Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Для чего нужен теплообменник на дизельном двигателе


Для чего нужен теплообменник на дизельном двигателе

Главная » Разное » Для чего нужен теплообменник на дизельном двигателе

Маслокулер в двигателе: когда нужен и как установить

Охладитель моторного масла (масляный радиатор, маслокулер) является решением, которое позволяет эффективно охлаждать рабочую жидкость системы смазки ДВС.  При этом данное устройство можно встретить далеко не на всех автомобилях, тем более штатно.

Конструкторы при разработке того или иного силового агрегата изначально  просчитывают возможный нагрев масла. Получается, если машина эксплуатируется в обычных условиях, а сам мотор не форсированный, тогда температура масла в двигателе обычно находится в допустимых пределах.

Однако ситуация меняется тогда, когда, например, двигатель тюнингованный (замена распредвала на спортивный и т.п.), на атмосферный мотор была установлена турбина, агрегат часто или постоянно раскручивается до предела, сдвинулись обороты отсечки и т.д.

В этом случае температура смазки существенно повышается и многие водители устанавливают  комплект маслокулера для того, чтобы реализовать лучшее охлаждение масла в двигателе. Давайте рассмотрим принцип работы этого устройства  и его конструкцию более подробно.

Масляный охладитель двигателя: для чего нужен

Прежде всего, значительное увеличение нагрузок на мотор означает то, что в ряде случаев возникает и необходимость дополнительно охлаждать масло в двигателе. Масло часто перегревается именно тогда, когда двигатель раскручивается до максимальных оборотов и достаточно долго работает в таком режиме.

Также к перегреву масла может приводить и агрессивный стиль езды (частое раскручивание ДВС до отсечки). В этом случае смазке после понижения оборотов попросту недостаточно времени для остывания.

Если же двигатель форсированный, в этом случае температура масла заслуживает повышенного внимания. Не трудно догадаться, что тюнингованный мотор не был изначально рассчитан на такие нагрузки. Естественно, увеличивается и уровень тепловыделения, при этом теплоотвод остается штатным.

Обратите внимание, приведенная выше информация не означает, что любой двигатель после форсирования или работы в режимах максимальных нагрузок перегреется. Дело в том, что одни моторы имеют предрасположенность к перегреву масла и самого ДВС, тогда как другие нет. При этом хотя бы дополнительный контроль температуры масла лишним никак не будет.

Для  этого можно на начальном этапе установить датчик температуры и давления масла в двигателе. Как известно, такими датчиками многие автомобили штатно не оснащаются. Все, на что может рассчитывать водитель, это загорание сигнальной лампочки давления масла на панели приборов тогда, когда давление масла сильно упадет.

При этом не обязательно гнаться за дорогими высокоточными приборами типа Defi и т.п. Для мониторинга общей картины происходящего в масляной системе ДВС вполне подойдет дешевый или средний вариант. Также добавим, что специалисты рекомендуют обязательно ставить не только температурный датчик, но и датчик давления масла.

Причина — после нагрева масло разжижается, что закономерно приводит к падению давления в системе. При этом штатная аварийная лампочка может и не загореться, так как обычно ее загорание происходит при критических значениях.

Однако не стоит забывать о том, то даже если лампочка давления масла не горит, при низком давлении износ двигателя колоссальный. Получается, благодаря наличию отдельного датчика появляется возможность вовремя зафиксировать проблему и своевременно остановить двигатель.

Добавим, что допустимой температурой масла в норме является нагрев до + 100 градусов по Цельсию.  При этом для одних моторов даже нагрев до 110 градусов уже является высоким и может не пройти без последствий, тогда как другие спокойно переживают и 140-150. Однако в большинстве случаев последствия сильного перегрева масла в двигателе достаточно серьезные.

Первое, разжижается само масло, то есть происходит потеря его защитных и смазывающих свойств. В этом случае двигатель подвергается сильному износу. Также жидкое масло сильно расходуется на угар, а перегретая смазка попросту горит и коксует двигатель.

Более того, после перегрева масло следует сразу менять, так как дальнейшая эксплуатация ДВС на такой смазке  в значительной мере усиливает износ мотора,  приводит к залеганию колец, появлению масляного дыма из выхлопной трубы и скорому капремонту.

Комплект маслокулера для мотора: как выбрать и установить

Разобравшись с температурой масла, вернемся к самому маслокулеру. Вполне очевидно, что если после установки датчиков был

ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Теплообменник - это устройство, используемое для передачи тепла между двумя или более жидкостями. Жидкости могут быть однофазными или двухфазными и, в зависимости от типа теплообменника, могут быть разделены или находятся в непосредственном контакте. Устройства, использующие источники энергии, такие как стержни ядерного топлива или нагреватели, обычно не рассматриваются в качестве теплообменников, хотя многие принципы, используемые в их конструкции, являются одинаковыми.

Чтобы обсудить теплообменники, необходимо предусмотреть некоторую форму категоризации.Есть два подхода, которые обычно принимаются. Первый рассматривает конфигурацию потока в теплообменнике, а второй основан на классификации типа оборудования, в основном по конструкции. Оба рассматриваются здесь.

Классификация теплообменников по конфигурации потока

Существует четыре основных конфигурации потока:

На рисунке 1 показан идеализированный противоточный теплообменник, в котором две жидкости текут параллельно друг другу, но в противоположных направлениях.Этот тип организации потока обеспечивает наибольшее изменение температуры обеих жидкостей и, следовательно, является наиболее эффективным (где эффективность - это количество фактически переданного тепла по сравнению с теоретическим максимальным количеством тепла, которое может быть передано).

Рис. 1. Противоток.

В теплообменниках с прямоточным потоком потоки текут параллельно друг другу и в том же направлении, как показано на фиг.2. Это менее эффективно, чем противоточный поток, но обеспечивает более равномерную температуру стенок.

Рисунок 2. Поток тока.

Теплообменники с поперечным потоком являются промежуточными по эффективности между противотоком и теплообменниками с параллельным потоком. В этих единицах потоки текут под прямым углом друг к другу, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Перекрестный поток.

В промышленных теплообменниках часто встречаются гибриды вышеуказанных типов потока. Примерами этого являются комбинированные теплообменники с противотоком и противотоком и многопроходные теплообменники.(См., Например, рисунок 4.)

Рис. 4. Поперечный / встречный поток.

Классификация теплообменников по конструкции

В этом разделе теплообменники классифицируются в основном по их конструкции, Garland (1990) (см. Рисунок 5). Первый уровень классификации заключается в разделении типов теплообменников на рекуперативные или регенеративные. Рекуперативный теплообменник имеет отдельные пути потока для каждой жидкости, и жидкости текут одновременно через теплообменник, обмениваясь теплом через стену, разделяющую пути потока.Регенеративный теплообменник имеет единственный путь потока, через который попеременно проходят горячие и холодные жидкости.

Рисунок 5. Классификации теплообменников.

Регенеративные теплообменники

В регенеративном теплообменнике путь потока обычно состоит из матрицы, которая нагревается, когда через нее проходит горячая жидкость (это называется «горячим ударом»). Это тепло затем передается холодной жидкости, когда она протекает через матрицу («холодный удар»).Регенеративные теплообменники иногда называют емкостными теплообменниками . Хороший обзор регенераторов предоставлен Walker (1982).

Регенераторы в основном используются в системах рекуперации тепла газ / газ на электростанциях и в других энергоемких отраслях промышленности. Два основных типа регенератора: статический и динамический. Оба типа регенераторов являются переходными в работе, и если в их конструкции не уделяется большое внимание, обычно происходит перекрестное загрязнение горячего и холодного потоков.Однако использование регенераторов в будущем, вероятно, возрастет, поскольку предпринимаются попытки повысить энергоэффективность и рекуперировать более низкосортное тепло. Однако, поскольку регенеративные теплообменники, как правило, используются для специализированных применений, рекуперативные теплообменники встречаются чаще.

Рекуперативные теплообменники

Существует много типов рекуперативных теплообменников, которые в целом можно сгруппировать в непрямой контакт, прямой контакт и специальные. Непрямые контактные теплообменники разделяют теплообменные жидкости, используя трубки или пластины и т. Д., Прямые контактные теплообменники не разделяют жидкости, обменивающиеся теплом, и фактически зависят от жидкостей, находящихся в тесном контакте.

В этом разделе кратко описаны некоторые из наиболее распространенных типов теплообменников, и они расположены в соответствии с классификацией, приведенной на рис. 5.

В этом типе пары разделены стенкой, обычно металлической. Примерами этого являются трубчатые теплообменники, см. Рисунок 6, и пластинчатые теплообменники, см. Рисунок 7.

Трубчатые теплообменники очень популярны благодаря гибкости, которую конструктор должен учитывать в широком диапазоне давлений и температур.Трубчатые теплообменники можно подразделить на ряд категорий, из которых кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным.

Кожухотрубный теплообменник состоит из нескольких трубок, установленных внутри цилиндрической оболочки. Рисунок 8 иллюстрирует типичную единицу, которая может быть найдена на нефтехимическом заводе. Две жидкости могут обмениваться теплом, одна жидкость течет по внешней стороне труб, а вторая жидкость течет по трубам. Жидкости могут быть однофазными или двухфазными и могут протекать параллельно или поперечно / противоточно.Кожухотрубный теплообменник состоит из четырех основных частей:

  • Фронтальный конец - это место, где жидкость попадает в трубку теплообменника.

  • Задний конец - это место, где жидкость в трубке покидает теплообменник или где она возвращается в передний коллектор в теплообменниках с несколькими проходами в трубе.

  • Пучок трубок - состоит из трубок, листов трубок, перегородок, рулевых тяг и т. Д. Для удержания пучка вместе.

  • Оболочка - содержит трубный пучок.

Популярность кожухотрубных теплообменников привела к разработке стандарта для их назначения и использования. Это стандарт Ассоциации производителей трубчатых теплообменников (TEMA). Обычно кожухотрубные теплообменники изготавливаются из металла, но для специальных применений (например, с применением сильных кислот фармацевтических препаратов) могут использоваться другие материалы, такие как графит, пластик и стекло. Также нормально, чтобы трубки были прямыми, но в некоторых криогенных применениях используются спиральные или Hampson катушки .Простая форма кожухотрубного теплообменника - это двухтрубный теплообменник. Этот теплообменник состоит из одной или нескольких трубок, содержащихся в большей трубе. В самой сложной форме между многотрубной двойной трубой и кожухотрубным теплообменником мало различий. Однако двухтрубные теплообменники, как правило, имеют модульную конструкцию, поэтому несколько узлов могут быть скреплены болтами вместе для достижения требуемой нагрузки. Книга Е.А.Д. Сондерс [Saunders (1988)] дает хороший обзор трубчатых теплообменников.

Другие типы трубчатых теплообменников включают в себя:

  • Печи - рабочая жидкость проходит через печь в трубах с прямыми или спиральными намотками, а нагрев осуществляется горелками или электрическими нагревателями.

  • Трубы в пластине - в основном они используются для рекуперации тепла и кондиционирования воздуха. Трубки обычно монтируются в какой-либо форме воздуховода, а пластины действуют как опоры и обеспечивают дополнительную площадь поверхности в виде ребер.

  • с электрическим подогревом - в этом случае жидкость обычно протекает за пределами труб с электрическим подогревом (см. Джоулев нагрев).

  • с воздушным охлаждением Теплообменники состоят из пучка труб, системы вентилятора и несущей конструкции. Трубы могут иметь ребра различного типа, чтобы обеспечить дополнительную площадь поверхности на стороне воздуха. Воздух либо всасывается через трубки вентилятором, установленным над пучком (индуцированная тяга), либо продувается через трубки вентилятором, установленным под пучком (принудительная тяга). Они, как правило, используются в местах, где существуют проблемы с получением достаточного количества охлаждающей воды.

  • Тепловые трубки, сосуды с перемешиванием и графитовые блочные теплообменники могут рассматриваться как трубчатые или могут быть помещены под рекуперативные «Специальные». Тепловая труба состоит из трубы, фитильного материала и рабочей жидкости. Рабочая жидкость поглощает тепло, испаряется и проходит к другому концу тепловой трубы, где она конденсируется и выделяет тепло. Затем жидкость с помощью капиллярного воздействия возвращается к горячему концу тепловой трубы для повторного испарения. Взволнованные сосуды в основном используются для нагрева вязких жидкостей.Они состоят из сосуда с трубками внутри и мешалки, такой как пропеллер или винтовая ленточная крыльчатка. Трубки переносят горячую жидкость, а мешалка вводится для обеспечения равномерного нагрева холодной жидкости. Углеродные теплообменники обычно используются, когда агрессивные жидкости необходимо нагревать или охлаждать. Они состоят из твердых углеродных блоков, в которых просверлены отверстия для прохода жидкостей. Затем блоки крепятся болтами вместе с коллекторами для формирования теплообменника.

Пластинчатые теплообменники разделяют жидкости, обменивающиеся теплом, посредством пластин.Они обычно имеют улучшенные поверхности, такие как ребра или тиснение, и могут быть скреплены болтами, спаяны или сварены. Пластинчатые теплообменники в основном используются в криогенной и пищевой промышленности. Однако из-за их высокого отношения площади поверхности к объему, низкого запаса жидкостей и их способности обрабатывать более двух пар, они также начинают использоваться в химической промышленности.

Пластинчатые и каркасные теплообменники состоят из двух прямоугольных концевых элементов, которые удерживают вместе несколько рельефных прямоугольных пластин с отверстиями в углу для прохода жидкостей.Каждая из пластин отделена прокладкой, которая герметизирует пластины и обеспечивает поток жидкости между пластинами, см. Рисунок 9. Этот тип теплообменника широко используется в пищевой промышленности, поскольку его легко разобрать для очистки. Если утечка в окружающую среду является проблемой, можно сварить две пластины вместе, чтобы жидкость, протекающая между сварными пластинами, не могла протекать. Однако, поскольку все еще присутствуют некоторые прокладки, все еще возможна утечка. Паяные пластинчатые теплообменники предотвращают утечку, паяя все пластины вместе, а затем приваривая к входному и выходному отверстиям.

Рисунок 6. Классификация трубчатых теплообменников.

Рисунок 7. Классификация пластинчатых теплообменников.

Рисунок 8. Кожухотрубный теплообменник.

Рис. 9. Пластинчато-рамный теплообменник.

Пластинчато-ребристые теплообменники состоят из ребер или распорок, расположенных между параллельными пластинами. Ребра могут быть расположены так, чтобы обеспечить любую комбинацию поперечного или параллельного потока между соседними пластинами. Также возможно пропускать до 12 потоков жидкости через один теплообменник путем тщательного расположения коллекторов.Они обычно изготавливаются из алюминия или нержавеющей стали и спаяны вместе. Их основное использование в сжижении газа из-за их способности работать при близких температурных подходах.

Теплообменники Lamella в некоторых отношениях аналогичны кожуху и трубе. Прямоугольные трубки с закругленными углами сложены близко друг к другу, образуя пучок, который помещается внутрь оболочки. Одна жидкость проходит через трубки, а жидкость течет параллельно через зазоры между трубками.Они, как правило, используются в целлюлозно-бумажной промышленности, где требуются большие проходы для потока.

Спиральные пластинчатые теплообменники формируются путем намотки двух плоских параллельных пластин вместе для формирования катушки. Затем концы уплотняются прокладками или привариваются. Они в основном используются с вязкими, сильно загрязненными жидкостями или жидкостями, содержащими частицы или волокна.

Теплообменник этой категории не использует теплообменную поверхность, поэтому он часто дешевле непрямых теплообменников.Однако, чтобы использовать теплообменник с прямым контактом с двумя жидкостями, они должны быть несмешиваемыми, или, если предполагается использовать одну жидкость, она должна претерпеть изменение фазы. (См. Прямая теплопередача контакта.)

Наиболее легко узнаваемой формой теплообменника с прямым контактом является градирня с естественной тягой, имеющаяся на многих электростанциях. Эти блоки состоят из большой приблизительно цилиндрической оболочки (обычно более 100 м в высоту) и упаковки снизу для увеличения площади поверхности. Охлаждаемая вода распыляется сверху на набивку, в то время как воздух поступает через дно набивки и вверх через колонну благодаря естественной плавучести.Основная проблема с этой и другими типами градирен с прямым контактом заключается в постоянной необходимости подачи охлаждающей воды за счет испарения.

Конденсаторы прямого контакта иногда используются вместо трубчатых конденсаторов из-за их низких капитальных и эксплуатационных затрат. Существует множество вариаций прямого контакта конденсатора. В своей простейшей форме охлаждающая жидкость распыляется с верхней части сосуда над паром, поступающим со стороны сосуда. Конденсат и охлаждающая жидкость затем собираются на дне.Большая площадь поверхности, достигаемая распылением, гарантирует, что они являются весьма эффективными теплообменниками.

Паровой впрыск используется для нагрева жидкостей в резервуарах или трубопроводах. Пар способствует передаче тепла за счет турбулентности, создаваемой впрыском, и передает тепло путем конденсации. Обычно не делается никаких попыток собрать конденсат.

Прямой нагрев в основном используется в сушилках, где влажное твердое вещество сушат, пропуская его через поток горячего воздуха. Другой формой прямого нагрева является погруженное горение.Это было разработано главным образом для концентрации и кристаллизации агрессивных растворов. Жидкость испаряется пламенем и выхлопными газами, направленными вниз в жидкость, которая удерживается в некоторой форме резервуара.

Воздухоохладитель с мокрой поверхностью в некоторых отношениях аналогичен теплообменнику с воздушным охлаждением. Однако в этом типе устройства вода разбрызгивается по трубам, а вентилятор всасывает воздух и воду вниз по пучку труб. Вся система закрыта, и теплый влажный воздух обычно выпускается в атмосферу.

Сменные поверхностные теплообменники состоят из сосуда с рубашкой, через который проходит жидкость, и вращающегося скребка, который непрерывно удаляет отложения с внутренних стенок сосуда. Эти агрегаты используются в пищевой и фармацевтической промышленности, где отложения образуются на нагретых стенках сосуда с рубашкой.

Статические регенераторы или регенераторы с неподвижным слоем не имеют движущихся частей, кроме клапанов. В этом случае горячий газ проходит через матрицу в течение фиксированного периода времени, по истечении которого происходит переворот, горячий газ отключается, и холодный газ проходит через матрицу.Основная проблема с этим типом устройства заключается в том, что как горячий, так и холодный поток являются прерывистыми. Для преодоления этого и обеспечения непрерывной работы требуются по меньшей мере два статических регенератора или может быть использован роторный регенератор.

Во вращающемся регенераторе цилиндрическая фасонная упаковка вращается вокруг оси цилиндра между парой газовых уплотнений. Горячий и холодный газ протекает одновременно через воздуховоды с обеих сторон газовых уплотнений и через вращающуюся набивку. (См. Регенеративные теплообменники.)

Термический анализ любого теплообменника включает решение основного уравнения теплопередачи.

(1)

Это уравнение вычисляет количество тепла, передаваемого через область dA, где T h и T c - локальные температуры горячей и холодной жидкости, α - локальный коэффициент теплопередачи, а dA - локальная инкрементная площадь, на которой α основан. Для плоской стены

(2)

где Вт - толщина стенки, а Вт - ее теплопроводность.

Для однофазного потока через стенку α для каждого из потоков является функцией Re и Pr. Когда происходит конденсация или кипение, α также может зависеть от разности температур. Как только коэффициент теплопередачи для каждого потока и стенки известен, тогда общий коэффициент теплопередачи U определяется как

(3)

где сопротивление стенке r w определяется как 1 / α w . Общая скорость теплопередачи между горячей и холодной жидкостями определяется как

(4)

Это уравнение для постоянных температур и коэффициентов теплопередачи.В большинстве теплообменников это не так, и поэтому используется другая форма уравнения

(5)

где - общая тепловая нагрузка, U - средний общий коэффициент теплопередачи, а ΔT M - средняя разность температур. Расчет ΔT M и снятие предположения о постоянном коэффициенте теплопередачи описаны в разделе Разница в средней температуре.

Расчет U и ΔT M требует информации о типе теплообменника, геометрии (например,например, размер проходов в пластине или диаметр трубы), ориентация потока, чистый противоток или поперечный поток и т. д. Затем можно рассчитать общую нагрузку, используя предполагаемое значение AT, и сравнить с требуемой нагрузкой. Затем можно внести изменения в предполагаемую геометрию и U, ΔT M и пересчитать, чтобы в конечном итоге выполнить итерацию к решению, которое равно требуемой обязанности. Однако при выполнении термического анализа следует также проверять на каждой итерации, чтобы допустимый перепад давления не превышался.Компьютерные программы, такие как TASC от HTFS (Heat Transfer и Fluid Flow Service), выполняют эти вычисления автоматически и оптимизируют проект.

Механические соображения

Все типы теплообменников должны подвергаться определенной форме механического проектирования. Любой теплообменник, работающий при давлении выше атмосферного, должен проектироваться в соответствии с местным указанным кодом конструкции сосуда под давлением , таким как ASME VIII (Американское общество инженеров-механиков) или BS 5500 (британский стандарт).Эти коды определяют требования к сосуду под давлением, но они не касаются каких-либо специфических особенностей конкретного типа теплообменника. В некоторых случаях существуют специальные стандарты для определенных типов теплообменников. Два из них перечислены ниже, но в целом отдельные производители определяют свои собственные стандарты.

ССЫЛКИ

Garland, W. J. (1990) Private Communication.

Walker, G. (1982) Промышленные теплообменники-A Базовое руководство , Издательство Hemisphere.

Rohsenow, W.M. и Hartnett, J.P. (1973) Справочник по теплопередаче , Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company. DOI: 10.1016 / 0017-9310 (75)

-9

Saunders, E. A. D. (1988) Теплообменники - выбор, проектирование и строительство, Longman Scientific and Technical. DOI: 10.1016 / 0378-3820 (89)

-5

Ассоциация производителей трубчатых теплообменников

(1988) (TEMA), седьмое издание. Кожухотрубные теплообменники .

Американский институт нефти (API) 661: Теплообменники с воздушным охлаждением для нефтяной промышленности .

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓
  • образование
  • Исследовательская работа
  • новаторство
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Alumni
  • О MIT
  • Больше ↓
    • Прием + помощь
    • Студенческая жизнь
    • Новости
    • Alumni
    • О MIT
Меню ↓ Поиск Меню О, похоже, мы не смогли найти то, что искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Посмотреть больше результатов

Предложения или отзывы?

,Промышленный теплообменник

: эксплуатация и техническое обслуживание для минимизации загрязнения и коррозии

1. Введение

Теплообменник

играет важную роль в промышленном применении. Реализуется в целях нагрева и охлаждения крупногабаритных промышленных технологических жидкостей [1]. Теплообменник представляет собой динамическую конструкцию, которая может быть адаптирована к любому промышленному процессу в зависимости от температуры, давления, типа жидкости, фазового потока, плотности, химического состава, вязкости и многих других термодинамических свойств [2, 3].Из-за глобального энергетического кризиса эффективное восстановление или рассеивание тепла стало жизненно важной задачей для ученых и инженеров [4].

Теплообменники предназначены для оптимизации площади поверхности стенки между двумя жидкостями, чтобы максимизировать эффективность, в то же время сводя к минимуму сопротивление потоку жидкости через теплообменники в пределах стоимости материала. Характеристики теплообменных поверхностей могут быть улучшены путем добавления гофров или ребер в теплообменнике, которые увеличивают площадь поверхности и могут направлять поток жидкости или вызывать турбулентность [5].Эффективность промышленных теплообменников можно отслеживать в режиме онлайн, отслеживая общий коэффициент теплопередачи в зависимости от его температуры, которая имеет тенденцию к снижению со временем из-за загрязнения [6].

Потенциальный ущерб оборудованию, вызванный образованием накипи, может быть очень дорогостоящим, если обработанная вода не обработана правильно. Химические вещества обычно используются для очистки воды в промышленности. В США в год выбрасывается в общей сложности 7,3 миллиарда долларов химических веществ в год, сбрасывается в ручьи и захороняется на свалках каждый год.Сорок процентов этих химикатов закупается промышленностью для контроля за масштабами в градирне, котле и другом теплопередающем оборудовании. Этот процент также представляет собой более 2 миллиардов долларов токсичных отходов, которые составляют триллион галлонов загрязненной воды, ежегодно выбрасываемой в землю, которая принадлежит всем нам.

Обслуживание загрязненных трубчатых теплообменников может выполняться несколькими методами, такими как кислотная очистка, пескоструйная обработка, струи воды под высоким давлением, очистка пули или бурильные штанги.В крупномасштабных системах охлаждения воды для теплообменников, обработка воды, такая как очистка, добавление химикатов, каталитический подход и т. Д., Используются для минимизации загрязнения теплообменного оборудования [7]. Другие процессы очистки воды также используются в паровых системах для электростанций, чтобы минимизировать загрязнение и коррозию теплообменника и другого оборудования. Большинство химических веществ и добавок, используемых для обрастания и смягчения коррозии, опасны для окружающей среды [8]. Итак, настали времена применять химикаты с подходами, благоприятными для окружающей среды [9, 10, 11].

2. О промышленном теплообменнике

Промышленный теплообменник - это теплообменное оборудование, которое использует процесс обмена тепловой энергией между двумя или более средами, доступными при различной температуре. Промышленные теплообменники применяются в различных отраслях промышленности, таких как энергетика, нефтегазовая промышленность, химическая переработка, транспортировка, альтернативные виды топлива, криогенная техника, кондиционирование воздуха и охлаждение, рекуперация тепла и другие отрасли.Кроме того, теплообменники - это оборудование, всегда тесно связанное с нашей повседневной жизнью, например, испарители, воздухоподогреватели, автомобильные радиаторы, конденсаторы и маслоохладители. В большинстве теплообменников поверхность теплопередачи отделяет жидкость, которая включает в себя широкий диапазон различных конфигураций потока для достижения желаемой производительности в различных применениях. Теплообменники могут быть классифицированы по-разному. Как правило, промышленные теплообменники были классифицированы в соответствии с конструкцией, процессами переноса, степенями поверхностной компактности, схемами потока, схемами проходов, фазой технологических жидкостей и механизмами теплопередачи, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1.

Классификация промышленного теплообменника [12].

3. Основные конструктивные решения для теплообменника

Конструктивные концепции теплообменника должны соответствовать нормальным технологическим требованиям, указанным в условиях эксплуатации для комбинаций не подверженных коррозии и коррозии условий и чистых и загрязненных условий. Одним из важнейших критериев конструкции теплообменника является то, что теплообменник должен быть спроектирован для простоты обслуживания, что обычно означает очистку или замену деталей, труб, фитингов и т. Д.повреждены в результате старения, вибрации, коррозии или эрозии в течение всего срока службы.

Следовательно, конструкция теплообменника должна быть максимально простой, особенно если ожидается сильное загрязнение. Благодаря минимизации температуры в сочетании с выбором скорости жидкости и уменьшением концентрации предшественников загрязнителя, снизится вероятность потенциального загрязнения. Кроме того, максимальная скорость потока должна быть разрешена при ограничениях падения давления и эрозии от потока. Кроме того, выбор материала в рамках ограниченных затрат замедляет накопление отложений и позволяет сократить время пребывания.Он также должен быть совместимым с точки зрения рН, коррозии и не только теплообменника, но также с точки зрения теплового оборудования и линий передачи теплообменника.

4. Загрязнение

Загрязнение всегда определяется как образование и накопление отложений нежелательных материалов на поверхностях оборудования для обработки. Эти материалы с очень низкой теплопроводностью обычно образуют на поверхности изоляцию, которая может сильно ухудшить характеристики поверхности при передаче тепла при разности температур, для которой она была разработана [13].Кроме того, загрязнение увеличивает сопротивление потоку жидкости, что приводит к большему падению давления в теплообменнике. На поверхностях теплопередачи может происходить много типов загрязнения, например, кристаллизационное загрязнение, загрязнение частицами, загрязнение коррозией, химическое загрязнение реакции, биологическое загрязнение и загрязнение затвердеванием [14]. Загрязнение может иметь очень дорогостоящий эффект в отраслях промышленности, что в конечном итоге увеличивает потребление топлива, прерывает эксплуатацию, снижает производственные потери и увеличивает затраты на техническое обслуживание [15].

Загрязнение формируется в пять этапов, которые можно суммировать как начало обрастания, перенос на поверхность, прикрепление к поверхности, удаление с поверхности и старение на поверхности [16]. Существует несколько параметров, влияющих на факторы загрязнения, такие как pH [9], скорость [17], объемная температура жидкости [18], температура поверхности теплопередачи, структура поверхности [19] и шероховатость [20, 21].

Общий процесс загрязнения обычно считается чистым результатом двух одновременных подпроцессов: процесса осаждения и процесса удаления, как показано на рисунке 2.Как показано на рисунке 3, рост этих отложений приводит к снижению производительности теплообменника со временем. Эта проблема влияет на энергопотребление промышленных процессов и, в конечном итоге, приводит к выходу оборудования из строя из-за отказа теплообменника, как показано на рисунке 4.

Рисунок 2.

Общий процесс загрязнения [22].

Рисунок 3.

Сопротивление обрастанию против временных кривых [22].

Рисунок 4.

Сильные отложения на трубопроводах теплообменника [24, 23].

5. Коррозия

Элементы окружающей среды, такие как почва, атмосфера, вода или водные растворы, обычно воздействуют на металлы и сплавы. Ухудшение этих металлов известно как коррозия. Приятно, что коррозия происходит из-за электрохимического механизма. Преждевременные сбои в работе различного оборудования вызваны коррозией в большинстве коммерческих процессов и инженерных работ, что приводит к нежелательным проблемам. Это включает в себя дорогостоящую поломку, внеплановое отключение и увеличение стоимости обслуживания.

Это время простоя усугубляется в таких областях, как химическая промышленность, нефтепереработка, морские и наземные электростанции, производство бумаги, кондиционирование воздуха, холодильники, производство продуктов питания и напитков. Следовательно, общая информация и механизм коррозии принесут большой интерес общественности и промышленности [24]. На процесс коррозии влияют различные параметры, как показано на рисунке 5. Следовательно, эти критерии должны учитывать основы проектирования теплообменников.

Рисунок 5.

Фактор, влияющий на коррозию [25].

6. Затраты, связанные с загрязнением

Помимо высокой стоимости загрязнения теплообменника, сообщается об очень небольшом количестве работ для точного определения экономических штрафов, вызываемых загрязнением. Следовательно, они связывают стоимость с аспектом различий конструкции и эксплуатации теплообменника. Тем не менее, надежные знания экономики загрязнения желательны для оценки экономической эффективности различных стратегий смягчения последствий [26, 27]. Общие расходы, связанные с загрязнением, включают следующее:

  1. Капитальные затраты

    Чрезмерная площадь поверхности, необходимая для преодоления тяжелых условий обрастания, затраты на укрепление фундамента, выделение дополнительных площадей и увеличение затрат на транспортировку и установку.

  2. Расходы на электроэнергию

    Расходы на дополнительное топливо, необходимое, если загрязнение приводит к сжиганию дополнительного топлива в теплообменном оборудовании для преодоления эффекта загрязнения.

  3. Расходы на техническое обслуживание

    Затраты на удаление отложений нагара, затраты на химикаты или другие эксплуатационные расходы на устройства против обрастания.

  4. Затраты на производственные потери

    Плановые или незапланированные остановки завода из-за засорения в теплообменниках могут вызвать большие производственные потери.Эти потери часто считаются основными затратами на обрастание и их очень трудно оценить.

  5. Дополнительные расходы на охрану окружающей среды

    Стоимость утилизации большого количества химического вещества / добавок, используемых для уменьшения загрязнения.

В разных странах сообщается об огромных затратах на обрастание. Steinhagen et al. сообщили о затратах на загрязнение в виде ВНП для некоторых стран, представленных в таблице 1.

UK
Страна Стоимость обрастания
млн. долл. США
ВНП (1984)
млрд. долл. США
Расходы на обрастание
% от ВНП
США 3860–7000
8000–10 000
3634 0.12-0.22
0.28-0.35
Япония 3062 1225 0,25
West Germany 1533 613 0,25
700 –930 285 0,20–0,33
Австралия 260 173 0,15
Новая Зеландия 0 0 23 23 23 15
Общий промышленный мир 26,850 13,429 0,20

Таблица 1.

Сметные расходы на обрастание, понесенные в некоторых странах (оценка 1992 года) [28].

7. В настоящее время предпринимаются усилия для решения проблем осаждения и коррозии обрастания.

Было проделано много работ для уменьшения образования обрастания и контроля коррозии. В последние годы были разработаны многочисленные методы для контроля загрязнения и коррозии [29].Эти методы можно классифицировать как химические средства (ингибитор), механические средства, меняющие фазы раствора, электромагнитные поля, электростатические поля, акустические поля, ультрафиолетовое излучение, радиационная или каталитическая обработка, обработка поверхности, зеленые добавки, волокно в виде суспензии, и т. д. В прошлом, хромат был успешным химическим агентом для защиты от коррозии и контроля роста кристаллов, пока он не был запрещен. Полифосфатный ингибитор коррозии был введен для замены добавок на основе хроматов.Этот ингибитор имеет тенденцию разлагать загрязнитель в воде, содержащей высокую кальциевую жесткость. Кнудсен и соавт. исследовано загрязнение водой с высоким содержанием кальция, содержащей ингибитор фосфатной коррозии. Четыре различных сополимера были использованы для ингибирования осаждения фосфата кальция, который включает акриловую кислоту / малеиновый ангидрид (AA / MA), акриловую кислоту / гидроксипропилакрилат (AA / HPA), акриловую кислоту / сульфоновую кислоту (AA / SA) и сульфированный стирол / малеиновый ангидрид (SS / MA). Исследования проводились путем изменения pH, температуры поверхности и скорости.В сообщении о расследовании указывалось, что AA / HPA и (AA / SA) оба очень эффективны в подавлении осаждения фосфата кальция и коррозии.

С другой стороны, материал катализатора, состоящий из цинка и турмалина, был исследован для уменьшения загрязнения и коррозии. Tijing et al. сообщили, что материал катализатора потенциально уменьшает образование обрастания карбонатом кальция [30]. Teng et al. сообщили о сходном обнаружении материала катализатора при смягчении воздействия сульфата кальция [31]. Более того, Tijing et al.дальнейшее расширение исследований с использованием того же материала катализатора для уменьшения коррозии на трубопроводах из углеродистой стали [31].

В прошлом большинство используемых методов, химикаты / добавки для обрастания и смягчения коррозии, были опасны для окружающей среды. Итак, настали времена применять метод зеленых технологий и химические подходы, благоприятные для окружающей среды [9, 10, 11].

8. Смягчение загрязнения с помощью зеленой технологии (каталитическое смягчение и зеленая добавка)

Физическая очистка воды (PWT) является хорошей альтернативой для безопасного и эффективного нехимического метода смягчения загрязнения.Примеры PWT включают постоянные магниты [32], устройства с соленоидной катушкой [33], зеленую добавку [34] и каталитические материалы и сплавы [35].

Для уменьшения образования накипи на поверхностях теплообмена часто используются химические добавки, но химикаты дороги и представляют опасность для окружающей среды и здоровья. Смягчение образования накипи сульфата кальция на поверхностях теплообменника с использованием натурального волокна древесной массы было проведено Кази [36] и др. В Малайском университете. Экспериментальная работа была разработана и изготовлена ​​для изучения использования натурального древесного целлюлозного волокна в качестве средства уменьшения загрязнения, как показано в таблице 2 и на рисунке 6.

Таблица 2.

Организация экспериментов по снижению загрязнения путем добавления зеленых добавок [36, 37].

Рисунок 6.

Принципиальная схема экспериментального контура потока [37, 36].

На рис. 7 показана зависимость сопротивления обрастанию от времени для раствора сульфата кальция с различной концентрацией волокон: 0,25% (1), 0,15% (2), 0,05% (3) и 0,02% (4) в минеральном растворе. , Результаты показывают, что волокна в растворе замедляют загрязнение на нагретых поверхностях, и замедление пропорционально концентрации волокна в растворе.Индукционный период также увеличился.

Рис. 7.

Устойчивость к обрастанию как функция времени для эвкалиптового волокна в пересыщенном растворе сульфата кальция [38, 37].

9. Очистка теплообменника

Чтобы поддерживать или восстанавливать эффективность теплообменника, часто необходимо очищать теплообменники. Методы очистки можно разделить на две группы: онлайн и автономная очистка [38]. В некоторых случаях очистку можно выполнять в режиме онлайн, чтобы поддерживать приемлемую производительность без прерывания работы.В других случаях должна использоваться автономная очистка.

9.1. Оперативная очистка

Оперативная очистка обычно использует механический метод, предназначенный только для трубки, и не требует разборки. Преимуществами онлайн-очистки являются непрерывность обслуживания теплообменника с надеждой на то, что простоя по очистке не произойдет. Тем не менее, это добавляет дополнительные затраты на установку нового теплообменника или большие затраты на модернизацию, и нет никакой гарантии, что все трубы будут достаточно очищены.

  1. Циркуляция шариков из губчатой ​​резины [39]

    Способ предотвращает накопление твердых частиц, образование биопленок и образование отложений и продуктов коррозии. Это применимо только для потока через внутреннюю часть труб.

  2. Две фазы обработки сульфатом железа

    Первая фаза включает начальную укладку защитной пленки. Второй этап включает в себя поддержание пленки, которая в противном случае была бы разрушена из-за сдвиговых эффектов потока.

  3. Хлорирование, используемое для борьбы с биологическим обрастанием [40]

  4. Ингибиторы солеотложений [10, 41, 42]

  5. Магнитные устройства [10, 43, 44]

  6. Sonic technology [45]

    Высокочастотные и низкочастотные звуковые излучатели (рога) используются для устранения проблем загрязнения на теплообменниках. Использование звука гораздо менее эффективно при липких и стойких отложениях, которые обычно связаны со шлаком.

  7. Онлайн химическая очистка [46]

    Ввод химических растворов в технологические потоки для целей очистки.

  8. Применение радиации [47]

    Радиационная стерилизация микробиологической воды, использование ультрафиолетового света и гамма-лучей рассматривались в течение длительного времени.

9.2. Очистка в автономном режиме

Альтернативой онлайн-очистке является остановка работы и очистка теплообменника. Автономная очистка может быть классифицирована как автономная химическая очистка или механические средства. Способ очистки предпочтителен без необходимости демонтажа теплообменников, но обычно необходимо иметь доступ к внутренним поверхностям.Было бы разумно рассмотреть вопрос об установке «резервного» теплообменника, что обеспечит возможность очистки загрязненного теплообменника при одновременном поддержании производства.

9.2.1. Механическая очистка в автономном режиме
  1. Сверление и штанга труб [28]

    К вращающемуся валу можно применять устройства, в том числе сверла, режущие и полирующие инструменты и щетки, которые могут быть изготовлены из различных материалов, например, из стали или нейлона, латуней в зависимости от типа латуни. на материал трубы и характер месторождения.

  2. Очистка с помощью взрывчатых веществ

    Используется для контролируемых взрывов, когда энергия для удаления отложений передается ударной волной в воздухе рядом с очищаемой поверхностью или общей вибрацией труб, вызвавшей взрыв. Это относительно новая инновация, внедренная в очистку котельной. Можно начать процесс очистки, пока структура еще горячая.

  3. Термический шок [48]

    Изменения температуры, особенно быстрые, вызывают растрескивание слоя грязи с возможностью отслаивания.Эта техника похожа на паровую пропитку. Промывка водой уносит вытесненный материал и повторяется до тех пор, пока не будут получены чистые поверхности.

9.2.2. Химическая очистка в автономном режиме
  1. Ингибитор фтористоводородной, соляной, лимонной, серной кислоты или EDTA (химический чистящий агент) для очистки от оксидов железа, кальция / магния (грязь) и др. [49].

    Ингибитор фтористоводородная кислота, безусловно, является наиболее эффективным агентом, но его нельзя использовать, если отложения содержат более 1% мас. / Об. Кальция.

  2. Хлорированные или ароматические растворители с последующей промывкой подходят для тяжелых органических отложений, например, смолы и полимеров (фулант) [50].

  3. Щелочные растворы перманганата калия [51] или паро-воздушная отслаивание [52] подходят для очистки от отложений углерода (загрязняющих веществ).

10. Заключение

Загрязнение и коррозия являются основным неразрешенным кризисом в работе теплообменника. Хотя проблемы осаждения обрастаний и их влияние на экономику являются серьезной проблемой, в соответствующих органах власти по-прежнему отсутствует осведомленность.Кроме того, штрафы за коррозию многочисленны и разнообразны, и их влияние на эффективную, надежную и безопасную эксплуатацию оборудования или конструкций часто является более серьезным, чем простая потеря массы металла. Поэтому настоящий документ будет способствовать заинтересованной организации в разных странах, серьезности этой проблемы и применению возможного подхода к смягчению последствий.

Для промышленности правильный метод очистки и контроль играют важную роль в снижении производственных затрат.Стоимость производства значительно увеличивается из-за использования химикатов, работ по техническому обслуживанию и потери времени простоя и потери воды. Следовательно, соответствующие органы должны осознать важность контроля коррозии, очистки от загрязнений и обеспечить соблюдение определенного стандарта процедуры очистки в промышленности.

Благодарности

Авторы выражают благодарность за исследовательский грант с высокой отдачей UM.C / 625/1 / HIR / MOHE / ENG / 45, UMRG RP012A-13AET, Фонд исследований для аспирантов университетов (PPP) (e.грамм. PG109-2015A), Ливерпульский университет Джона Мураса в Великобритании и Малайский университет, Малайзия за поддержку в проведении этой исследовательской работы.


Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.