CC BY
8
Энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение
УДК 536.242; 536.252 doi: 10.18698/0536-1044-2022-7-42-48
Разработка методики расчета теплоотдачи при осадкообразовании
К.В. Алтунин
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИ
Development of the Techniques for Calculating Heat Transfer during Sedimentation
K.V. Altunin
Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev - KAI
Рассмотрена проблема снижения теплоотдачи вследствие появления осадков на стенках теплообменного оборудования. Предложен новый критерий подобия осадкообразования, учитывающий его тепловую и электрическую природу. Приведена методика проведения экспериментов с раствором и осадком. Получено новое критериальное уравнение для условий естественной конвекции соляного раствора с учетом солевого осадка на поверхности теплообмена. Разработана методика расчета теплоотдачи при образовании отложений на основе нового критерия подобия осадкообразования.
Ключевые слова: критерий подобия, осадкообразование, методика расчета теплоотдачи, солевой осадок
The article considers the problem of reducing heat transfer due to the sediment appearance on the walls of heat exchange equipment. A new sedimentation similarity criterion is proposed, taking into account its thermal and electrical nature. A technique for performing experiments with a solution and sediment is given. A new criterion equation was obtained for the conditions of natural convection of a salt solution, taking into account the salt sediment on the heat exchange surface. A technique has been developed for calculating heat transfer during the sediment formation based on a new sedimentation similarity criterion.
Keywords: sedimentation similarity criterion, heat transfer calculating technique, salt sediment
Известно, что осадки, образующиеся на стенках теплообменного оборудования и топлив-но-подающих каналов, могут ухудшать теплообмен и создавать дополнительное термосопротивление.
Процесс осадкообразования в жидких углеводородных горючих и охладителях оказывает негативное влияние на работу тепловых двига-
телей и энергоустановок наземного, аэрокосмического и космического базирования. На борьбу с образованием углеродосодержащих отложений в промышленности США ежегодно выделяется около 10 млрд долл. Только для обычного нефтеперерабатывающего завода ежегодные затраты составляют до 10 млн долл. США [1].
Аналогичные проблемы наблюдаются в теплоэнергетике, ракетостроении и авиации [2]. Так, из 210 летных происшествий в военно-воздушных силах США в течение одного года около 30 % связаны с неполадками двигателей из-за ненадежной работы топливно-регули-рующей аппаратуры [3].
В жидких углеводородных средах образование углеродосодержащих осадков начинается, как правило, при температуре 373 К. Такие отложения могут привести к закоксовыванию топливно-подающих каналов, топливных фильтров, форсунок, нерасчетному струйному распылу, коррозии деталей топливно-охлаж-дающей аппаратуры и даже к выходу из строя всего реактивного двигателя [4-9].
Следует отметить, что при росте температуры жидкие углеводородные теплоносители (керосины, масла) теряют диэлектрические свойства, в них могут образовываться диполи, активно участвующие в осадкообразовании на металлических поверхностях.
Аналогичный процесс происходит с осадками при использовании воды (например, образование накипи). Выпадающий на горячей поверхности карбонат кальция образуется в форме кальцита (одной из полиморфных модификаций карбоната кальция). Вследствие того, что теплопроводность накипи намного ниже, чем у металла, время на нагрев воды значительно увеличивается, а нагревательные элементы начинают работать в условиях перегрева.
Все это приводит к ускоренному износу оборудования и значительным потерям энергии, которые, как правило, составляют 3...8 % на каждый миллиметр накипи [10]. Потери энергии зависят от свойств накипи — минерального состава, пористости и адгезии к поверхности.
По принципу действия методы противона-кипных мероприятий можно подразделить на три группы: химические, физические и механические [11]. Накипь — это твердые отложения, образующиеся на внутренних стенках труб паровых котлов, водяных экономайзеров, пароперегревателей, испарителей и элементов тепловых сетей. Образование осадка в виде накипи происходит при наличии высокой концентрации солей.
По мере нарастания слоя накипи изменяются все параметры работы системы: ее эффективность падает, а расходы на топливо растут. Накипь создает большое термическое сопро-
тивление тепловому потоку, что ведет к снижению температуры теплоносителя и теплопроводности отопительных приборов.
Также уменьшаются теплоотдача и пропускная способность элементов системы отопления, т. е. расход падает, а значит, скорость движения воды в системе отопления и режим ее течения в приборе изменяются. Таким образом, все перечисленные параметры влияют на коэффициент теплопередачи приборов [12, 13].
При скорости роста отложений из воды природного качества с 0,5 до 3,0 мм/год образование отложений на теплообменных поверхностях конденсаторов турбин приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (КПД), вследствие чего в энергетике США имеет место недовыработка электроэнергии на сумму 1,36 млрд долл. в год.
Экономический расчет по России в тарифах начала XXI века показывает, что при средней скорости роста отложений 0,6 мм/год энергоблок электрической мощностью 1000 МВт теряет до 4 % КПД за год, что приводит к потерям в виде недовыработанной электроэнергии на сумму 175 млн руб. или 175 руб. на 1 кВт установленной мощности. В целом же по энергетике РФ потери составляют около 30 млрд руб. в год [14].
Таким образом, образование осадков в топливном и теплообменном оборудовании является глобальной проблемой, которую необходимо решать.
Цель статьи — разработка методики расчета теплоотдачи при образовании отложений на металлических стенках на основе нового критерия подобия осадкообразования.
Экспериментальные исследования влияния солевых осадков на теплоотдачу. Проведены эксперименты с соляными растворами при нормальном атмосферном давлении и естественной конвекции в металлических емкостях диаметром 0,105 и 0,160 м. Осадком на тепло-обменной поверхности являлась густая масса, состоящая из соли ЫаС1 и воды.
При экспериментальных исследованиях использованы три термометра:
• цифровой Ма81ееЬ серии MS56500 с хро-мель-алюмелевой термопарой типа К, обеспечивающий точность измерений 1 °С в диапазоне 0.500 °С (рис. 1, а);
• электронный ИехаП с точностью измерений 2 °С в диапазоне -50.120 °С (рис. 1, б);
а
в
Рис. 1. Внешний вид основного оборудования,
использованного в экспериментальных исследованиях при естественной конвекции
соляных растворов: а — цифровой термометр Mastech серии MS56500; б — электронный термометр Rexant; в — универсальный жидкостный термометр Rexant 70-0612
• универсальный жидкостный Rexant 70-0612 с точностью измерений 2 °С в интервале 0...100 °С (рис. 1, в).
Экспериментальные исследования заключались в следующем. В металлическую емкость заливали пресную воду массой 300.400 г и добавляли 150.200 г пищевой соли NaCl марки «Экстра». Известно, что при температуре 290 К максимальная растворимость соли NaCl в пресной воде составляет 35,9 г, причем с ростом температуры раствора этот параметр увеличивается незначительно [15]. В связи с этим не-растворенная соль образовывала густой нерастворимый осадок с пористостью П = 0,3 на дне емкости. При разных опытах солевые осадки размещали на различной площади. Измеряли начальную температуру раствора и температуру внешней среды. Раствор нагревали на газовой плите с помощью конфорки.
Датчик измерения температуры электронного термометра Rexant устанавливали на поверхности осадка, термопару цифрового термометра Mastech — непосредственно на металлической стенке дна емкости. Температуру соляного раствора измеряли жидкостным термометром. Опыты проводили при естественной конвекции, т. е. до начала кипения. Все данные записывали в рабочую тетрадь.
Экспериментальные зависимости плотности теплового потока q от разности температур At = = tw - tf (tw и tf — температуры металлической стенки и жидкой среды, °С) при естественной
Рис. 2. Экспериментальные зависимости плотности теплового потока q от разности температур при естественной конвекции 25%-ного раствора №С1 без солевого осадка ( ) и 36%-ного раствора №С1 с солевым осадком ( )
конвекции 25%-ного раствора №01 без солевого осадка и 36%-ного раствора №01 с солевым осадком показаны на рис. 2. Использована емкость из нержавеющей стали, покрытая слоем эмали с двух сторон.
Критерий подобия осадкообразования. На
основе метода анализа размерностей получен критерий подобия осадкообразования [16]
Os = ■
Рос 12
T F X
w ос ос
(1)
где рос — удельное электросопротивление слоя осадка, Ом-м; I — сила электрического тока, А; Т„ — температура стенки, К; Лос — коэффициент теплопроводности слоя осадка, Вт/(м-К); Рос — площадь детали (пластины, трубки), покрытая слоем осадка, м2.
При контакте жидкого углеводородного горючего или охладителя с металлическими стенками могут появиться токи (например, ток с фильтра при прокачке топлива) [17]. Выдвинута гипотеза о существовании микротоков в жидких средах около металлических поверхностей и их участии в осадкообразовании.
Значения удельного электросопротивления и коэффициента теплопроводности слоя осадка должны быть рассчитаны с учетом пористости осадка:
Лос = ПЛу +(1 - П )Х5;
Рос = Пру +(1 - П ), где Х у — коэффициент теплопроводности теплоносителя при средней температуре, Вт/(м-К); Л 5 — коэффициент теплопроводности сухого твердого осадка, Вт/(м-К), р у — удельное электрическое сопротивление теплоносителя при
средней температуре, Ом-м; р5 — удельное электрическое сопротивление сухого твердого осадка, Ом-м.
Обобщение экспериментальных результатов.
Путем экспериментов получена формула с учетом слоя солевых отложений на поверхности теплообмена в растворе с максимальным содержанием соли ЫаС1
Ыи = Ш-°,°8Ка°,2605 -°,4, (2)
где Ыи — критерий Нуссельта; к — эмпирический коэффициент, зависящий от пористости отложений П (см. таблицу); Иа — критерий Рэлея, Иа = 19,10 106.18,71 109; О5 = = (2,8...4,93)-10-11 при пористости осадка П = = 0,30.
Площадь детали, покрытая слоем осадка Рос = (0,3.0,8)^, где Р — общая площадь поверхности теплообмена. Гидравлический диаметр йг = 0,105.0,160 м. Сила электрического тока I выбрана равной 0,1 мкА и являлась постоянной величиной.
Точность расчетов по выражению (2) составила ±(4.20) %.
На рис. 3 показана взаимосвязь критериев подобия осадкообразования 05, Нуссельта Ыи и Рэлея Иа, полученная путем расчета при естественной конвекции 36%-ного соляного раствора, средней температуре ^ = (^ + tsur + 1})/3 ^т — температура на поверхности слоя солевого осадка, °С) и различных значениях пористости П солевого осадка.
По формуле (2) проведен расчет критерия Нуссельта Ыи при естественной конвекции 36%-ного соляного раствора с учетом и без учета температуры на поверхности солевого осад-
Значения коэффициента к при различных значениях пористости П солевых отложений
^Оу -10,5 -10,4 -10,3
-10,2
П k ■ 105 П k ■ 105
0,01 2,97 0,10 3,39
0,02 3,12 0,20 3,38
0,03 3,21 0,30 3,26
0,04 3,26 0,40 3,10
0,05 3,30 0,50 2,90
0,06 3,33 0,60 2,66
0,07 3,36 0,70 2,37
0,08 3,37 0,80 2,02
0,09 2,10 0,90 1,53
1ё№д/Ка0'26
Рис. 3. Взаимосвязь критериев подобия осадкообразования 05, Нуссельта Ыи и Рэлея К.а,
полученная путем расчета при естественной конвекции 36%-ного соляного раствора, средней температуре tm и различных значениях пористости солевого осадка: Л — П = 0,01; ■ — П = 0,10; • — П = 0,30
= а, Вт/(м'
Рис. 4. Зависимости коэффициента теплоотдачи а от разности температур Дt при естественной
конвекции 36%-ного соляного раствора: О и О — результаты расчета с учетом и без учета температуры на поверхности солевого осадка; О — данные эксперимента
ка. Коэффициент теплоотдачи а (рис. 4) опре делен с помощью известного выражения
Ыи X у
а = -
Ьг
(3)
где Ьг — определяющий размер (ширина пластинки, гидравлический диаметр канала и т. д.), м.
Как видно из рис. 4, формулу (2) можно использовать, даже если неизвестна температура на поверхности осадка, т. е. для расчета критерия Нуссельта и коэффициента теплоотдачи достаточно знать только температуру металлической стенки (не покрытой осадками) и жидкой среды.
Таким образом, методика расчета теплоотдачи при осадкообразовании включает в себя следующие этапы:
• выбор теплоносителя, создание таблиц его теплофизических свойств и свойств возможного осадка исходя из его состава;
• построение на основе зафиксированных температур таблиц для вычисления критериев подобия (например, критериев Грасгофа Gr, Прандтля Рг, Нуссельта Ыи, Рэлея Иа при естественной конвекции и критерия Рейнольдса Ие при вынужденной конвекции);
• определение по формуле (1) числа осадкообразования на основе удельного электросопротивления осадка, коэффициента теплопроводности слоя осадка в зависимости от средней температуры при известной площади поверхности, покрытой слоем осадка и заданной (или рассчитанной) силе электрического тока;
• выбор подходящего критериального уравнения, например, (2) для расчета числа Ыи;
• определение коэффициента теплоотдачи а на основе формулы (3).
Выводы
1. Выполнен анализ информационных источников по теме исследования, в результате которого установлено, что на стенках топлив-
Литература
но-подающих каналов тепловых двигателей и теплообменного оборудования могут появляться осадки разной природы. Состав осадков может быть разным, но их влияние на теплоотдачу одинаковое. Осадкообразование в большинстве случаев ухудшает теплообмен, снижая коэффициент теплоотдачи к теплоносителю.
2. Получен универсальный безразмерный критерий подобия осадкообразования, зависящий от тепловой и электрической природы этого явления.
3. Предложена методика проведения экспериментов с раствором и солевыми отложениями.
4. Выведено новое критериальное уравнение, позволяющее найти число Нуссельта в условиях образования солевых осадков при естественной конвекции.
5. Разработана методика расчета теплоотдачи при образовании отложений на металлических стенках на основе нового критерия подобия осадкообразования.
[1] Van Nostrand W.Z., Leach S.H., Haluske J. Economic penalties associated with the fouling of
refinery heat transfer equipment. In: Fouling of heat transfer equipment. Hemisphere, 1981, pp. 619-643.
[2] Алтунин В.А., Алтунин К.В., Дресвянников Ф.Н. и др. Проблемы внутрикамерных теп-
ловых процессов в авиационных, аэрокосмических и космических энергоустановках многоразового использования. Сб. тез. докл. Межд. науч. сем. Проблемы моделирования и динамики сложных междисциплинарных систем. Казань, Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010. 12 с.
[3] Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и
охладителям в энергетических установках многоразового использования. Казань, Изд-во КГТУ им. В.И. Ульянова-Ленина, 2005. 272 с.
[4] Алтунин К.В., Гортышов Ю.Ф., Галимов Ф.М. и др. Проблемы осадкообразования в
энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях. Энергетика Татарстана, 2010, № 2, с. 10-17.
[5] Алтунин К.В. Функционально-стоимостной анализ горелочных устройств и форсунок.
Казань, Изд-во КНИТУ-КАИ, 2020. 156 с.
[6] Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М. и др. Коксоотложения в авиационных и ра-
кетных двигателях. Казань, Абак, 1999. 284 с.
[7] Чертков Я.Б. Современные и перспективные углеводородные реактивные и дизельные
топлива. Москва, Химия, 1968. 356 с.
[8] Алтунин К.В. Форсунка. Патент РФ 2388966. Заявл. 02.12.2008, опубл. 10.05.2010.
[9] Алтунин К.В. Форсунка. Патент РФ 2447362. Заявл. 26.07.2010, опубл. 10.04.2012.
[10] Мельников М.В., Корепанов М.А., Калинин А.С. Электромагнитная обработка воды для защиты от накипи. Химическая физика и мезоскопия, 2017, т. 19, № 3, с. 389-395.
[11] Минко В. А., Феоктистов А.Ю., Гунько И.В. и др. Методы проведения и эффективность мероприятий по борьбе с накипеобразованием в системах теплопотребления. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015, № 2, с. 16-19.
[12] Колца Л.Н., Елистратова Ю.В., Семиненко А.С. Влияние отложений солей жесткости на теплоотдачу отопительных приборов. Современные наукоемкие технологии, 2014, № 7, с. 58-59.
[13] Галковский В.А., Чупова М.В. Анализ снижения коэффициента теплопередачи тепло-обменных аппаратов вследствие загрязнения поверхности. Науковедение, 2017, т. 9, № 2. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/41TVN217.pdf
[14] Бубликов И.А. Научные принципы диагностирования и разработка методов снижения интенсивности образования отложений в теплообменном оборудовании тепловых и атомных электростанций. Автореф. канд. ... техн. наук. Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ), 2004. 36 с.
[15] Cengel Y.A. Heat transfer. McGraw-Hill, 2003. 932 p.
[16] Алтунин К.В. Разработка новых критериев подобия теплообмена. Инновационные научные исследования, 2022, № 5-2(19), с. 27-34.
[17] Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. Москва, Химия, 1985. 240 с.
References
[1] Van Nostrand W.Z., Leach S.H., Haluske J. Economic penalties associated with the fouling of
refinery heat transfer equipment. In: Fouling of heat transfer equipment. Hemisphere, 1981, pp. 619-643.
[2] Altunin V.A., Altunin K.V., Dresvyannikov F.N. et al. [Problems of intrachamber thermal
processes in aviation, aerospace and space reusable power plants]. Sb. tez. dokl. Mezhd. nauch. sem. Problemy modelirovaniya i dinamiki slozhnykh mezhdistsiplinarnykh system [Proc. Int. Sci. Tech. Sem. Problems of Modelling and Dynamics of Complex Interdisciplinary Systems]. Kazan', Izd-vo KGTU im. A.N. Tupoleva, 2010. 12 p. (In Russ.).
[3] Altunin V.A. Issledovanie osobennostey teplootdachi k uglevodorodnym goryuchim i
okhladitelyam v energeticheskikh ustanovkakh mnogorazovogo ispol'zovaniya [Study on special aspects of heat transfer to hydrocarbon fuels and coolers in power plants]. Kazan', Izd-vo KGTU im. V.I. Ul'yanova-Lenina Publ., 2005. 272 p. (In Russ.).
[4] Altunin K.V., Gortyshov Yu.F., Galimov F.M. et al. A problem of sediment formation in
power units on liquid hydrocarbonic combustible and coolers. Energetika Tatarstana, 2010, no. 2, pp. 10-17. (In Russ.).
[5] Altunin K.V. Funktsional'no-stoimostnoy analizgorelochnykh ustroystv i forsunok [functional
and cost analysis of burner devices and nossles]. Kazan', Izd-vo KNITU-KAI Publ., 2020. 156 p. (In Russ.).
[6] Yanovskiy L.S., Ivanov V.F., Galimov F.M. et al. Koksootlozheniya v aviatsionnykh i
raketnykh dvigatelyakh [Carbon deposits in aviation and rocket engines]. Kazan', Abak Publ., 1999. 284 p. (In Russ.).
[7] Chertkov Ya.B. Sovremennye i perspektivnye uglevodorodnye reaktivnye i dizel'nye topliva
[Modern and prospective hydrocarbon jet and diesel fuels]. Moscow, Khimiya Publ., 1968. 356 p. (In Russ.).
[8] Altunin K.V. Forsunka [Nozzle]. Patent RF 2388966. Appl. 02.12.2008, publ. 10.05.2010.
(In Russ.).
[9] Altunin K.V. Forsunka [Injector]. Patent RF 2447362. Appl. 26.07.2010, publ. 10.04.2012.
(In Russ.).
[10] Mel'nikov M.V., Korepanov M.A., Kalinin A.S. Electromagnetic water treatment for the limescale protection. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2017, vol. 19, no. 3, pp. 389-395. (In Russ.).
[11] Minko V.A., Feoktistov A.Yu., Gun'ko I.V. et al. Classification and effectiveness of methods of control of scale formation in heating systems. Vestnik BGTU im. V.G. Shukhova [Bulletin of BSTU Named After V.G. Shukhov], 2015, no. 2, pp. 16-19. (In Russ.).
[12] Koltsa L.N., Elistratova Yu.V., Seminenko A.S. Vliyanie otlozheniy soley zhestkosti na tep-lootdachu otopitel'nykh priborov. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern High Technologies], 2014, no. 7, pp. 58-59. (In Russ.).
[13] Galkovskiy V.A., Chupova M.V. Analysis of the reduction in the heat transfer coefficient of heat exchangers due to surface contamination. Naukovedenie, 2017, vol. 9, no. 2. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/41TVN217.pdf (in Russ.).
[14] Bublikov I.A. Nauchnye printsipy diagnostirovaniya i razrabotka metodov snizheniya inten-sivnosti obrazovaniya otlozheniy v teploobmennom oborudovanii teplovykh i atomnykh el-ektrostantsiy. Avtoref. kand. tekh. nauk [scientific principles of diagnostics and development of methods for lowering intensity of limescale formation in heat transfer equipment in thermal and nuclear station. Kand. tech. sci. diss.]. Novocherkassk, YuRGPU (NPI) Publ., 2004. 36 p. (In Russ.).
[15] Cengel Y.A. Heat transfer. McGraw-Hill, 2003. 932 p.
[16] Altunin K.V. Development of new heat transfer similarity numbers. Innovative scientific investigations, 2022. № 5-2(19), pp. 27-34.
[17] Dubovkin N.F., Malanicheva V.G., Massur Yu.P. et al. Fiziko-khimicheskie i eksplu-atatsionnye svoystva reaktivnykh topliv [Physical chemical and exploitation properties of jet fuels]. Moscow, Khimiya Publ., 1985. 240 p. (In Russ.).
Информация об авторе
АЛТУНИН Константин Витальевич — кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и энергетическое машиностроение». Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИ (420011, Казань, Российская Федерация, ул. К. Маркса, д. 10, e-mail: altkonst881@yandex.ru).
Статья поступила в редакцию 13.05.2022 Information about the author
ALTUNIN Konstantin Vitalyevich — Candidate of Science (Eng.), Associate Professor, Department of Heat and Power Engineering. Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev — KAI (420011, Kazan, Russian Federation, K. Marx St., Bldg. 10, e-mail: altkonst881@yandex.ru).
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана предлагает читателям учебное пособие
«Элементы квантовой механики»
Авторы: Д.К. Веретимус, Н.К. Веретимус
Предназначено для самостоятельного изучения студентами специ-алитета пятого модуля дисциплины «Физика». Рассмотрены квантовые свойства излучения и волновые свойства микрочастиц. С помощью уравнения Шредингера решены стационарные задачи квантовой механики. Приведены ядерная модель атома Резерфорда, постулаты Бора.
В конце каждого раздела даны решения тематических задач и задания для самоконтроля.
Для студентов специалитета, изучающих дисциплину «Физика».
По вопросам приобретения обращайтесь:
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, к. 1. Тел.: +7 499 263-60-45, факс: +7 499 261-45-97; press@baumanpress.ru; https://bmstu.press
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Алтунин К.В. Разработка методики расчета теплоотдачи при осадкообразовании. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 7, с. 42-48, doi: 10.18698/0536-1044-2022-7-42-48
Please cite this article in English as: Altunin K.V. Development of the Techniques for Calculating Heat Transfer during Sedimentation. BMSTU Journal of Mechanical Engineering, 2022, no. 7, pp. 42-48, doi: 10.18698/0536-1044-2022-7-42-48
