укр | рус      
Услуги
Статьи
(розрахунки проведені на прикладі будівлі, в якій встановлено 279 чавунних радіаторів – середній показник 5-ти поверхових стандартних адміністративних будівель)
(розрахунки проведені на прикладі будівлі, в якій встановлено 279 чавунних радіаторів – середній показник 5-ти поверхових стандартних адміністративних будівель)
Влияние накипи на теплотехническое оборудование
Влияние накипи на теплотехническое оборудование
Надежность эксплуатации теплообменного оборудования в первую очередь обеспечивается соблюдением Правил Технической Эксплуатации (ПТЭ), качеством подпиточной и сетевой воды тепловых сетей.
Все статьи
Статьи
Объяснение появления накипи с физической и химической точки зрения
Версия для печати

Пояснительная записка по выбору теплообменников 

Несмотря на то, что на рынке подогревателей водоводяных и пароводяных (ПВВВ и ППВВ) в настоящее время имеется достаточно разнообразный ассортимент отечественных и зарубежных аппаратов - емкостные (СТД, ВТУ и др.), кожухотрубные (типа ПП, ПВ, ПСВ и др.), пластинчатые (Альфа Лаваль и др.), подогреватели с винтовым движением теплообменной среды (вода, пар, пароконденсатная смесь) находят всё более широкое применение на различных предприятиях Урало-Сибирского региона, прежде всего благодаря набору потребительских качеств: интенсивность теплопередачи К = 4000-5000 , соответствующая уровню лучших зарубежных образцов пластинчатых теплообменников; надежность в эксплуатации - аппараты работают годами без выхода из строя в системах с возможными гидроударами и изменяющимися в десятки раз нагрузками по воде и пару; полная конденсация пара и глубокое охлаждение конденсата до 70-85 °С в одном аппарате; устойчивая работа на загрязненной воде без отложений или с минимальными отложениями окислов железа и солей жесткости на теплообменных поверхностях труб в течение многолетнего срока эксплуатации.

Исключение или сокращение скорости роста отложений на теплообменной поверхности, позволяющее эксплуатировать подогреватели в течение 2-3 лет при падении теплопроизводительности за это время не более чем на 15 %, т.е. на проектную величину запаса площади поверхности, является основным достоинством аппаратов данного типа, позволяющим использовать их для подогрева воды с различным содержанием включений, например, окиси железа, начиная от воды, соответствующей ГОСТ 4151-72 "Вода питьевая", где содержание не превышает 0,3 (Свердловская ТЭЦ, г. Екатеринбург), так и 3,0-49 (Ханты-Мансийский АО, г. Советский).

Отложение оксидов железа, кремния, солей жесткости и пр. на теплообменных поверхностях при нагреве воды создают массу трудностей эксплуатационным службам - для восстановления теплотехнических показателей стандартного оборудования аппараты через 2-3 месяца приходится останавливать на чистку и ремонт, что часто бывает связано с демонтажем и монтажом порой многотонных теплообменников в ограниченных пространствах. В условиях активного отложения включений на ряде п редприятий приходится иметь до 300 % запаса поверхности традиционных подогревателей, что резко увеличивает и без того высокие затраты на содержание традиционного теплообменного оборудования.

Подогреватели с винтовым движением нагревающей среды в межтрубном пространстве состоят из корпуса, трубных досок, трубчатки с поперечными и винтовыми перегородками, благодаря которым и обеспечивается движение среды по винтовой траектории (рис. 1).

Устойчивая работа ПВВВ и ППВВ на воде низкого качества объясняется реализацией в данной конструкции наиболее простого и дешевого способа водоподготовки, позволяющего добиваться сокращения и исключения отложений на теплообменной поверхности и заключающегося в создании автоматического пульсационно-вихревого режима движения теплообменивающихся потоков, как в межтрубном, так и в трубном пространстве подогревателей.

 


рис. 1

Известно, что с увеличением скорости потока воды, снижается скорость отложения накипи на теплообменной поверхности. Нами, на практике, удалось показать, что толщина накипи уменьшается не только от увеличения скорости движения среды, а от величины критерия Рейнольдса потока в целом ( = Wd/р, где W- скорость потока, d -эквивалентный диаметр прохода, р - вязкость среды). Таким образом, на величину вихрей смывающих частицы накипи с теплообменной поверхности, существенное влияние оказывает увеличение диаметра теплообменных трубок. Несмотря на некоторое снижение интенсивности теплоотдачи от увеличения диаметра трубок при работе с водой, образующей в рабочих условиях накипь на теплообменной поверхности, такое мероприятие оправдано, а чаще всего просто необходимо.

Известна простая и наглядная формула, описывающая интенсивность теплообмена в системе вода-стенка-вода:


где

- коэффициент теплоотдачи от воды 1 к стене,

- коэффициент теплоотдачи от воды 2 к стене,

- толщина металла стенки

- коэффициент теплопроводности металла стенки,

- толщина слоя накипи на стенке

- коэффициент теплопроводности накипи и пр., на стенке,

Максимальные коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке при вынужденном турбулентном движении в каналах находятся на уровне коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке и достигают 15000 . Коэффициенты теплопроводности применяющихся металлов теплопередающей поверхности находятся в диапазоне 100-16 , где большая величина соответствует латуни, а меньшая - нержавеющей стали. Таким образом, максимальный коэффициент теплопередачи теплообменника на системе вода- металлическая стенка-вода может достигать (при толщине стенки канала =1 мм) =7000 в случае латунной стенки и =5100 для нержавеющей.

Необходимо отметить, что приведенные результаты получены для системы без учета накипи на теплообменной поверхности. Коэффициент теплопроводности накипи на поверхности теплообменной поверхности не превышает 2 , таким образом при толщине накипи 0,1 мм с каждой стороны стенки, общий коэффициент теплопередачи составит для латуни = 4100 , а для нержавеющей стали = 3400 . Если толщина слоя накипи достигнет 0,5 мм с каждой стороны, коэффициенты теплопередачи будут выглядеть следующим образом: = 2500 , = 2250 . При дальнейшем возрастании слоя накипи "интенсивность" теплопередачи выравнивается для всех теплообменников с материалом стенки различной теплопроводности и зависит только от величины слоя накипи, например, для толщины накипи =1 мм, с каждой стороны стенки, коэффициенты теплопередачи аппаратов с латунными и нержавеющими стенками равны и не превышают К = 900 , т.е. ниже первоначальной интенсивности в 5-8 раз.

Влияние отложений для менее интенсивных кожухотрубных подогревателей (ПВ, ПП, ПСВ, и др.) не столь значительно, однако и у них при указанных величинах накипи коэффициент теплопередачи снижается в 2-3 раза по отношению к чистой поверхности.

Благодаря высокой интенсивности теплоотдачи в межтрубном пространстве ПВВВ и ППВВ как при конденсации пара, так и при движении греющей воды по винтовой траектории в корпусе подогревателей, возникает возможность компоновки трубного пучка из тонкостенных нержавеющих труб большого диаметра (25-38 мм) длиной 2-4 метра, при скорости движения нагреваемой воды в трубах 1,5-3 м/сек и общем коэффициенте теплопередачи К = 4000-5000 , обеспечивающем регламентные температурные перепады в системах горячего водоснабжения и отопления жилых и промышленных объектов. В свою очередь, при указанных режимах движения водных потоков в винтовых аппаратах достигаются гидродинамические условия (Re), при которых отложения минимальны или отсутствуют в течение многолетней эксплуатации.

Например, при замене подогревателя сетевой воды ПСВ-200-7-15 поверхностью 200 м2 и производительностью по охлаждаемой деаэрированной воде 300 на подогреватель с винтовым движением деаэрированной воды в межтрубном пространстве 800 ПВВВ-6-М11/25-2-4 поверхностью 100 м2, производительностью 450 и разностью в цене в 2 раза в пользу последнего, аппарат проработал 2,5 года без чистки труб, потерял 15 % теплопроизводительности - после чего был выведен на чистку труб 0 25x1,2, которая была осуществлена волосяным ершиком, после чего был запущен в работу с первоначальными теплотехническими характеристиками. Необходимо отметить, что ПСВ с латунными трубками 0 19*1, приходилось чистить через 2-3 месяца - с демонтажем многотонной трубчатки и пробиванием забившихся труб.

Более двух лет работают подогреватели водоводяные винтовые 600ПВВВ-6-М11/25-3-4 взамен пластинчатых теплообменников фирмы ALFA LAVAL, при подогреве воды сушильных комплексов глубокой переработки древесины фирмы VANICEK (Австрия) г. Советский, Ханты-Мансийский АО. В связи с низким качеством подогреваемой воды, в которой содержание железа составляет 3,0-30 (что превышает нормы Сан-ПиН до 100 раз) применение на данном переделе пластинчатых теплообменников без глубокой предварительной очистки воды, связанной со значительным увеличением капитальных и эксплуатационных затрат, не представляется возможным.

В процессе промышленной эксплуатации установлено, что винтовые подогреватели (ПВВВ) обеспечили требуемый температурный режим при тепловой нагрузке до 4 Мвт/ч, расходе нагреваемой и нагревающей воды до 250 , температуре нагреваемой воды 70-95 °С и нагревающей воды 110-90 °С. Интенсивность теплообмена - коэффициент теплопередачи на максимальных расходах в течение всего срока эксплуатации стабильно составляет 4000 .

Стоимость винтовых подогревателей для приведенных условий в 1,5 раза ниже стоимости пластинчатых теплообменников.

Таким образом, многолетний опыт внедрения подогревателей с винтовым движением воды, пара или паро-конденсатной смеси в межтрубном пространстве (ПВВВ и ППВВ) на многих предприятиях Урало-Сибирского региона в системах ГВС и отопления показал, что можно рассчитывать и прогнозировать скорость отложения окислов железа и солей жесткости из водных потоков на теплообменных поверхностях и создавать условия пульсационно-вихревого движения водных потоков, при которых отложения за время многолетней эксплуатации отсутствуют или минимальны, что позволяет эксплуатировать теплообменное оборудование без постоянных остановок с разборкой и демонтажем аппаратов на чистку и ремонт.

Повышение интенсивности и надежности винтовых подогревателей (теплообменников) позволяет сократить установочные теплообменные поверхности и тем самым резко сократить капитальные и эксплуатационные затраты, как показывает опыт, в 1,5-2 раза по сравнению с традиционными подогревателями, в том числе и пластичными

ения накипи с физической и химической точки зрения

С физической точки зрения:

На совершенно гладкой поверхности (что практически неосуществимо) кристаллизация на начальном этапе идет очень плохо, так как раствор соли (в нашем случае водопроводная вода), каким бы перенасыщенным он не был, остается однородным по структуре. А для начала роста кристаллов необходимы неоднородности (песчинки, поцарапанная поверхность), причем уже имеющиеся кристаллы - идеальный вариант такой неоднородности, так что действительно минимальный слой накипи должен способствовать ее быстрому нарастанию. Между прочим, наличие неоднородностей (микрокристаллов накипи на стенках чайника) служит очагом парообразования, тем самым способствуя возникновению того самого пресловутого белого ключа, которого мы все (чаеманы) так усердно ждем. В идеально гладком сосуде вода может нагреваться до более высоких температур без закипания, после чего процесс кипения происходит моментально (минуя 3 фазы). По моим соображениям (вероятно, я ошибаюсь) именно последнее является причиной непригодности пластиковых чайников, где парообразование может проходить только на небольшой площади спирали (идеально гладкая поверхность пластика для этого не подходит, да и температура стенок тут несколько ниже).

С другой стороны, если слой накипи слишком толстый (уже легко заметный), то из-за плохой теплопроводности соли возникает ситуация, когда поверхность накипи еще не прогрелась до 100, а дно чайника уже давно перешло эту отметку и вода, просочившаяся между кристаллами накипи бурно кипит, в то время как основная масса воды еще далека от закипания. В итоге мы получаем некоторую смесь правильно закипяченой воды и сильно перекипевшей.

Дальнейший рост слоя накипи приводит к тому, что кипящая под слоем накипи вода отрывает куски этой самой накипи. В итоге - неодинаковая толщина стенок и, следовательно, неодинаковая температура - и вода в разных частях чайника закипает в разное время. Тут уже бессмысленно говорить о «правильном» кипятке.

Подводя итог моим занудным рассуждениям я делаю вывод, что минимальный слой накипи, безусловно, необходим для достижения наилучшего результата, но этот слой должен быть едва различимым. И после полного удаления накипи (если вы кипятите лимоны или т.п.) рекомендую один раз довести до кипения полный чайник и вылить.

С химической точки зрения:

Слой накипи в кипятильной посуде не может ни способствовать «выведению» из воды растворенных в ней солей, ни «притягивать» растворенные в соли. Накипь - это осадок нерастворимого, а если быть точным, малорастворимого соединения. Накипь вызвана выпадением в осадок карбонатов кальция и магния (CaCO3 и MgCO3). Жесткость воды бывает двух типов: постоянная и временная. Постоянная жесткость обусловлена присутствием сульфатов кальция CaSO4 и магния MgSO4. При кипячении воды с этими солями не происходит каких-либо химических превращений.

Временная (или устраняемая) жесткость обусловлена присутствием гидрокарбоната кальция Ca(HCO3)2. Гидрокарбонаты кальция и магния - вещества непрочные и при кипячении (или длительном стоянии) разлагаются с образованием нормальных солей и выделением углекислого газа
Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2

Именно в результате этого процесса изменяются концентрации ионов Ca++ (Mg++) и CO3-- в нашей воде.

Итак, случай первый. Если в нашем чайнике очень чистая вода и концентрация образующих осадок накипи ионов Ca++ (Mg++) и CO3-- не превышают неких величин, то наш осадок будет растворяться. Так же он будет растворяться, если вода будет насыщена углекислым газом.
CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2
Н
о этим явлением можно пренебречь, поскольку растворимость газов в воде стремительно падает с ростом температуры.
Случай второй. Если концентрации ионов Ca++ (Mg++) и CO3-- будут равны неким величинам, то устанавливается равновесие, при котором в единицу времени столько же ионов переходит в осадок, сколько их переходит в раствор в поверхности осадка.
Ну и, наконец, случай третий, самый распространенный, обычный для нас, когда концентрации ионов Ca++ (Mg++) и CO3-- превышают некие величины - и у нас начинает образовываться осадок.

«Притягивание» теоретически возможно, если осадок имеет такую структуру, что абсорбирует на своей поверхности вещества или ионы. Но! Осадок накипи такой структуры не имеет и в любом случае его влияние было бы ничтожно малым по сравнению с описанными выше процессами.
Выводы. В лучшем случае накипь не будет мешать. Правда, даже небольшой слой накипи резко ухудшает теплопередачу через стенки чайника и, в случае с эмалированными чайниками, может способствовать разрушению поверхности (физические процессы), но это не существенно для химии чая.
И еще. Осадок MgCO3 растворим гораздо лучше, чем CaCO3, поэтому присутствие в воде магниевых солей ухудшает качество воды гораздо сильнее. И еще одно практическое наблюдение. После того, как я полностью перешел на очищенную фильтром воду (другая в него не заливается), небольшой, но равномерный слой накипи на моем чайнике постепенно стал разрушаться, открывая дно и стенки чайника.

Технологии гидроочистки © 2007-2008
Разработка сайта Киев - Новые Зодчие
тел. +380(44) 209-07-58, факс. +380(44) 362-71-27
Обратная связь