ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ _________________________________________________________________________________ Интегрированные технологии и энергосбережение 2’2005 12 УДК 66.045.001:536.423.4 Товажнянский Л.Л., Арсеньева О.П., Капустенко П.А., Хавин Г.Л. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЛАСТИНЧАТЫХ ПАРОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ Стратегия энергосбережения предусматривает разработку и внедрение высоко- эффективного теплообменного оборудования, в том числе и использующую энергию пара. Пластинчатые паровые теплообменники получили достаточно широкое распро- странение в различных областях промышленности, благодаря своим высоким тепловым характеристикам, простотой обслуживании и эксплуатации. Установка таких аппаратов требует на стадии проектирования учитывать специфику их эксплуатации. К этим фак- торам можно отнести наличие высокого КПД теплообменных пластинчатых аппаратов и необходимость регулирования давления пара. Кроме того, существуют достаточно важные моменты при проектировании, связанные с деаэрацией поверхности нагрева, отвода конденсата и установка конденсатоотводчиков, дренажа паропроводов, высу- шивания пара и т.д. Применение пластинчатых теплообменников, использующих в ка- честве теплоносителя пар, требует, в свою очередь, создания достоверных и надежных методик расчета в широком диапазоне тепловых нагрузок и температур, а также тща- тельное обоснование и прогнозирование эксплуатации таких аппаратов в промышлен- ности и коммунальной энергетике. Для расчета пластинчатых теплообменников, использующих конденсацию пара, разработана методика и математическое обеспечение [1,2]. Благодаря своей эффектив- ности пластинчатые теплообменники находит все более широкое применение в процес- сах конденсации хладагентов, в частности в аммиачных холодильных установках. Об- зор работ по проблемам конденсации хладагентов можно найти в [3]. Применительно к аммиаку, в [4] представлены две серии экспериментов с высоким (60°) и низким (30°) значением угла наклона гофр. Показано, что пластины с низким углом наклона гофры дают более высокий коэффициент теплопередачи, чем с углом 60°. В [5] приведены ре- зультаты по конденсации и аммиака для различных типов пластин теплообменников. Коэффициент теплопередачи получился от 1,5 до 4 раз больше, чем для сравниваемой гладкой трубы. Аналогичные исследования и результаты приведены в [6] для конден- сации хладагентов в компактных паяных теплообменниках. При использовании пластинчатого парового теплообменника, как и других ти- пов теплообменных аппаратов, работающих на паре, существуют несколько методов регулирования, применение которых зависит от конкретных условий работы теплооб- менника. К факторам, определяющим выбор того или иного метода регулирования, прежде всего, необходимо отнести: тип, параметры и конструкцию пластинчатого теп- лообменника; давление пара, поступающего в теплообменный аппарат; общее обратное давление на выходе конденсата из теплообменника; какой из параметров – расход пара или разность выходной и входной температуры нагреваемого теплоносителя изменяет- ся во время работы. Выбор метода регулирования работы парового пластинчатого теп- лообменника зачастую во многом определяет эффективность его эксплуатации. Целью настоящей работы является разработка методики проектирования и мо- делирование работы пластинчатого аппарата с регулированием, а именно решение двух задач: ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ _________________________________________________________________________________ Интегрированные технологии и энергосбережение 2’2005 13 – подбор теплообменника данной марки, с заданной из технических условий, площадью конденсации по длине пластины (не менее 50 %), – расчет теплообменного аппарата с заданной температурой выходящего из теп- лообменника конденсата. Решение этих задач дает возможность значительно расширить область примене- ния паровых пластинчатых аппаратов для различных условий эксплуатации и упро- стить их выбор. Это также позволяет моделировать работу вспомогательного оборудо- вания, обеспечивающего функционирование теплообменника в автоматическом режи- ме, и просчитать работу аппарата в переходных режимах. Главной особенностью конденсации в каналах паровых пластинчатых теплооб- менников является тот факт, что движение пара сверху вниз приводит к тому, что пленка конденсата внизу всегда плотнее и теплообмен ухудшается. Преимуществом такого процесса является снижение опасности гидравлического удара для паровых ре- гулируемых пластинчатых теплообменников. Конденсат находится при температуре, которая ниже чем температура, соответствующая давлению насыщенного пара. Это яв- ление переохлаждения конденсата требует гарантированного его удаления из теплооб- менника, во избежание его застоя в нижней части каналов. В самом плохом варианте застой конденсата может привести к запиранию теплообменника. На практике проис- ходит снижение коэффициента теплопередачи и сильное охлаждение конденсата. Ино- гда это явление используется для увеличения съема тепла, но чаще всего переохлажде- ние конденсата является следствием пленочной конденсации в каналах пластинчатого теплообменника. Обычный способ регулирования температуры для имеющегося теплообменника заключается в установке клапана регулирования температуры на входе греющего пото- ка. Регулирование осуществляется путем изменения перепада давления по нагреваемой стороне. Расчет парового теплообменника в этом случае производится с некоторым за- пасом поверхности. Правильно подобранный теплообменник имеет завышение поверх- ности не более 15 %. Регулирование потока основного пара применяется, когда жестко фиксируется 100 % расход нагреваемого теплоносителя в процессе работы, т.е. теплообменник рабо- тает в режиме подогревателя. Поток пара (а значит и его давление) регулируется двух- ходовым регулирующим клапаном на подаче пара в теплообменник. Регулирующий сигнал на привод клапана подается датчиком, который установлен на выходной маги- страли нагреваемого теплоносителя. Для удаления конденсата на выходе греющего теплоносителя из пластинчатого теплообменника устанавливается конденсатоотводчик. На рис. 1 представлена схема с регулированием потока основного пара. Такая схема регулирования нашла самое широкое распространение благодаря простоте исполнения и надежной работе. Основным ее технологическим преимуществом является быстрое реагирование на изменение тепловой нагрузки. К недостаткам относят тот факт, что при увеличении давления в конденсатной системе или резком изменении параметров нагреваемого теплоносителя может произойти запирание (остановка) теплообменника. Иногда, во избежание остановки теплообменника, применяется регулирование потока основного пара с активным отводом конденсата. В такой установке выход конденсата оборудуется автоматическим насосным конденсатоотводчиком или комбинацией насос, а затем установленный последовательно конденсатоотводчик. Установленный замкнутый контур выравнивает давление внутри корпуса насоса и на выходе из теплообменника, что дает возможность конденсату вытекать из тепло- обменника к корпусу насоса. Когда давление на выходе из теплообменника больше, ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ _________________________________________________________________________________ Интегрированные технологии и энергосбережение 2’2005 14 чем обратное, то конденсат вытекает из теплообменного аппарата самотеком. Если дав- ление на выходе конденсата ниже обратного, то включается насос и конденсат выкачи- вается. Такая схема, помимо гарантированного удаления конденсата, позволяет рабо- тать теплообменнику при низком давлении греющего пара и более высоком обратном давлении. Рисунок 1 – Схема с регулированием расхода основного пара Обычно установка насоса для принудительного удаления конденсата рекомен- дуется, когда по техническим условиям имеется низкая температура греющего тепло- носителя, следовательно, и давление или же для понижения объема пара самоиспаре- ния, полученного в конденсатной системе. Рисунок 2 – Схема с установкой трехходового регулятора При низком давлении греющего пара (< 0,1 МПа) достаточно эффективным спо- собом регулирования работы теплообменника является установка трехходового регуля- тора по стороне нагреваемого теплоносителя. На рис. 2 представлена схема с установ- кой трехходового регулятора. Трехходовой кран смешивает нагреваемый теплоноси- тель из подачи с нагретым потоком из теплообменника, обеспечивая требуемую конеч- ную температуру на выходе. При этом в качестве греющего теплоносителя подается пар постоянного давления, что является одним из основных преимуществ данной схе- мы. К недостатку относят то, что нагреваемый теплоноситель в теплообменнике дол- жен оставаться при давлении, необходимом для предотвращения кипения жидкости. ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ _________________________________________________________________________________ Интегрированные технологии и энергосбережение 2’2005 15 Если это вода, то нагреваемая сторона должна находиться при давлении, по меньшей мере, равном или желательно большем, чем давление основного пара. Рисунок 3 – Схема с установкой регулирующего клапана на выходе конденсата из теплообменника На рис. 3 представлена схема с установкой регулирующего клапана на выходе конденсата из теплообменника для регулирования уровня конденсата внутри теплооб- менника. Работа клапана (его закрытие и открытие) изменяет уровень конденсата в теплообменном аппарате по высоте пластины. Обычно при расчетной нагрузке допус- кается уровень конденсата в пределах до 50 % от высоты пластины (поверхности теп- лообмена). Степень переохлаждения конденсата напрямую связана с величиной по- верхности теплообмена. Главными преимуществами такой схемы являются: уменьшение пара самоиспа- рения за счет переохлаждения конденсата; имеющееся постоянное давление защищает аппарат от остановки; используется регулирующий клапан меньшего типоразмера. Ос- новным недостатком считается наличие некоторого запаздывания при изменении теп- ловой нагрузки по стороне нагреваемого теплоносителя. Данную схему рекомендуют применять, когда по стороне нагреваемого теплоносителя имеется стабильная большая тепловая нагрузка и давление пара не более 0,5 МПа, а также когда присутствие пара самоиспарения нежелательно. Основу представленных методов регулирования составляет использование двухходового регулирующего клапана, который устанавливается либо на входе пара в пластинчатый теплообменник, либо на выходе конденсата. В первом случае он осу- ществляет изменение расхода и давления пара, поступающего в теплообменник, во втором регулирует уровень конденсата внутри аппарата. Рассмотрим установку пластинчатых теплообменников в аммиачном холодиль- ном цикле. Аммиак, с расходом 6220 кг/ч, поступает из компрессионного отделения с температурой 114 ºС и давлением ~ 11 атм. на конденсацию. Выходная температура аммиака из теплообменного аппарата равна 28 ºС, что практически совпадает с темпе- ратурой насыщения при давлении 11 атм., равной 27,7 ºС. Фактически проектируемый теплообменник работает на охлаждение газообразного аммиака. Предусмотрено охла- ждение водой со средней температурой входа 25 ºС и выхода 70 ºС, с расходом ~ 6200 кг/ч. В результате расчета на эту позицию был выбран пластинчатый полусвар- ной одноходовый теплообменный аппарат производства фирмы «Альфа Лаваль» марки ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ _________________________________________________________________________________ Интегрированные технологии и энергосбережение 2’2005 16 М15М, с компоновкой 31Н пластина по стороне аммиака и 30Н пластин по стороне охлаждающей воды. Потеря давления по стороне аммиака принималась не более 50 кПа. Рисунок 4 – Общая схема установки пластинчатых теплообменников для охлаждения аммиака С другой стороны существует возможность получения дополнительной теплоты путем частичной 20 % конденсации имеющегося количества аммиака. Для этого ис- пользуется водопроводная (в условиях зимы) или артезианская вода (в условиях лета). Вода нагревается с 5 ºС до 25 ºС в условиях зимы с расходом воды на конденсацию ам- миака равным ~ 17300 кг/ч. В результате расчета получен теплообменный аппарат мар- ки М15М, с компоновкой 14L пластин по стороне аммиака и 15L пластин по стороне охлаждающей воды. Потеря давления по стороне аммиака принималась не более 25 кПа. Для условий лета, когда используется артезианская вода с исходной температу- рой 12 ºС, работает тот же теплообменный аппарат, но расход воды возрастает до 26600 кг/ч. Нагретая в теплообменнике, конденсирующем аммиак, вода в количестве ~ 6200 кг/ч подается в теплообменник охлаждения газообразного аммиака, оставшаяся вода ~ 11100 кг/ч поступает на нужды горячего и холодного водоснабжения, как для технологического процесса производства сыра, так и на коммунальные услуги. На об- щей схеме установки теплообменников, представленной на рис. 4, в скобках указаны значений температуры и расхода в условиях летней эксплуатации. В условиях зимы для приготовления 8100 кг/ч горячей воды (нагрев с 25 ºС до 55 ºС) запроектирован пластинчатый двухходовый теплообменник марки М6 с компо- новкой 211МН по стороне греющего теплоносителя и 211ML по стороне нагревае- мого. Потери давления не превышают 50 кПа. В качестве греющего теплоносителя ис- пользуется вода из теплообменника охлаждения газообразного аммиака (рис. 4) с тем- пературой 70 ºС на входе и 30 ºС на выходе из теплообменника. Оставшиеся 3000 кг/ч воды поступают на нужды холодного водоснабжения. В условиях летней эксплуатации, когда начальная температура охлаждающей воды поднимается до 12 ºС количество во- ды на холодное водоснабжение увеличивается до 10200 кг/ч. Таким образом, применение пластинчатых паровых теплообменников в процес- сах утилизации тепловой энергии является эффективным, как с точки зрения экономии тепловой энергии, так и простоты реализации, компактности и капиталовложений. ЭНЕРГЕТИКА ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ _________________________________________________________________________________ Интегрированные технологии и энергосбережение 2’2005 17 Особенно важным является возможность регулирования работы теплообменника, кото- рая учитывается уже на стадии его проектирования. Наиболее перспективным можно считать применение компактных пластинчатых паровых теплообменников с регулированием в качестве соединительного элемента между источником тепла и тепловым насосом, а также между тепловым насосом и теп- лоприемником в технологических процессах. 1. Пластинчатые теплообменники в промышленности / Товажнянский Л. Л., Ка- пустенко П.А., Хавин Г.Л., Арсеньева О.П. – Харьков: НТУ „ХПИ”, 2004.– 232 с 2. Arman B, Rabas T. Condensation Analysis for Plate and Frame Heat Exchangers, HTD-Vol 314, Natl. Heat Transfer Conf., vol. 12, pp.97-104, ASME, New York, 1995. 3. Palm B., Thonon B. Thermal and Hydraulic Performances of Compact Heat Exchangers for Refrigeration Systems, Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industry, ed. R.K. Shah, pp. 455-462, Begell House, New York, 1999. 4. Panchal C.B., Rabas T.J. Thermal Performance of Advanced Heat Exchanger for Ammonia Refrigeration Systems, Heat Transfer Eng., vol. 14, no. 4, pp.42-57, 1993. 5. Kumar H. The Design of plate Heat Exchangers for Refrigerants, Proc. Inst. Refrig., 1991-92.5-1,1992. 6. Navarro J.M., Bailly A. Compact Brazed Plate Heat Exchangers, Heat Exchange Technology: Recent Developments, ed. C. Marvillet, pp. 276-283, Elsevier, Paris, France, 1994. The support of European Community (Project SHERHPA, Contract № COLL-CT- 2004-500229) is sincerely acknowledged. УДК 66.045.001:536.423.4 Товажнянський Л.Л., Арсеньєва О.П., Капустенко П.О., Хавін Г.Л. ОСОБЛИВОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ І РЕГУЛЮВАННЯ ПЛАСТИНЧАСТИХ ПАРОВИХ ТЕПЛООБМІННИКІВ Розглянуто питання встановлення регулюючого клапану при проектуванні теп- лового пункту на базі парового пластинчастого теплообмінника. Наведено різні схеми встановлення двоходового регулюючого клапану. Що гарантують вивід конденсату і забезпечують роботу апарату без зупинки. У якості прикладу розглянуто встановлення парових теплообмінників у аміачному холодильному циклі, у тому разі і як утилізатора теплової енергії. i, iа, ir - соответ- ственно энтальпии паров ам- миака на входе, слабого и крепкого растворов; t, С - шаг поиска для темпера- ту ы крепкого раствора (С) и к - личества Рисунок.1. Обобщен- ная блок- схема ал- го итма ид нтифи- к ции аб- ор ера АХУ: поглощен- н го ам миака (кг/ч). У Д0 Ввод ис- х дных д нных и отбор режимов р боты АХУ для абс рб ра чет значений К, К, К ХVХТ в личин крит риал ь ым урав ен я м б, в ВР Определе ие пока- з т лей R, е функц она ль ых з вис мо- тей R = f(Г) и е = f(u, ) ЗxшщЗ да е ачаль ог о бли- же я М и исх д ых д нных для р сче т по мо- д ли 1 н це тр ц и r и те ф зи ч ких войств а, п р ам и воды ы ис и , , з, К б Т шаг те ра ур t tr= ta - t 1 нtr, i , ia i Ф Y Ы ценка ош к - r / tr С =0,002 = Д + 5, М, М, УУДСР М - М / М  У < 0,00201М М - С+ С в ц е ых к з те е й Да