CC BY
67
ТЕПЛОФИЗИКА, ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.565.9
П. А. Бударин, И. А. Бубликов, С. Б. Кравец
Волгодонский институт (филиал)
Южно-Российского государственного университета (Новочеркасского политехнического института)
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ В ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ДИАГНОСТИРОВАНИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НА НАЛИЧИЕ В НИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Основной концепцией параметрического метода является постоянный или периодический контроль показаний штатных приборов теплообменного аппарата [1], анализ полученных результатов с помощью существующих методик и в конечном счете - определение состояния теплообменной поверхности.
Параметрический метод можно реализовать путем постоянного или периодического контроля с помощью штатных приборов (инструментария) параметров теплообменного аппарата, анализа данных, снятия характеристик и определения толщины отложений. Для определения толщины отложений в теплообменном аппарате необходимо наличие следующего комплекта измерительных средств: расходомеры по обеим средам; термометры на входе и выходе из аппарата; манометры по обеим средам.
С целью увеличения точности измеряемых параметров желательно использовать дифференциальную схему измерения. Таким образом, схема измерения водо-водяного теплообменного аппарата будет выглядеть так, как показано на рис. 1.
а - определение толщины отложений по перепаду давлений по перепаду давлений; б - определение толщины отложений с составлением уравнений теплового баланса
Дополнительно необходимо будет вварить по входным, выходным камерам, по ходам теплообменника гильзы для подключения дифманометров с целью определения гидравлических сопротивлений на соответствующих участках. По такой же схеме можно подключать и дифференциальные термометры. Исходными данными для дальнейших расчетов будут параметры сред на входе и выходе теплообменного аппарата или его ходов: ргр, Дргр, х - соответственно
давление и перепад давления /-го хода греющей среды; рох, Лрох, /х — соответственно давление и перепад давления /-го хода охлаждающей среды; Лрдиф.гр., Лрдиф.ох — перепад давления на суживающем элементе расходомера, установленного на греющей и охлаждающей средах; ^, Л^гр, /х — соответственно входная температура и перепад температуры /-го хода греющей среды; ^гр, Л^гр, х — соответственно входная температура и перепад температуры /-го хода греющей среды.
Параметрический метод можно реализовать по трем направлениям:
1) определение текущего состояния теплообменной поверхности по перепаду гидродинамического сопротивления по ходу аппарата или всего теплообменника;
2) установление критической толщины отложений, при которой происходит катастрофическое зарастание сечения теплообменных трубок;
3) определение текущего состояния теплообменной поверхности с составлением уравнений теплового баланса и дальнейшего поверочного расчета теплообменного аппарата с целью определить текущий коэффициент теплопередачи. Это позволит, на основании коэффициента теплопроводности ^отл, определенного инструментальным методом [2, 3], установить толщину и удельное количество отложений.
В соответствии с первым направлением требуется весьма точно измерить гидравлическое сопротивление теплообменника или отдельно по ходам.
Измеряя перепад давления общий на всём теплообменнике и по ходам в отдельности ДРзагр , расчётным путём можно определить толщину отложений в трубах. Падение давления на одной теплообменной трубке определяется потерей на трение.
АР =£■
тр ^
I
тр
d„
р-Ж2
2
(1)
где dотл и 1тр - внутренний диаметр и длина трубки, занятая отложениями. Схематично это показано на рис. 2.
Рис. 2. Схема трубки, покрытой отложениями
Разность перепадов давлений чистой и загрязненной поверхностей характеризует потери динамического напора, обусловленные ростом толщины отложений на гидродинамику:
р-О 2
чист 2 2
Р - П
1
Л
d з4аго загр
d
тр у
Решая это уравнение относительно 5отл, получим толщину отложений
8 = .
отл 2
(
А АР
2 -АРзагр -АРчист
(2)
4
1
4
где А - это отношение коэффициентов гидравлического сопротивления загрязненного ^еагр и чистого £,чист теплообменника. Для подогревателей сырой воды А = 0,75 [2], для конденсаторов А = 0,62 [3].
Как показывает опыт эксплуатации, в некоторых теплообменных аппаратах удельное количество отложений может достигнуть такой величины, когда происходит полное перекрытие сечения, поэтому важным в параметрическом диагностировании является определение такого уровня толщины отложений, когда теплообменный аппарат необходимо отключать на очистку. Условием критического значения удельного количества отложений в теплообменных трубках является выражение [1, 2]:
£крит
Рс
4С„
тр
тр
8^трРВ '1 тр
2/5
Л
4/5 Л
п
-,/Др
(3)
В сснсве третьего метода лежат известные зависимости определения текущей эффективности работы теплообменного аппарата с помощью уравнений теплового баланса между греющей и обогреваемой средой. Сравнение текущего кт и начального кн коэффициента теплопередачи позволяет определить интенсивность образования отложений. Из уравнения для определения коэффициента теплопередачи для плоской стенки можно выразить:
(
1
V к т
1
а,
_1
а1
л
= 1 уп -(1 - П )-
(
11
\
V к т кн у
Ч ст 2
А удельное количество отложений можно записать следующим образом:
(4)
£ = ^тл 'Руп (1 -П)-
(
А£л
1
а,
5с
1 с
1
л
а
2 У
(5)
В формулах (4) и (5) руп, - соответственно плотность и теплопроводность уплотненных
(монолитных) отложений, руп = 2 400 кг/м , ^уп = 0,15-0,6, в зависимости от солесодержания пресноводного источника [1, 2].
Характер изменения толщины и удельного количества отложений, изменение текущего коэффициента теплопередачи в соответствии с формулами (4) и (5) представлено на рис. 3, а, б.
^"отл >
кг/м2
4
3
2
1
0
1,5 2 6<
а
3 ; і / 1 1 1 \ к0 = 1 000 Вт/(м ■ К)
\ /кп = 5 000 Вт/(м2-К)
V *о=Ю 000 Вт/(м2-Ю
* \ Х4
\/ /
0,2 0,4
б
0,6
0,8
кт/кп
Рис. 3. Характер зависимости параметров отложений от изменения текущего коэффициента теплопередачи: а - толщины; б - удельного количества
Основными проблемами метода являются следующие:
1. Не все теплообменные аппараты оснащены достаточным количеством средств измерений. Зачастую контролируются только температура и давление. Для того чтобы методика заработала, необходимо контролировать расход хотя бы по одной из сред.
2. Значение коэффициента теплопроводности, входящее в формулы (4) и (5), необходимо определять инструментальными методами [2, 3].
3. Для параметрического метода диагностирования теплообменных поверхностей предпочтительней метод определения толщины отложений, рассчитанной по перепаду давлений (2), т. к. для этого используется одно средство измерения, погрешность которого не превышает ±1,5 %. Однако обстоятельства, указанные в пункте 1, могут привести к ошибке в расчете толщины отложений по зависимости (2) в пределах 25 %. Это связано с тем, что значение расхода приходится определять из уравнения теплового баланса теплообменника. Примерно такую же суммарную погрешность дает и расчет толщины отложений, определенной по их термическому сопротивлению в соответствии с зависимостями (4) и (5), т. е. ±23 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бударин П. А. Диагностирование отложений на поверхностях теплообмена конденсаторов турбин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-20.: Сб. тр. XX Междунар. науч. конф.: В 10 т. - Т. 4. - Ярославль, 2007. - С. 59-63.
2. Бубликов И. А. Загрязнение теплообменного оборудования ТЭС и АЭС (структуры и механизм образования отложений, способы борьбы). - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. - 232 с.
3. Бударин П. А. Инструментальные методы диагностирования отложений в оборудовании ТЭС и АЭС. Повышение эффективности производства электроэнергии: Материалы V Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 26-28 окт. 2005 г. - Новочеркасск, 2005. - С. 121-124.
Статья проступила в редакцию 12.12.2006
MAIN CONCEPTS IN PARAMETRIC DIAGNOSTICS OF HEAT-EXCHANGING DEVICES FOR CONTAMINATION REVEALING
P. А. Budarin, I. А. Bublikov, S. В. Kravets
The authors of the article have worked out reliable parametric methods of diagnosing allowing to make operative diagnosing of heating surface depositions of heat-exchangers. These parametric methods of diagnosing are presented in the paper by two directions: determination of current conditions of the heating surface based on the pressure difference on a heat-exchanger; and determination of deposition thickness using the equation of heat-exchanging and heat balance. The techniques allow the operation personnel to plan timely cleaning of heat-exchangers, and to protect against emergency shut-downs connected with super covering of heat-exchanging surfaces with depositions.
