Замърсяване на топлообменници

ТоплоенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2016

Формирането на нежелани отлагания върху повърхностите в топлообменните апарати възпрепятства топлопреноса и увеличава съпротивлението на флуидния поток, което от своя страна води до по-голям пад на налягането. Индустриалните топлообменници рядко работят с незамърсяващи флуиди.

Единственото изключение са ниско температурните криогенни топлообменници. Образуването на все по-големи отлагания влошава термохидравличните показатели на апаратите с времето. Замърсяванията оказват влияние и върху консумацията на енергия в промишлените процеси.

Освен това, когато топлинният поток е висок, например при парогенераторите, замърсяванията могат да причинят силно нагряване на определени части на топлообменника, което да доведе до механична повреда на топлопреносната повърхност.

Фактори, влияещи на замърсяването

Определени са редица експлоатационни параметри, които оказват ефект върху замърсяването на топлообменниците. Някои от тях са: свойствата на флуидите и склонността им към формиране на отлагания; температурата на повърхността на флуида; скоростта и хидродинамичните ефекти; материалът, от който са изработени тръбите; чистотата на флуидите; грапавината на топлопреносната повърхност; наличието на суспендирани частици; типът на топлообменния апарат и др.

Като правило, с увеличаване на температурата следва да се очаква формирането на повече отлагания. Това се дължи на образуването на котлен камък, повишаване скоростта на корозия, по-бързо протичане на реакциите, образуване на кристали и полимеризация и загуба на активност на агентите против замърсяване.

При по-ниски температури отлаганията се образуват с по-малка скорост и се отстраняват по-лесно. Въпреки това има някои процесни флуиди, при които ниската температура на повърхността благоприятства кристализацията и втвърдяването. В такива случаи е по-добре да се поддържа оптимална температура на повърхността, с цел да се предотврати възникването на проблеми. За охлаждаща вода със склонност за образуване на котлен камък максималната желана температура е около 60° C.

Температурата е от съществено значение за образуването на биологични замърсявания. При по-високи температури химичните и ензимните реакции протичат с по-висока скорост, което ускорява растежа на клетките.

Хидродинамичните ефекти, като скоростта на потока и напрежението при срязване, също оказват влияние върху формирането на отлагания. Колкото по-висока е скоростта на потока, толкова термичните показатели на топлообменника са по-добри и вероятността за замърсяване е по-малка. Еднородността и постоянството на флуидните потоци също допринасят за намаляване на отлаганията.

Суспендираните в процесните флуиди замърсители се утаяват на места, където скоростта е малка и се променя бързо. По-високото напрежение при срязване спомага за отстраняване на отлаганията от повърхностите. За да се ограничи седиментацията и акумулирането на отлагания, е добре в топлооменника да се поддържат постоянни скорости.

Флуидите рядко са напълно чисти. Съдържанието на малки количества примеси може да инициира или значително да повиши вероятността от замърсяване. Примесите могат да се отложат като слой или да действат като катализатор за формирането на замърсяване. Например химичното замърсяване или полимеризацията на въглеводородни потоци в рафинерии се дължи на проникването на кислород и/или микроконцентрации на Va и Mo.

Химикалите против замърсяване на топлообменници често се разработват на база свойствата на примесите. Понякога примеси като пясък или други суспендирани частици в охлаждаща вода могат да имат почистващо действие, което да ограничи или отстрани отлаганията.

Грапавината на топлопреносните повърхности осигурява активни центрове, които предразполагат образуването на отлагания, и създава турбулентни ефекти в потока и нестабилности във вискозния подслой. Гладкото покритие на повърхностите доказано забавя отлаганията и улеснява почистването.

Въпреки това, дори гладките повърхности могат да станат грапави в резултат на котлен камък, формиране на продукти от корозия или ерозия. Суспендираните частици също могат да доведат до замърсяване на топлообменните апарати чрез утаяване върху топлопреносните повърхности.

Предотвратяване на този вид замърсяване може да се постигне като се избягват зони на застой на потока и се поддържат високи скорости (например за вода - над 1 м/с). Препоръчително е преди топлообменника да се инсталира филтър, който да отстранява суспендираните частици.

Механизми на замърсяване

От съществено значение е да се разбере принципът на механизма на замърсяване, тъй като той е индикатор за причината и условията на замърсяване и дава насоки как то може да бъде сведено до минимум. В зависимост от механизма, се различават шест вида замърсяване вследствие на: съдържание на частици във флуида; протичане на реакции; корозия; утаяване; втвърдяване; биологично замърсяване.

Замърсяването вследствие на съдържание на частици може да се дефинира като натрупване на суспендирани в процесните потоци частици върху топлопреносните повърхности. Този вид замърсяване се причинява от седиментацията на гравитационно утаяващи се колоидни частици по стените на топлообменника.

Различните форми замърсяване вследствие на съдържащи се във флуида частици са:

• в охлаждащи системи с еднократно преминаване на морска, речна или язовирна вода, съдържаща кал, тиня и седимент. Те се отлагат в зони, в които скоростта на потока е ниска, формирайки физическа преграда за преминаването му. Натрупването на отлагания допринася за появата на локализирана корозия;

• от газа - от замърсени газови потоци, въздушни замърсители, течове и смесване на един процесен поток с друг. Степента на този вид замърсяване зависи от разположението на тръбите на топлообменника, разстоянието между ребрата му и повърхностните им характеристики;

• от корозия на алуминиеви повърхности, последвана от отлагане на неразтворими алуминиеви соли. Корозионният процес може да бъде предотвратен чрез включването на силикатни инхибитори във формулата на охлаждащия агент.

Химичното замърсяване на топлообменниците е резултат от протичането на реакции без участието на материала, от който са изработени топлопреносните повърхности. Най-често отлагания се натрупват вследствие протичането на полимеризация, крекинг и коксуване на въглеводороди. Степента на замърсяване от протичане на реакции зависи от температурата на повърхността на потока, проникването на кислород, наличието на серни и азотни съединения и метални примеси като Mo и Va във флуида.

При корозионното замърсяване материалът на топлопреносната повърхност реагира до получаването на продукти, които се отлагат върху стените на топлообменника. Този вид замърсяване зависи силно от избора на материал за конструкцията на топлообменния апарат и условията на средата. За ограничаване на корозионното замърсяване могат да бъдат приложени мерки като използване на инхибитори, катодна защита и третиране на топлопреносната повърхност (например пасивация).

Замърсяването вследствие на кристализация или утаяване е характерно предимно за охладителни системи с вода, при които водоразтворими соли, най-вече калциеви карбонати, се пренасищат, кристализират върху стените на тръбите и образуват котлен камък.

Причината за това е, че много от разтворените във вода соли са с отрицателен температурен коефициент на разтворимост, т.е. разтворимостта им намалява с повишаване на температурата. Това означава, че разтвор на такива соли кристализира при нагряване. Кристализацията може да бъде предотвратена чрез химични добавки.

Биологичното замърсяване е резултат от прикрепянето на микро- и макрорганизми върху топлопреносните повърхности. Тези организми могат да доведат до задържане и на пясък, което да причини цялостно запушване на проходите за флуида. Сред технологиите за контрол на биологичното замърсяване са редовно механично почистване, използване на биоциди като хлор, хлорен диоксид, бром, озон и др., термален шок с пара или гореща вода, и ултравиолетово облъчване.

Мерки за ограничаване на замърсяването

Няма установени правила при проектирането на топлообменниците, които да се отчетат с цел ограничаване на замърсяването. Основен принцип е, че колкото конструкцията на един топлообменен апарат е по-проста, толкова вероятността за формиране на отлагания е по-малка. Някои топлообменници са с по-нисък потенциал за замърсяване - например уплътнените пластинчати и спираловидните топлообменници, тъй като осигуряват по висока турбулентност, по-високо напрежение при срязване и др.

Преди пускането в експлоатация на един топлообменен апарат е добре да се проведат тестове, за да е сигурно, че всички конструкционни детайли отговарят на спецификацията. Образуването на отлагания може да се забави чрез избор на подходящи пускови условия. Те не следва да включват по-високи температури и по-ниски скорости от проектните такива.

Скоростта на процесния флуид трябва да е максимална, за да може да се отстраняват отлаганията. Тя обаче не трябва да е толкова висока, че да причини прекомерен пад на налягането или вибрации на корпуса на топлообменника. Скоростта в тръбите следва да е над 2 м/с и около 1 м/с в кожуха.

За предотвратяване на замърсяването, топлообменниците обикновено се конструират с 20-40% по-големи размери от необходимото. Важно е все пак размерите да са оптимални, тъй като при по-големите съоръжения се получават по-ниски скорости, които са предпоставка за образуване на отлагания. За да се сведе до минимум вероятността от замърсяване на тръбни или пластинчати оребрени топлообменници, гъстотата на ребрата следва също да е оптимална.

В противен случай в дългосрочен план ползата от подобрения топлопренос ще бъде компенсирана от необходимостта от често почистване на апарата. Това се отнася най-вече за промишлени охлаждащи системи, радиатори на автомобили и дизелови локомотиви. Когато замърсяващият флуид е в тръбите, мерките за ограничаване на отлаганията включват използването на тръби с по-голям диаметър, поддържането на високи скорости (за охлаждаща вода минимум 1,5 м/с при тръби от мека стомана, 1,2 м/с при тръби от неръждаеми материали и до 5 м/с при титаниеви тръби), успоредното използване на два кожуха или прилагането на директни методи за почистване.

В случаите, когато замърсяващият флуид е в кожуха, следва да се използва квадратно разположение на тръбите, да се редуцират мъртвите пространства чрез оптимален дизайн на ребрата и да се поддържа висока скорост. Ако силното замърсяване е неизбежно, е рентабилно да се инсталира допълнителен топлообменник, което ще позволи почистването на единия, докато другият работи.


Top