СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА Российский патент 1998 года по МПК F28D7/00 F28B1/00 

Изобретение относится к области теплотехники и машиностроения (теплообменная техника и теплоэнергетика) и может быть использовано при разработке и технической эксплуатации (ТЭ) теплообменных аппаратов (ТА) любого типа и назначения.

Например, известен способ контроля тепловой (или энергетической) эффективности ТА, основанный на вычислении определенного набора констант и измерений некоторых технико-эксплуатационных параметров, таких как коэффициенты теплопроводности, плотности, вязкости, чисел подобия: Рейнольдса, Прандтля, целого ряда других констант, температур, определяемых опытным путем, измерение и вычисление которых представляет большую трудность, а в большинстве случаев в условиях ТЭ теплообменных установок вообще невозможно [1].

Известен метод определения термодинамического КПД ТА [2] через среднеинтегральные температуры горячего T_г и холодного T_х теплоносителей и температуры окружающей среды T_о

Ближайшим прототипом изобретения будет способ оценки эффективности ТА непосредственно через измеряемые значения температуры теплообменивающихся горячих и холодных сред на входе t'_г, t'_x и на выходе из него t''_г, t''_x [3] .

Способ включает в себя измерение температур горячего теплоносителя на входе t'_г, а на выходе из ТА - t''_г и холодного теплоносителя на входе в ТА - t'_х; затем вычисление коэффициента тепловой эффективности ТА по формуле эффективности ТА
,
где Δt_г = t'_г - t''_г - разность температур горячего теплоносителя на входе и выходе из ТА;
Δt_max - разность температур теплоносителей на входе в ТА (Δt_max = t'_г - t'_х).

Здесь на фоне полного температурного периода Δt_max оценивается эффект теплообмена по изменению температуры горячего теплоносителя Δt_г. Понятно, что этот способ больше всего пригоден для оценки эффективности ТА (в частности, охладителей) при отсутствии фазовых превращений в средах. Несовершенство способа (2) можно показать и на примере нагревателя

поскольку большой температурный перепад по горячей среде может быть следствием не совершенства ТА, а напротив, его несовершенства (скажем, из-за конструкционно обусловленной теплоотдачи в окружающую среду через оболочку аппарата, а не в подогреваемую среду). Недостатком прототипа является также непригодность указанного способа для оценки эффективности ТА с фазовыми превращениями в теплопередающих средах (конденсатор, испаритель). Применение его возможно только для условий t'_х = const и t'_г = const, т.е. Δt_max = const, что в практике ТЭ тепловых установок (особенно судовых) не выполняется, т.к. постоянно изменяются районы плавания судов, а следовательно, изменяются значения температуры холодного теплоносителя t'_х, изменяются применяемые сорта топлив и масел, а также изменяются режимы работы двигателей. Несовершенство способа заключается и в том, что, пользуясь им, можно получить ошибочные выводы об эффективности ТА, например при уменьшении Δt_max ε_t - возрастает, хотя известно, что это противоречит теплотехнической теории (с увеличением начального температурного напора Δt_max всегда εTАt

повышается).

Целью изобретения является повышение эффективности ТА и снижение трудозатрат на ТО и ремонт ТА.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе оценки тепловой эффективности ТА, измеряют одновременно разности значений температур обоих теплоносителей Δt_max и Δt_min в установившемся режиме работы ТА. После этого вычисляют значение ε_t по формуле

где Δt_ср - средний температурный напор между теплоносителями в ТА;
Δ t_max - максимальная разница между теплоносителями на входе в ТА (Δt_max = t'_г - t'_х);
ε_t - коэффициент тепловой эффективности ТА.

где Δt_min = t''_г - t''_х и Δt_max = t'_г - t'_х - определяются с помощью дифференциальных термопар (либо любым другим теплотехническим измерением температур теплоносителей);
Δt_min - минимальная разница значений температур теплоносителей на выходе из ТА.

На фиг. 1 показаны температурные графики для условий ТА с прямоточным движением теплоносителей; на фиг. 2 - с противоточным движением теплоносителей в ТА; на фиг. 3 - температурные графики теплообмена в конденсаторе (с фазовым превращением горячего теплоносителя из газообразного состояния в жидкое); на фиг. 4 - температурные графики теплообмена в испарителе (с фазовым превращением холодного теплоносителя из жидкого состояния в газообразное).

Сущность изобретения заключается в следующем. С помощью дистанционных дифференциальных термопар измеряются значения температур обоих теплоносителей на входе и выходе ТА одновременно, затем определяются значения Δt_max и Δt_min и вычисляется коэффициент тепловой эффективности ТА - ε_t. Причем при значении отношения Δt_max/Δt_min ≤ 2 значение Δt_ср с достаточной точностью может быть определено среднеарифметическим значением
.

Из графиков видно, что с уменьшением значения Δtaср

увеличивается эффективность теплообмена, т.к. при постоянном значении q это обусловлено повышением значения коэффициента теплопередачи K(q = K Δt_ср), который и определяет эффективность и технологическое и конструктивное совершенство ТА любого назначения, исполнения и типа.

В более эффективном ТА, с большим значением ε_t тот же результат по теплообмену (q) будет получен при меньшем Δt_ср. Именно по этому признаку оценивается эффективность любого ТА.

Содержательность предлагаемого способа (4) очевидна (см. фиг. 1-4):
- значение ε_t четко реагирует на изменение конечных температур, которые изменяются в результате любого изменения коэффициента теплопередачи K в ТА;
- в ТА с большим значением начального температурного напора Δt_max при прочих равных условиях повышается значение эффективности ε_t теплообменного аппарата;
- в ТА с повышением значения коэффициента теплопередачи - K - уменьшается величина среднелогарифмического температурного напора Δt_ср между теплоносителями, следовательно, возрастает - ε_t - эффективность ТА;
- выражение (4) применимо для оценки тепловой эффективности различных типов ТА, включая конденсатор и испаритель: для конденсатора - при уменьшении значения t'_х значение эффективности ε_t повышается при прочих равных условиях, в то время как при увеличении значения t_s эффективность конденсатора снижается (при прочих равных условиях); для испарителя - при понижении значения t_s - эффективность снижается, а при возрастании K будет уменьшаться значение t''_г и соответственно повышаться величина ε_t;
- для ТА любого назначения (водо-, масло-, воздухоохладителя) ДЗУ повышение эффективности ТА сопровождается уменьшением значения t''_г и увеличением значения t''_х при прочих равных условиях.

Вычисленное значение ε_t сопоставляется с критическим значением εкрt

= (0,4...0,5)εTAt, где εTAt - значение коэффициента тепловой эффективности нового ТА или в начале его ТЭ, поэтому предварительно вычисляются значения Δt_max и Δt_min с помощью дифференциальных термопар на новом ТА, и при условии ε_t ≤ εкрt выдается информация о состоянии ТА через назначенное время работы на пульт управления ТА, и следовательно, о необходимости проведения технического обслуживания (ТО), чистки или ремонта ТА, в результате устраняется преждевременное его ТО (монтаж, демонтаж) и уменьшаются трудозатраты на его ТО, а также сокращаются энергетические затраты на ТЭ ТА в результате своевременно определенного ТО.

Для типичных конструкций ТА судовых дизелей различного типа и назначения величины коэффициентов ε_t изменяются от 0,2 до 0,6. Чем выше разница температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из охладителя, тем эффективнее работает данный охладитель, с более высоким значением ε_t.
В связи с этим в ТЭ охладителей дизелей необходимо контролировать значение ε_t, добиваясь его наибольших значений. Низкие значения ε_t для отдельных водо- и маслоохладителей показывают необходимость в профилактической чистке и техническом обслуживании.

Использование предлагаемого способа контроля тепловой эффективности ТА обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
а) возможность определения технического состояния ТА без его демонтажа, проведение своевременного ТО и профилактической чистки ТА, что особенно важно в судовой энергетике с точки зрения обеспечения безопасности мореплавания;
б) снижение трудозатрат на ТО и ремонт ТА;
в) возможность технического сравнения ТА и проведения конструкторских и технологических работ по их совершенствованию и повышению эффективности на стадии изготовления и проектирования ТА;
г) повышение экономичности дизелей в результате поддержания оптимального теплового режима в их системах.

Изобретение предназначено для использования в теплотехнике и металлургии. Способ оценки тепловой эффективности теплообменных аппаратов (ТА) по значениям температуры теплоносителей на входе и выходе из ТА заключается в одновременном измерении разности значений температур обоих теплоносителей на входе и выходе ТА с помощью, например, дифференциальных термопар, дальнейшем вычислении значения теплового КПД и сравнении его с критическим значением. Применение предлагаемого способа в практике эксплуатации судовых теплообменных аппаратов позволит объективно и достаточно точно оценить эффективность работы. ТА и определить периодичность их профилактической чистки и других работ по техобслуживанию, снизить затраты и повысить эффективность технической эксплуатации теплообменных аппаратов различного типа и назначения, более качественно выполнять работы по их совершенствованию на стадии проектирования и технологии изготовления. 4 ил.

Способ контроля тепловой эффективности теплообменного аппарата (ТА), включающий измерение входных и выходных значений температуры теплообменных сред, вычисление коэффициента тепловой эффективности ТА (теплового КПД ТА), отличающийся тем, что измеряют одновременно разности значений температур обоих теплоносителей Δt_max и Δt_min в установившемся режиме работы ТА, после чего вычисляют ε_t по формуле

где
ε_t - коэффициент тепловой эффективности ТА;
Δt_max - максимальная разница значений температур теплоносителей на входе ТА;
Δt_min - минимальная разница значений температур теплоносителей на выходе из ТА,
и сравнивают его значения с критическим, добиваясь выполнения условия
ε_t≥ εкрt

.о