Самоочистка теплообменников

Теплопроводность накипи в десятки, а в некоторых случаях в сотни раз ниже, чем теплопроводность стали, из которой обычно изготавливают теплообменные аппараты. Поэтому даже тончайший слой накипи создает значительные термические сопротивления, которые могут привести к локальному перегреву оборудования и его порче. Усугубляет пагубные действия накипи еще и то, что она откладывается на поверхности оборудования очень неравномерно, преимущественно в застойных зонах. В результате этого возможен перегрев и разрыв каналов теплообменника.

Минеральные отложения при температурах, при которых работают обычно теплообменники, как правило, не образуются. Действительно, минеральные отложения так же, как и накипь, состоят из нерастворимых солей жесткости. Однако в минеральные отложения помимо осадка солей входят также окалина, продукты коррозии металлов, механические примеси из частичек металла и песка. Кроме этого в минеральных отложениях присутствуют загрязнения, получившиеся при распаде коллоидных соединений и продуктов биологического происхождения.

В основе образования минеральных отложений лежат процессы кристаллизации солей, состоящие из стадии зародышеобразования, роста кристаллической фазы и ее уплотнения. Как известно центры кристаллизации могут возникать в толще воды и на поверхности твердых материалов. На рабочих поверхностях теплообменников центры кристаллизации могут появиться после прилипания к ним загрязнений, или действия заряда от термоэлектричества, возникающего за счет разности температур по обеим сторонам металлической стенки канала теплообменника. Дальнейший рост кристаллов обычно происходит за счет диффузии новых молекул растворенного вещества. После того как диффузия становится затруднительной, происходит уплотнение отложения. В результате этого минеральные отложения формируются слоями. 

Для снижения образований отложений следует проводить качественную водоочистку. Чаще всего под этим понимают докотловую и внутрикотловую обработку воды, которая включает очистку воды от примесей и введение в нее реагентов, препятствующих коррозии и выпадению осадков. Если же этого недостаточно или попросту не делается, то теплообменник спустя какое-то время приходится чистить. Для чистки теплообменников применяют химические и механические методы. Механические методы включают мойку теплообменников под действие струи воды под давлением (рис. 3).

Часто для предотвращения образования отложений на греющих поверхностях теплообменников используют гидродинамические свойства потока теплоносителя. Как показали практические наблюдения при течении воды по теплообменникам со скоростями выше 1,5–2,0 м/сек, образование отложений замедляется. Однако при этих условиях с одной стороны ухудшаются процесс теплопередачи, а с другой – приходится использовать более мощные насосные агрегаты и затрачивать больше электроэнергии. В то же время при создании в теплообменнике турбулентного течения можно понизить скорость струи до 0,1–1,5 м/сек, сохранив при этом очищающие свойства потока.

Как известно, под турбулентным течением понимают образование потока, в котором одновременно с движением воды вдоль оси, происходит его перемешивание. При турбулентном течении вода в трубе «бурлит», смывая с внутренней поверхности все загрязнения, и не дает осадкам осесть. Уместно напомнить, что течение воды с более низкими скоростями, при котором перемешивание слоев не наступает, называется ламинарным. Момент перехода ламинарного в турбулентное течение определяется величиной, которая называется критической скоростью потока. Она выражается математическим отношением кинематической вязкости () к диаметру трубы (D):

Re = Re _кр * v / D, 

где Re _кр  – безразмерный коэффициент пропорциональности, называемым критическим числом Рейнольдса. 

Для трубопроводов круглого сечения Re_кр ≈ 2300. Считается, что при Re < Re _кр течение будет ламинарным, а при Re > Re _кр будет происходить турбулентное движение воды. 

Однако помимо возрастания скорости течения, турбулентность потока еще можно достичь повышением температуры воды, или понижением вязкости системы. В ряде случаев для получения турбулентного течения поток воды либо барботируют сжатым воздухом, либо облучают звуком высокой интенсивности. Кроме этого турбулентность потока может быть вызвана и более простыми методами, как, например, создание на внутренней поверхности трубы определенной степени шероховатости, или поверхность канала, по которому течет вода, сделать волнистой, рифленой или ребристой. Примерно так поступают и в теплообменниках, которые после этого становятся способны к самоочистке.

Одним из видов таких приборов являются пластинчатые теплообменники. Для создания турбулентности в таких приборах к пластинам либо прикрепляют методом пайки специальные насадки, либо на поверхность пластин наносят определенным рисунком рифление. От рисунка рифления на поверхности пластины (рис. 4), а также от ее толщины и материала из которого она сделана, зависят основные теплотехнические характеристики теплообменника и его способность к самоочистке. Так, поскольку в некоторых случаях в теплообменники поступает вода, не прошедшая достаточную водоподготовку, то на пластины падает основное бремя коррозийной нагрузки. Для предотвращения этого в теплообменниках используют пластины из легированных марок стали, таких как AISI 316, AISI 304, а также сплавы из титана или Haselloy 276. Чтобы на таких пластинах интенсивно не откладывалась накипь и минеральные отложения, их поверхность подвергают высокой чистоте обработки. Перспективным считается метод электрополировки, который затрудняет отложение загрязнений на пластинах теплообменника. 

Существенное влияние на работу теплообменника оказывает толщина пластины. Как известно, толщина пластины теплообменника влияет на процесс теплопередачи: чем она меньше, тем передача тепла выше, а стоимость материала меньше. Однако с понижением толщины такая пластина теряет устойчивость перед воздействием рабочего давления, создаваемого потоком воды, особенно в режиме турбулентного течения. Но тем не менее некоторыми ведущими производителями удается достичь толщины пластин в 0,4–0,5 мм, и при этом, совершенно не понизив предельное значение рабочего давления, которое обычно составляет 16 атм. Достигается это тем, что для создания турбулентности потока пластины теплообменника имеют рифленые поверхности. Рисунок рифления таких тонкостенных пластин создается за счет местных изгибов, которые не только вызывают турбулентность потока, но одновременно являются и ребрами жесткости, позволяющими повысить прочностные характеристики. Однако, пожалуй, самым главным назначением рисунка рифления пластины теплообменника является то, что из этих ребер жесткости образуются каналы, предназначенные для равномерного распределения теплоносителя по всей поверхности. 

Еще одним видом теплообменного аппарата, который также обладает способностью к самоочистке, является спиральный теплообменник. Его конфигурация в поперечном сечении напоминает скрученную часовую пружину. Причем материал этой «пружины» состоит из двух металлических листов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. В результате этого образуется два изолированных пространства для циркуляции теплоносителя и нагреваемой жидкости. Одна зоны находится между двумя листами скрученных листов, а второе замкнутое пространство образуется между витками спирали этой импровизированной «пружины». Полученные таким образом каналы для циркуляции теплоносителя и нагреваемой жидкости имеют примерно одинаковое поперечное сечение. Такая концентрическая форма позволяет создавать достаточно компактные теплообменные аппараты, имеющие довольно значительную площадь теплообмена. Важно отметить, что спиральные теплообменники очень полезны при использовании теплоносителя содержащего значительные концентрации примесей. Такая устойчивость данного типа теплообменников к образующимся отложениям вызвана его способностью к самоочищению обусловленная возникновением турбулентности в потоке. Несмотря на то, что в каналах циркуляции теплоносителя таких теплообменников отсутствуют шероховатости и ребристая поверхность, в потоке все равно возникает турбулентность. 

При этом в спиральных теплообменниках турбулентность потока проявляется при более низких скоростях течения, нежели в прямых гладких трубопроводах. Это связано как с одноканальной схемой движения теплоносителя, так и с равномерным изгибом канала. Ведь при спиральном движении потока теплоносителя, он все время, хоть и под углом, но будет оказывать гидродинамическое давление на стенку теплообменника.

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток и размещенных в кожухе с входом и выходом для заполняющей его среды (рис. 5). Традиционный кожухотрубный теплообменник не допускает Теплообмен между средами, заполняющими емкость кожуха и внутренний объем трубок, осуществляется через стенки трубок при встречном движении несмешивающихся сред. Трубки делаются из устойчивых к коррозии металлов, таких как латунь или нержавеющая сталь. Придание трубкам кожухотрубных теплообменников нужного профиля позволяет повысить их площадь теплопередачи в 2–3 раза. В результате этого по некоторым характеристикам кожухотрубные теплообменники приближаются к пластинчатым приборам, но при этом имеют лучшее соотношение между теплоотдачей и значением гидравлических потерь. Кроме этого такие теплообменные аппараты позволяют применять любые виды очистки, включая кавитационно-ударные методы, которые часто мало приемлемы для других видов теплообменников.

Однако и для этого вида теплообменников присуще образование отложений. Для снижения вероятности их образования могут применяться различные приемы. В ряде случаев используется так называемая реверсивная схема, которая, по сути, является противоточной подачей теплоносителя и обогреваемой воды. Такой вид движения теплоносителя позволяет уменьшить объем застойных зон  с 25–30 % до 5 %. Уменьшение объема застойных зон сокращает и области образования отложений (рис. 6). 

Однако сам по себе поток теплоносителя в кожухотрубном теплообменнике турбулентное течение не создаст. Для этого необходимо применять различные устройства, называемые турбулизаторами. В настоящее время разработаны различные их виды, которые условно можно условно разделить на две группы. К первой из них можно отнести устройства, оказывающие внешнее воздействие на поток: приспособление для пульсации при подаче теплоносителя, агрегат для подмешивания в поток газовых пузырей, прибор для облучения потока теплоносителя электростатическим полем. Ко второй группе могут быть отнесены турбулизаторы, которые используют энергию струи: шнековые устройства для закрутки потока, завихрители на входе в канал, насадки для оребрения трубок и повышения шероховатости поверхности.

Однако в последние годы основное внимание разработчиков сфокусировано на разработке моделей кожухотрубных теплообменников с искусственной турбулентностью, в которых в качестве турбулизаторов использовался ряд кольцевых канавок и кольцевых выступов. Важно отметить, что толщина слоя отложений зависит от высоты ребра выступа и глубины канавки, а также их числа и промежутка между ними. Как показали практические наблюдения, некоторые конструкции таких турбулизаторов при относительно невысоких скоростях течения потока и температурах теплоносителя в интервале от 50 ^оС до 90 ^оС позволяют снизить толщину слоя солеотложение на обеих поверхностях трубок в несколько раз. И что особенно важно, такие «нарушители» ламинарного течения воды в теплообменнике создают турбулентность по всему сечению потока, включая и пристеночный слой. Это очень полезно, потому что разрушение пристеночного слоя и образование на его месте так называемой пристеночной турбулентности, обеспечивает не только основной срыв загрязнений с рабочих поверхностей, но и увеличивает теплоотдачу в 2,0–2,5 раза.