научная статья по теме ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕННИКА И БИООТЛОЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ОБОРОТНОГО ЦИКЛА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АГРЕГАТА Металлургия

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕННИКА И БИООТЛОЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ОБОРОТНОГО ЦИКЛА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АГРЕГАТА»

УДК 66-97

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕННИКА И БИООТЛОЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ОБОРОТНОГО ЦИКЛА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АГРЕГАТА

© Лисиенко Владимир Георгиевич, д-р техн. наук, проф., e-mail: lisienko@mail.ru; Маликов Юрий Константинович, канд. техн. наук, e-mail: uma66b@gmail.com; Титаев Александр Анатольевич, e-mail: alict@mail.ru

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 16.04.2013 г.

Предложена конструкция теплообменника для систем оборотного цикла в условиях охлаждения оборудования металлургического агрегата и определены его конструктивные и режимные параметры. Оценен в промышленных условиях и в динамике базовый параметр теплообменника - удельное термическое сопротивление. Биоотложения на поверхности внутренней трубы теплообменника являются причиной резкого возрастания термического сопротивления. Выявлен эффект самоочищения поверхности и предложены мероприятия по повышению эффективности работы теплообменника.

Ключевые слова: теплообменник; охлаждение оборудования; термическое сопротивление; биоотложения.

При эксплуатации систем оборотных вод и систем водяного охлаждения возникают различные проблемы, связанные с отложением на стенках теплообменных аппаратов накипи, биологических образований с коррозией металлических элементов систем и т.д. [1, 2]. Эти отложения вызывают различные осложнения в работе систем, в частности, приводят к ухудшению условий теплопередачи, что приводит к снижению эффекта охлаждения, нарушению работы теплообмен-ных аппаратов и систем охлаждения в целом.

Для стабилизации работы систем водяного охлаждения применяют различные виды очистки теплообменных аппаратов, но эти меры не обеспечивают нормальной работы аппаратов в периоды между очистками. Особенно большие трудности возникают при эксплуатации тепло-обменных аппаратов пластинчатого типа. Для решения этих проблем применяют различные методы обработки охлаждающей воды, преследующие цели предотвращения образования накипи, биоотложений и коррозии металлических элементов.

Определенные сложности в работе охлаждающих систем могут создавать биоотложения, образующиеся из-за наличия в воде органических веществ и подходящих температурных условий. При этом на стенках аппаратов и труб появляются слизневые отложения (биогенты), на которых могут накапливаться различные неорганические взвеси.

Для борьбы с биологическими обрастаниями в охлаждающих системах наибольшее рас-

пространение, как известно, получила обработка хлором и медным купоросом. Естественно, что использование этих веществ приводит к необходимости дополнительных эксплуатационных затрат, требует сооружения установки хлорирования, системы дозирования хлора, специальных мер по защите окружающей среды и т.д.

Учитывая отмеченные трудности эксплуатации в условиях загрязненных вод для систем оборотных вод сложных теплообменных аппаратов, особенно в условиях металлургического производства, специалистами НИЦ проблем энергосбережения и автоматизации УрФУ им. первого Президента России Б.Н.Ельцина в содружестве с НПП «Газ-Инжиниринг» в условиях охлаждения оборудования действующего агрегата на трубном заводе была разработана и опробована конструкция теплообменника типа «труба в трубе». Такая конструкция в наибольшей степени предотвращает зарастание теплообменных поверхностей, а также способствует применению гидропневматической и акустической обработки поверхностей. Внутренняя труба размерами 108x3 мм выполняется из стали Х18Н10Т, внешняя труба размерами 168x6,5 мм - из стали 20. По внутренней трубе циркулирует загрязненная вода заводского оборотного цикла, расчетный расход О, = 40 м3/ч, ^

1 о

температура на входе Ь1 < 35 °С. В кольцевом за- ™

зоре по замкнутому контуру циркулирует вода, ^

охлаждающая основное оборудование, расчет- ^

ный расход О2 = 50 м3/ч, температура на входе ^

' < 80 °С. Схема движения теплоносителей - Ц

2 «с

противоток. Теплообменник выполнен из четы- |

Рис. 1. Схема определения удельного термического сопротивления R теплообменника в системе оборотного водоснабжения: 1 - внутренняя труба заводского оборотного

цикла; 2 - внешняя труба теплообменника; 3, 4 - датчики расхода воды заводского оборотного цикла С1 и расхода воды на охлаждение основного оборудования С2 соответственно; 5 - датчики температур ^ Ь"; 6 - датчики температур ^ Ь"; 7, 8 - расходомеры воды С1 и С2 соответственно; 9,10 - вторичные приборы измерения температуры; 11 - вычислительное устройство определения удельного термического сопротивления

рех секций длиной около 18 м каждая. Площадь теплообменной поверхности F = 22,4 м2.

В процессе эксплуатации оборудования выяснилось, что на внутренней поверхности центральной трубы (d = 108 мм) периодически накапливаются биоотложения. Их анализ показал, что они труднорастворимы: в растворах на основе минеральных кислот отложения растворяются лишь частично, в щелочной среде - не растворяются. Биоотложения имеют мягкую пастообразную консистенцию и светло-коричневый цвет. Толщина биоотложений достигает 2-3 мм; сцепление с поверхностью нержавеющей стали - слабое.

В заводской АСУ, управляющей основным оборудованием, предусмотрено непрерывное измерение основных параметров теплообменника: расходов воды G1, G2; температуры воды на входе í1í t2' и выходе t2" (см. рис. 1).

Общее состояние теплообменной поверхности контролируется путем вычисления удельного термического сопротивления R. При этом используются соотношения [3]

R = FAt/Q1, м2-°С/кВт; (1)

Q1 = c1G1(t;' - t/), кВт; (2)

{t2-t[)-{i2-t[)

Ai =

(3)

где ДЬ - среднелогарифмическая разность температур; Q1 - теплота, переданная охлаждающей

=с а

U

2,5

2,0

1,5

1,0

и

0J

с а

Si 0,5

2 Сц £ 0,0

и „ с rv сц >s 'S 'S я

■ -&S 2 S si Ц 2 2g

41 м ^ ^ 40 ^ ^ 1П

^ч ^н н со и

н ^

а а „

о о а

0\ СО СО СО СО CN

^ н м н es н

^ ^ Я Д

РЗ И OJ 0J

« «

■ о

Рис. 2. Динамика удельного термического сопротивления теплообменной поверхности (данные за период с 1.06 по 1.08 отсутствуют в связи с ремонтом основного оборудования)

воде; с1 - удельная теплоемкость охлаждающей воды.

Для расчетных значений параметров теплообменника получено R = 0,65 м2-°С/кВт. Суммарный коэффициент теплопередачи равен

а£ = 1/R = 1,54 кВт/(м2-°С).

Эта величина почти на два порядка превышает значения суммарных коэффициентов теплопередачи, достигаемых в газовых теплообменниках [3]. Предлагаемый теплообменник по интенсивности теплообмена уступает пластинчатым и винтовым, но, как отмечалось, при наличии загрязненной воды и биоотложений их использование становится затруднительным. В связи с этим в разработанной конструкции пришлось увеличить диаметр трубы для охлаждающей воды до 108 мм. В то же время аЕ вполне соответствует этому коэффициенту в широко используемых в теплотехнике емкостных и кожухотрубных подогревателях.

В ходе длительной эксплуатации теплооб-менных систем предлагаемого типа было установлено, что фактическое удельное термическое сопротивление периодически (с циклом 1-1,5 мес.) резко возрастает - до 3,5 раз. На рис. 2 в качестве примера представлены характерные данные мониторинга изменения удельного термического сопротивления теплообменника за длительное время эксплуатации (около 9 мес.). Судя по отмеченному выше состоянию теплообменных поверхностей можно считать, что причиной такого резкого увеличения термического сопротивления являются как раз биоотложения на поверхности внутренней трубы теплообменника. В этом случае эффективность

охлаждающего действия теплообменника резко снижается.

На основе расчетов были получены значения удельного термического сопротивления биоотложений и отслежено его изменение в процессе эксплуатации системы. При длительной эксплуатации этот параметр (с циклом 1-1,5 мес.) увеличивается на два порядка и затем возвращается в исходное расчетное состояние.

В ходе наблюдений был установлен очень своеобразный эффект в динамике изменения термического сопротивления, названный нами эффектом самоочищения. Так, с периодичностью около 1-1,5 мес. после постепенного повышения термического сопротивления происходит его снижение до расчетного уровня с последующим повторным возрастанием (см. рис. 2). Можно предположить, что эффект самоочищения является следствием нарастания толщины биоотложений за пределы ламинарного пограничного слоя протекающей воды [5], и в этом случае турбулентные пульсации обеспечивают смыв биоотложений с поверхности труб.

Таким образом, теплообменник предлагаемой конструкции обеспечивает циклическую самоочистку теплообменной поверхности от биоотложений. Тем не менее, в течение длительного времени теплообменная система может находиться в состоянии значительной потери эффективности охлаждения. В связи с этим требуется внести корректировки в расчетные параметры теплообменника. В основном, это введение коэффициента запаса площади теплообменной поверхности. Как следует из оценки динамики суммарных коэффициентов теплоотдачи, коэффициент запаса кзап должен составить 3,5. Однако он может быть значительно снижен (например, до к = 2) при периодической (еженедельной) принудительной очистке теплообменной поверхности в летний

период. Например, может быть использована гидропневматическая очистка теплообменника продолжительностью не более 2 ч, а также методы акустической очистки.

Выводы. 1. Предложен теплообменник для системы оборотных вод металлургического предприятия, определены его конструктивные и расчетные параметры.

2. Оценен в промышленных условиях и в динамике базовый параметр теплообменника -удельное термическое сопротивление (суммарный коэффициент теплоотдачи).

3. Биоотложения на поверхности внутренней трубы теплообменника являются причиной резкого возрастания термического сопротивления по сравнению с расчетным при относительно незагрязненной поверхности трубы. Удельное термическое сопротивление биоотложений увеличивается в процессе эксплуатации на два порядка. Выявлен эффект самоочищения поверхностей теплообменника и предложены мероприятия по повышению эффективности его работы.

Библиографи

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком