Факторы, влияющие на скорость засорения теплообменных аппаратов
Часто производители кожухотрубных теплообменников в качестве недостатка пластинчатых аппаратов приводят малую ширину канала (расстояния между смежными пластинами), говоря о том, что при той же скорости образования накипи канал пластинчатого теплообменника забьётся быстрее, чем трубки кожухотрубного теплообменника. Однако не всё так просто.
Накипь на теплообменных поверхностях аппаратов образуется в пограничном ламинарном слое. Соответственно, чем тоньше этот слой, тем меньше будет загрязнений. Толщина пограничного слоя зависит от скорости течения жидкости, её свойств и геометрии поверхности.
Численно степень опасности загрязнения в связи со значительной толщиной пограничного слоя можно оценить с помощью следующей величины:
τ = ΔP*de/ (4*L), (Па)
где ΔP – гидравлические потери, de – эквивалентный диаметр канала, L – длина пластины, τ – напряжение сдвига (в русскоязычных источниках его также называют касательным напряжением)
Напряжение сдвига (сдвига пограничного слоя) возникает в связи с действием вихревых потоков из основного турбулентного слоя. Экспериментально установлено, что отложения становятся незначительными при значениях τ = 50 Па, максимальное рекомендованное значение: τ = 200 Па.
При проектировании пластинчатых теплообменников, чтобы минимизировать загрязняющие отложения на стенках, необходимо учитывать в первую очередь напряжение сдвига, а не скорость в канале, как это происходит при проектировании кожухотрубных теплообменных аппаратов. Низкие значения напряжения сдвига даже при максимально допустимых скоростях в трубчатых аппаратах приводят к необходимости вводить
в расчёты коэффициент загрязнения до 0,001 м2*Вт/К, что может соответствовать слою накипи в
Скорость течения среды в канале, выбираемая как численное выражение риска загрязнения в кожухотрубном аппарате, — это косвенный фактор влияния на уменьшение отложений. При одной и той же скорости течения среды напряжение сдвига может быть разным (в зависимости от геометрии поверхности). Так как коэффициент трения в канале пластинчатого теплообменника намного выше, чем в трубе круглого сечения кожухотрубного теплообменника, то напряжение сдвига значительно выше в канале пластины в сравнении с каналом трубы при той же номинальной скорости.
Пример ниже показывает типичные проектные скорости для пластинчатых теплообменников и кожухотрубных теплообменников. Обратите внимание, что, не смотря на то, что типичная проектная скорость в кожухотрубном теплообменнике в 4 раза выше, чем в пластинчатом, это даёт только 25% от напряжения сдвига пластинчатых аппаратов.
Тип теплообменного аппарата | Коэффициент трения (-) |
Номинальная скорость в канале (м/с) | Напряжение сдвига (Па) |
Пластинчатый | 0.5 | 0.5 | 63 |
Кожухотрубный | 0.007 | 2 | 14 |
При проектировании пластинчатых аппаратов – разборных пластинчатых теплообменников, сварных пластинчатых теплообменников типа LHEBloc (компаблок), кожухопластинчатых и спиральных – напряжения сдвига находятся в рекомендуемом диапазоне: от 50 до 200 Па. Это обеспечивает надёжное предотвращение отложения загрязнений. Ниже можно видеть сравнительную диаграмму, показывающую в логарифмической шкале преимущество пластинчатых аппаратов:
Таким образом, если рассчитывать пластинчатый аппарат с запасом согласно принципам, которые распространяются на кожухотрубные аппараты, то при рабочих (оперативных) расходах, скорость течения в каналах будет недостаточной для подходящего напряжения сдвига, что приведёт к быстрому загрязнению аппарата, дополнительному увеличению расхода оборотной воды и, в итоге, к необходимости частого открытия аппарата для механической очистки теплообменных поверхностей.
Если необходимо найти энерго- и ресурсосберегающее решение, то нецелесообразно устанавливать кожухотрубные теплообменные аппараты.