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 3 мм, это одна из причин, почему кожухотрубные конструкции такие массивные и почему использовать коэффициент загрязнения в пластинчатых аппаратах имеет смысл только в виде запаса поверхности.

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.

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.