Термическое сопротивление отложений (CaSO4) в пластинчатых теплообменниках.

В системе отопления эффективность пластинчатых теплообменников часто уменьшается с течением времени из-за осаждения нерастворимых солей на поверхности теплообмена. Данная проблема широко освещается зарубежными специалистами. Основываясь на статье «Thermal resistance in corrugated plate heat exchangers under crystallization fouling of calcium sulfate» в данном материале будет рассмотрено возникновение отложений сульфата кальция и их воздействие на эффективность пластинчатых теплообменников. Актуальность проблемы заключается в том, что очень трудно спрогнозировать данное явление, однако при правильно составленной математической модели можно добиться довольно точных результатов.

Пластинчатые теплообменники широко используются в водяных системах отопления, поскольку они превосходят кожухотрубчатые теплообменники с точки зрения эффективности, теплопередачи, технического обслуживания, компактности [1]. Как правило растворимость соли возрастает с повышением температуры. Однако некоторые соли, такие как сульфат кальция (CaSO4), показывают обратную зависимость.

В качестве примера проведём эксперимент. Возьмём пластинчатый теплообменный аппарат с водой и раствором сульфата кальция в качестве рабочих сред (сульфат кальция применён для более быстрого появления отложений). Далее рассмотрим непосредственно пластину теплообменника в разные моменты времени для оценки возникновения отложений на разных участках пластины [2].

Растворимость CaSO4 уменьшается с увеличением температуры воды начиная с 40 ° С [3]. Так как температура нагреваемой воды на выходе может достигать 55 ° С и выше в системах отопления и ГВС, CaSO4 начнёт кристаллизироваться в следствии уменьшения растворимости в зависимости от температуры. Из-за этого явления понижение эффективности пластинчатых теплообменников необходимо исследовать с учётом кристаллизованных отложений.

termicheskoe-soprotivlenie-otlozhenij-kristallov-sulfata-kaltsiya-caso4-v-plastinchatyh-teploobmennikah

Рисунок 1 Кристаллизация CaSO4 (а) на входе (б) середине (с) на выходе по мере увеличения времени действия раствора

На   Рис.1  показаны отложения CaSO4, сформированные на поверхности теплообменника при кристаллизации. Визуальный осмотр был проведён при концентрации CaSO4 0,65 масс. %, температуре раствора CaSO4 на входе Т1 = 15 ° С, и температуре горячей воды на входе Т2 = 95 ° С.

Как показано на Рис.1 (а), отложения CaSO4 не появляются во входной зоне пластины, но заметны небольшим слоем на расстоянии 5 см и более от входа, особенно с левой стороны возле прокладки. Возле входа они не появляться из-за низкой температуры воды. Толщина отложений на поверхности возрастает по мере увеличения длительности воздействия раствора CaSO4, а так же в следствии повышения температуры поверхности. Увеличение температуры приводит к увеличению скорости реакции ионов с поверхностью теплообмена, так как энергия активации ионов пропорциональна температуре, а понижение растворимости вблизи теплопередающей поверхности приводит к увеличению числа ионов. Также наблюдается существенная кристаллизация рядом с прокладкой из-за замедления потока вблизи неё. На рис.1 (б), равномерная кристаллизация произошла в средней части пластины, и так как пластина продемонстрирована по истечению более длительного промежутка времени, толщина отложений увеличилась. Как показано на рис.1 (с), толщина отложений еще более возрастает по мере увеличения длительности воздействия раствора CaSO4. Однако происходит это неравномерно из-за эффекта самоочищения каналов пластинчатого теплообменника. Эффект проявляется в том, что из-за постепенного появления отложений увеличивается скорость потока и при достижении определенной величины происходит вымывание произвольных частей отложений. Можно сделать вывод что отложения появляются на пластине неравномерно из-за нескольких факторов: увеличение температуры, высокой скорости потока в правой части пластины, замедления потока возле прокладки, длительности воздействия раствора CaSO4 на пластину.

Кристаллические отложения в пластинчатых теплообменниках могут быть изменены и проанализированы путем изменения концентрации CaSO4, скорости потока, температуры на входе раствора CaSO4 и горячей воды. В нашем случае испытания показали визуализацию кристаллических отложений CaSO4 вблизи прокладки из-за замедления потока вблизи прокладки. Толщина отложений на поверхности возрастает по мере увеличения длительности воздействия раствора.

Неравномерное появление отложений значительно усложняет дальнейшее прогнозирование снижения эффективности теплообменника. Основываясь на текущем эксперименте, некоторых предположениях и исследованиях, представленных в литературе, существует возможность создать определенные математические модели, которые смогут предсказать толщину отложений и их воздействие на теплообменник. При этом математическая модель автора статьи «Thermal resistance in corrugated plate heat exchangers under crystallization fouling of calcium sulfate» является весьма точной, ввиду того, что она основывается на его собственных экспериментальных данных. Значение отклонения в данном случае от измеренных данных равно 4,8% [4,5]. Прогнозы также согласуются с измеренными данными существующих исследований, представленных в литературе, при более низких концентрациях CaSO4 в пределах относительного отклонения ± 10% [6].

Cписок источников информации:

1. Tubular Exchangers Manufacturers’ Association, Standards of Tubular Exchangers Manufacturers’ Association, sixth ed., 1978.

2. T.R. Bott, Aspects of crystallization fouling, Exp. Therm. Fluid Sci. 14 (1997) 356–360.

3. W.L. Marshal, R. Slusher, Aqueous systems at high temperature, J. Chem. Eng. Data 9 (1960) 187–191.

4. B. Bansal, H. Müller-Steinhagen, X.D. Chen, Performance of plate heat exchangers during calcium sulphate fouling – investigation with an in-line filter, Chem. Eng. Proc. 39 (2000) 507–519.

5. B. Bansal, H. Müller-Steinhagen, Crystallization fouling in plate heat exchangers, J. Heat Transfer 112 (1993) 584–591.

6. Eungchan Lee, Jaemyeong Jeon, Hoon Kang, Yongchan Kim, Thermal resistance incorrugated plate heat exchangers under crystallization fouling of calcium sulfate (CaSO4), (2014) 3-9.