161 "Хімічні технології та інженерія"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/48416
Переглянути
1 результатів
Результати пошуку
Документ Дослідження локальних особливостей впливу забруднень теплопередаючої поверхні на теплопередачу в пластинчатих теплообмінниках(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Мацегора, Олександр ІвановичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 161 – Хімічні технології та інженерія (16 ‒ Хімічна та біоінженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, 2020 р. Дисертація подана до захисту у спеціалізовану вчену раду ДФ 64.050.045 в Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут". Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності рекуперації тепла на промислових підприємствах хімічної промисловості з використанням пластинчастих теплообмінних апаратів розбірної конструкції за рахунок інтенсифікації тепла в цих апаратах, зменшення рівня забруднень на теплообмінній поверхні та прогнозування їх сталої роботи. В дисертації розглянуті питання інтенсифікації процесів теплопередачі та розробки методів прогнозування забруднень теплообмінної поверхі, проектування пластинчастих теплообмінних апаратів та теплообмінних систем з урахуванням локальних особливостей впливу забруднення поверхні теплопередачі на теплопередачу під час експлуатації ПТА. За результатами аналізу існуючих конструкцій теплообмінних апаратів було виявлено, що пластинчасті теплообмінні апарати мають значні переваги над кожухотрубними та мають багато перспектив використання в промисловості. Рух теплоносіїв в каналах складної геометрії, що утворені пластинами з гофруванням, має підвищену турбулізацію, і як наслідок, більший рівень тепловіддачі та меншу схильність до утворення забруднень на поверхні внаслідок більших дотичних напружень на стінці. При аналізі існуючих підходів до оцінки забруднень та фізичних процесів утворення забруднень, було виявлено основні чинники які спричиняють забруднення в пластинчастих теплообмінних апаратах, встановлено механізм їх утворення, вивчено існуючі моделі та підходи до прогнозування процесу утворення забруднень у часі на теплообмінній поверхні. Аналіз літературних джерел показав, що основним чинником, який спричиняє забруднення на теплообмінній поверхні ПТА є осадження звішених часток та утворення накипу. Для прогнозування термічного опору забруднень у часі, застосування порогової моделі, запропонованої Ебертом та Панчаятом, дозволяє знайти той критичний рівень забруднень, після якого забруднення не збільшуються, і дозволить створити графіки експлуатації ПТА з прогнозуванням періоду роботи між очищенням (міжсервісні інтервали). Зазначені існуючі фізико-математичні моделі утворення забруднень на теплообмінній поверхні були розроблені для кожухотрубчастих апаратів з каналами круглої форми, тому створення математичних моделей теплових та гідравлічних процесів забруднень у каналах ПТА складної форми з урахуванням геометричних параметрів теплообмінних пластин і природи забруднень є актуальною задачею, рішення якої дозволить прогнозувати динаміку сталої роботи ПТА. Для цього необхідно провести експериментальні дослідження з аналізом стану шару забруднень у часі для різних теплоносіїв та розробити математичну модель утворення забруднень уздовж теплообмінної поверхні. На основі порогової моделі утворення забруднень у часі було розроблено математичну модель пластинчастого теплообмінного апарату, схильного до забруднення, яка представлена системою звичайних диференціальних рівнянь. Представлена математична модель дозволяє аналізувати продуктивність ПТА в умовах забруднення поверхні теплопередачі і визначати параметри процесу в часі з урахуванням впливу геометрії гофрування пластин, що дозволяє використовувати цей підхід для збільшення рекуперації тепла у теплообмінному апараті. Намагання досягнути бажаного результату простим додаванням пластин з однаковим кутом нахилу гофр β до основного напряму потоку, в певних умовах, не приводить до бажаного ефекту, так як в той же час збільшується тепловий опір відкладення і після деякого часу роботи він може стати набагато більш значним, ніж в ПТА з меншим числом пластин. Однак такий захід на деякий проміжок часу може зменшити падіння тиску в ПТА. Використання пластин з більш високим кутом β може бути кращим в умовах забруднення водою, оскільки навіть при більш високому падінні тиску в чистому ПТА, його (падіння тиску) збільшення може бути менше, ніж при більш низькому куті β з розвитком відкладення, що призводить до того ж падіння тиску після деякого часу роботи ПТА. У той же час кількість рекуперованого тепла буде набагато вище при застосуванні розробленої моделі ніж при звичайному додаванні пластин. В роботі розроблено фізико-математичну модель, яка враховує розподіл параметрів процесу теплопередачі вздовж каналу ПТА, що дозволяє прогнозувати розвиток забруднення в часі в різних місцях уздовж довжини каналу. Розвиток шару відкладень враховується моделлю забруднення, яка представлена рівнянням в безрозмірній формі. Відносний вплив різних чинників враховується емпіричними коефіцієнтами, які можуть бути ідентифіковані за даними моніторингу теплових і гідравлічних характеристик ПТА. Модель також дозволяє передбачити зміну втрат тиску в ПТА з розвитком шару відкладення і відповідним зменшенням площі поперечного перерізу каналів. На основі розглянутої математичної моделі проведені випробування продуктивності ПТА з урахуванням виникнення забруднення в умовах діючої випарної установки цукрового заводу і проаналізовані дані випробувань. Досліджуваний ПТА було встановлено на 5-ти ступінчастій випарній станції в процесі виробництва бурякового цукру. Для зменшення витрати первинної пари на заводі використовувалася серія підігрівачів сировини для нагріву рідкого соку з початковою температурою 98 ºC. Щоб мати надійні дані про забруднення, виконується моніторинг ефективності теплопередачі ПТА в період між процедурами очищення теплообмінника М15М з площею теплообміну 93 м². Витрата рідкого соку, перепади тиску і температури теплообмінних потоків контролювалися з початку роботи та були зібрані для тестованого ПТА протягом 15 днів з початку виробничих робіт в рамках сезонної кампанії. Витрата рідкого соку за цей час змінювалася з 71,5 кг/с до 76,5 кг/с. Стабільний режим роботи спостерігався через 96 годин з початку експлуатації. Витрати і температури потоків в різний час з моменту запуску дозволили встановити безрозмірні параметри математичної моделі. ПТА був розібраний для механічного очищення через 15 днів роботи, і були досліджені відкладення забруднення. Було зазначено, що з боку пари-конденсату теплообмінна пластина виявилась практично чистою. На стороні соку спостерігались значні відкладення забруднення, в основному у вигляді накипу. Також були присутні тверді частинки і волокна сировини. Оскільки забруднення і його термічний опір з боку теплоносія були практично відсутні, то для побудови моделі враховувався лише термічний опір забруднення на стороні соку. Параметри запропонованої математичної моделі утворення забруднень були визначені на основі даних промислових випробувань. Розбіжності між отриманими даними випробувань і оціненими по моделі значеннями коливаються в межах ± 8%. Модель оцінює ріст шару відкладень в процесі нагрівання очищеного рідкого соку в пластинчастому теплообміннику. Для застосування моделі в різних умовах необхідні дані моніторингу виникнення забруднення та визначення його параметрів. Як показав приклад, застосування даної моделі може значно збільшити періоди між очищеннями ПТА більш ніж в два рази, а саме до часу проведення планових ремонтів всього підприємства між сезонами роботи. Така реконструкція дозволяє істотно підвищити ефективність теплопередачі і рівень рекуперації тепла на заводі за рахунок простої модифікації існуючого ПТА. Було проведено розрахунки для застосування ПТА для гарячого водопостачання. На основі експериментальних даних із літератури для котельної системи централізованого теплопостачання (ЦТ), яка побудована за «відкритою» схемою, де гаряча вода з крана береться з контуру радіатора. Така система вимагає нагрівати великі обсяги прісної води до температури 60-70 ºC або навіть вище. При застосуванні розглянутої схеми характерне швидке забруднення теплообмінної поверхні, що цінне для вивчення явищ росту забруднення у часі. Експериментальні дослідження проводилися з ПТА типу M10B виробництва Альфа Лаваль. Температура холодної води на вході варіювалася від 7,9 до 9,5 ºC, і її нагрівали до 59 ÷ 61,5 ºC за допомогою гарячої води, при цьому температура поступово підвищувалася від 74 до 98 ºC, щоб підтримувати необхідну температуру холодного теплоносія по мірі зростання шару забруднення. У розробленій моделі геометричні параметри пластини M10B були отримані шляхом заміру геометрії серійної пластини: β = 60º, γ = 0,56, висота каналу ‒ 2,93 мм. Емпіричні параметри запропонованої моделі утворення забруднення були визначені методом найменших квадратів за експериментальними даними для різних швидкостей потоку. Порівняння даних для всіх експериментів з загальними коефіцієнтами теплопередачі, розрахованими за моделлю показали розбіжність розрахункових і експериментальних результатів ± 7%. Це підтверджує достовірність моделі та її здатність прогнозувати поведінку забруднення ПТА в досліджуваному діапазоні швидкостей потоку і температур. При застосуванні ПТА у промисловості найважливішим завданням при проектуванні є забезпечення можливості швидких різноманітних розрахунків теплообмінних апаратів для різних умов використання (за перепадом тиску в апаратах та фізичних властивостей теплоносіїв) з визначенням вартості капітальних вкладень і подальших експлуатаційних витрат. Остання обставина дозволяє на стадії проектування вибрати оптимальний варіант із співвідношення капітальні/експлуатаційні витрати. В дисертаційній роботі представлено розрахунки експериментальної установки на базі ПТА при застосуванні в комунальному господарстві для підігріву водопровідної води для системи ГВП плавального басейну, яку було встановлено на об’єкті. Була розроблена та впроваджена теплообмінна система на базі сучасних ПТА для підігріву річкової води для потреб ХВО ТЕЦ промислового підприємства. Створена математична модель яка використовується для оптимального проектування індивідуальних теплових пунктів для ГВП в пакеті прикладних програм для автоматизації процесу проектування. Підбір ПТА для систем опалення і ГВП здійснюється по паралельній, двоступеневій змішаній і послідовній схемах та враховує утворення забруднень у часі. Практичне значення отриманих результатів дисертаційної роботи для хімічної галузі та комунального господарства полягає в обґрунтованому виборі конструкції та конфігурації пластинчастих теплообмінних апаратів з урахуванням забруднень теплообмінної поверхні. Методика розрахунку термічного опору забруднень в теплообмінному апараті вздовж пластини дозволить врахувати цей чинник на етапі проектування теплообмінного обладнання та вдосконалити систему експлуатації діючого устаткування.