Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 1.2 (продолжение)

30

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 1.2 (продолжение)

31

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Как видно из термограмм на рис.1.7 температура изоляции кожухотрубных теплообменников находящихся на открытом воздухе даже зимой не превышает значений 3-5°С, а в помещениях – 25°С. Повышенные температуры наблюдаются только на неизолированных участках и на опорах, где и происходят 1-5% потерь тепла в теплообменнике. Температура же наружных поверхностей пластинчатых теплообменников обычно составляет 50-65°С, но из–за значительно меньших площадей наружных поверхностей пластинчатых теплообменников тепловые потери также не превышают 1-3%.

Рис.1.7. Термограммы внешних поверхностей теплообменных аппаратов различных типов и назначения.

1.4. Основные проблемы разработки и эксплуатации теплообменных аппаратов

1.4.1. Загрязнение и коррозия ТА.

Во всем мире проблема образования отложений в теплообменном оборудовании, а также в трубопроводах весьма актуальна и отражена в 5-й и 6-й рамочных программах Евросоюза с выделением 1.6-2.1 млрд. евро в год (до 14 % бюджета) на решение данной проблемы. Данная проблема стоит настолько остро, что периодически под эгидой ASME и ICHMT проводятся всемирные кон-

32

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ференции по борьбе с загрязнением теплообменного оборудования (International conference on Fouling of Heat Exсhangers).

пользуются как механическая, так и химическая или гидромеханическая очистка.

33

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Механическая очистка трубок заключается в прохождении абразивного конуса через трубки. Это приводит к тому, что в трубках обычно возникают свищи. Ресурс трубной матрицы кожухотрубных ТА при этом сокращается до 2 лет. Кроме этого, применение такой механической очистки не позволяет использовать основные типы интенсификаторов теплообмена.

Гидромеханическая очистка заключается в создании либо гидроудара в рабочих трактах ТА, либо в прокачке по ним с большой скоростью водовоздушной смеси. В первом случае могут возникнуть прорывы или микротрещины, в последствие приводящие к утечке теплоносителя. Во втором случае удаляется незначительная часть отложений и накипи.

а

б в г Рис.1.9. Установки различных способов химводоподготовки: а – натрий-

катионирование (АКВА-ДДУ и стандартное оборудование), б – ОЭДФК и Композиция ККФ, в – электромагнитная обработка воды АКВАКОДЕР АК-6, г – вакуумный деаэратор.

Для уменьшения загрязняемости и коррозии теплообменных поверхностей ТА в настоящее время рекомендуется:

•применение очищенных рабочих сред, магнитная обработка воды или добавление в них специальных добавок,

•постоянная механическая, химическая или гидромеханическая очистка рабочих поверхностей,

34

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

•обработка поверхностей и использование специальных покрытий. Одним из перспективных способов предотвращения накипи и коррозии

является использование ингибитора накипеобразования и коррозии – Композиция ККФ. Ингибирование накипеобразования происходит за счет изменения кинетики зародышеобразования и роста кристаллов. Зародыши кристалла, не достигшие критического размера, рассасываются, а превысившие критический размер, или меняют в процессе роста кристаллическую структуру с кальцита на арагонит, или утрачивают кристаллическое строение.

В ОАО «Нижнекамскнефтехим» был реализован демонстрационный проект отмывки от плотных отложений межтрубного пространства кожухотрубного теплообменника с плавающей головкой (длина – 7163 мм, диаметр – 900 мм, трубные решетки из нержавеющей стали марки

Х18Н10Т) (рис.1.10).

Подвергаемый отмывке теплообменник был выведен из эксплуатации год назад по причине того, что он не обеспечивал охлаждение продукта до параметров, предусмотренных технологическим регламентом.

После отмывки 80% межтрубного пространства

Рис. 1.10. Кожухотрубный теплообменник теплообменника было от- мыто от осадков полно-

стью. В застойных зонах межтрубного пространства теплообменника осталось некоторое количество осадков, представляющих собой пастообразную массу. Эта масса смывалась струей холодной воды, подаваемой из шланга. В уловителе твердых частиц собралось около 1,5 м3 осадков.

примеры очистки ТА с помощью «Комплексона ККФ». На рис.1.12 показан ко-

35

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

тел–утилизатор теплоты отходящих газов ГПА 25МВт Шеморданского ЛПУ МГ ООО «Таттрансгаз» до очистки и после. На рис.1.13 показано тоже для теплообменника системы кондиционирования воздуха литейного завода ОАО «КамАЗ».

Рис.1.12. Котел–утилизатор (а) теплоты отходящих газов ГПА 25МВт Шеморданского ЛПУ МГ ООО «Таттрансгаз» до очистки (б) и после (в)

а б Рис.1.13. Теплообменник системы кондиционирования воздуха литейного завода ОАО «КамАЗ» до (а) и после (б) промывки

В промышленности уже нашли широкое применение пластинчатые ТА, представляющие собой набор гофрированных пластин, изготавливаемых из нержавеющей стали, с каналами для двух жидкостей, участвующих в процессе теплообмена. Конструкция ТА такова, что он может легко и периодически разбираться для очистки теплообменных поверхностей, причем эти поверхности производятся путем штамповки листовой стали с минимальной шероховатостью. Все это облегчает процесс снятия загрязнений с теплообменных поверхностей.

Одним из эффективных способов борьбы с отложениями является применение турбулизаторов. Суть его сводится к тому, что на наружной поверхности труб с помощью накатки через определенные интервалы наносятся кольцевые

36

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

канавки. На наружной поверхности труб образуются кольцевые диаграммы плавной конфигурации. Подобный способ борьбы с отложениями подробно рассмотрен в работах [2–4]. Например, в работе [4] часть трубок была выполнена из углеродистой стали Ст20, нержавеющей стали 1Х18Н10Т и латуни. Вода в трубках нагревалась до температура 80–115°С, а также имела повышенную карбонатную жесткость до 20 мг-экв/л. При заданных параметрах теплоносителей на входе в теплообменник эксперимент длился до 2000 ч, что позволило определить в течение времени изменение коэффициента теплопередачи и термического сопротивления слоя отложений, а также зависимость термического сопротивления от скорости воды, ее температуры, параметров турбулизаторов.

значительны, преимущественно образовывались по длине трубки в виде «тонковидных полос» и носят локальный характер, при этом у латунных трубок отложений незначительно меньше по сравнению с нержавеющими.

У труб с турбулизаторами отложения располагаются преимущественно во впадинах, на выступах происходит снижение интенсивности образования отложений и формирование на них более плотных структур. В целом сравнение в гладких и накатанных трубах показывает, что иловых отложений в накатанных трубах в 1,5…2 раза выше, а солевых в 1,5...2 раза ниже, чем в гладких трубах.

При высоких скоростях потока теплоносителя наблюдается выравнивание распределения отложений по теплообменной поверхности. Так, использование накатанных трубок в ТА при ламинарном режиме течения неэффективно, они по сравнению с гладкими были подвержены большему образованию отложений. Использование труб с турбулизаторами при турбулентном режиме, наоборот, уменьшило образование отложений по сравнению с гладкими. Вероятно,

37

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

это связано с тем, что при движении жидкости образуются завихрения потока, тем самым происходит вымывание отложений.

Также необходимо помнить, что турбулизаторы не только препятствуют образованию отложений, но и являются интенсификаторами теплообмена, что позволяет повышать коэффициент теплопередачи и КПД ТА.

В большинстве случаев коррозию ТА можно избежать выбором материалов – нержавеющая сталь, стекло, графит, титан, пластик.

Использование в ТА графита и титана является весьма дорогостоящим решением. Наиболее перспективным направлением является использование полимерных материалов. Они имеют ряд преимуществ при использовании их в ТА с теплоносителями в виде органических и минеральных кислот, щелочей, хлора. Пластики совершенны в обработке, снижают вес ТА и его металлоемкость, уменьшают засоряемость и повышают коррозионную стойкость.

а

б

Рис.1.15. Пластиковые теплообменники: а – производства George Fischer Inc., Roperhurst Ltd; б – Flurotherm Polymers, Inc.

Известно, что коэффициент теплопроводности большинства полимерных материалов составляет 0,12...0,40 Вт/(м К). Однако это не является препятствием для применения пластмасс в ТА. Исследования показали, что при значениях коэффициента теплопроводности более 0,2 Вт/(м К) появляется возможность изготавливать, например, автомобильные радиаторы с тепловой эффективностью, почти не уступающей эффективности металлических радиаторов. Про-

38

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

блема низкой теплопроводности практически пропадает, если использовать в ТА фторсодержащую пластмассу с графитовыми добавками, например, диабон- Г с теплопроводностью 20 Вт/(м К). В США, Германии, Франции, Японии и России пластмассовые ТА используются в системах утилизации тепла, медицинских вентиляционных системах и системах кондиционирования воздуха, есть рекомендации пластмассовые ТА использовать на угольных электростанциях, в промышленных холодильниках, градирнях, сушильных установках (рс.1.15). В промышленности нашли применение ТА из поливинилхлорида, нарила, модифицированного РРО, ултемполиэфирамида, политетрафторэтилена и т.д. Такие ТА уже сейчас эксплуатируются при температурах до 260°С и давлениях до 3,5 бар.