Про забрудненнях в пластинчастих теплообмінниках

У пластинчастих теплообмінних апаратах відкладення на робочих поверхнях можуть істотно впливати на ефективність роботи теплообмінного обладнання за рахунок виникнення додаткового термічного опіру забруднення. У зарубіжній літературі цій проблемі приділяється підвищена увага. У статті «Accounting for the thermal resistance of cooling water fouling in plate heat exchanger», розміщеної в журналі «Applied Thermal Engineering» №61 за 2013 рік, розглядається вплив параметрів середовищ на величину швидкості відкладень забруднень в каналах пластинчастих теплообмінних апаратів.

З безлічі різних підходів, доступних для зниження швидкості забруднення, використання поліпшених поверхонь теплопередачі є основним методом. Потік в каналах пластинчастих теплообмінників має більш високий рівень турбулентності через складну геометрії каналів. Такий тип руху потоків повинен призводити до зниження швидкості наростання відкладень. Для пластинчастих теплообмінних апаратів характерні високі коефіцієнти теплопередачі і низькі тенденції до відкладення забруднень [1]. Це досягається за рахунок складної геометрії гофри, і як результат високої турбулентності потоків. Достовірне прогнозування забруднень в теплообмінниках має вагоме значення в оптимізації і проектуванні теплообмінних мереж [2]. Це є важливим чинником для проектування охолоджувачів, що застосовуються в існуючих мережах водяного охолодження, а також, зокрема, для проектування зварних теплообмінників в процесах нафтопереробки [3].

У пластинчастих теплообмінниках може виникати п’ять різних типів забруднень [4]: ​​накип, осадження частинок, забруднення в результаті хімічних реакцій, корозійні відкладення, і біологічне забруднення. Корозію в пластинчастих теплообмінниках можна пом’якшити за допомогою використання відповідних корозійностійких матеріалів. Моделі, що описують інші типи засмічення, засновані на припущенні, що норма накопичення забруднення дорівнює різниці між швидкістю накопичення забруднення і швидкістю видалення забруднень.

У багатьох практичних завданнях кількість забруднень стабілізується після деякого періоду роботи, тим самим показуючи асимптотичний характер накопичення відкладень (мал. 1). В такому випадку накип є основним видом відкладень.
Часткове забруднення пластини спостерігається з боку (а), яка контактувала з гарячим теплоносієм. На пластині є кілька ділянок забруднень, які практично рівномірно розподілені по всій довжині пластини, з деяким збільшенням кількості до входу гарячої води. Це може пояснити підвищену міцність відкладень при більш високих температурах. Сторона (б) пластини перебувала в контакті з питною водою, що нагрівається від температури 5-10°С до температури 57°С для місцевого гарячого водопостачання. На цій стороні пластини поверхню біля входу холодної прісної води була чистою. Відкладення потім починають значно збільшуватися до виходу гарячої води зі збільшенням температури води і стінки. Максимальна товщина забруднень в канавках гофр становила приблизно 0.05 мм.
Про забруднення можна судити більш ясно, розглядаючи фотографії розподілу відкладень забруднень на невеликих ділянках уздовж пластини

Можна зробити висновок, що для відкладення забруднень існують певні порогові умови по температурі води і змісті солей, при досягненні яких починається осадження забруднень. Таким чином, при проектуванні системи охолодження підприємства, температура на виході теплообмінного обладнання повинна бути нижче певного рівня, який залежить від якості води, що охолоджує для підприємства.

Припущення і порівняння з експериментальними даними, представленими в літературі, говорять про те, що є можливість скласти математичні моделі [5], здатні передбачити величини забруднень і їх тепловий опір для відкладень і твердих частинок при різних швидкостях потоку і температур поверхні пластин. Великі промислові підприємства, як правило, мають досить велику кількість теплообмінників, багато з яких використовують воду з централізованої системи охолодження. Зміст солей і твердих частинок в такій воді залишається приблизно однаковими для всіх теплообмінників. Таким чином, спостереження за розвитком забруднення в одному з теплообмінників дає можливість оцінити параметри прийнятої математичної моделі. Потім можна врахувати можливість забруднень з боку цієї води у всіх теплообменниках цього підприємства.

Перелік джерел інформації

  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.