Расчет динамики загрязнения теплообменного оборудования

Отложения (загрязнения), образующиеся на поверхностях теплообменного оборудования, значительно снижают эффективность теплообмена, поскольку являются дополнительным термическим сопротивлением в механизме сложной теплопередачи, и влияют, прежде всего, на снижение коэффициента теплопередачи. Отложения являются пористой структурой с низкой теплопроводностью [7].

Образующиеся в отложениях поры могут быть заполнены водой, водяным паром или газами, растворенными в воде. Таким образом, отложения являются трехкомпонентной структурой, которая включает монолитные отложения, воду, пар. В некоторых источниках указывается, что теплопроводность связана с теплопроводностью компонентов через объемное их содержание следующим образом:

,

 где , , - коэффициенты теплопроводности соответственно: монолита отложений, воды и газа;

    - общий коэффициент теплопроводности многокомпонентной структуры отложений;

    , , ,  - объемы соответственно: отложений в целом, монолитной части, воды и газа в порах.

В упрощенном виде теплопроводность отложений в зависимости от пористости может быть представлена:

.

Для расчета динамики загрязнения, предлагается использовать безразмерный критерий загрязнения , названный по имени известного теплотехника З. Л. Миропольского:

М_i = ,

где С_о- концентрация загрязнений в воде (соли, дисперсные частицы, микроорганизмы и др.).

Критерий Мi является отношением массовой скорости отложений на теплообменную стенку к массовой скорости всех загрязнений в потоке. Он может быть определен по следующей эмпирической зависимости:

,

где М – параметр, характеризующий материал: сталь 20 М=261×10^-6; сталь 08Х18Н10Т М = 29 × 10^-6; сталь 08Х14МФ М = 19 × 10^-6;

Р – параметр, характеризующий положение трубы. При вертикальном положении Р = 1, при горизонтальном положении Р = 20;

q_min – минимальный тепловой поток; установлено, что при значении q_min = 10 кВт /м², при q < q_min тепловой поток на образование отложений не влияет. Так, например, в конденсаторе турбины q» 20 ¸ 30 кВт/м², в реакторе и ПГ q» 100 ¸ 400 кВт/м²;

Н_о – критерий гомохронности, определяется соотношением Н_о = .

Толщина образующихся отложений связана с удельным количеством отложений g и их плотностью r_отл простым соотношением

.

В свою очередь, плотность отложений зависит от их пористости:

r_отл=(1-П) r_упл,

где r_упл– плотность монолитной или уплотненной структуры отложений; на основании имеющихся данных принимается равной 2400 кг/м³;

Удельное количество отложений можно определить путем обработки показаний штатных приборов и расчетом текущего значения коэффициента теплопередачи k_т  по формуле

,

где k_о – коэффициент теплопередачи аппарата в начале эксплуатации.

Реальный теплообменный аппарат имеет большое количество параллельно включенных трубок. В зависимости от конструкции коллектора (т.е. системы подвода отвода), он характеризуется коэффициентом гидравлической неравномерности:

                                     ,

где ; ; - расход через трубчатку соответственно: средний, максимальный и минимальный через отдельные трубки;

h < 1  при G _min;     h > 1  при G _max.

В определенный момент времени в одной или нескольких теплообменных трубках гидродинамическое сопротивление за счет отложений d_отл выходит за пределы рабочей точки гидродинамической системы. В результате в этих трубках происходит срыв циркуляции. После этого в них возникают условия для стремительного нарастания отложений, вплоть до полного перекрытия сечения трубки отложениями. Критическое значение удельного количества отложений в теплообменной трубке можно определить по следующей формуле:

 .     

Пример. Определить уровень снижения коэффициента теплопередачи в конденсаторе турбины (задача 10) при образовании в теплообменных трубках отложений толщиной 2 мм.

Решение. В конденсаторе турбины при температуре охлаждающей воды 20ºС формируются отложения, имеющие коэффициент теплопроводности согласно приведенной выше эмпирической формуле

 Вт/(м∙К).

При указанных в задаче 10 параметрах исходный коэффициент теплопередачи составит

 Вт/(м²∙К),

где l_ст=22 Вт/(м∙k).

В случае образования в трубках отложений в уравнение добавится еще одно термическое сопротивление и оно примет вид

Вт/(м²∙К).

Таким образом, коэффициент теплопередачи за счет образования отложений снизился в 4,66 раз.

 

Задача 22. Определить относительную скорость снижения коэффициента теплопередачи в конденсаторе турбины при скорости образования отложений 1 мм/год, если известно, что начальный коэффициент теплопередачи составлял 3000 Вт/(м²К).

Задача 23. Определить удельное количество и толщину отложений, образующихся за 1 год в теплообменнике, работающем в системе технического водоснабжения с параметрами:

  - удельный тепловой поток 50 Вт/м²;

- средняя температура воды 30 ºС;

- скорость воды в теплообменных трубках Ø20х1 из стали 20 составляет  1 м/с;

- концентрация загрязнений в воде достигает 200 мг/кг.

Задача 24. Определить ресурс теплообменного аппарата до срыва циркуляции, если известно:

- коэффициент гидравлической неравномерности 1,8;

- длина 30 шт труб Ø20х2 составляет 6 м;

- скорость воды 1,5 м/с, а располагаемый напор DР=200 кПа.