О загрязнениях в пластинчатых теплообменниках

В пластинчатых теплообменных аппаратах отложения на рабочих поверхностях могут существенно влиять на эффективность работы теплообменного оборудования за счёт возникновения дополнительного термического сопротивление загрязнения. В зарубежной литературе этой проблеме уделяется повышенное внимание. В статье «Accounting for the thermal resistance of cooling water fouling in plate heat exchanger», размещённой в журнале «Applied Thermal Engineering» №61 за 2013 год, рассматривается влияние параметров сред на величину скорости отложений загрязнений в каналах пластинчатых теплообменных аппаратов.

Из множества различных подходов, доступных для снижения скорости загрязнения, использование улучшенных поверхностей теплопередачи является основным методом. Поток в каналах пластинчатых теплообменников имеет более высокий уровень турбулентности из-за сложной геометрии каналов. Такой тип движения потоков должен приводить к снижению скорости нарастания отложений. Для пластинчатых теплообменных аппаратов характерны высокие коэффициенты теплопередачи и низкие тенденции к отложению загрязнений [1]. Это достигается за счёт сложной геометрии гофры, и как результат высокой турбулентности потоков. Достоверное прогнозирование загрязнений в теплообменниках имеет весомое значение в оптимизации и проектировании теплообменных сетей [2]. Это является важным фактором для проектирования охладителей, применяемых в существующих сетях водяного охлаждения, а также, в частности, для проектирования сварных теплообменников в процессах нефтепереработки [3].

В пластинчатых теплообменниках может возникать пять различных типов загрязнений [4]: накипь, осаждение частиц, загрязнение в результате химических реакций, коррозионные отложения, и биологические загрязнения. Коррозию в пластинчатых теплообменниках можно смягчить с помощью использования соответствующих коррозионностойких материалов. Модели, описывающие другие типы засорения, основаны на предположении, что норма накопления загрязнения равна разности между скоростью накопления загрязнения и скоростью удаления загрязнений.

О загрязнениях в пластинчатых теплообменниках

Рис. 1 – Две стороны пластины, которая находилась в эксплуатации в течении года в системе ГВС г. Киева для нагрева сетевой воды.

Во многих практических задачах количество загрязнений стабилизи-руется после некоторого периода работы, тем самым показывая асимптотический характер накопления отложений (рис. 1). В таком случае накипь является основным видом отложений.
Частичное загрязнение пластины наблюдается со стороны (а), которая контактировала с горячим теплоносителем. На пластине есть несколько участков загрязнений, которые практически равномерно распределены по всей длине пластины, с некоторым увеличением количества к входу горячей воды. Это можно объяснить повышенной прочностью отложений при более высоких температурах. Сторона (б) пластины находилась в контакте с питьевой водой, нагреваемой от температуры 5-10 °С до температуры 57 °С для местного горячего водоснабжения. На этой стороне пластины поверхность у входа холодной пресной воды была чистой. Отложения затем начинают значительно увеличиваться к выходу горячей воды с увеличением температуры воды и стенки. Максимальная толщина загрязнений в канавках гофр составляла примерно 0.05 мм.
О загрязнении можно судить более ясно, рассматривая фотографии распределения отложений загрязнений на небольших участках вдоль пластины, как показано на рис. 2.

распределение отложений загрязнений на небольших участках вдоль пластины

Рис. 2 – фотографии четырёх участков пластины; a – на входе нагреваемой воды, δ = 0; b – нагреваемая вода, 2/4 пластины от входного отверстия, δ = 0.01 мм; c – нагреваемая вода, 3/4 пластины от входного отверстия, δ = 0.03 мм; d – нагреваемая вода вблизи выходного отверстия, δ = 0.05 мм.

Можно сделать вывод, что для отложения загрязнений существуют определенные пороговые условия по температуре воды и содержании солей, при достижении которых начинается осаждение загрязнений. Таким образом, при проектировании системы охлаждения предприятия, температура на выходе теплообменного оборудования должна быть ниже определенного уровня, который зависит от качества охлаждающей воды для предприятия.

Предположения и сравнение с экспериментальными данными, представленными в литературе, говорят о том, что есть возможность составить математические модели [5], способные предсказать величины загрязнений и их тепловое сопротивление для отложений и твёрдых частиц при различных скоростях потока и температур поверхности пластин. Крупные промышленные предприятия, как правило, имеют достаточно большое количество теплообменников, многие из которых используют воду из централизованной системы охлаждения. Содержание солей и твёрдых частиц в такой воде остается примерно одинаковыми для всех теплообменников. Таким образом, наблюдения за развитием загрязнения в одном из теплообменников даёт возможность оценить параметры принятой математической модели. Затем можно учесть возможность загрязнений со стороны этой воды во всех теплообменниках этого предприятия.

Список источников информации

  1. L. Wang, B. Sunden, R.M. Manglik, PHEs. Design, Applications and Performance, WIT Press, Southhampton, UK, 2007.
  2.  Y. Wang, R. Smith, Jin-Kuk Kim, Heat exchanger network retrofit optimization involving heat transfer enhancement, Applied Thermal Engineering 43 (2012) 7-13.
  3.  E.K. Tamakloe, G.T. Polley, M. Picón-Núñez, Design of Compabloc exchangers to mitigate refinery fouling, Applied Thermal Engineering 60 (1-2) (2013)441-448.
  4.  Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, ninth ed.,
    TEMA Inc., New York, USA, 2007.
  5.  O.P. Arsenyeva, B. Crittenden, M. Yang, P.O. Kapustenko, Accounting for the thermal resistance of cooling water in plate heat exchangers, Applied Thermal Engineering 61 (2013) 53-59.