Запас по загрязнению, который обычно неправильный
Предприятие по гальваническому покрытию поставляет теплообменник из ПТФЭ для нагрева жесткой воды с пределом загрязнения 15%. Теплообменник рассчитан на 115 % чистой тепловой нагрузки, исходя из предположения, что фактор загрязнения снизит эффективную теплопередачу примерно на 13 %.
После шести месяцев работы тепловая мощность упала на 25%, и ванна больше не может поддерживать температуру во время пиковой производительности. Теплообменник очищается, и тепловая мощность возвращается к проектному значению. Цикл повторяется каждые шесть месяцев.
Запас в 15% был недостаточным, поскольку коэффициент загрязнения, использованный при проектировании, был основан на общей оценке, а не на фактических условиях жесткой воды. Фактическое термическое сопротивление накипи через шесть месяцев эквивалентно примерно 25 % от сопротивления чистой теплопередаче, что требует запаса в 25 % только для поддержания расчетной тепловой мощности в конце интервала очистки.
Термическое сопротивление шкалы, определяющее преимущество
Термическая стойкость накипи карбоната кальция зависит от толщины и теплопроводности отложения. Теплопроводность карбоната кальция составляет примерно 2,5 Вт/м·К. Для слоя окалины толщиной 0,5 мм термическое сопротивление составляет 0,0002 м²·К/Вт.
Сопротивление чистой теплопередаче для теплообменника из ПТФЭ со стенкой 0,8 мм и коэффициентом -боковой пленки 1000 Вт/м²·К составляет примерно 0,0042 м²·К/Вт. Термическое сопротивление окалины 0,0002 м²·К/Вт составляет примерно 5% от чистого сопротивления. Для этого небольшого сопротивления потребуется запас всего в 5%.
Фактическое ухудшение производительности больше, чем можно было бы предположить, исходя из одного лишь теплового сопротивления шкалы. Слой окалины также делает поверхность шероховатой, что снижает скорость потока у стенки и увеличивает сопротивление пленки. Совокупный эффект увеличения термического сопротивления накипи и сопротивления пленки обычно составляет 15–25% от сопротивления чистой теплопередаче после шести месяцев эксплуатации в жесткой воде.
Запас загрязнения как функция жесткости воды
Предел загрязнения зависит от жесткости воды, температуры стенки трубы и интервала очистки. В следующей таблице приведены рекомендуемые запасы для различных уровней жесткости воды и интервалов очистки.
| Жесткость воды (мг/л CaCO₃) | Скорость масштабирования (мм/6 месяцев) | Сопротивление накипи через 6 месяцев | Рекомендуемая маржа (чистка за 6 месяцев) | Рекомендуемая маржа (чистка за 12 месяцев) |
|---|---|---|---|---|
| 50–100 (мягкий) | 0,1 мм | 0.00004 m²·K/W | 5% | 10% |
| 100–200 (умеренно сложно) | 0,2 мм | 0.00008 m²·K/W | 10% | 20% |
| 200–300 (жесткий) | 0,35 мм | 0.00014 m²·K/W | 18% | 35% |
| 300–400 (очень сложно) | 0,5 мм | 0.00020 m²·K/W | 25% | 50% |
| 400–500 (очень сложно) | 0,7 мм | 0.00028 m²·K/W | 35% | 70% |
| Выше 500 (как рассол-) | 1,0 мм | 0.00040 m²·K/W | 50% | 100% |
Рекомендуемые значения запасов включают термическое сопротивление окалины и увеличение сопротивления пленки. Запасы увеличиваются при более длительных интервалах чистки, поскольку толщина накипи со временем увеличивается.
Влияние температуры стенки трубки
Скорость осаждения накипи увеличивается с ростом температуры стенки трубы. Более высокая температура стенки увеличивает пересыщение карбоната кальция на поверхности трубы и ускоряет осаждение.
У теплообменника из ПТФЭ с высоким тепловым потоком температура стенки трубы выше и уровень накипи выше. Предел загрязнения должен быть увеличен, чтобы учесть более высокую степень накипи.
Влияние температуры стенки особенно важно в теплообменниках из ПТФЭ, поскольку низкая теплопроводность ПТФЭ приводит к более высокой температуре стенки при заданном тепловом потоке, чем в металлическом теплообменнике. Теплообменник из ПТФЭ, работающий с тем же тепловым потоком, что и металлический блок, будет иметь более высокую температуру стенок и более высокую скорость накипи.
Влияние скорости потока
Скорость потока влияет на скорость осаждения накипи за счет напряжения сдвига на стенке трубы. Более высокая скорость увеличивает напряжение сдвига, что снижает прилипание окалины и скорость осаждения.
Для теплообменника из ПТФЭ, работающего со скоростью 0,5 м/с, скорость накипи высока, и предел загрязнения должен быть большим. Для теплообменника, работающего со скоростью 1,5 м/с, скорость накипи ниже, и запас может быть меньше.
Эффект скорости особенно важен при работе с жесткой водой. Рекомендуется скорость 1,5–2,0 м/с для снижения скорости накипи и требуемого запаса загрязнения.
Экономическая выгода-от предела загрязнения
Предел загрязнения увеличивает капитальные затраты на теплообменник. Маржа в 25% увеличивает капитальные затраты примерно на 20–25%. Запас также уменьшает тепловой поток, что снижает температуру стенки трубы и скорость накипи.
Компромисс –-между более высокими капитальными затратами и меньшей частотой уборки и меньшими затратами на электроэнергию. Большая маржа снижает частоту очистки и производственные потери, но увеличивает капитальные затраты.
Оптимальная маржа — это та, которая минимизирует совокупную стоимость владения в течение срока службы. Общая стоимость включает капитальные затраты, стоимость очистки, стоимость производственных потерь и стоимость энергии.
Количественная оценка совокупной стоимости владения при различной марже
В следующей таблице приведены общие-общие затраты владения за пять лет для различных пределов загрязнения при нагреве жесткой водой с тепловой нагрузкой 50 кВт, жесткостью воды 300 мг/л и производственной стоимостью 500 долларов США в час.
| Граница загрязнения | Площадь поверхности | Тепловой поток | Интервал очистки | Капитальные затраты | Годовая стоимость уборки | Стоимость ежегодных производственных потерь | Общая стоимость-за пять лет |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0% | 20 m² | 2,5 Вт/см² | 2 месяца | $28,000 | $9,000 | $12,000 | $133,000 |
| 10% | 22 m² | 2,3 Вт/см² | 3 месяца | $30,000 | $6,000 | $8,000 | $100,000 |
| 20% | 24 m² | 2,1 Вт/см² | 4 месяца | $32,000 | $4,500 | $6,000 | $84,500 |
| 30% | 26 m² | 1,9 Вт/см² | 6 месяцев | $35,000 | $3,000 | $4,000 | $70,000 |
| 40% | 28 m² | 1,8 Вт/см² | 8 месяцев | $38,000 | $2,250 | $3,000 | $64,250 |
| 50% | 30 m² | 1,7 Вт/см² | 10 месяцев | $41,000 | $1,800 | $2,400 | $62,000 |
| 75% | 35 m² | 1,4 Вт/см² | 14 месяцев | $48,000 | $1,300 | $1,700 | $63,000 |
Общие затраты в течение пяти-лет для этого применения сведены к минимуму при коэффициенте загрязнения 40–50 %. Маржа в 30% достаточна, но не оптимальна. Маржа в 75 % слишком-значительна и имеет более высокую общую стоимость, чем маржа в 50 %.
Особенности конструкции, снижающие требуемый запас
Некоторые конструктивные особенности снижают требуемый запас по загрязнению.
Более высокая скорость потока.Более высокая скорость увеличивает напряжение сдвига и снижает скорость накипи. Для жесткой воды рекомендуется скорость 1,5–2,0 м/с.
Гладкая поверхность трубки.Гладкая поверхность трубки снижает прилипание отложений накипи. Поверхность трубки не должна иметь царапин и дефектов.
Предусмотрены-уборочные средства.Соединения подачи и возврата чистящего раствора позволяют очищать теплообменник без разборки, что снижает стоимость очистки и время простоя.
Умягчение воды.Смягчитель воды удаляет ионы кальция и магния, образующие накипь. Размягчение снижает уровень накипи и требуемый предел загрязнения.
Дозирование ингибитора накипи.Химический ингибитор отложений снижает скорость образования отложений, препятствуя росту кристаллов. Ингибитор снижает требуемый запас загрязнения.
Контроль температуры.Снижение температуры стенки трубы снижает уровень накипи. Меньший тепловой поток или более тонкая стенка трубки снижает температуру стенки.
Параметры спецификации для жесткой воды
Инженеры по оборудованию, выбирающие теплообменник из ПТФЭ для работы с жесткой водой, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.
Жесткость воды.Укажите концентрацию карбоната кальция в технической воде.
Рабочая температура.Укажите максимальную рабочую температуру и температуру стенки трубки.
Скорость потока.Укажите минимальную боковую скорость-трубы. Для жесткой воды рекомендуется скорость 1,5–2,0 м/с.
Интервал очистки.Укажите ожидаемый интервал очистки и метод очистки.
Загрязнение запаса.Укажите предел загрязнения в зависимости от жесткости воды и интервала очистки.
Площадь поверхности.Укажите площадь поверхности, необходимую для тепловой нагрузки и предела загрязнения.
Тепловой поток.Укажите максимально допустимый тепловой поток на основе предельной температуры стены.
Условия для уборки.Укажите соединения и клапаны, необходимые для-очистки на месте.
Согласование предела загрязнения с условиями жесткой воды
Предел загрязнения теплообменника из ПТФЭ при работе с жесткой водой зависит от жесткости воды, температуры стенки трубы, интервала очистки и приемлемого снижения производительности. Обычная маржа в 10–20% зачастую недостаточна. Рекомендуемый запас составляет 20–50 % для воды средней и очень жесткой, в зависимости от интервала очистки.
Маржу следует выбирать исходя из общей стоимости владения в течение срока службы. Большая прибыль увеличивает капитальные затраты, но снижает частоту очистки и производственные потери. Оптимальная маржа минимизирует общие затраты.
Для предприятий по обслуживанию жесткой воды, рассматривающих варианты теплообменников из ПТФЭ, предел загрязнения должен быть указан в закупочной документации и проверен при вводе в эксплуатацию. Конфигурация по умолчанию, предоставленная производителем, может не включать достаточный запас, и в результате ухудшение производительности может потребовать более частой очистки, чем ожидалось.
Инженеры по оборудованию и специалисты по закупкам, оценивающие характеристики теплообменника из ПТФЭ для жесткой воды или других загрязнений, могут запросить анализ конструкции, включающий жесткость воды, рабочую температуру, скорость потока, интервал очистки и предел загрязнения, чтобы подтвердить, что устройство соответствует фактическому качеству воды и структуре эксплуатационных расходов объекта.
