Причинами загрязнения поверхностей теплообменного аппарата являются. Как правильно почистить теплообменник от накипи

Д.т.н. В.А. Рыженков, к.т.н. А. В. Куршаков, А.В. Рыженков, инженер,
Московский энергетический институт (технический университет);
к.т.н. И.П. Пульнер, главный инженер,
к.т.н. С.Н. Щербаков, директор филиала № 7 «Юго-Западный»,
ОАО «Московская объединенная энергетическая компания», г. Москва

Введение

Актуальнейшими современными проблемами в отечественной теплоэнергетике, в том числе в городских системах теплоснабжения, в настоящее время являются повышение надежности, долговечности и энергоэффективности тепловых сетей, генерирующего и теплообменного оборудования, запорно-регулирующей арматуры и трубопроводов. В рамках этого решаются такие задачи как повышение коррозионной стойкости конструкционных материалов, снижение скорости образования новых и эффективное удаление имеющихся термобарьерных отложений с поверхностей теплообмена, снижение гидравлических потерь при транспортировке теплоносителя, снижение затрат при проведении ремонтно-профилактических работ и ряд других задач.

Одним из перспективных способов комплексного подхода в решении вышеупомянутых проблем является применение разработанных в Московском энергетическом институте (техническом университете) ПАВ-технологий, базирующихся на кондиционировании теплоносителя молекулами поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Использование ПАВ-технологий в теплоэнергетике

В мировой практике немало примеров использования ПАВ в качестве высокоэффективных ингибиторов коррозии. Достаточно отметить, что в Российской Федерации на сегодняшний день действуют регламенты (руководящие документы - РД) по защите от стояночной (атмосферной) коррозии теплоэнергетического оборудования ТЭС и теплосетей (РАО «ЕЭС России»), а также АЭС с ВВЭР (Росатом) с применением ПАВ из класса пленкообразующих аминов .

Известно, что использование ПАВ в тепловых сетях ряда стран позволило кардинально решить проблему повышения надежности и ресурса теплотехнического оборудования на основе практически полного блокирования коррозионных процессов .

В последние годы в научном центре «Износостойкость» МЭИ (ТУ) впервые было обнаружено, что кондиционирование теплоносителя молекулами ПАВ приводит к повышению внутреннего относительного КПД центробежных насосов до 4%, снижению гидравлического сопротивления магистральных и разводящих трубопроводов на 25-30%. Эти эффекты связаны с формированием на металлических поверхностях плотно упакованных, строго ориентированных слоев молекул ПАВ, которые за счет «сглаживания» их шероховатости снижают степень турбулизации потока в пристенных слоях потока.

В представленной статье приводятся результаты применения одного из вариантов ПАВ-технологии в системе городского теплоснабжения на примере автономного участка теплосетей одной из квартальных тепловых станций (КТС) Филиала № 7 «Юго-Западный» ОАО «МОЭК» в период отопительного сезона 2006-2007 гг.

Автономный участок системы теплоснабжения включает в себя водогрейный котел ПТВМ-50, два котла КВГМ-20, общей мощностью 90 ккал/ч, магистральные теплотрассы и вводы с трубопроводами различного диаметра (80-500 мм), а также распределительные трубопроводы и системы отопления зданий и сооружений с общим объемом 2141 м3. Схема теплоснабжения присоединенных к тепловым сетям станции потребителей -закрытая двухтрубная. В качестве теплоносителя используется вода с температурным графиком 150-70 ОC.

Реализация ПАВ-технологии осуществлялась с использованием специально разработанной мобильной установки, общий вид которой представлен на рис. 1. Основное назначение этой установки заключается в обеспечении кондиционирования теплоносителя молекулами применяемого ПАВ по специальному технологическому регламенту. Длительность кондиционирования теплоносителя молекулами ПАВ определяется протяженностью и разветвленностью автономного участка, а также неравномерной интенсивностью подпитки.

Процесс кондиционирования заканчивается после достижения расчетных концентраций молекул ПАВ в теплоносителе в различных точках схемы (в пределах КТС, а также на ЦТП и ИТП).

В процессе реализации ПАВ-технологии удалось обеспечить достаточно эффективную сорбцию молекул ПАВ на внутренние поверхности трубопроводов и теплотехнического оборудования и сформировать на них строго-ориентированные, упорядоченные молекулярные слои, являющиеся гарантированной преградой для доступа молекул кислорода и углекислоты к металлу.

Известно, что в процессе движения к поверхности металла молекулы ПАВ благодаря своей повышенной активности способствуют разрыхлению и отслаиванию отложений и продуктов коррозии, которые, как правило, присутствуют на функциональных поверхностях оборудования систем теплоснабжения. Это обстоятельство было зафиксировано при реализации ПАВ-технологии на выбранном автономном участке системы теплоснабжения. В качестве иллюстрации на рис. 2 представлено распределение концентраций железа в пределах КТС за период с 13 марта 2007 г. по 21 марта 2007 г. Пробы теплоносителя отбирались из пробоотборных точек, расположенных непосредственно за котлом. Общее количество удаленного железа (в пересчете на Fe2O3) из экранов и конвективных пучков только одного котла ПТВМ-50 составило более 60 кг.

При этом были зафиксированы локальные «всплески» концентраций хлоридов в теплоносителе. В подаваемой сетевой воде максимальная концентрация хлоридов достигала 2,0 мг-экв/кг, в возвращаемой - до 0,5 мг-экв/кг, что свидетельствует о десорбции накопленных в процессе эксплуатации ионов хлора из микротрещин, пор и каверн поверхностного слоя металла.

Водородный показатель сетевой воды pH (как в прямом, так и в обратном трубопроводах) в течение всего периода мониторинга оставался практически неизменным. Измеренные значения находятся в диапазоне 8,89-9,08.

Как уже упоминалось выше, формирование на внутренних поверхностях трубопроводов молекулярных слоев ПАВ должно приводить к изменению режима течения теплоносителя. Для определения влияния поверхностных молекулярных слоев ПАВ на эпюры скоростей в трубопроводах теплосетей был разработан специальный зонд, схема которого представлена на рис. 3. Принцип действия зонда основан на измерении динамического напора потока на различном удалении от стенки трубопровода путем последовательного переключения трубок Пито. Динамический напор фиксировался дифманометром ДСП-160М1, к одному входу которого подсоединен коллектор трубок Пито, к другому - трубка статического давления.

Зонд был установлен в ЦТП на напорном трубопроводе диаметром 125 мм с соблюдением всех условий для минимизации погрешности измерений, связанных с нестационарностью потока.

На рис. 4 представлены профили скоростей, зафиксированные 22 января 2007 г. (до кондиционирования теплоносителя молекулами ПАВ) и 15 марта 2007 г., в дни, когда температура наружного воздуха и расходы прямой сетевой воды на КТС в момент измерений совпадали при t=+3 ОC и G=810 т/ч (см. кривые 1 и 2). На этом же рисунке для сравнения приведен классический профиль скоростей потока в абсолютно гладкой трубе. Анализ приведенных на рис. 4 профилей скоростей потока показывает, что значение средней скорости в процессе кондиционирования теплоносителя молекулами ПАВ увеличилось на 7,4%, естественно это приведет к адекватному изменению расхода теплоносителя.

С целью определения изменения перепадов давления при кондиционировании теплоносителя молекулами ПАВ на входе и выходе тепловых пунктов с зависимой (ЦТП1Т) и независимой (ЦТП2Т) схемой присоединения были установлены образцовые манометры (кл. 0,15). Также как и при измерении локальных скоростей для сравнения были выбраны даты (22.01.07 г. и 15.03.07 г.) с совпадающими температурами наружного воздуха, с расходом подаваемой сетевой воды на КТС. Измерения давления на ЦТП1Т производились при полностью открытом запорно-регули-руемом клапане. Было зафиксировано устойчивое снижение перепада давлений с 0,3333 МПа до 0,3291 МПа, т.е. на ~1,3%. Соответственно, на ЦТП2Т перепад давлений на бойлере снизился с 0,3289 МПа до 0,3177 МПа, т.е. на~3,5%.

Удаление отложений с функциональных поверхностей трубопроводов и теплотехнического оборудования, а также их гидрофобизация и соответствующее повышение КПД сетевых насосов привело к изменению частоты вращения их роторов. На рис. 5 представлено распределение частот вращения роторов сетевых насосов за период с 22.01.07 г. по 22.03.07 г.

Разброс перепадов частот достигал 5,2 Гц. Такой характер кривых связан с тем, что регулирование режима работы котлов КТС как с помощью рециркуляционных насосов (клапанов рециркуляции), так и путем подмеса части обратной сетевой воды в подающую линию через клапан перемычки обеспечивался дежурным оператором вручную, а электропривод сетевых насосов с частотно-регулирующим преобразователем настроен на фиксированное давление в подающем трубопроводе тепловой сети на выходе из КТС.

Представленные на рис. 5 результаты показывают, что частоты вращения роторов сетевых насосов при кондиционировании теплоносителя молекулами ПАВ в период с 22.01.07 г. по 22.03.07 г. снизились с 41,1 до 39,2 Гц, т.е. на 4,75%.

Для непрерывно работающих двух сетевых насосов с суммарной электрической мощностью 630 кВт (2x315 кВт) экономия электроэнергии при этом может составить ~153 тыс. кВт.ч при средней продолжительности отопительного периода в г. Москве 213 суток.

Несомненно, что с практической точки зрения более важным является удельный показатель q, вычисляемый как отношение использованного в водогрейном котле (котлах) топлива (в данном случае газа - тыс. м3) к количеству тепла (Гкал), отданному потребителю (на все ЦТП). Мониторинг этих показателей на КТС проводится в автоматическом режиме с почасовой частотой их регистрации.

| скачать бесплатно О повышении эффективности эксплуатации городских систем теплоснабжения на основе ПАВ-технологий , Рыженков В.А., Куршаков А.В., Рыженков А.В., Пульнер И.П., Щербаков С.Н.,

Газовая колонка долго будет беспроблемно функционировать, если вовремя выполнять профилактические работы. Наиболее необходимы они теплообменнику (радиатору) колонки, которому требуется регулярная тщательная очистка. Такая профилактика крайне обязательна, когда в поведении устройства обнаружатся заметные отклонения от нормы.

Профилактическое обслуживание более профессионально выполнит, конечно, аттестованный специалист, но, располагая подробной методичкой, сделать это будет под силу даже первокласснику. Ниже будет рассказано, как почистить теплообменник газовой колонки самому.

Причины загрязнения газовых колонок

Характерной особенностью водонагревателей является их запитка от трех систем – водопроводной, газовой и сети электроснабжения. И если с электрической системой проблем обычно не бывает, то о других так сказать нельзя.

В воде, которая приходит, как правило, из центрального водопровода, растворены в приличном количестве всякие соли, содержащие, в частности, кальций и магний. Когда температура воды переходит через отметку 65°С, эти элементы начинают выпадать в осадок и образуют отложения, называемые накипью.

Для уменьшения последствий такого явления нужно постараться не пользоваться чересчур горячей водой. Для душа и ванны вполне хватит 40°С, для мытья посуды, да еще с каким-нибудь патентованным средством, достаточно и 45°С.

В процессе нагрева воды наружная поверхность теплообменника, обдуваемая потоком разогретого газовой горелкой воздуха, смешанного с копотью от сгоревшего газа, обрастает сажей и нагаром. Их образование обусловлено:

• недостаточным притоком воздуха;
• избыточным пламенем горелки;
• плохой вытяжкой отработанных газов;
• примесями в составе газа;
• стеканием грязного конденсата из дымохода.

Признаки и последствия загрязнения

При первых же подозрениях на чрезмерное засорение теплоносителя накипью или копотью нужно принимать адекватные меры, среди которых наиболее важна чистка теплообменника газовой колонки от накипи. Но как узнать, когда это необходимо делать?

Признаки загрязнения теплообменника

Серьёзное засорение радиатора может сопровождаться следующими признаками:

1. после запуска колонки горелка слишком быстро снова отключается;
2. из-под защитного кожуха начала сыпаться сажа;
3. плохо нагревается вода;
4. слабый напор горячей воды;
5. слишком часто срабатывает тепловая защита.

Перечисленные факторы лишь косвенно сигнализируют о появлении отложений в теплообменнике, поэтому, прежде, чем приступать к его очистке, рекомендуется убедиться в исправности других узлов.

Так, причиной плохого напора воды может быть поломка крана на трубе около входа в колонку, плохо нагреваться вода может из-за низкого давления газа, а быстрое отключение горелки бывает при неправильном функционировании газового клапана или блока управления колонкой. Чтобы убедиться в исправности названных узлов, нужно либо воспользоваться заводской инструкцией по проверке работоспособности составных частей аппарата, либо найти нужную информацию в Интернете, либо вызвать специалиста сервис-центра.

Наружное загрязнение радиатора диагностируется проще – достаточно открыть его защитный кожух. Теплообменник классифицируется, как загрязненный, если он на треть и более покрыт черным веществом.

Последствия загрязнения теплообменника

Чрезмерная загрязненность неизбежно приводит к следующим последствиям:

• перегреву элементов теплообменника, грозящему их повреждением;
• неэффективному использованию электроэнергии;
• снижению производительности по горячей воде;
• засорению запорных и регулирующих воду узлов аппарата;
• появлению сажи и запаха гари в комнатах дома.

Большое количество отложений может, рано или поздно, привести к поломке устройства. Она может быть как не существенной, так и довольно серьёзной. Возможны даже такие, которые выведут из строя весь агрегат. Наличие систем защиты не гарантирует на сто процентов безопасность эксплуатации газовой колонки, а газ – это вещь опасная.

Наружная очистка теплообменника

Для более качественной очистки радиатора от загрязнений нужно снять его с колонки.

Важно! Перед началом работ по очистке требуется в обязательном порядке перекрыть вентили подачи газа и воды.

Последовательность действий следующая:

1. закрыть подачу газа и воды;
2. снять защитный кожух;
3. открыть самый ближний к колонке кран горячей воды;
4. подставить под входное отверстие радиатора емкость для слива воды;
5. открутить от теплообменника подающий патрубок и слить воду;
6. открутить накидные гайки радиатора и снять его.

Возможно, придется дополнительно разбирать другие детали и элементы колонки, не дающие возможность снять теплообменник. Их количество и назначение зависят от конструкции агрегата. Необходимо аккуратно и последовательно их отсоединять, запоминая все свои действия.

Снятый теплообменник положить в емкость и обработать пластины радиатора жидкостью для удаления нагара или другим эффективным моющим средством.

Очистку проводить щеткой и поролоновой губкой. После этого промыть сильной струей воды. Лучше всего, конечно, обработать радиатор минимойкой высокого давления, если она есть, или можно на время ее где-то достать. Такая мойка способна очень быстро и качественно разрушить слой нагара.

Промывка теплообменника от накипи

Здесь будут даны несколько советов о том, как почистить теплообменник газовой колонки от накипи самостоятельно.

Сначала следует подготовить раствор для промывки. Самые простые рецепты:

• использовать магазинный очиститель от накипи;
• растворить лимонную кислоту в воде в пропорции 200 г на 1 литр;
• растворить 9 % уксус в воде в соотношении 1:5.

А вообще, вариантов, чем еще можно промыть теплообменник газовой колонки, в Интернете опубликовано немало.

Из лейки или через воронку тонкой струйкой влить в радиатор приготовленный раствор. Лить медленно, чтобы не вызвать химическую реакцию, когда антинакипин может вытолкнуться обратно. Жидкость в теплообменнике должна оставаться не менее двух часов. Для растворов лимонной или уксусной кислоты – не менее 4 часов.

Завершить процесс промывкой проточной водой. Для увеличения эффекта очистки, при промывке радиатора, можно осторожно постукивать резиновым молотком (киянкой). Продолжать промывать нужно до тех пор, пока из теплообменника не пойдет чистая вода без посторонних включений.

В качестве реагента можно также использовать имеющуюся в продаже жидкость для промывки теплообменников газовых котлов, которая вполне доступна по цене.

Важно! В Интернете можно найти рекомендации по использованию для очистки соляной кислоты. Это ошибка, использовать ее нельзя! Она вызовет химическую реакцию, которая приведет к окислению металла пластин радиатора, и, как следствие, к появлению протечек.

Наиболее качественную очистку радиаторов в любых водонагревательных приборах обеспечивает специальное оборудование для промывки теплообменников газовых котлов, называемое бустером, которое применяется в специализированных сервис-центрах. Это устройство обеспечивает автономную циркуляцию промывочной жидкости через радиатор.

Принцип работы прост: бустер создает давление и заставляет реагент циркулировать в одном направлении. Через некоторое время аппарат автоматически переключается на рециркуляцию в обратном направлении. Такой способ позволяет максимально очистить внутренние полости радиатора от накипи. Покупать такой аппарат, конечно, нецелесообразно (он очень дорого стоит), но можно сделать самому. В Интернете есть описания.

При установке теплообменника на свое место выполнять все операции по сборке в порядке, обратном разборке.

В заключение

Чистка и промывка теплообменника не представляет большой сложности, главное – правильно разобрать агрегат и не забыть, как его собрать. На нашем сайте есть много рекомендаций, как очистить радиатор, не снимая его с колонки.

Ими можно воспользоваться только тогда, когда загрязнение не достигло критической отметки, и очистка проводится в плановом порядке по установленному графику, но не реже раза в год.

Специалисты компании «Теплообмен» на основании предоставленных индивидуальных данных производят быстрый расчет теплообменников по заявкам клиентов.

Метод расчета теплообменника

Чтобы решить задачу теплообмена, необходимо знать значение нескольких параметров. Зная их, можно определить другие данные. Самыми важными представляются шесть параметров:

• Количество тепла, которое должно быть передано (тепловая нагрузка или мощность).
• Температура на входе и выходе на стороне первого и второго контура теплообменника.
• Максимально допустимые потери напора на стороне и первого, и второго контура.
• Максимальная рабочая температура.
• Максимальное рабочее давление.
• Расход среды на стороне первого и второго контура.

Если расход среды, удельная теплоемкость и разность температур на одной стороне контура известны, можно рассчитать величину тепловой нагрузки.

Температурная программа

Этот термин означает характер изменения температуры среды обоих контуров между ее значениями на входе в теплообменник и выходе из него.

T1 = Температура на входе – горячая сторона

T2 = Температура на выходе – горячая сторона

T3 = Температура на входе – холодная сторона

T4 = Температура на выходе – холодная сторона

Средний логарифмический температурный напор

Средний логарифмический температурный напор (LMTD) является эффективной движущей силой теплообмена.

Если не учитывать потери тепла в окружающее пространство, которыми можно пренебречь, правомерно утверждать, что количество тепла, отданное одной стороной пластинчатого теплообменника (тепловая нагрузка) равно количеству тепла, полученному другой его стороной.

Тепловая нагрузка (P) выражается в кВт или в ккал/ч.

P = m x c p x δt,

m = Массовый расход, кг/с

c p = Удельная теплоемкость, кДж/(кг x °C)

δt = Разность температур на входе и выходе одной стороны, °C

Термическая длина

Термическая длина канала или тета-параметр (Θ) является безразмерной величиной, которая характеризует соотношение между разностью температур δt на одной стороне теплообменника и его LMTD.

Плотность

Плотностью (ρ) является масса единицы объема среды и выражается в кг/м 3 или г/дм 3 .

Расход

Этот параметр может выражаться с использованием двух различных терминов: массы или объема. Если имеется в виду массовый расход, тогда он выражается в кг/с или в кг/ч, если объемный расход, то используются такие единицы, как м 3 /ч или л/мин. Чтобы перевести объемный расход в массовый, нужно величину объемного расхода умножить на плотность среды. Выбор теплообменника для выполнения конкретной задачи обычно определяет требуемая величина расхода среды.

Потери напора

Размер пластинчатого теплообменника непосредственно зависит от величины потери напора (∆p). Если есть возможность увеличить допустимые потери напора, то можно будет использовать более компактный и, следовательно, менее дорогой теплообменник. За ориентир для пластинчатых теплообменников для рабочих жидкостей вода/вода можно считать допустимой потери напора в диапазоне от 20 до 100 кПа.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость (с p) представляет собой количество энергии, которое необходимо для повышения температуры 1 кг какого-либо вещества на 1 °C при данной температуре. Так, удельная теплоемкость воды при температуре 20 °C равна 4,182 кДж/(кг х °C) или 1,0 ккал/(кг х °C).

Вязкость

Вязкость является мерой текучести жидкости. Чем ниже вязкость, тем выше текучесть жидкости. Вязкость выражается в сантипуазах (сП) или в сантистоксах (сСт).

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи теплообменника является важнейшим параметром, от которого зависит сфера применения устройства, а также его эффективность. На данную величину влияет скорость движения рабочих сред, а также особенности конструкции агрегата.

Коэффициент теплопередачи теплообменника представляет собой совокупность следующих величин:

• теплоотдача от греющей среды к стенкам;
• теплопередача от стенок к нагреваемой среде;
• теплопередача водонагревателя.

Коэффициент теплопередачи теплообменника рассчитывается по определенным формулам, состав которых также зависит от вида теплообменного агрегата, его габаритов, а также от характеристик веществ, с которыми работает система. Кроме того, необходимо учитывать внешние условия эксплуатации аппаратуры – влажность, температуру и т.д.

Коэффициент теплопередачи (k) является мерой сопротивления тепловому потоку, вызываемого такими факторами, как материал пластин, количество отложений на ее поверхности, свойства жидкостей и тип используемого теплообменника. Коэффициент теплопередачи выражается в Вт/(м 2 x °C) или в ккал/(ч x м 2 x °C).

Выбор теплообменника

Каждый параметр в этих формулах может повлиять на выбор теплообменника. Выбор материалов же обычно не влияет на эффективность теплообменника, от них зависит только его прочность и стойкость к коррозии.

Применяя пластинчатый теплообменник , мы получаем преимущества в виде небольших разностей температур и малой толщины пластин, которая обычно равна от 0,3 до 0,6 мм.

Коэффициенты теплоотдачи (α1 и α2) и коэффициент загрязнения (Rf), как правило, очень малы, что объясняется высокой степенью турбулентности течения среды в обоих контурах теплообменника. Этим же обстоятельством можно объяснить и высокое значение расчетного коэффициента теплопередачи (k), которое при благоприятных условиях может достигать величины 8 000 Вт/(м 2 х °C).

В случае применения обычных кожухотрубных теплообменников величина коэффициента теплопередачи (k) не превысит значение 2 500 Вт/(м 2 х °C).

Важными факторами минимизации стоимости теплообменника являются два параметра:

1. Потери напора. Чем выше допустимая величина потерь напора, тем меньше размеры теплообменника.

2. LMTD. Чем выше разность температур жидкостей в первом и втором контуре, тем меньше размеры теплообменника.

Ограничения по давлению и температуре

Стоимость пластинчатого теплообменника зависит от максимально допустимых значений давления и температуры. Основное правило можно сформулировать следующим образом: чем ниже максимально допустимые значения рабочих температуры и давления, тем меньше стоимость теплообменника.

Загрязнение и коэффициенты

Допустимое загрязнение может быть учтено в вычислении через расчетный запас (M), то есть, за счет дополнительного процента поверхности теплообмена или введения коэффициента загрязнения (Rf), выражаемого в таких единицах, как (м 2 х °C)/Вт или (м 2 х ч х °C)/ккал.

Коэффициент загрязнения при расчете пластинчатого теплообменника должен браться значительно меньшим, чем при расчете кожухотрубного теплообменника. Для этого есть две причины.

Более высокая турбулентность потока (k) означает меньший коэффициент загрязнения.

Конструкция пластинчатых теплообменников обеспечивает гораздо более высокую степень турбулентности и, следовательно, более высокий тепловой коэффициент полезного действия (кпд), чем это имеет место в традиционных кожухотрубных теплообменниках. Обычно коэффициент теплопередачи (k) пластинчатого теплообменника (вода/вода) может составлять от 6 000 до 7 500 Вт/(м 2 х °C), в то время как традиционные кожухотрубные теплообменники при одинаковом применении обеспечивают коэффициент теплопередачи порядка лишь 2 000–2 500 Вт/(м 2 х °C). Типичное значение Rf, обычно используемое в расчетах кожухотрубных теплообменников, равно 1 х 10-4 (м 2 х °C)/Вт. В этом случае использование значения k от 2 000 до 2 500 Вт/(м 2 х °C) дает расчетный запас (M = kc х Rf) порядка 20–25 %. Чтобы получить такое же значение асчетного запаса (M) в пластинчатом теплообменнике с коэффициентом теплопередачи порядка 6 000–7 500 Вт/(м 2 х °C), надо взять коэффициент загрязнения, равный всего лишь 0,33 х 10-4 (м 2 х °C)/Вт.

Различие в добавлении расчетного запаса

При расчете кожухотрубных теплообменников расчетный запас добавляется путем увеличения длины труб при сохранении расхода среды через каждую трубу. При расчете пластинчатого теплообменника такой же расчетный запас обеспечивается за счет добавления параллельных каналов или посредством уменьшения расхода в каждом канале. Это приводит к снижению степени турбулентности течения среды, уменьшению эффективности теплообмена и увеличению опасности загрязнения каналов теплообменника. Использование слишком большого коэффициента загрязнения может привести к повышенной интенсивности образования отложений.Для пластинчатого теплообменника, работающего в режиме вода/вода, значение расчетного запаса от 0 до 15 % (в зависимости от качества воды) можно считать вполне достаточным.

Cтраница 2

Для предупреждения образования накипи и загрязнений поверхности теплообмена своевременно очищают продувкой паром, промывкой химическими растворителями, удалением отложений механическим путем.  

Необходимо иметь в виду, что загрязнение поверхности теплообмена изменяет значения температур стенки t cm и t по сравнению со случаем чистой стенки. Наибольшую опасность при этом представляют случаи работы теплообменных аппаратов при больших разностях температур и отложении загрязнений со стороны вторичной (холодной) рабочей среды. В этих случаях может иметь место значительный перегрев стенок аппарата.  

В зависимости от характера и интенсивности загрязнения поверхности теплообмена могут очищаться механическим и химическим способами.  

Для устранения завихрений газа, способствующих загрязнению поверхности теплообмена, вход и выход газа в камеру котла производится сверху. По этой причине барабан 2 размещен в боковой части котла.  

Поскольку в замкнутой системе нет оснований опасаться загрязнения поверхности теплообмена со стороны газа, при выборе оребрения следует исходить исключительно из теплогидродинами-ческих соображений.  

Наиболее распространенная неисправность в АВО - это загрязнение поверхностей теплообмена, создающее не только дополнительное термическое сопротивление теплопередачи, но и увеличивающее аэродинамическое сопротивление, что приводит к снижению общей производительности основного вентилятора и коэффициента теплоотдачи со стороны охлаждающего воздуха.  

Поскольку в замкнутой системе нет оснований опасаться загрязнения поверхности теплообмена со стороны газа, при выборе оребрения следует исходить исключительно из тешюгидродинами-ческих соображений.  

Основной причиной снижения эффективности работы охладителей является загрязнение поверхностей теплообмена как со стороны охлаждающей воды, так и со стороны газа. Отложения на поверхности трубок резко ухудшают условия теплообмена, поскольку имеют высокое термическое сопротивление. Кроме того, отложения сужают проходное сечение, что приводит к уве - - личению гидравлического сопротивления охладителя. При ограниченных напорах, создаваемых насосами охлаждающей воды, снижается ее скорость в трубках и соответственно уменьшается расход через охладитель. Загрязнения со стороны охлаждаемого газа приводят к повышению гидравлического сопротивления охладителя по газу, что вместе с повышением температуры газа снижает производительность компрессора.  

На коэффициент теплопередачи большое влияние оказывает и степень загрязнения поверхности теплообмена. В табл. 5.2 показано, как уменьшается коэффициент теплопередачи после очистки теплообменных аппаратов.  

Поэтому при выполнении тепловых расчетов всегда необходимо учитывать некоторое загрязнение поверхности теплообмена, уменьшающее числовые значения коэффициентов теплопередачи.  

Для предупреждения подобных опасностей следует принимать меры, направленные на снижение загрязнений поверхностей теплообмена, а если такая возможность исключается, то должны предусматриваться специальные средства для постоянной эффективной очистки теплообменной аппаратуры. Наиболее ответственные аппараты оборудуют устройствами гидродинамической очистки. Например, реакторы полимеризации хлорвинила снабжают специальными устройствами, представляющими собой складывающиеся зонты с форсунками для распыления воды под давлением 25 МПа через специальные сопла. Устройство располагают на реакторе. Внутрь аппарата его вводят через центральную трубу обратного конденсатора. Операция очистки проводится автоматически после каждого цикла полимеризации без вскрытия реактора. Чистка осуществляется в течение 15 мин при возвратно-поступательном перемещении зонта по вертикали.  

В ряде процессов оптимальный режим смещается по мере падения активности катализатора или загрязнения поверхностей теплообмена. В тех случаях, когда такие изменения эффективности процесса происходят достаточно медленно, когда удается провести достаточное число измерений в установившихся условиях по методике эволюционной разработки, имеется возможность строго поддерживать оптимальные условия при помощи этого метода. Эта возможность создает предпосылки для использования счетных машин в системах автоматического управления процессами и использования эволюционного метода анализа для контроля за смещением оптимального режима.  

При аппаратурном оформлении теплообменных процессов часто испытываются затруднения в учете возможных шероховатостей и загрязнений поверхностей теплообмена, от которых в большой мере зависят значения коэффициентов теплоотдачи между теплоносителями и стенками и, соответственно, общие коэффициенты теплопередачи. Отложения в виде твердой корки из различных солей или других неорганических продуктов на поверхностях теплопередачи приводят к резкому снижению или практически к полному прекращению теплопередачи через стенку и серьезным авариям.  

Мощностью 10 кВт общий объем тепла, выделяемый конденсатором, составляет около 13-13,5 кВт.

Второй рабочей средой конденсатора, помимо хладагента, может служить окружающий воздух (конденсаторы с воздушным охлаждением) или жидкость (конденсаторы с водяным охлаждением).

Конденсаторы с воздушным охлаждением

Наибольшее распространение получили конденсаторы с воздушным охлаждением. Они состоят из теплообменника и блока вентилятора с электродвигателем.

Теплообменник обычно изготавливается из медных трубок диаметром 6 мм и 19 мм, как правило, с оребрением. Расстояние между ребрами обычно составляет 1,5-3 мм.

Медь легко поддается обработке, не подвержена окислению и имеет высокие показатели теплопроводности. Выбор диаметра трубок зависит от большого количества факторов: легкости обработки, потерь давления в линии хладагента, потерь давления со стороны охлаждающей воздушной среды и т.д. В настоящее время наблюдается тенденция использования трубок малого диаметра.

Оребрение трубок теплообменника чаще всего изготавливают из алюминия. Причем тип оребрения, его профиль и конфигурация могут быть весьма разнообразны и существенно влиять на тепловые и гидравлические характеристики теплообменника. Так, например, использование сложного профиля оребрения с просечками, выступами и т.п. позволяет создать большую турбулентность воздуха вблизи поверхности ребра. Тем самым повышается эффективность теплопередачи между хладагентом, проходящим по трубкам, и внешним воздухом. Хотя в этом случае несколько увеличивается гидравлическое сопротивление, что потребует установки вентилятора большей мощности, достигается существенное повышение производительности холодильной машины с лихвой оправдывает увеличенную энергоемкость установки.

Соединение трубки с ребрами может быть выполнено двумя способами:

• либо в ребре просто делается отверстие для непосредственного контакта с трубкой,
• либо в месте подсоединения ребра к трубке делается воротничок (буртик), повышающий поверхность теплообмена.

Преимущество первого варианта состоит в простоте (экономичности) производства, однако, в связи с неплотным контактом ребра с трубкой, передача тепла внешней среде ограничена.

Кроме того, при работе в загрязненной либо агрессивной атмосфере по контуру прилегания ребер к трубке может появиться коррозия. Это значительно снижает полезную поверхность теплообмена, приводит к снижению производительности и повышению температуры конденсации.

Скорость воздушного потока, проходящего через теплообменник, обычно составляет от 1,0 до 3,5 м/с.

Внутренняя поверхность трубок также может быть рифленой, что позволяет обеспечить большую турбулентность, а следовательно, теплоотдачу хладагента.

Конденсаторы обычно имеют один или несколько рядов трубок (чаще всего — до 4-х), расположенных в направлении прохождения потока охлаждающего воздуха. Трубки могут располагаться на одном уровне либо ступенями (в шахматном порядке) для повышения эффективности теплообмена (рис. 3.10).

Важным аспектом является схема движения рабочих сред в теплообменнике. Горячий хладагент поступает в конденсатор сверху и постепенно опускается вниз. В верхней части теплообменника происходит наиболее интенсивное охлаждение хладагента, для чего используется примерно 5% полезной площади теплообменника. На этом начальном участке теплообменника теплопередача весьма значительна, благодаря большому перепаду температур между хладагентом и холодным воздухом и высокому коэффициенту теплопередачи, обусловленному высокой скоростью движения хладагента.

На следующем основном участке охлаждения, составляющем около 85% всей полезной поверхности теплообменника, процесс конденсации парообразного фреона проходит при почти неизменной температуре.

Остающиеся 10% полезной поверхности теплообмена используются для «дополнительного охлаждения» хладагента. Количество отводимого в этой зоне тепла составляет примерно 5% общего показателя теплообмена, что связано с небольшим перепадом температур между хладагентом, перешедшим в жидкую фазу, и продувочным воздухом.

Температура конденсации превышает температуру окружающего воздуха примерно на 10-20°С, а температура выходящего из теплообменника воздуха на 3-5,5 °С ниже температуры конденсации.
Абсолютные показатели температуры конденсации обычно составляют 42-55 °С.

В табл. 3.11 представлена зависимость температуры конденсации парообразного фреона R-22 от температуры окружающего воздуха.

Таблица 3. 11. Зависимость температуры конденсации от температуры окружающего воздуха

Характеристики конденсаторов зависят как от типа хладагента и температуры окружающей среды, так и от атмосферного давления окружающего воздуха (высоты над уровнем моря). При больших высотах производительность конденсатора снижается в связи с уменьшением плотности воздуха. В табл. 3.12 приведены коэффициенты, позволяющие точно скорректировать холодопроизводительность холодильных машин в зависимости от высоты над уровнем моря.

Таблица 3. 12. Коэффициент коррекции холодопроизводительности от высоты над уровнем моря

Конденсаторы с водяным охлаждением

Конденсаторы с водяным охлаждением по своему конструктивному исполнению подразделяются на следующие основные группы:

• кожухотрубные конденсаторы;
• конденсаторы типа «труба в трубе»;
• пластинчатые конденсаторы.

Конденсаторы первой группы чаще всего используются на установках средней и большой мощности, другие же — на установках средней и малой мощности.

Кожухотрубные конденсаторы

Выполняются в виде стального цилиндрического кожуха, с обоих концов которого приварены стальные трубные решетки. В них запрессовываются медные трубки. К трубным решеткам крепятся головки с входными и выходными патрубками для подключения к системе водяного охлаждения (рис. 3. 13).

В верхней части кожуха располагается патрубок подвода горячего парообразного хладагента, поступающего от компрессора. В нижней части установлен патрубок отвода жидкого хладагента.
Горячий парообразный хладагент омывает трубки и заполняет свободное пространство между трубками и кожухом.

Холодная вода подается по трубкам снизу и выходит через верхнюю часть кожуха. Горячий парообразный хладагент соприкасается с трубками, по которым циркулирует холодная вода, остывает, конденсируется и скапливается на дне конденсатора. Вода, поглощая тепло от хладагента, выходит из конденсатора с более высокой температурой, чем на входе. Участок «дополнительного охлаждения», если таковой предусмотрен, состоит из пучка трубок, расположенных на дне конденсатора и отделенных от остальных трубок металлической перегородкой. В таком случае поступающая в конденсатор холодная вода в первую очередь проходит через участок «дополнительного охлаждения».

Трубки конденсатора обычно изготовляются из меди и имеют номинальный диаметр 3/4"и 1" (20 и 25 мм). С внешней стороны они имеют оребрение, позволяющее повысить теплообмен между хладагентом и находящейся внутри трубок водой.

Обычно в конденсаторах используется вода из системы оборотного водоснабжения. Температура конденсации хладагента примерно на 5 °С выше температуры воды на выходе из конденсатора. Например, при температуре воды на выходе из конденсатора 35 °С температура конденсации хладагента R-22 составляет примерно 40 °С. В этих условиях перепад температуры воды в конденсаторе не превышает 5 °С.

Для передачи 1 кВт тепла от хладагента проточной воде требуемый расход воды составит около 170 л/ч.

Конденсаторы типа «труба в трубе»

Эти конденсаторы представляют собой выполненную в виде спирали трубку, внутри которой соосно расположена другая трубка. Хладагент может перемещаться по внутренней трубке, а охлаждающая жидкость — по внешней, либо наоборот (рис. 3.14).

Вся конструкция может быть выполнена из меди, либо внутренняя трубка может быть медной, а внешняя — стальной.

Как внешняя, так и внутренняя поверхности трубки могут иметь оребрение, увеличивающее эффективность теплопередачи. Два потока жидкостей движутся навстречу друг другу. Вода поступает снизу и выходит сверху, хладагент перемещается в противоположном направлении.
Этот тип конденсаторов используется в автономных установках кондиционирования воздуха и установках для охлаждения воды малой мощности. В связи с тем, что конденсатор этого типа представляет собой неразъемную конструкцию, очистка трубки, по которой циркулирует вода, может проводиться только химическим путем.

Пластинчатые конденсаторы

Этот тип теплообменника отличается тем, что циркуляция жидкостей происходит между пластинами из нержавеющей стали, расположенными «елочкой» (рис. 3.15).

Внутри теплообменника создаются два независимых контура циркуляции (хладагента и охлаждающей воды), движущихся навстречу друг другу. Пластинчатые теплообменники имеют очень высокие теплотехнические характеристики, что обусловило их большое распространение в установках средней и малой мощности. Высокая эффективность этих теплообменников сочетается с компактными размерами и малой массой, небольшими перепадами температур между двумя жидкостями, что повышает эффективность установки, меньшим количеством требуемого хладагента.

Пластинчатые теплообменники используются как в качестве конденсаторов, так и в качестве испарителей.

В табл. 3.16 приводятся наиболее часто встречающиеся значения температуры воды, используемой в конденсаторах, и соответствующие температуры конденсации.

Таблица 3.16. Температуры воды на входе в конденсатор и температуры конденсации

Максимально допустимые при испытаниях значения давления в конденсаторах с водяным охлаждением указаны в табл. 3.17.

Таблица 3.17. Максимально допустимые значения давления в конденсаторах с водяным охлаждением

Коэффициент загрязнения

Коэффициент загрязнения характеризует термическое сопротивление, вызванное отложением осадка, содержащегося в воде, на внутренних стенках трубок. В результате снижается теплопередача.

Загрязнение трубок приводит к повышению средней температуры и увеличению количества охлаждающей жидкости, требуемой для охлаждения заданного количества хладагента. В результате повышается давление в контуре конденсации и, как следствие, — энергоемкость процесса.

Проблема загрязнения трубок является большим препятствием при использовании теплообменников в регионах с повышенными показателями жесткости воды.

Согласно стандарту ARI Standard 590 характеристики холодильных машин должны соответствовать коэффициенту загрязнения конденсатора:
8,8 · 10 -5 (м 2 · °C/Вт)

Для других коэффициентов загрязнения необходимо скорректировать характеристики холодильных машин. В табл. 3.18 указаны коэффициенты коррекции эффективности холодильных машин для разных коэффициентов загрязнения.

Следует отметить, что приведенные в табл. 3.18 коэффициенты обычно используются для корректировки холодо- и тепло-производительности установок большой мощности.

Для установок малой и средней мощности в качестве исходной точки принимаются чистые пластины конденсатора и испарителя, а значения поправочных коэффициентов соответствуют приведенным в табл. 3. 19.

В технической документации на оборудование обязательно приводится методика пересчета характеристик в зависимости от коэффициента загрязнения.

В табл. 3.20 указаны коэффициенты загрязнения, соответствующие различным типам используемой воды.

С целью сокращения загрязнения до минимально возможного уровня зачастую рекомендуют устанавливать скорость потока воды на уровне, превышающем 1 м/с. Рекомендуется также периодически производить очистку трубок механическим либо химическим путем.

Таблица 3.18. Коэффициенты коррекции показателей холодопроизводительности установки в зависимости от коэффициента загрязнения

Таблица 3.19. Коэффициенты коррекции показателей холодопроизводительности установки малой мощности в зависимости от коэффициента загрязнения

Таблица 3.20. Типичные коэффициенты загрязнения для различных типов воды