Методическое пособие 767

Научный журнал строительства и архитектуры

Значительная часть территории РФ расположена в зонах резко и умеренно континентального климата. Отопительный период может длиться от 72 до 365 суток. Для создания благоприятных условий труда и отдыха людей применяются системы теплоснабжения. В настоящее время в РФ эксплуатируется свыше 500 крупных источников тепловой энергии (атомные электростанции, тепловые электроцентрали, котельные мощностью свыше 58 МВт) [17].

За 2017 календарный год, по данным Минэнерго, в РФ было произведено 4,94·108 Гкал тепловой энергии, что на 13 % больше, чем за предыдущий год [14].

Основным видом теплообменного оборудования при производстве тепловой энергии являются кожухотрубные и пластинчатые теплообменные аппараты (рис. 1). Такое оборудование применяется в ТЭС и АЭС, котельных, центральных и индивидуальных тепловых пунктах.

-

Рис. 1. Кожухотрубный (а) и пластинчатый (б) теплообменные аппараты

Использование пластинчатых теплообменников связано с трудностями в эксплуатации и ремонте. В первую очередь происходит зарастание теплообменных поверхностей. Слой накипи толщиной 0,3 мм приводит к снижению коэффициента теплопередачи в 2,5 раза по сравнению с расчетным [2, 8]. Предотвратить зарастание поверхностей возможно добавлением в систему горячего водоснабжения ингибитора накипеобразования — оксиэтилидендифосфоновой кислоты [9].

Очистку пластин теплообменника, разборку и сборку должна производить бригада численностью не менее 2-х человек с применением специального оборудования. При этом повреждаются резиновые прокладки (материал EPDM) сложной формы, которые требуют замены при частой (3 и более раз) разборке аппарата. Стоимость прокладок может составлять 30—70 % от стоимости нового аппарата, а срок службы резиновых уплотнений на практике около 3—5 лет. Таким образом, уже за 5 лет эксплуатации придется заменить EPDMуплотнения минимум 1—2 раза.

Традиционно в системах теплоснабжения РФ более широко применяются кожухотрубные теплообменные аппараты, для которых характерны сравнительно невысокое гидравлическое сопротивление, возможность использования рабочих сред с разными агрегатными состояниями (в греющем контуре — пар, в нагреваемом — вода, и наоборот). Также эти аппараты могут работать на воде с повышенной жесткостью (свыше 700 мкг-экв/л), температурой (до 550°) и высокими давлением (до 14 МПа). Стоит отметить, что для кожухотрубных теплообменников толщина отложений0,3 ммснижает коэффициент теплопередачи всего лишь на 10 %.

Таким образом, при анализе преимуществ и недостатков теплообменных аппаратов представляет интерес интенсификация теплообменных процессов в кожухотрубных аппаратах для увеличения их производительности.

1. Теоретическое обоснование интенсификации теплообмена изменением геомет-

рии теплообменной поверхности. В РФ и за рубежом активно проводятся исследования в сфере интенсификации тепловых процессов в кожухотрубных теплообменных аппаратах.

60

Интенсификация теплообмена рассмотрена в работе Алхасовой Д. А. [1]. Изучена эффективность метода продольного оребрения теплообменной трубки: удалось добиться повышения теплового потока в 4—5 раз по сравнению с неоребренной поверхностью. Однако при увеличении количества продольных ребер растет и гидравлическое сопротивление.

Вработе [12] рассмотрен кожухотрубный теплообменный аппарат, в котором произведена замена блока обычных опорных перегородок (перпендикулярных оси аппарата) на винтовую. Это способствует повышению теплопередачи в 1,4 раза по сравнению с серийным аппаратом, производимым по ГОСТ 24590-2005. Но при этом необходимо учитывать сложность в изготовлении аппарата, а также весьма высокое гидравлическое сопротивление при больших скоростях рабочей среды в межтрубном пространстве.

Вработе Г. А. Круглова и В. В. Бакунина [6] предложено применение гладкой трубы, изогнутой в виде спирали, что увеличивает теплоотдачу от греющего теплоносителя к стенке трубы до 1,5 раз.

ВБелорусском государственном технологическом университете [7] были проведены экспериментальные исследования по продольному обтеканию теплообменной трубки с выемками на наружной поверхности. Это позволило увеличить теплообмен в 1,39 раза, однако при зарастании выемок теплоотдача значительно снижалась.

Во многих странах (США, Канаде, Великобритании, Германии, Франции, Индии, Китае, Ираке) активно ведутся теоретические и экспериментальные исследования по повышению эффективности работы кожухотрубных теплообменных аппаратов [18, 19]. В основном предлагаются оригинальные технические решения, направленные на повышение турбулизации потока жидкости как у нагреваемой, так и у охлаждаемой поверхности (в греющем и нагреваемом контурах).

Китайскими специалистами М. Джин, Х. Лиу, К. Ванг проводилось исследование кожухотрубного теплообменного аппарата с гладкими трубками и модернизированными перегородками, которые представляли собой круг с чередующимися через 60° секторами [16]. Угол секторов составлял также 60 °. Цель эксперимента заключалась в исследовании коэффициента теплопередачи и гидравлического сопротивления. Согласно результатам, коэффициент теплопередачи с применением таких перегородок возможно увеличить на 6,8 % (по сравнению с обычными перегородками). Недостаток данного технического решения состоит

всложности изготовления такого аппарата.

ВИране Ашкан Алиморади разработан и исследован кожухотрубный теплообменный аппарат со спиральными теплообменными трубками. Установлено, что теплообменная трубка будет тем больше отдавать тепло, чем меньше радиус ее закручивания [20]. Таким образом, коэффициент теплопередачи аппарата со спиральной трубкой возможно повысить на 6 %. Но стоит отметить, что в этом случае площадь поперечного сечения трубного пространства будет намного меньше, чем с прямыми трубками, что повлечет увеличение габаритов аппарата.

Представляет интерес интенсификация процессов теплообмена нагреваемой жидкости в кожухотрубных теплообменных аппаратах способом турбулизации, когда преимущество пластинчатых аппаратов — турбулизацию жидкости — предлагается использовать для конструкций кожухотрубных, с экономичностью, простотой и удобством в эксплуатации и ремонте.

Количество тепловой энергии, которая передается от нагретого твердого тела к жидкости

более низкой температуры, зависит от характера обтекания этого тела жидкостью. По расчетам А. А. Жукаускаса [5], в области чисел Рейнольдса (для плоских поверхностей) 2·103—104 при степени турбулентности потока нагреваемой жидкости Tu = 10 % увеличение теплоотдачи составляет 20—25 %.

Также в классических работах А. А. Жукаускаса, Г. Шлихтинга [5, 15] установлено, что при обтекании потоком жидкости цилиндра, начиная с Re = 60, за кормовой частью образуется зона завихрений. При Re = 5000 и выше за кормовой частью существует поток жидкости с высокой турбулизацией.

61

Научный журнал строительства и архитектуры

Важно отметить, что в ламинарном подслое перенос теплоты от стенки к жидкости (или наоборот) осуществляется теплопроводностью. И чем толще ламинарный подслой, тем меньше теплоты через него передается основному потоку. Следовательно, уменьшение толщины ламинарного подслоя жидкости у пластины способствует увеличению передачи тепловой энергии (повышению коэффициента теплоотдачи) через этот слой.

Известно, что коэффициент теплоотдачи от пластины к жидкости , Вт/(м²·°С), определяется по формуле:

где λ — коэффициент теплопроводности тела, Вт/(м·К); Nu — число Нуссельта; l — определяющий геометрический параметр поверхности (для пластины — длина, м, для цилиндра — его диаметр, м).

Число Нуссельта Nu при обтекании жидкостью пластины рассчитывается для турбулентного режима по формуле:

где Reж, l — число Рейнольдса, которое повышается с появлением турбулизации потока жидкости; Pr — число Прандтля.

Для цилиндра число Nu зависит от турбулизации обтекаемой жидкости:

где Tu — коэффициент турбулизации жидкости, обтекающей цилиндр, %.

Из (3) следует, что при увеличении чисел Reж, l, Pr, а также с ростом турбулизации [4] увеличивается число Nuж, l в процессе обтекания жидкостью пластины. А для цилиндра, исходя из зависимости (4), число Nu увеличивается при повышении чисел Tu, Re и Pr. Тогда из (2) следует, что при повышении Nu растет и коэффициент теплоотдачи . Таким образом, для интенсификации теплообмена в кожухотрубном теплообменном аппарате необходимо повысить турбулизацию потока жидкости, обтекающей теплообменную поверхность.

Учитывая результаты [5, 15], нами предложена схема теплообменной поверхности (рис. 2), которая состоит из пластины и круглого полуцилиндра. При поперечном обтекании круглого полуцилиндра образуется зона повышенной турбулизации потока. На пластине происходит уменьшение толщины ламинарного подслоя жидкости у пластины, что в конечном итоге приводит к увеличению передачи тепловой энергии через этот слой.

2. Практическая значимость, результаты экспериментальных исследований.

Предложена оригинальная конструкция кожухотрубного теплообменного аппарата, особенностью которой являются теплообменные трубки, оснащенные пластинами 2 с расположенными на них ребрами 3 цилиндрической формы [13]. Это позволяет увеличить теплообменную поверхность и создать дополнительную турбулизацию потока нагреваемой жидкости при обтекании этих ребер (рис. 3).

62

l

На основе теоретических исследований разработана полупромышленная установка, а также интенсивный кожухотрубный теплообменный аппарат (рис. 4) [10].

Рис. 4. Незавивисимая система отопления многоэтажного жилого дома:

1 — подающий трубопровод от источника теплоснабжения; 2 — циркуляционный насос; 3 — регулирующее устройство; 4 — расходомер; 5 — термометр;

6 — подающий трубопровод от теплообменного аппарата; 7 — потребители; 8 — обратный трубопровод от системы отопления; 9 — интенсивный кожухотрубный

теплообменный аппарат; 10 — обратный трубопровод к источнику теплоснабжения; 11 — источник теплоснабжения; 12 — отключающее устройство; 13 — манометр; 14 — тепловычислитель

Установка разделена на 2 контура:

I. Греющий: источник тепловой энергии (11) — теплообменный аппарат (9) — источник тепловой энергии (11);

II. Нагреваемый: теплообменный аппарат (9) — потребитель (7) — теплообменный аппарат (9).

Для проведения опытов использовался натурный полупромышленный кожухотрубный теплообменный аппарат. Параметры аппарата представлены в табл. 1.

Целью эксперимента является:

исследование коэффициента теплопередачи аппарата К, Вт/(м² °С), с измененной геометрией поверхности теплообмена при сезонном изменении среднего температурного напора tср;

сравнение коэффициентов теплопередачи: аппарата с измененной геометрией поверхности теплообмена и серийного аппарата.

63

Научный журнал строительства и архитектуры

Средний температурный напор согласно СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов» определяется по формуле

t02 t2

где t1 — температура воды в подающем трубопроводе греющего контура (на входе в аппарат), °С; t2 — температура воды в обратном трубопроводе нагреваемого контура (на входе в аппарат), °С; t01 — температура воды в подающем трубопроводе нагреваемого контура (на выходе из аппарата), °С; t02 — температура воды в обратном трубопроводе греющего контура (на выходе из аппарата), °С.

Необходимо отметить, что средний температурный напор является основным параметром для сравнения двух аппаратов — серийного и исследуемого.

Планирование эксперимента основано на температурных графиках источника тепловой энергии и потребителя для низкотемпературных систем теплоснабжения Белгородской области. В данном регионе началу и окончанию отопительного периода соответствует среднесуточная температура наружного воздуха tнв +8 °С, а температура наружного воздуха самой холодной пятидневки (для проектирования систем отопления) составляет -23 °С. Таким образом, необходимо исследовать теплообменный аппарат при температурах в подающем трубопроводе источника тепловой энергии, соответствующих tнв +8 и -23 °С, а также нескольким промежуточным значениям tнв.

На основании температурного графика источника тепловой энергии (95—70 °С при tнв = -23 °С), а также температурного графика внутренней системы отопления (80—60 °С при tнв = -23 °С) рассчитан средний температурный напор для серийного аппарата, определены скорости жидкости в этом аппарате. Такие же гидравлические режимы и температурные напоры применены для исследования кожухотрубного теплообменного аппарата с измененной геометрией поверхности теплообмена. Направление потоков теплоносителей в нагреваемом и греющем контурах выбрано перекрестным как наиболее эффективное для эксплуатации в системах теплоснабжения [5].

Таким образом, составлен план проведения эксперимента (табл. 2). Результаты проведения эксперимента представлены на графике (рис. 5).

64

Рис. 5. График зависимости коэффициента теплопередачи от температурного напора:

1 — кожухотрубного теплообменного аппарата с измененной геометрией поверхности теплообмена; 2 — аппарата по ГОСТ 27590-2005

Из графика следует, что коэффициент теплопередачи К, Вт/(м² °С), возрастает при увеличении среднего температурного напора, и в среднем до 20 % больше, чем у серийного теплообменника, производимого по ГОСТ 27590-2005.

Выводы. В рамках проведенных экспериментальных исследований подтверждено, что турбулизация нагреваемой жидкости в кожухотрубном аппарате [13] с ребром цилиндрической формы приводит к интенсификации процесса теплообмена. Повышение коэффициента теплопередачи при сезонном увеличении температурного напора (чем ниже температура наружного воздуха, тем выше температурный напор) происходит интенсивнее в исследуемом аппарате (рис. 5), чем в серийном (ГОСТ 27590-2005). Больший коэффициент теплопередачи К, Вт/(м² °К), приведет в конечном итоге к снижению габаритных размеров теплообменного аппарата.

Эксплуатация высокоэффективного кожухотрубного теплообменного аппарата с измененной геометрией поверхности теплообмена, по нашему мнению, позволит использовать достоинства пластинчатого аппарата (повышенную турбулизацию), повысить эксплуатационную надежность систем теплоснабжения, а также упростить и снизить затраты на текущий и плановый ремонты.

Библиографический список

1. Алхасова, Д. А. Увеличение теплообмена между потоками оребрением перегородки / Д. А. Алхасова // Материалы междунар. конф. «Мухтаровские чтения»: Современные проблемы математики и смежные вопросы. — Махачкала, 2008. — С. 31—34.

2. Бажан, П. И. Подогреватели ВВПИ — достоинства, недостатки, методика предварительного подбора / П. И. Бажан, С. Е. Исаев, О. Г. Сорокин // Новости теплоснабжения. — 2006. — № 3. — С. 39—47.

3. Башмаков, И. А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения России / И. А. Башмаков // Новости теплоснабжения. — 2008. — № 90. — С. 51—58.

4.Буглаев, В. Т. Влияние геометрических параметров сфероидальных элементов рельефа и схемы их расположения на тепловую эффективность пластинчатой поверхности теплообмена / В. Т. Буглаев, A. A. Анисин // Известия вузов. Ядерная энергетика. —2002. — №3. — С. 39—49.

5.Жукаускас, А. А.Конвективный перенос в теплообменниках / А. А. Жукаускас. — М.: Наука, 1982. —

472 с.

6.Круглов, Г. А. Теоретические исследования степени взаимосвязи турбулизации потока с коэффициентом теплоотдачи / Г. А. Круглов, В. В. Бакунин, М. В. Андреева // Вестник КрасГАСУ. — 2015. — № 6. — С. 67—73.

7.Кунтыш, В. Б. Тепловая эффективность вихревой интенсификации теплоотдачи газового потока

при продольном и поперечном обтекании круглотрубных поверхностей / В. Б. Кунтыш, А. Б. Сухоцкий, А. В. Яцевич // Известия высших учебных заведений СНГ. — 2014. — № 2. — С. 68—75.

65

Научный журнал строительства и архитектуры

9.Кущев, Л. А. Применение теплообменных аппаратов в системах ЖКХ Белгородской области / Л. А. Кущев, Н. Ю. Никулин, Ю. Г. Овсянников // Научно-технический проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения: материалы междунар. науч.-практ. конф. — Саратов, 2018. — С. 111—116.

10.Кущев, Л. А. Современные методы интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменных аппаратах ЖКХ / Л. А. Кущев, Н. Ю. Никулин, А. И. Алифанова // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — 2017. — № 9. — С. 73—79.

11.Некрасов, А. С. Перспективы развития теплоснабжения России / А. С. Некрасов, Ю. В. Синяк, С. А. Воронина // Новости теплоснабжения. — 2011. — № 128. — С. 125—131.

12.Олесевич, К.А.Экспериментальноеисследованиетеплогидравлических характеристиккожухотрубного теплообменного аппарата с винтовой перегородкой / К. А.Олесевич, А. К.Олесевич, М. И. Осипов // Вестник Московскогогосударственноготехническогоуниверситетаим.Н. Э. Баумана. — 2004. —№2.—С. 262—265.

13.Пат. 149737 U1 Российская Федерация, МПК F28D 7/00 (2015.01). Кожухотрубый теплообменный аппарат / Н. Ю. Никулин, Л. А. Кущев, Д. Ю. Суслов [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова». — № 2014134083/06; заявл. 19.08.2014; опубл. 20.01.2015. — 12 с.

14.Статистика // Министерство энергетики РФ: официал. сайт. — URL: https://minenergo.gov.ru/ activity/statistic.

15.Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. — М.: Наука, 1974. — 712 с.

16.Jin, M. Optimization research of sextant fan baffle curvature radius in shell and tube heat exchanger / M. Jin, H. J. Liu, X. Y. Wang. — 2017. — Vol. 231. — P. 1 — 6. — URL: https://www.researchgate.net/publication/319888046_ Optimization_research_of_sextant_fan_baffle_curvature_radius_in_shell_and_tube_heat_exchanger.

17.Kushchev, L. A. Intensityenhancement of heat exchange in shell-tube heat exchangers with smooth pipes /

L. A. Kushchev, N. Yu. Nikulin, A. I. Alifanova // Advances in Engineering Research. — 2017. — Vol. 133. —

P.390—395.

18.Luben, C. G. Thermal Performance Modeling of Cross-Flow Heat Exchangers / C. G. Luben, A. N. Hẻlio, M. S. Josẻ. — German: Springer, 2015. — 226 р.

19.Malhotra, A. Modeling and computation for designs of multistage heat exchangers systems / A. Malhotra, S. Muhaddin // Math. Comput. Modelling. — 1990. — Vol. 14. — P. 826 — 831.

20. Mića, V. Effect of segmental baffles on the shell-and-tube heat exchanger effectiveness / V. Mića, A. Mladen, M. Predrag // Hemijska industrija. — 2014. — Vol. 68 (2). — P. 171 — 177. — DOI: 10.2298/HEMIND130127041V.

References

1. Alkhasova, D. A. Uvelichenie teploobmena mezhdu potokami orebreniem peregorodki / D. A. Alkhasova // Materialy mezhdunar. konf. «Mukhtarovskie chteniya»: Sovremennye problemy matematiki i smezhnye voprosy. — Makhachkala, 2008. — S. 31—34.

2. Bazhan, P. I. Podogrevateli VVPI — dostoinstva, nedostatki, metodika predvaritel'nogo podbora /

P.I. Bazhan, S. E. Isaev, O. G. Sorokin // Novosti teplosnabzheniya. — 2006. — № 3. — S. 39—47.

3.Bashmakov, I. A. Analiz osnovnykh tendentsii razvitiya sistem teplosnabzheniya Rossii / I. A. Bashmakov // Novosti teplosnabzheniya. — 2008. — № 90. — S. 51—58.

4.Buglaev, V. T. Vliyanie geometricheskikh parametrov sferoidal'nykh elementov rel'efa i skhemy ikh raspolozheniya na teplovuyu effektivnost' plastinchatoi poverkhnosti teploobmena / V. T. Buglaev, A. A. Anisin // Izvestiya vuzov. Yadernaya energetika. —2002. — № 3. — S. 39—49.

5.Zhukauskas, A. A. Konvektivnyi perenos v teploobmennikakh / A.A. Zhukauskas. — M.: Nauka, 1982. —

472 s.

6.Kruglov, G. A. Teoreticheskie issledovaniya stepeni vzaimosvyazi turbulizatsii potoka s koeffitsientom teplootdachi / G. A. Kruglov, V. V. Bakunin, M. V. Andreeva // Vestnik KrasGASU. — 2015. — № 6. — S. 67—73.

7.Kuntysh, V. B. Teplovaya effektivnost' vikhrevoi intensifikatsii teplootdachi gazovogo potoka pri prodol'nom i poperechnom obtekanii kruglotrubnykh poverkhnostei / V. B. Kuntysh, A. B. Sukhotskii, A.V. Yatsevich // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii SNG. — 2014. — № 2. — S. 68—75.

apparatakh ZhKKh / L. A. Kushchev, N. Yu. Nikulin, A. I. Alifanova // Vestnik BGTU im. V. G. Shukhova. — 2017. — № 9. — S. 73 — 79.

66

11. Nekrasov, A. S. Perspektivy razvitiya teplosnabzheniya Rossii / A. S. Nekrasov, Yu. V. Sinyak,

S.A. Voronina // Novosti teplosnabzheniya. — 2011. — №128. — S. 125—131.

12.Olesevich, K. A. Eksperimental'noe issledovanie teplogidravlicheskikh kharakteristik kozhukhotrubnogo teploobmennogo apparata s vintovoi peregorodkoi / K. A. Olesevich, A. K. Olesevich, M. I. Osipov // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N. E. Baumana. — 2004. — № 2. — S. 262—265.

13.Pat. 149737 U1 Rossiiskaya Federatsiya, MPK F28D 7/00 (2015.01). Kozhukhotrubyi teploobmennyi apparat / N. Yu. Nikulin, L. A. Kushchev, D. Yu. Suslov [et al.]; zayavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO «Belgorodskii gosudarstvennyi tekhnologicheskii universitet im. V. G. Shukhova». — № 2014134083/06; zayavl. 19.08.2014; opubl. 20.01.2015. — 12 s.

14.Statistika // Ministerstvo energetiki RF: ofitsial. sait. — URL: https://minenergo.gov.ru/activity/statistic.

15.Shlikhting, G. Teoriya pogranichnogo sloya / G. Shlikhting. — M.: Nauka, 1974. — 712 s.

16.Jin, M. Optimization research of sextant fan baffle curvature radius in shell and tube heat exchanger / M. Jin, H. J. Liu, X. Y. Wang. — 2017. — Vol. 231. — P. 1 — 6. — URL: https://www.researchgate.net/publication/319888046_ Optimization_research_of_sextant_fan_baffle_curvature_radius_in_shell_and_tube_heat_exchanger.

17.Kushchev, L. A. Intensityenhancement of heat exchange in shell-tube heat exchangers with smooth pipes /

L. A. Kushchev, N. Yu. Nikulin, A. I. Alifanova // Advances in Engineering Research. — 2017. — Vol. 133. —

P.390—395.

18.Luben, C. G. Thermal Performance Modeling of Cross-Flow Heat Exchangers / C. G. Luben, A. N. Hẻlio, M. S. Josẻ. — German: Springer, 2015. — 226 р.

19.Malhotra, A. Modeling and computation for designs of multistage heat exchangers systems / A. Malhotra, S. Muhaddin // Math. Comput. Modelling. — 1990. — Vol. 14. — P. 826 — 831.

20. Mića, V. Effect of segmental baffles on the shell-and-tube heat exchanger effectiveness / V. Mića, A. Mladen, M. Predrag // Hemijska industrija. — 2014. — Vol. 68 (2). — P. 171 — 177. — DOI: 10.2298/HEMIND130127041V.

HIGHLY EFFICIENT SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGERS

FOR COMMUNAL HOUSEHOLD SYSTEMS

L. A. Kushchev 1, N. Yu. Nikulin 2, A. Yu. Feoktistov 3

Belgorod State Technological University Named after V. G. Shukhov 1, 2, 3

Russia, Belgorod

1D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Ventilation, tel.: (4722)55-94-38, e-mail: Nick_973gt@mail.ru

2PhD student of the Dept. of Heat and Gas Supply and Ventilation, tel.: +7-908-788-8313,

e-mail: Nick_973gt@mail.ru

3 PhD in Engineering, Assoc. Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Ventilation, tel.: (4722)55-94-38, e-mail: Nick_973gt@mail.ru

Statement of the problem. Heat and gas supply equipment (heat networks and boiler rooms) in the Russian Federation is generally worn-out. An important element of the heat and gas supply system is shell- and-tube and lamellar heat exchangers that are employed in thermal electric stations and atomic electric stations, boiler rooms, etc. The use of these tools is a more viable engineering solution than lamellar ones due to a number of operational and economic factors. The methods of enhancing heat exchange of shell- and-tube tools are discussed.

Results and conclusions. It was found that the most promising method of enhancing heat exchange is to change the geometryof a heat exchanger surface: longitudinally ribbed heat exchanger tubes, tubes with a hole on the outside surface, etc. The theoretical aspects of increasing heat emission of the heated solid surface using liquid turbulization. An original structure of the shell-and-tube heat exchanger with special heat exchange tubes fitted with plates with cylindrical ribs. According to the natural experiment, the heat exchange coefficient of the resulting shell-and-tube heat exchanger with the modified geometry of the heat exchanger surface and on average 20 % higher turbulization than that of the mass production one.

Keywords: heat exchanger, turbulization, heat exchanger surface, heat exchange coefficient.

67

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 10.25987/VSTU.2019.54.2.006

УДК 628.83

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХОЛОДИЛЬНОГО АГЕНТА В ПОМЕЩЕНИИ

ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

М. Н. Жерлыкина 1, А. И. Колосов 2, С. Н. Кузнецов 3, С. В. Чуйкин 4

Воронежский государственный технический университет 1, 2, 3, 4 Россия, г. Воронеж

1Канд. техн. наук, доц. кафедры жилищно-коммунального хозяйства, тел.: (473)271-28-92, e-mail: zherlykina@yandex.ru

2Канд. техн. наук, доц. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела, тел.: (473)271-53-21; e-mail: u00622@vgasu.vrn.ru

3Д-р техн. наук, доц., проф. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела, тел.: (473)271-53-21; e-mail: teplosnab_kaf@vgasu.vrn.ru

4Канд. техн. наук, доц. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела, тел.: (473)271-53-21;

e-mail: ser.chu@mail.ru

Постановка задачи. Для многозональных систем кондиционирования воздуха с переменным расходом холодильного агента характерен процесс непосредственного испарения фреона во внутренних блоках — местных кондиционерах, поэтому в случае разгерметизации элементов холодильного контура может произойти попадание холодильного агента в зону дыхания людей, находящихся в обслуживаемой зоне. В связи с этим необходимо изучить вопрос контролирования содержания вредных веществ в объеме помещения и найти оптимальное решение по исключению оказания негативного влияния холодильного агента на самочувствие человека.

Результаты и выводы. Графически представлена область значений давлений холодильного агента при адиабатическом сжатии паров в компрессоре, в пределах которой должен осуществляться цикл работы холодильноймашины. Исследовано распределение концентраций вредного вещества— холодильного агента — в объеме помещения в случае разгерметизации системы кондиционирования и определена наиболее опасная область для здоровья человека. Определено количество холодильного агента в системе в зависимости от холодопроизводительности наружного блока и от длины фреоновых магистралей с учетом параметров наружного воздуха. Разработана аналитическая зависимость для определения времени утечки холодильного агента в объем помещения в зависимости от конфигурации системы кондиционирования и ее холодопроизводительности. Представлены рекомендации по оптимизации параметров контроля содержания вредного вещества в воздухе в зависимости от характеристик системы.

Ключевые слова: холодильный агент, концентрация, кондиционирование воздуха, холодопроизводительность, утечка, разгерметизация, время, рабочая зона.

Введение. В настоящее время активно строятся общественные здания, имеющие большое количество помещений с разными характеристиками. По функциональной универсальности к ним относятся объекты однофункционального назначения и многопланового использования, универсальные быстро трансформирующиеся, а также блокированные, в которых размещаются различные учреждения. При их строительстве необходимо предусматривать системы обеспечения микроклимата помещений, имеющие высокую степень энергоэффективности и приводящие к минимальным капитальным и текущим затратам.

Наиболее динамично развивающимися с точки зрения использования современных технологий, а также с позиции востребованности во всем мире являются системы кондицио-

© Жерлыкина М. Н., Колосов А. И., Кузнецов С. Н., Чуйкин С. В., 2019

68

нирования воздуха. Для перечисленных зданий наиболее рационально предусматривать многозональные системы с переменным расходом холодильного агента. Преимущество системы заключается в значительной длине межблочных коммуникаций, а также в исключении потери холодопроизводительности кондиционера.

С точки зрения конструкции многозональные системы с переменным расходом холодильного агента состоят из следующих элементов: одного или нескольких наружных ком- прессорно-конденсаторных блоков, объединенных в единый фреоновый контур, двух или трех трубопроводов холодильного агента, тройников или распределительных гребенок (рефнетов, коллекторов, разветвлителей), блоков распределения холодильного агента при проектировании систем с рекуперацией теплоты, внутренних воздухообрабатывающих блоков, индивидуальных и центральных пультов управления, системы управления на базе центрального компьютера.

1. Аналитические исследования работы компрессорного оборудования и параметров воздушной среды помещения при разгерметизации элементов системы холодо-

снабжения. Многозональные системы с переменным расходом холодильного агента относятся к классу систем кондиционирования воздуха с непосредственным испарением рабочего вещества во внутренних блоках (местных кондиционерах). В результате аналитических исследований работы системы установлено, что при подключении к одному наружному блоку внутренних блоков в соотношении

фактическое количество 0,7

максимальное количество

могут произойти разрывы в соединениях трубопроводов или фасонных деталей, а также выход из строя элементов климатического оборудования [1, 2, 5—7, 10—14].

Наиболее распространенные проблемы с системой холодоснабжения здания, связанные с утечками холодильного агента, представлены в таблице.

Таблица

Причины возникновения утечки холодильного агента в многозональной системе кондиционирования воздуха с переменным расходом холодильного агента

Для обнаружения утечки холодильного агента из системы необходимо определить отклонение от значений рабочего давления холодильного агента при адиабатическом сжатии паров в компрессоре. В течение суток перепад давлений непостоянен и зависит от изменения рабочих параметров наружного и внутреннего воздуха, а также режимов работы системы [3, 9, 11, 16—18]. Для определения рабочего перепада давлений всасывания и нагнетания холодильного агента (на примере R410А) предложен график, представленный на рис. 1.

В случае аварийной разгерметизации фреонового контура может произойти попадание в зону дыхания людей, находящихся в обслуживаемых помещениях. Так как μха / μв = 1,01…5,00, где μха — молекулярный вес холодильного агента, μв — молекулярный вес воздуха, то при утечке холодильного агента происходит его накопление в рабочей зоне помещения, что влечет за собой негативное влияние на здоровье человека.

Разгерметизация и утечка холодильного агента может произойти в любом помещении, где предусмотрена работа многозональной системы кондиционирования воздуха. Однако ус-

69