РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОЙ СХЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА В ШАХТНЫХ УСЛОВИЯХ
Промежуточные воздухоохладители шахтных турбокомпрессоров представляют собой кожухотрубные теплообменные аппараты, по трубкам которых движется охлаждающая вода, в межтрубном пространстве - сжатый воздух. В процессе эксплуатации турбокомпрессоров в условиях шахт на запыленном воздухе происходит загрязнение пыле-маслянным пригаром оребрения трубного пучка воздухоохладителей. Внутренние поверхности пучка воздухоохладителей загрязняются накипью из-за высокой минерализации циркуляционной воды шахтных компрессорных станций. Это является следствием необходимости непрерывного пополнения системы водой, что неизбежно при применяемой на шахтах открытой системе водоснабжения с высоким паровым и капельным уносом воды в градирне.
В результате происходит постоянное ухудшение охлаждения воздуха. Кроме того, из-за загрязнения оребрения труб возрастают потери давления в аппарате, что, также сказывается на эффективности работы турбокомпрессоров.
При анализе режимов работы эксплуатируемых турбокомпрессоров возникает необходимость в получении экспериментальных или заводских характеристик воздухоохладителей для определения этих зависимостей при других значениях расхода и начальной температуры охлаждающей воды или с учетом загрязнения теплообменных поверхностей.
2.1. Исследование возможности повышения эффективности системы охлаждения с аппаратами поверхностного типа
2.1.1. Выбор критериев оценки эффективности поверхностной системы охлаждения. Основными показателями, характеризующими промежуточные воздухоохладители, являются коэффициент эффективности и величина потерь давления охлаждаемого воздуха в аппарате.
Коэффициент эффективности промежуточного воздухоохладителя
где ?Tв - фактически возможное снижение температуры воздуха в воздухоохладителе, К;
?Тв.mах - максимально возможное снижение температуры воздуха в воздухоохладителе, К;
Тн - начальная температура воздуха в аппарате, К;
Tк- конечная температура воздуха в аппарате, К;
Tw1 - начальная температура охлаждающей воды, К.
Согласно методике Невского завода, качество промежуточного воздухоохладителя характеризуется величиной коэффициента совершенства воздухоохладителя
Тогда, для коэффициента эффективности справедлива зависимость
Наличие данных о значениях коэффициента эффективности или коэффициента совершенства воздухоохладителя позволяет при заданных начальных температурах охлаждаемого воздуха и воды определить температуру охлажденного воздуха
. (2.1)
Для определения ?э или ? применяются получаемые при испытаниях характеристики воздухоохладителей вида
или
Фактические значения коэффициента эффективности воздухоохладителей могут существенно отличаться от паспортных из-за загрязнеия теплообменных поверхностей, возникающих в результате эксплуатации, как со стороны воды, так и со стороны воздуха.
Используя известные зависимости теории теплопередачи [226], этот коэффициент, в зависимости от характера течения теплоносителей в аппарате, можно выразить следующим образом:
для прямотока
; (2.2)
для противотока
, (2.3)
где ? - число единиц переноса тепла;
W - относительный тепловой эквивалент.
Число единиц переноса тепла
где kl - линейный коэффициент теплопередачи воздухоохладителя, Bт/(м·K);
L - суммарная длина труб аппарата, м;
cрв - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К);
Gв - массовый расход соответственно воздуха через аппарат, кг/с.
Относительный тепловой эквивалент
где cw - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·К);
Gw - массовый расход соответственно воды через аппарат, кг/с.
Как видно из этого выражения, коэффициент эффективности воздухоохладителя зависит от величин тепловых эквивалентов потоков воды (Сw) и воздуха (Св), а также линейного коэффициента теплопередачи аппарата.
2.1.1.1. Определение коэффициента эффективно-сти воздухоохладителя с учетом сложного характера движения сред. Воздухоохладители турбокомпрессоров являются аппаратами со сложным характером движения теплоносителей (рис. 2.1), поэтому, используемая заводами - изготовителями при расчете коэффициента эффективности, зависимость для противотока дает завышенные результаты, для прямотока заниженные.
Определить коэффициент эффективности промежуточных воздухоохладителей можно, применяя метод ?-тока [227].
Сущность данного метода в следующем.
В соответствии с методом ?-тока для всех без исключения схем движения теплоносителей справедлива зависимость
, (2.4)
где f? - характеристика схемы тока.
При f?=0 формула (2.4) переходит в формулу (2.2) для прямотока, при f?=1 в формулу (2.3) для противотока.
Метод ?-тока основан на том, что значения эффективности для подавляющего большинства сложных схем лежат между значениями эффективности для прямотока и противотока. Тогда, вводя функцию , при ?=0 получаем f?=0, т. е. минимальное значение характеристики схемы тока, которое соответствует прямотоку. При ?=? получаем f?=1, которое отвечает наиболее эффективной противоточной схеме. Для любой схемы, кроме прямоточной и противоточной, для которой f? - величины постоянные, f? - есть, как правило, некоторая функция от . Однако расчеты показали, что при ??1,5 и даже при ??2f? можно принимать постоянными. Значения этих постоянных приводятся в [227]. Там же даны предельные значения характеристик схемы тока f?*, которые получаются, если в формуле (2.4) осуществить предельный переход при ?>? и W>1:
При использовании уравнения (2.4) имеется возможность проводить расчеты теплообменников с различными схемами движения теплоносителей по единообразной методике. При этом, любой из теплообменных аппаратов можно представить в виде