Термічний опір відкладень (CaSO4) в пластинчастих теплообмінниках.

В системі опалення ефективність пластинчастих теплообмінників часто зменшується з плином часу через осадження нерозчинних солей на поверхні теплообміну. Дана проблема широко висвітлюється зарубіжними фахівцями. Грунтуючись на статті «Thermal resistance in corrugated plate heat exchangers under crystallization fouling of calcium sulfate» в даному матеріалі буде розглянуто виникнення відкладень сульфату кальцію і їх вплив на ефективність пластинчатих теплообмінників. Актуальність проблеми полягає в тому, що дуже важко спрогнозувати дане явище, однак при правильно складеної математичної моделі можна домогтися досить точних результатів.

Пластинчасті теплообмінники широко використовуються в водяних системах опалення, оскільки вони перевершують кожухотрубчасті теплообмінники з точки зору ефективності, теплопередачі, технічного обслуговування, компактності [1]. Як правило розчинність солі зростає з підвищенням температури. Однак деякі солі, такі як сульфат кальцію (CaSO4), показують зворотну залежність.

Як приклад проведемо експеримент. Візьмемо пластинчастий теплообмінний апарат з водою і розчином сульфату кальцію в якості робочих середовищ (сульфат кальцію застосований для більш швидкого появи відкладень). Далі розглянемо безпосередньо пластину теплообмінника в різні моменти часу для оцінки виникнення відкладень на різних ділянках пластини [2].

Розчинність CaSO4 зменшується зі збільшенням температури води починаючи з 40 ° С [3]. Так як температура води, що нагрівається на виході може досягати 55 ° С і вище в системах опалення і ГВС, CaSO4 почне кристалізуватися в слідстві зменшення розчинності в залежності від температури. Через це явища зниження ефективності пластинчатих теплообмінників необхідно досліджувати з урахуванням кристалізованих відкладень.

На Мал.1 показані відкладення CaSO4, сформовані на поверхні теплообмінника при кристалізації. Візуальний огляд був проведений при концентрації CaSO4 0,65 мас. %, Температурі розчину CaSO4 на вході Т1 = 15 ° С, і температурі гарячої води на вході Т2 = 95 ° С.

Як показано на Мал.1 (а), відкладення CaSO4 не народжуються у вхідній зоні пластини, але помітні невеликим шаром на відстані 5 см і більше від входу, особливо з лівого боку біля прокладки. Біля входу вони не з’являтися через низьку температури води. Товщина відкладів на поверхні зростає в міру збільшення тривалості впливу розчину CaSO4, а так само в наслідок підвищення температури поверхні. Збільшення температури призводить до збільшення швидкості реакції іонів з поверхнею теплообміну, так як енергія активації іонів пропорційна температурі, а зниження розчинності поблизу теплопередающей поверхні призводить до збільшення числа іонів. Також спостерігається істотна кристалізація поруч з прокладкою через уповільнення потоку поблизу неї. На мал.1 (б), рівномірна кристалізація сталася в середній частині пластини, і так як пластина продемонстрована по закінченню більш тривалого проміжку часу, товщина відкладень збільшилася. Як показано на мал.1 (с), товщина відкладень ще більш зростає в міру збільшення тривалості впливу розчину CaSO4. Однак відбувається це нерівномірно через ефект самоочищення каналів пластинчастого теплообмінника. Ефект проявляється в тому, що через поступове появи відкладень збільшується швидкість потоку і при досягненні певної величини відбувається вимивання довільних частин відкладень. Можна зробити висновок що відкладення з’являються на пластині нерівномірно через декількох факторів: збільшення температури, високої швидкості потоку в правій частині пластини, уповільнення потоку біля прокладки, тривалості впливу розчину CaSO4 на пластину.

Кристалічні відкладення в пластинчастих теплообмінниках можуть бути змінені і проаналізовані шляхом зміни концентрації CaSO4, швидкості потоку, температури на вході розчину CaSO4 і гарячої води. У нашому випадку випробування показали візуалізацію кристалічних відкладень CaSO4 поблизу прокладки через уповільнення потоку поблизу прокладки. Товщина відкладів на поверхні зростає в міру збільшення тривалості впливу розчину.

Нерівномірний поява відкладень значно ускладнює подальше прогнозування зниження ефективності теплообмінника. Грунтуючись на поточному експерименті, деяких припущеннях і дослідженнях, представлених в літературі, існує можливість створити певні математичні моделі, які зможуть передбачити товщину відкладень і їх вплив на теплообмінник. При цьому математична модель автора статті «Thermal resistance in corrugated plate heat exchangers under crystallization fouling of calcium sulfate» є дуже точною, з огляду на те, що вона ґрунтується на його власних експериментальних даних. Значення відхилення в даному випадку від виміряних даних одно 4,8% [4,5]. Прогнози також узгоджуються з виміряними даними існуючих досліджень, представлених в літературі, при більш низьких концентраціях CaSO4 в межах відносного відхилення ± 10% [6].

 Список джерел інформації:

 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.