Пластинчатые теплообменники в настоящее время являются одним из основных видов теплообменного оборудования, применяемого в центральных и индивидуальных тепловых пунктах, что обусловлено их высокой интенсивностью теплообмена и компактностью [1]. По сравнению с кожухотрубными аппаратами они обеспечивают более высокий коэффициент теплопередачи при меньших габаритах, а разборная конструкция позволяет изменять мощность аппарата и выполнять очистку с частичной разборкой оборудования [1].
В то же время пластинчатые теплообменники отличаются высокой чувствительностью к качеству теплоносителя и образованию отложений на теплообменной поверхности [2]. Для систем теплоснабжения эта проблема имеет принципиальное значение, поскольку образование термобарьерных отложений приводит к снижению тепловой эффективности оборудования, росту гидравлического сопротивления и увеличению эксплуатационных затрат [2–3]. В работах В. А. Рыженкова, М. В. Лукина показано, что накапливающиеся в процессе эксплуатации отложения являются одной из ключевых причин ухудшения термодинамических и гидравлических характеристик теплоэнергетического оборудования систем теплоснабжения [3–4].
Образующиеся в процессе эксплуатации отложения обладают низкой теплопроводностью и, как следствие, создают дополнительное термическое сопротивление, снижая коэффициент теплопередачи, тепловую мощность и эффективность пластинчатого теплообменного аппарата (ТОА) [3]. Также отложения уменьшают проходное сечение каналов, изменяют структуру течения в межпластинчатом пространстве и вызывают рост потерь давления [5]. Для пластинчатых теплообменников этот эффект особенно выражен вследствие малой ширины каналов и развитого рельефа поверхности пластин [1, 5].
Состав и интенсивность образования отложений определяются качеством воды, температурным режимом, скоростью теплоносителя и материалом поверхности [3, 6]. По данным исследования [6], даже в сравнительно низкотемпературных системах горячего водоснабжения образование отложений приводит к увеличению термического и гидравлического сопротивлений, причём свойства поверхности и материал оборудования оказывают существенное влияние на скорость накопления загрязнений. Аналогичные выводы о влиянии загрязнений на работу пластинчатых теплообменников приведены и в зарубежных исследованиях [7].
Традиционные методы борьбы с отложениями, включая водоподготовку, химическую и механическую очистку, фильтрацию и различные варианты стабилизационной обработки воды, позволяют лишь частично ограничить развитие загрязнений и, как правило, требуют дополнительных затрат, остановки оборудования или сложного эксплуатационного сопровождения [3, 8]. В связи с этим актуальным является поиск методов, позволяющих снижать интенсивность образования отложений непосредственно на поверхности теплообмена.
Одним из таких перспективных методов является модификация теплообменной поверхности поверхностно-активными веществами [4, 9–10]. В исследованиях, выполненных в НИУ «МЭИ», показано, что формирование молекулярных слоёв ПАВ на металлической поверхности способно снизить скорость накопления термобарьерных отложений, а также обеспечить дополнительный антикоррозионный эффект [4, 9].
Одним из факторов, определяющих склонность поверхности к загрязнению, является её смачиваемость. При модификации металла ПАВ формируется гидрофобный адсорбционный слой, что проявляется в увеличении краевого угла смачивания, снижении удержания жидкой фазы и растворённых солей на поверхности, уменьшении адгезии зарождающихся отложений и ограничении контакта агрессивных компонентов среды с металлом. Таким образом, гидрофобизация поверхности может рассматриваться как один из механизмов одновременного снижения отложений и повышения коррозионной стойкости металла. Практический опыт применения подобных технологий в системах теплоснабжения города Москвы также показал их перспективность для восстановления и стабилизации теплогидравлических характеристик теплообменного оборудования [10].
Однако, несмотря на наличие положительных результатов для трубных поверхностей и кожухотрубных аппаратов, вопрос применения таких покрытий в пластинчатых теплообменниках исследован недостаточно [4, 6]. Из-за особенностей гидродинамики в узких щелевых каналах пластинчатого аппарата перенос ранее полученных результатов на такие условия требует отдельной экспериментальной проверки.
В связи с изложенным целью настоящей работы являлось экспериментальное изучение изменения теплогидравлических характеристик пластинчатого теплообменника с модифицированными поверхностями пластин при образовании отложений. Модификация проводилась путём нанесения покрытия на основе октадециламина (ОДА). В ходе исследований анализировались изменения тепловой мощности, перепада давления и массы отложений на пластинах в процессе формирования загрязняющего слоя. Выбор октадециламина в качестве ПАВ обусловлен его широким практическим применением и достаточно высокой степенью изученности, что делает его удобным веществом для формирования защитного слоя на металлической поверхности.
Материалы и методы исследования
Для проведения исследования был разработан лабораторный стенд, моделирующий работу пластинчатого теплообменника в условиях ускоренного формирования отложений. 3D‑модель стенда представлена на рис. 1. При формировании программы испытаний учитывались подходы к экспериментальному моделированию процессов загрязнения теплообменных поверхностей, ранее применявшиеся в работах Национального исследовательского университета (НИУ) «МЭИ» при исследовании накопления отложений в системах теплоснабжения [4, 9].
Рис. 1. 3D‑модель лабораторного стенда по изучению влияния отложений на теплогидравлические характеристики пластинчатого теплообменника
В качестве объекта исследования использовались пластины пластинчатого теплообменника HH‑04 из нержавеющей стали AISI 316.
Испытания проводились для двух вариантов состояния поверхности пластин теплообменника:
- пластины без обработки;
- пластины с покрытием на основе октадециламина.
Выбор октадециламина в качестве модифицирующего вещества обусловлен известными данными о его способности формировать на металлической поверхности тонкие адсорбционные плёнки, уменьшающие коррозионную активность среды и склонность поверхности к загрязнению [9].
Эксперимент проводился в одинаковых гидравлических и температурных условиях для обеих серий испытаний.
В ходе испытаний регистрировались температуры теплоносителей на входе и выходе, перепад давления на холодной стороне теплообменного аппарата, а по завершении цикла формирования отложений выполнялся гравиметрический анализ пластин.
Программа исследований включала следующие этапы:
- Снятие исходных теплогидравлических характеристик ТОА.
- Подбор и установление рабочих параметров эксперимента (температуры в бочках, расход и т.п.).
- Создание минерализованной рабочей среды, имитирующей реальные свойства отложения.
- Получение теплогидравлических характеристик по мере нарастания отложений на поверхности пластин.
- Демонтаж и замена пластин в исходном (поставочном) состоянии.
- Нанесение и формирование молекулярных слоёв поверхностно-активных веществ на поверхности пластин (модификация поверхности).
- Повторное получение теплогидравлических характеристик теплообменника с обработанными пластинами при тех же параметрах и той же минерализованной среде.
- Гравиметрический анализ для определения массы отложений.
- Сопоставление полученных данных, анализ влияния модификации и формулировка выводов.
На первом этапе исходные необработанные пластины (в состоянии поставки) устанавливаются в стенд, после чего в широком диапазоне расходов и температур теплоносителей выполняется серия измерений перепада давления и температурных напоров.
По результатам этих измерений строились зависимости гидравлического сопротивления и коэффициента теплопередачи от режимных параметров, на основе анализа которых были выбраны оптимальные значения расходов и температур, обеспечивающие максимальную тепловую эффективность при приемлемом уровне гидравлических потерь. Данные параметры принимаются в качестве базовых для всех последующих испытаний.
На втором этапе при выбранных оптимальных режимных параметрах система выводится на стационарный режим, и для исходных пластин фиксируются перепад давления и температуры в ходе проведения эксперимента, после чего рассчитываются тепловой баланс, количество переданной теплоты и исходный коэффициент теплопередачи, а также определяется начальное гидравлическое сопротивление каналов.
Полученные значения служат контрольными точками для сравнения с результатами после обработки пластин.
На следующем этапе пластины извлекаются из стенда и подвергаются обработке эмульсией октадециламина с концентрацией 20–40 мг/дм3, после чего вновь устанавливаются в стенд. При тех же базовых расходах и температурах система выводится на стационарный режим, фиксируются перепад давления и температуры, и выполняются расчёты теплового баланса, теплового потока и коэффициента теплопередачи для образцов с нанесённым ПАВ-покрытием.
Табл. 1. Состав модельного раствора для формирования отложений
| Концентрация компонентов, мг/дм3 | Жо, мг‑экв/дм3 | рН | ||
|---|---|---|---|---|
| CaCl2 | MgSO4 · 7 H2O | NaHCO3 | ||
| 680 | 1524 | 2080 | 20,0 | 7,35 |
Стоит отметить, что испытания проводятся циклично, пока снижение коэффициента теплопередачи, обусловленное формированием отложений, не превысит погрешность измерений в несколько раз. Критерием останова серии принято превышение потерь тепловой эффективности над погрешностью на 5 %, что позволяет исключить влияние случайных погрешностей измерений и обеспечить достоверность получаемых результатов.
После завершения всех циклов испытаний пластины извлекаются из стенда, высушиваются и подвергаются взвешиванию. Поскольку продолжительность каждого цикла фиксируется, то увеличение массы пластин относительно исходного состояния позволяет рассчитать среднюю скорость формирования отложений на поверхности за единицу времени. Сопоставление этих величин для исходных пластин и образцов с нанесённым ПАВ позволяет оценить эффективности таких покрытий. Дополнительно оцениваются стабильность покрытий по сохранению угла смачиваемости поверхности при многократных циклах и термическая стойкость, подтверждаемая сохранением защитных свойств при рабочих температурах 80–90 °C.
На заключительном этапе проводится сопоставление тепловых потоков, коэффициентов теплопередачи и гидравлических сопротивлений для двух типов образцов при идентичных базовых режимных параметрах. На основе этого сравнения формулируется вывод о влиянии ПАВ-покрытий на тепловые и гидродинамические характеристики пластинчатого теплообменника и об их эффективности по предотвращению формирования отложений. Ожидается, что ПАВ-покрытия на основе октадециламина должны показать высокую эффективность в снижении коррозии и уменьшении образования отложений благодаря изменению смачиваемости и свободной поверхностной энергии пластин.
Для формирования отложений был использован модельный раствор, соответствующий по качеству водам артезианских источников с повышенной жёсткостью и щёлочностью, что позволило сократить время исследований.
В табл. 1 приведён состав данного модельного раствора.
Выбор именно этих солей вызван тем, что они моделируют типичные неорганические отложения в теплообменниках.
NaHCO3 при нагреве и изменении кислотно-щелочного равновесия способствует образованию карбонат-ионов, участвующих в последующем осаждении карбонатных соединений.
CaCl2 служит источником ионов кальция Ca2+, необходимых для образования карбонатных отложений, прежде всего карбоната кальция (CaCO3), который составляет основную массу накипи и формирует плотные слои, снижающие интенсивность теплообмена и увеличивающие гидравлическое сопротивление.
MgSO4 · 7 H2O вводилась для учёта влияния ионов магния на структуру осадка, ионы Mg2+ формируют более пористые или смешанные фазы, изменяя адгезию и механические свойства отложений [20].
Относительную погрешность тепловой мощности определяли с учётом погрешности измерения расхода и температурного напора:
| δQ = ΔQ/Q = √(ΔG2/G + Δt2/t) = √(δG2 + δΔt2), | (1) |
где δG и ΔG — относительная и абсолютная погрешности измерения расхода; δΔt и Δt — относительная и абсолютная погрешности измерения температурного напора, соответственно.
Относительная погрешность расчёта тепловой мощности составила 12 %.
Результаты измерений
Для изучения влияния гидрофобности поверхности на скорость формирования отложений были измерены краевые углы смачивания. Смачиваемость поверхности для образцов определяли с использованием оптического тензометра OCA 20 (производитель — компания Data Physics Instruments GmbH). Для получения наиболее точных значений угла контакта с водой измерения проводились трижды в разных точках модифицированной поверхности каждой пластины. Затем был определён средний угол, и значение этого угла было внесено в сводную табл. 2. Также до и после формирования отложений измеряли массу пластин, по разности этих значений определяли массу сформировавшихся отложений, которую также включали в сводную табл. 2.
Табл. 2. Значение угла смачиваемости на поверхности пластин и массы сформировавшихся отложений в ходе исследования
| Тип пластин | Без ПАВ | С ПАВ |
|---|---|---|
| Угол до модификации и испытаний, град. | 82 | 82 |
| Угол после модификации, град. | – | 113 |
| Угол после испытаний, град. | – | 81 |
| Масса сформировавшихся отложений, г | 6,4 | 8,8 |
По результатам исследования установлено, что на пластинах без модификации образовалось меньшее количество отложений. Вместе с тем внешний вид отложений различался, а именно — отложения имеют разный цвет, а также на пластинах с модифицированной поверхностью отложения удерживались менее прочно и легче отделялись от металла.
На рис. 2 наблюдаются фрагменты отколовшихся отложений, что может свидетельствовать об их частичном смывании в процессе испытаний. Данный вывод согласуется с результатами измерения жёсткости, выполнявшегося после каждого цикла для подтверждения осаждения солевых компонентов. Исходная жёсткость для каждого цикла контролировалась и поддерживалась на уровне 20 мг‑экв/дм3. Зависимость жёсткости раствора в бочке от времени формирования отложений для каждого опыта представлена на рис. 3.
Рис. 2. Внешний вид пластин (без модификации (а) и с ПАВ (б) со сформированными отложениями и морфология отложений на пластине с ПАВ при большем увеличении (в)
Рис. 3. Зависимость жёсткости в системе от времени формирования отложений
Анализ зависимости показывает, что для экспериментов с пластинами без модификации уже после двух часов испытаний общая жёсткость снизилась на 6,5 мг‑экв/дм3, что указывает на формирование слоёв отложений на их поверхностях. Для экспериментов на пластинах с обработанными ПАВ поверхностями за это же время изменение жёсткости в системе составило 4 мг‑экв/дм3, а к 9,5 часу испытаний изменение практически отсутствует. Это указывает на то, что заметного накопления солей в системе не происходит. В ходе исследования фиксировался перепад давления в ТОА — результаты измерений представлены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость перепада давления в системе от времени формирования отложений
Можно видеть, что модифицированные образцы с ПАВ характеризуются меньшим углом наклона аппроксимирующих линейных трендов. Данная тенденция свидетельствует о том, что нанесённое покрытие эффективно снижает темпы накопления отложений, что, в свою очередь, приводит к улучшению гидравлических характеристик системы по сравнению с немодифицированными образцами.
Для оценки снижения эффективности теплообмена были рассчитаны средние значения коэффициентов теплопередачи. После модификации пластин коэффициент теплопередачи увеличился из‑за изменения состояния поверхности пластин. После модификации пластин посредством ПАВ смачиваемость поверхности уменьшилась, образовался гидрофобный слой, снижающий адгезию отложений и влияющий на теплообмен.
Изменение среднего значения коэффициента теплопередачи в ходе формирования отложений для каждого опыта представлено на рис. 5.
Рис. 5. Изменение среднего значения коэффициента теплопередачи в ходе исследования для двух опытов: на исходных пластинах и на пластинах с модификацией ПАВ
Анализируя изменение среднего значения коэффициента теплопередачи в ходе исследования на рис. 5, можно сделать вывод, что для ТОА с пластинами без ПАВ коэффициент теплопередачи постепенно ухудшается в ходе формирования отложений до значения 3074,9 Вт/(м2·К) уже за 430 минут. Для пластин с модификацией после 430 минут формирования отложений значение коэффициента теплопередачи составило 3758,3 Вт/(м2·К). Можно сделать вывод, что модификация ПАВ способствует снижению темпа падения коэффициента теплопередачи в процессе загрязнения пластинчатых теплообменных аппаратов и обеспечивает более длительное сохранение высокой интенсивности теплообмена в них.
Также можно видеть, что на пластинах с поверхностно-активным веществом наблюдается скачок значения коэффициента теплопередачи. Это может быть связано с тем, что в системе реализуется колебательный процесс, обусловленный чередующимися фазами сорбции и десорбции отложений на поверхностях пластин.
Выводы
- Установлено, что обработка пластин теплообменника ПАВ приводит к заметному изменению смачиваемости поверхности: краевой угол увеличивается с 82° до 113°, что подтверждает формирование гидрофобного слоя на поверхности металла пластины.
- В процессе формирования отложений в модельной среде гидрофобные свойства модифицированной поверхности пластины теплообменника снижаются.
- По данным гравиметрического анализа масса отложений на пластинах с ПАВ оказалась выше, чем на немодифицированных пластинах (8,8 против 6,4 г). Однако визуальные наблюдения и динамика жёсткости раствора показали, что эти отложения обладают меньшей прочностью сцепления с поверхностью, легче растрескиваются и частично смываются в поток.
- Контроль общей жёсткости раствора показал, что в системе с модифицированными пластинами осаждение солей на начальном этапе происходит менее интенсивно, а на последующих стадиях прекращается. Это свидетельствует об изменении механизма взаимодействия отложений с гидрофобизированной поверхностью пластин.
- Нанесение покрытия на основе ПАВ положительно влияет на гидравлические характеристики пластинчатого теплообменника в условиях образования отложений, рост перепада давления в ходе исследования происходит медленнее, чем для немодифицированных пластин.
- Установлено, что модификация пластин теплообменного аппарата посредством ПАВ способствует замедлению деградации теплообменных характеристик в условиях формирования отложений и обеспечивает более длительное сохранение высокой эффективности работы аппарата по сравнению с немодифицированными пластинами. Анализ изменения среднего значения коэффициента теплопередачи (рис. 5) показал, что для пластинчатого теплообменного аппарата с немодифицированными пластинами коэффициент теплопередачи последовательно снижается по мере загрязнения и уже через 430 минут достигает 3074,9 Вт/(м2·К). Для пластин, обработанных ПАВ, после того же времени формирования отложений значение коэффициента теплопередачи составляет 3758,3 Вт/(м2·К).
Таким образом, применение ПАВ может рассматриваться как эффективный способ модификации пластин теплообменных аппаратов систем теплоснабжения, особенно с точки зрения замедления снижения тепловой мощности и роста гидравлического сопротивления в процессе эксплуатации.
