9. Проблемы загрязнения оборудования

1. Процессы и динамика загрязнения

При работе любого теплообменного оборудования на его поверхностях образуются загрязнения. Они выпадают из теплоносителей, которые протекают в оборудовании (вода, нефтепродукты, жидкие металлы и т.д.).

Теплообменное оборудование по взаимодействию греющей и обогреваемой сред можно разделить на следующие типы:

- поверхностный;

-смешивающий.

Теплообменники смешивающего типа используются не столь широко, в основном в системах регенерации. В них обычно загрязняется внутренняя поверхность корпуса, что не представляет большой опасности и на интенсивность теплообмена не влияет.

Теплообменники поверхностного типа между греющей и обогреваемой средой имеют разделительную стенку. Из-за загрязнения теплообменных поверхностей снижается коэффициент теплопередачи.

В зависимости от качества используемых сред изменение термических сопротивлений отложений от времени может быть представлено четырьмя характерными кривыми: (рис. 9.1) [19].

Рис. 9.1. Характерные кривые, описывающие загрязнение теплообменника в течение времени: 1 – линейная для систем с высоким содержанием солей до 30 Г/л (морская или океаническая вода); 2 – изгибающаяся для воды со средним солесодержанием до 5 Г/л (вода устьев рек); 3 – экспоненциальная и 4 – пилообразная для пресной воды с низким солесодержанием 500 мГ/л (вода рек, озер)

Все эти кривые наблюдаются в системах технического водоснабжения [20]. Например, в Цимлянском водохранилище солесодержание колеблется от 70 до 100 мГ/л. Из приведенного графика следует, что основной вклад в образование отложений вносят содержащиеся в воде соли.

9.1.1. Состав отложений. Источником формирования отложений в теплообменном оборудовании являются:

• растворенные в воде соли;

• взвешенные вещества (частицы размером от 1 до 15 мкм, содержащие в воде песок, ил и т.д.);

• микроорганизмы, размеры которых колеблются от 1 до 1 мм; характеризуются общим микробным числом (ОМЧ);

• продукты коррозии металла оборудования и систем.

Растворенные соли, содержащиеся в воде, выпадают на теплообменную стенку только в случае образования в потоке условия перенасыщения, в результате которого происходит кристаллообразование непосредственно в потоке (микрокристаллы 0,5-0,7мкм) либо непосредственно на теплообменной стенке.

Такие соли называются солями жесткости (СаСО₃, Мg₂СО₃). Они имеют отрицательную растворимость от повышения температуры, т.е. у большинства солей при повышении температуры растворимость увеличивается, а у этих солей она уменьшается (рис. 9.2).

а) б)

Рис. 9.2. Растворимость солей и газов в зависимости от

температуры; а – растворимость солей; б – растворимость газов

Как видно из рис. 9.2,а для CaCO₃ и CaSO₄ - отрицательная зависимость растворимости от температуры, а для CaCl₂ – положительная.

Зависимость растворимости углекислого газа от температуры также отрицательна, т.е. при повышении температуры растворимость снижается (рис.9.2,б). Например, при 20^оС и атмосферном давлении для СаСО₃ насыщенная концентрация C_S 6 - 12 мг/л, при том, что в Цимлянском водохранилище содержится до 36 мг/л Са в различных формах. В морской воде содержание солей жесткости может достигать до 300 мг/л.

Опыт эксплуатации теплообменного оборудования показывает, что теплообменники, работающие на морской воде, интенсивнее загрязняются солями и в некоторых случаях ресурс между очистками составляет

20 часов.

Необходимо отметить, что не все соли Са и Mg имеют такую зависимость от температуры и такой уровень насыщения. Например, СаCl₂ и CaSO₄ имеют растворимость насыщения при атмосферных условиях на два порядка выше и достигают уровня C_S  800-1200 мг/л .

До настоящего времени механизм образования микрокристаллов из пересыщенного раствора полностью не изучен. В технической воде содержание взвешенных частиц может быть различным как по количеству, так и по размерам. Все их можно разделить на три основных диапазона размеров:

• песок - размер частиц 50 - 300 мкм и до 1500 мкм;

• ил – размер частиц 10 - 50 мкм. Ил основная составляющая отложений, он является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов;

• частицы размером менее 10 мкм, в том числе и микрокристаллы солей, выпадающие из раствора с размерами 0,3-0,5 мкм, а также другие частицы.

Например, микроорганизмы – 0,3  10 мкм, вирус гриппа - 7 мкм, эритроциты крови человека – 5 мкм, частицы дыма – 0,03 мкм.

Содержание взвешенных частиц, в зависимости от времени года также изменяется (табл. 9.1.).

Таблица 9.1