Коэффициент загрязнения и запас

1) При расчете величины К учитывается коэффициент загрязнения (Rf). Термин «коэффициент» употребляется в данном случае неправильно, поскольку он предполагает умножение, а здесь Rf используется в качестве слагаемого.

Смысл введения коэффициента загрязнения заключается в следующем. Загрязнение представляет собой нарастание изолирующего слоя на поверхности теплообмена. Через некоторое время, определяемое интервалом между чистками, слой достигает некоторой толщины. Зная его коэффициент теплопроводности, легко рассчитать термическое сопротивление этого слоя, что вместе со значением величины К для чистой поверхности (значение U) и даст эффективное значение К.

Рекомендованы различные методики (ARI, TEMA и т.д.) определения коэффициента загрязнения для разных жидкостей. К сожалению, вода, самая важная жидкость для инженеров-холодильщиков, чрезвычайно изменчива по своим свойствам. Они меняются в зависимости от местности, сезона и т.д.

Не только свойства воды, но и другие факторы, в основном, тип теплообменника, касательное напряжение и температура поверхности, также существенно влияют на процесс загрязнения. Кроме того, загрязнение в воде, за исключением образования известкового налета, не является процессом постоянного роста загрязняющего слоя на поверхности.

2) Другим способом является обеспечение запаса площади, что численно эквивалентно запасу по величине К. В реальном теплообменнике площадь поверхности теплопередачи на несколько процентов больше полученной в расчетах для чистой поверхности.

Основная причина введения такого запаса не в том, что ПТО будет работать в загрязненном состоянии. Необходимость в избыточной площади обусловлена не только неизбежным небольшим загрязнением из-за наличия в воде мусора, взвеси, масла или из-за износа оборудования. Она обусловлена также недостатком точных данных о физических свойствах среды и наличием определенного несоответствия расчетных и фактических условий эксплуатации. Достоинством этого способа является то, что имеется возможность сравнивать различные типы оборудования, например, «если конденсатор имеет запас площади 30%, то запас испарителя может быть нулевым.

3) Избыточная производительность. С точки зрения разработчиков, это менее удачный из-за своей двусмысленности способ выразить, в основном, ту же информацию, что и при втором способе. Неясно, как достигается избыточная производительность. Путем увеличения расходов теплоносителей? Если так, то что произойдет с Др? Соответственно возрастет или же упадет Др из-за снижения напора насоса? Или необходимо изменить температурный режим? Это может привести к выравниванию температур теплоносителей (рис. 17), в этом случае потребуется бесконечно большой теплообменник.

Без точного определения условий, для которых должна рассчитываться избыточная производительность, такой способ предотвращения проявления загрязненности является неприемлемым. Можно ли сопоставить между собой методы 1) и 2)? Пусть коэффициент загрязнения равен 0,0001 м2*°С / Вт, а значение К равно 5000 Вт/(м2*°С) в одном случае и 1000 Вт/(м2*°С) — в другом. Это типичные значения для ПТО и кожухотрубных теплообменников (КТТО), где в качестве теплоносителей применяется вода. В первом случае суммарный коэффициент теплопередачи будет равен:

Кэфф = 1/(0,0001 + 1/5000) = 3333 — 50% запас, а во втором:
Кэфф = 1/(0,0001 + 1/1000) = 909 — 10% запас.

Вывод. Чем выше значение К, тем больше оказывается запас при заданном значении Rf. Проблема заключается в том, что опубликованные значения величины Rf почти всегда относятся к КТТО. Если эти значения использовать в расчетах для ПТО, у которых К, обычно, гораздо выше, то запас становится большим, в ряде случаев — чрезвычайно большим. Необходимо учесть несколько моментов:

а) Проблемы управления. Теплообменник не управляется по запасу площади. В нем устанавливаются такие температуры, при которых запас (и коэффициент загрязнения) становятся равными нулю. Поэтому, если для расчета ПТО применять значения Rf, относящиеся к КТТО, то полученные большие запасы площади могут привести к замерзанию или перегреву жидкости из-за дросселирования потока для снижения СРТ. Кроме того, работа ПТО может быть неустойчивой.

б) Уменьшение касательного напряжения. Одним из способов увеличения запаса площади в ПТО является установка дополнительных пластин. При этом очень быстро уменьшается падение давления, а, значит, и касательное напряжение. Результат может оказаться противоположным требуемому, поскольку загрязнение увеличится.

в) Последовательно соединенные пластины. Если к первому ПТО последовательно присоединить второй, то перепад давлений Dр удвоится. Для сохранения прежнего значения Dр добавим пластины в оба ПТО. В результате запас по площади станет, скорее всего, значительно больше, чем требуется. В то же время касательное напряжение уменьшится. Получим эффект, который является комбинацией случаев а) и б).

г) Перепад температур. Предположим, что теплообменники ПТО рассчитаны на режимы, приведенные ниже. В обоих случаях запас равен нулю.

42 — 37°С 49 — 44°С
40 — 35°С 25 — 20°С
СРТ = 2 К СРТ = 24 К

Пусть из-за загрязнения номинальное значение К уменьшилось на 20%. Насколько должна измениться температура охлаждаемой воды для сохранения номинального уровня теплопередачи? Если коэффициент К уменьшился на 20%, то СРТ должна возрасти на 1/0,8 — 25%. Новые значения температур будут следующими:

42,5 — 37,5 55 — 50 
40 — 35 25 — 20 
СРТ = 2,5 К СРТ = 30 К

Возрастание температуры на 0,5 К может оказаться допустимым, но на 6 К, конечно же, нет.

Вывод. Важно учитывать влияние запаса площади на температурный режим.

д) Тип установки. Если установка кондиционирования воздуха не сможет поддерживать расчетную температуру воздуха при необычно высокой тепловой нагрузке, это приведет к некоторому дискомфорту. Если же подобное произойдет в больнице или на фармакологическом заводе, результат может быть катастрофическим. Очевидно, конфигурации таких установок, включая запасы по тепловой мощности для ПТО, должны быть разными.

е) Чистка должна проводиться перед началом самого теплого периода года. Тогда ПТО смогут работать в самых тяжелых условиях с высоким значением коэффициента К.

ж) Тип установки. Например, для офиса, который закрыт в нерабочее время, запас по тепловой мощности может быть меньше, чем для непрерывно работающей установки в больнице.

Вывод. Не следует применять ПТО с избыточными размерами. В зависимости от типа нагрузки и других условий запас должен быть 0 — 15%, в редких случаях допускается 15 — 25%.