Навигация по таблицам
- Таблица 1: Коэффициенты загрязнения для воды
- Таблица 2: Коэффициенты загрязнения для нефтепродуктов
- Таблица 3: Коэффициенты загрязнения для газов и паров
- Таблица 4: Коэффициенты загрязнения для промышленных жидкостей
Таблица 1: Коэффициенты загрязнения для различных типов воды
| Тип воды | Условия эксплуатации | Скорость потока | Коэффициент загрязнения, м²·К/Вт |
|---|---|---|---|
| Морская вода | t < 50°C | v < 1 м/с | 0.00009 |
| Морская вода | t > 50°C | v > 1 м/с | 0.00018 |
| Солоноватая вода | t < 50°C | v < 1 м/с | 0.00035 |
| Солоноватая вода | t > 50°C | v > 1 м/с | 0.00053 |
| Оборотная вода с ингибитором | все условия | любая | 0.00018 - 0.00035 |
| Оборотная вода без ингибитора | все условия | любая | 0.00053 - 0.00088 |
| Речная вода (средние условия) | t < 50°C | v > 1 м/с | 0.00035 |
| Речная вода (загрязненная) | t > 50°C | v < 1 м/с | 0.00070 |
| Деминерализованная вода | все условия | любая | 0.00009 |
| Питательная вода котла | обработанная | любая | 0.00009 - 0.00018 |
Таблица 2: Коэффициенты загрязнения для нефтепродуктов
| Продукт | Температурный диапазон, °C | Скорость потока, м/с | Коэффициент загрязнения, м²·К/Вт |
|---|---|---|---|
| Сырая нефть (обводненная) | 0 - 95 | < 0.6 | 0.00053 |
| Сырая нефть (обводненная) | 95 - 160 | 0.6 - 1.2 | 0.00070 |
| Сырая нефть (обводненная) | 160 - 260 | > 1.2 | 0.00088 |
| Сырая нефть (безводная) | 0 - 95 | любая | 0.00035 |
| Бензин | все условия | любая | 0.00018 |
| Керосин | все условия | любая | 0.00018 |
| Легкий газойль | все условия | любая | 0.00035 |
| Тяжелый газойль | все условия | любая | 0.00053 |
| Тяжелое топливо | все условия | любая | 0.00088 |
| Смазочные масла | все условия | любая | 0.00018 |
Таблица 3: Коэффициенты загрязнения для газов и паров
| Рабочая среда | Условия эксплуатации | Коэффициент загрязнения, м²·К/Вт |
|---|---|---|
| Водяной пар (чистый) | без масляных примесей | 0.00009 |
| Водяной пар с масляными примесями | следы масла | 0.00018 |
| Природный газ | очищенный | 0.00018 |
| Водород | промышленный | 0.00176 |
| Выхлопные газы двигателей | высокотемпературные | 0.00176 |
| Сжатый воздух | промышленный | 0.00035 |
| Пары органических растворителей | стабильные | 0.00018 |
| Пары охлаждающих жидкостей | с масляными примесями | 0.00035 |
Таблица 4: Коэффициенты загрязнения для промышленных жидкостей
| Рабочая среда | Область применения | Коэффициент загрязнения, м²·К/Вт |
|---|---|---|
| Органические теплоносители | стабильные условия | 0.00018 |
| Растворы солей | концентрированные | 0.00009 |
| СПГ, СУГ | сжиженные газы | 0.00018 |
| Растворы аминов (МЭА, ДЭА) | газоочистка | 0.00035 |
| Растворы гликолей (ДЭГ, ТЭГ) | осушка газа | 0.00035 |
| Каустические растворы | щелочные среды | 0.00035 |
| Растительные масла | пищевая промышленность | 0.00053 |
| Охлаждающие жидкости | промышленные | 0.00018 |
Оглавление статьи
- Введение в проблему загрязнения теплообменных поверхностей
- Типы загрязнений и механизмы их образования
- Влияние загрязнений на эффективность теплопередачи
- Методы определения коэффициентов загрязнения
- Коэффициенты загрязнения для различных условий эксплуатации
- Предотвращение и контроль загрязнений
- Мониторинг и стратегии технического обслуживания
Введение в проблему загрязнения теплообменных поверхностей
Загрязнение теплообменных поверхностей представляет собой одну из наиболее критических проблем в современной теплотехнике и промышленной энергетике. Коэффициент загрязнения характеризует дополнительное термическое сопротивление, возникающее на поверхностях теплообмена вследствие накопления нежелательных отложений.
Согласно современным нормативным документам и международным стандартам, коэффициент загрязнения выражается в единицах м²·К/Вт и представляет собой величину, обратную коэффициенту теплоотдачи загрязняющего слоя. Этот параметр критически важен для правильного проектирования теплообменного оборудования и прогнозирования его эксплуатационных характеристик.
В российской практике проектирования теплообменных аппаратов руководствуются требованиями ГОСТ 34233.7-2017 для расчета на прочность и ГОСТ Р ИСО 15547-1-2009 для пластинчатых теплообменников. Эти документы устанавливают минимальные требования к учету загрязнений при тепловом расчете оборудования.
Типы загрязнений и механизмы их образования
Загрязнения теплообменных поверхностей классифицируются по нескольким основным типам, каждый из которых имеет специфические механизмы образования и характерные коэффициенты термического сопротивления.
Отложение частиц (Particulate Fouling)
Данный тип загрязнения происходит в результате осаждения взвешенных частиц из рабочей среды на поверхности теплообмена. Частицы могут представлять собой продукты коррозии, песок, глину, оксиды металлов или биологические микроорганизмы. Интенсивность отложения зависит от концентрации частиц, скорости потока и температурного режима.
Кристаллизационное загрязнение (Crystallization Fouling)
Образуется вследствие кристаллизации растворенных веществ на поверхности теплообмена. Наиболее распространенными являются отложения карбоната кальция, сульфата кальция и силикатов. Этот тип загрязнения особенно характерен для систем с жесткой водой и высокими температурами.
Скорость образования отложений пропорциональна разности между фактической концентрацией соли и ее растворимостью при данной температуре:
dm/dt = k × (C - Cs)
Химическое загрязнение (Chemical Reaction Fouling)
Возникает в результате химических реакций между компонентами рабочей среды или между средой и материалом поверхности. Продукты реакции образуют прочно связанные с поверхностью отложения, удаление которых требует специальных химических методов очистки.
Биологическое загрязнение (Biofouling)
Формируется за счет роста микроорганизмов, водорослей и образования биопленок на поверхности теплообмена. Биологическое загрязнение особенно интенсивно развивается в системах оборотного водоснабжения при температурах 20-50°C.
Влияние загрязнений на эффективность теплопередачи
Загрязнение теплообменных поверхностей оказывает существенное негативное влияние на общий коэффициент теплопередачи, что приводит к снижению эффективности теплообменного процесса и увеличению энергетических затрат.
1/U = 1/h₁ + R₁ + δ/λ + R₂ + 1/h₂
где:
U - общий коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К)
h₁, h₂ - коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителя
R₁, R₂ - коэффициенты загрязнения с соответствующих сторон, м²·К/Вт
δ/λ - термическое сопротивление стенки
Исследования показывают, что даже относительно тонкий слой отложений толщиной 0,1 мм может снизить коэффициент теплопередачи на 15-25%. Для пластинчатых теплообменников критическая толщина загрязнений составляет всего 0,05 мм, что объясняется малыми зазорами между пластинами.
Для водяного пластинчатого теплообменника при чистой поверхности коэффициент теплопередачи составляет 5-8 кВт/(м²·К). При образовании отложений солей жесткости коэффициент снижается до 2-3 кВт/(м²·К), что требует увеличения поверхности теплообмена в 2-3 раза для поддержания заданной тепловой нагрузки.
Гидравлические потери
Помимо снижения теплопередачи, загрязнения вызывают увеличение гидравлического сопротивления теплообменника. Шероховатость поверхности, создаваемая отложениями, приводит к росту коэффициента трения и, соответственно, к увеличению энергозатрат на перекачку теплоносителей.
Методы определения коэффициентов загрязнения
Точное определение коэффициентов загрязнения является ключевой задачей при проектировании и эксплуатации теплообменного оборудования. Существует несколько подходов к определению этих значений.
Экспериментальный метод
Наиболее надежным способом определения коэффициентов загрязнения является проведение эксплуатационных испытаний в реальных условиях. Метод основан на сравнении теплотехнических характеристик чистого и загрязненного теплообменника.
Rf = 1/Uзагр - 1/Uчист
где:
Rf - коэффициент загрязнения, м²·К/Вт
Uзагр - общий коэффициент теплопередачи загрязненного аппарата
Uчист - общий коэффициент теплопередачи чистого аппарата
Справочные данные
Для предварительных расчетов и типовых применений используются табличные значения коэффициентов загрязнения, полученные на основе обобщения опыта эксплуатации различного теплообменного оборудования. Такие данные представлены в международных стандартах TEMA, ASME и национальных нормативных документах.
Аналитические модели
Современные методы расчета основываются на математических моделях процессов загрязнения, учитывающих физико-химические свойства рабочих сред, гидродинамические условия и температурные режимы. Наиболее распространенной является модель Эберта-Панчала.
Коэффициенты загрязнения для различных условий эксплуатации
Значения коэффициентов загрязнения существенно зависят от типа рабочей среды, температурного режима, скорости потока и конструктивных особенностей теплообменника. Представленные в таблицах данные основаны на обобщении международного опыта эксплуатации теплообменного оборудования.
Влияние температуры
Повышение температуры рабочей среды, как правило, интенсифицирует процессы загрязнения. Для большинства типов отложений коэффициент загрязнения увеличивается при росте температуры по экспоненциальному закону. Особенно это характерно для кристаллизационных загрязнений и химических реакций.
Влияние скорости потока
Увеличение скорости потока рабочей среды оказывает двоякое влияние на процесс загрязнения. С одной стороны, высокие скорости способствуют смыву слабо связанных отложений, с другой стороны, интенсифицируют массоперенос загрязняющих веществ к поверхности теплообмена.
- Вода в трубах: 1,5-2,5 м/с
- Нефтепродукты: 0,8-1,5 м/с
- Газы и пары: 15-25 м/с
- Высоковязкие жидкости: 0,3-0,8 м/с
Материал поверхности
Характеристики материала теплообменной поверхности значительно влияют на интенсивность загрязнения. Гладкие поверхности из нержавеющей стали обладают наименьшей склонностью к загрязнению по сравнению с углеродистой сталью или медными сплавами.
Предотвращение и контроль загрязнений
Стратегия борьбы с загрязнениями теплообменных поверхностей должна включать комплекс профилактических мер, начиная от стадии проектирования и заканчивая оптимизацией режимов эксплуатации.
Конструктивные решения
Применение гофрированных труб в теплообменниках значительно снижает интенсивность загрязнений за счет создания турбулентного режима течения при относительно низких скоростях потока. Турбулизация потока препятствует осаждению частиц и способствует самоочищению поверхности.
Водоподготовка
Качественная водоподготовка является наиболее эффективным методом предотвращения загрязнений в водяных системах. Удаление солей жесткости, взвешенных веществ и растворенного кислорода позволяет минимизировать коэффициенты загрязнения до значений 0,00009-0,00018 м²·К/Вт.
Химическая обработка
Использование ингибиторов коррозии, диспергаторов и биоцидов в системах оборотного водоснабжения позволяет контролировать различные типы загрязнений. Правильно подобранная программа химической обработки может снизить коэффициенты загрязнения в 2-3 раза.
Мониторинг и стратегии технического обслуживания
Эффективная система мониторинга состояния теплообменников позволяет своевременно выявлять начало интенсивного загрязнения и планировать оптимальные интервалы технического обслуживания.
Методы контроля загрязнений
Основными параметрами для контроля степени загрязнения являются общий коэффициент теплопередачи, перепад давления на теплообменнике и температуры рабочих сред на выходе. Отклонение этих параметров от проектных значений свидетельствует о необходимости очистки оборудования.
Методы очистки
Выбор метода очистки зависит от типа загрязнений и конструкции теплообменника. Разборные пластинчатые теплообменники очищаются механическим способом, а неразборные аппараты требуют применения химической промывки специальными растворами.
Очистка требуется при снижении коэффициента теплопередачи более чем на 25% от номинального значения или при увеличении перепада давления в 1,5-2 раза.
Планирование технического обслуживания
Оптимальная периодичность очистки определяется экономическим балансом между затратами на промывку и потерями от снижения эффективности. Для большинства промышленных применений интервал между очистками составляет 6-18 месяцев в зависимости от условий эксплуатации.
Часто задаваемые вопросы
Источники информации: ГОСТ 34233.7-2017, ГОСТ Р ИСО 15547-1-2009, международные стандарты TEMA, данные научно-технической литературы и опыт эксплуатации промышленного теплообменного оборудования.
