УДК 66-97
Тепловые динамические параметры теплообменника и биоотложения в системе оборотного цикла металлургического агрегата
© , д-р техн. наук, проф., e-mail: *****@***ru; , канд. техн. наук, *****@***com; , e-mail: *****@***ru
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России ». 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 водного охлаждения возникают различные проблемы, связанные с отложением на стенках теплообменных аппаратов накипи, биологических образований, коррозии металлических элементов систем и т. д. [1, 2]. Эти отложения, как известно, вызывают различные осложнения в работе систем, в частности, приводят к ухудшению условий теплопередачи, что приводит к снижению эффекта охлаждения, нарушению работы теплообменных аппаратов и систем охлаждения в целом.
Для стабилизации работы систем водного 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 теплообменных аппаратов пластинчатого типа. Для решения этих проблем применяют различные методы обработки охлаждающей воды, преследующие цели предотвращения накипи, биоотложений и коррозии металлических элементов.
Определенные сложности в работе охлаждающих систем могут создавать биоотложения, что обусловливает наличие 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 распространение, 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 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 108Ч3 мм выполняется из стали Х18Н10Т, внешняя труба размерами 168Ч6,5 мм – из стали 20. По внутренней трубе циркулирует загрязненная вода заводского оборотного цикла, расчетный расход G1 = 40 м3/ч, температура на входе t1' < 35 °С. В кольцевом зазоре по замкнутому контуру циркулирует вода, охлаждающая основное оборудование, расчетный расход G2 = 50 м3/ч, температура на входе t2' < 80 °С. Схема движения теплоносителей – противоток. Теплообменник выполнен из четырех секций длиной около 18 м каждая. Площадь теплообменной поверхности F = 22,4 м2.
В процессе эксплуатации оборудования выяснилось, что на внутренней поверхности центральной трубы (d1 = 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 t1', t2' и выходе t1'', t2'' (см. рис. 1).
Общее состояние теплообменной поверхности контролируется путем вычисления удельного термического сопротивления R. При этом используются соотношения [3]
R = FДt/Q1, м2·°С/кВт; (1)
Q1 = c1G1(t1'' – t1'), кВт; (2)
, (3)
где Дt – среднелогарифмическая разность температур; Q1 – теплота, переданная охлаждающей воде; с1 – удельная теплоемкость охлаждающей воды.
Для расчетных значений параметров теплообменника получено R = 0,65 м2·°С/кВт. Суммарный коэффициент теплопередачи равен
бУ = 1/R = 1,54 кВт/(м2·°С).
Эта величина почти на два порядка превышает значения суммарных коэффициентов теплопередачи, получаемых в газовых теплообменниках [3]. По сравнению с такими теплообменниками как пластинчатые и винтовые, предлагаемый теплообменник по интенсивности теплообмена уступает, 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 бУ вполне соответствует этому коэффициенту в широко используемых в теплотехнике емкостных и кожухотрубных подогревателях.
В ходе длительной эксплуатации теплообменных 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 к исходному расчетному состоянию.
Таким образом, наблюдениями 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, как выяснилось, 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 kзап должен составить 3,5. Однако он может быть значительно снижен (например, до kзап = 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.
Библиографический список
1. , , Водоподготовка. М. : Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. 656 с.
2. , , и др. Водоснабжение металлургических предприятий. Уч. для вузов / Под ред. . Екатеринбург : УрФУ, 2011. 262 с.
3. , , и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Уч. для вузов / Под ред. . М. : Металлургия, 1993. 368 с.
4. , Ласыченков решение проблем теплообмена // Экология и промышленность России. 2004. № 6. С. 18–19.
5. Кудинов . Уч. пособ. М. : ИНФРА-М, 2011. 336 с.
Подрисуночные
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 G1 и расхода воды на охлаждение основного оборудования G2 соответственно; 5 – датчики температур t1', t1''; 6 – датчики температур t2', t2''; 7, 8 – расходомеры воды G1 и G2 соответственно; 9, 10 – вторичные приборы измерения температуры; 11 – вычислительное устройство определения удельного термического сопротивления
Рис. 2. Динамика удельного термического сопротивления теплообменной поверхности (данные за период с 1.06 по 1.08 отсутствуют в связи с ремонтом основного оборудования)
Термическое сопротивление, м2·°С/кВт
1 фев
16 фев
2 мар
17 мар
1 апр
16 апр
1 май
16 май
31 май
30 июл
14 авг
29 авг
13 сен
28 сен
13 окт
28 окт
12 ноя
27 ноя
DYNAMICAL PARAMETERS OF HEAT EXCHANGERS AND BIOLOGICAL SILT IN COOLING WATER WORKING CYCLES OF METALLURGICAL SYSTEMS
© Lisienko V. G., Dr Sci. (Eng.); рrof.; Malikov Yu. K., Cand. Sci. (Eng.); Titaev Al. A.
A new structure of heat exchanger for cooling water working cycles in metallurgical systems is proposed. Design and modes features for this heat exchanger are presented. Specific thermal resistance was considered as a basis parameter. The values of this parameter have been estimated and evaluated for a large operation period. The cases of increasing thermal resistance with time from the biological silt were revealed. An effect of self-cleaning of heat surfaces was observed. The propositions for increasing efficiency of heat exchanger аre presented.
Keywords: heat exchanger; cooling water in metallurgical systems; thermal resistance; biological silt.
