теплоснабжения, наличие открытых алгоритмов расчёта крайне необходимо. Это позволит провести коррекцию фирменных алгоритмов расчёта, не учитывающих многие местные условия эксплуатации.
ОАО «Новосибирскгортеплоэнерго» совместно с кафедрой «Теплогазоснабжения и вентиляции» НГАСУ (Сибстрин) была разработана методика, позволяющая рассчитать любой пластинчатый теплообменник.
Методика расчета пластинчатых теплообменников позволяет с достаточной степенью точности производить подбор и выполнение тепловых и гидравлических расчётов новых теплообменников отопления, вентиляции и горячего водоснабжения; производить поверочные и наладочные расчёты теплообменников, находящихся в эксплуатации.
Особенности расчета ПТО
В системах теплоснабжения имеются свои особенности, которые не регламентируются действующими нормативными документами, но которые крайне важно учитывать при проектировании или определении эксплуатационных характеристик ПТО:
- необходимо учитывать, что температурный график отпуска тепла от теплоисточника часто не выдерживается, применяется «верхняя срезка» температурного графика, что значительно влияет на коэффициент теплопередачи теплообменников.
- необходимо делать проверку на «аварийный режим» работы теплоисточника при значительном похолодании и нехватке топлива на ТЭЦ, разрабатываемый по т. н. «аварийным графикам» отпуска тепла;
- наиболее часто применяемая в жилом секторе двухступенчатая смешанная схема присоединения теплообменников горячего водоснабжения состоит из группы взаимосвязанных теплообменников, что делает возможным расчёт этой схемы только методом последовательных приближений. Это обстоятельство, когда нам неизвестны все температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на входе и выходе из теплообменника делает невозможным подбор ПТО силами сторонних организаций, поскольку расчёт необходимо производить в комплексе.
- наличие ЦТП с разветвлённой сетью трубопроводов, имеющих тепловые потери через теплоизоляционные конструкции трубопроводов;
- наличие или отсутствие циркуляционных трубопроводов ГВС от ЦТП и величина расхода возвращаемой по ним среды между первой и второй ступенями ПТО;
- необходимо контролировать температуры обратной воды, возвращаемой в тепловую сеть, для чего необходимо расчитать различные режимы работы принятой схемы теплового пункта и скорректировать производительность ПТО.
Алгоритм основного способа расчета ПТО
Расчёт ПТО базируется на критериальном уравнении Нуссельта Nu = f (A, Rex, Pry) при турбулентном режиме и противоточной схеме движения сред. Расчет производится на tнр — расчетную температура наружного воздуха для проектирования отопления и вентиляции. В целях коррекции требуемой тепловой производительности ПТО для отопления и вентиляции при различных температурах наружного воздуха, была получена формула и построен график коэффициента коррекции температурного напора в температурном поле графиков отпуска тепла от теплоисточника, рис. 1.
Рис. 1. Графики изменения температурного напора q от температуры наружного воздуха и определения коэффициента коррекции С
Поверочный расчет ПТО
Расчёт выполняется по методике [2–4], основанной на совместном решении уравнений теплопередачи и теплового баланса, при tнри — расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления, вентиляции и горячего водоснабжения для точки нижнего излома температурного графика Т1(tн) отпуска тепла для данной системы теплоснабжения и принятой усреднённой температуры внутреннего воздуха.
Расчет ПТО в программе «HeatSupply»
Кафедрой «Теплогазоснабжения и вентиляции» НГАСУ (Сибстрин) была разработана компьютерная программа «HeatSupply», включающая комплекс расчётов, необходимых для проектирования системы теплоснабжения [5, 6].
Программа «HeatSupply» позволяет рассчитывать следующие схемы присоединения пластинчатых подогревателей:
- независимая одноступенчатая схема подключения ПТО систем отопления и вентиляции;
- закрытая последовательная одноступенчатая схема подключения ПТО систем горячего водоснабжения;
- закрытая одноступенчатая параллельная схема подключения ПТО систем горячего водоснабжения;
- закрытая двухступенчатая смешанная схема подключения ПТО систем горячего водоснабжения.
Рис. 2. Диалоговое окно ввода исходных данных для расчета ПТО
Результаты расчетов выводятся в виде формул и пояснений к ним на экран (рис. 2) и на печать.
Рис. 2. Результаты расчета пластинчатых теплообменников
Сравнение характеристик ПТО
В качестве примера, сравним характеристики и стоимость пластинчатых теплообменников разных фирм для независимых систем отопления одного из ЦТП г. Новосибирска с нагрузкой Qов = 1 Гкал/ч, 
= 0,2 Гкал/ч.
Был рассчитан ряд теплообменников трёх марок: «Alfa Laval», «Sondex», «Ecoflex».
Из теплообменников каждой марки были выбраны по два ПТО с наименьшими потерями давления по греющей и нагреваемой средам и наименьшей стоимостью. Результаты расчета сведены в таблицу, где
Fп, м2 — площадь поверхности нагрева одной пластины;
Fт, м2 — необходимая поверхность нагрева ПТО;
m — количество пластин в одном ходу;
X — количество ходов в ПТО;
N — количество пластин в секции;
k, ккал/(м×ч×°С) — коэффициент теплопередачи ПТО;
DH1, м — потери напора в ПТО по греющей среде;
DH2, м — потери напора в ПТО по нагреваемой среде;
Sпл, руб. — стоимость одной пластины ПТО;
S, руб. — стоимость ПТО.
Таблица 1
Сравнение характеристик и стоимости ПТО
|
Тип ПТО |
Fп |
Fт |
m |
X |
N |
k |
DH1 |
DH2 |
Sпл |
S |
|
Alfa Laval M15-MF(M,G,D) |
0,62 |
26,45 |
6 |
4 |
47 |
3271,5 |
7,53 |
10,27 |
2494,4 |
117237 |
|
Alfa Laval M6-MFG (FG,FD) |
0,14 |
23,02 |
21 |
4 |
167 |
3758,4 |
10,34 |
14,1 |
670,8 |
112024 |
|
Sondex HH-43 |
0,46 |
24,64 |
7 |
4 |
55 |
3510,9 |
7,65 |
10,42 |
2957,0 |
162632 |
|
Sondex HH-41 |
0,45 |
24,22 |
9 |
3 |
53 |
3571,8 |
8,10 |
11,03 |
2047,8 |
108534 |
|
Ecoflex NT 100M |
0,45 |
25,28 |
7 |
4 |
55 |
3423,0 |
8,07 |
11,0 |
4382,6 |
241043 |
|
Ecoflex VT 130 |
1,28 |
25,69 |
4 |
3 |
23 |
3367,6 |
8,69 |
11,34 |
9273,9 |
213300 |
Из таблицы видно, что теплообменники «Alfa Laval» M15-MF имеют наименьшие потери давления, но несколько более высокую стоимость, чем теплообменники других типов.
Теплообменники «Alfa Laval» M6-MFG стоят немного дешевле M15-MF, однако имеют повышенные потери давления по греющей и нагреваемой средам и ключают большое число пластин, что может затруднить их очистку и увеличить время ремонта.
Теплообменники «Sondex HH-43» имеют также небольшие потери давления, однако их стоимость значительно выше теплообменников «Alfa Laval» M15-MF.
Теплообменники «Ecoflex» стоят в среднем в 2 раза дороже теплообменников других типов.
Оптимальным вариантом для рассчитываемых условий является теплообменник «Sondex HH-41», в котором потери давления незначительно превышают минимальные, при этом его стоимость минимальна.
Выводы.
1. Разработана методика расчета пластинчатых теплообменников, учитывающая условия их эксплуатации.
2. Разработана компьютерная программа «HeatSupply», позвляющая выполнять тепловой и гидравлический расчет всех основных схем присоединения пластинчатых теплообменников в тепловых пунктах.
3. Расчеты в программе по разработанной методике позволяют сравнить и выбрать оптимальный вариант марки и типа ПТО по потерям давления и стоимости.
Литература:
1. Потапкин, В. О. Методика подбора и расчета пластинчатых теплообменников для тепловых пунктов систем теплоснабжения / В. О. Потапкин, С. В. Кунгурцев, А. Н. Букашев // Новосибирск: ОАО «Новосибирскгортеплоэнерго», 2006.- 54 с.
2. Зингер Н. М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем / Н. М. Зингер. - М.: Энергоатомиздат. - 1986. - 320 с.
3. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети / Е. Я. Соколов. — М.: Издательство МЭИ. — 2001. — 472 с.
4. Апарцев М. М. Наладка водяных систем централизованного теплоснабжения / М. М. Апарцев– М.: Энергоатомиздат. — 1983. — 204 с.
5. Рафальская, Т. А. Расчет системы теплоснабжения. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001611276 / Т. А. Рафальская // Реестр программ для ЭВМ. Опубл. 18.09.2001.
6. Рафальская Т. А. Расчет системы теплоснабжения. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2524 от 14.04.2003 / Т. А. Рафальская // Отраслевой фонд алгоритмов и программ.
