Развитие и модернизация энергетики на основе применения гомологов парафина в целях защиты металла от коррозии и накипеобразования при эксплуатации теплоэнергетического оборудования

Концепция развития и модернизации энергетики на основе применения гомологов парафина в целях защиты металла от коррозии и накипеобразования при эксплуатации теплоэнергетического оборудования.

 Предупреждение коррозионно-накипных процессов происходящих при эксплуатации теплоэнергетического оборудования является основным условием его надежной и экономичной работы.

Использование свойств гомологов парафина в качестве комбинированного средства защиты  металла от коррозионно-накипных процессов,  позволяет не только отказаться  от применения предварительной обработки воды. Но и открывает возможность модернизации, как  существующего теплоэнергетического оборудования, за счет применения новых технологических решений при разработке теплообменных устройств различного назначения с целью интенсификации теплообмена. 

Применяемые в настоящее время  средства и   методы обработки  воды в теплоэнергетике не позволяют в полной мере исключить самопроизвольные поверхностные явления, возникающие при контакте воды и металла, и  способствующие возникновению  коррозионно-накипных процессов. Несмотря, на несхожесть конечных проявлений, происходящих при этих взаимодействиях, сущность этих явлений  одинакова и в общем случае объясняется стремлением вещества к возврату в стабильное термодинамическое состояние, связанное с уменьшением его поверхностной энергии. Имея совокупный характер, эти процессы являются следствием тепловых, гидродинамических, химических и электрохимических процессов.

 В результате происходит изменение теплопередающих и структурно-механических свойств металла, проявляющихся в образовании первичных и вторичных отложений и различных видах  коррозионного разрушения. Это приводит не только к снижению экономичности работы оборудования, но и к его аварийным повреждениям.

 Низкая эффективность и ограниченность в применении используемых в настоящее время методов и средств  по предотвращению коррозионно-накипных процессов обусловлена технологическими, медико-биологическими, экологическими, а также и экономическими факторами:

  • рабочими условиями: температурой, давлением, изменением агрегатного состояния примесей, величиной теплового потока.
  • многообразием форм примесей воды по степени дисперсности и химическому составу.
  • совокупностью влияния физико-химических механизмов на процессы коррозии и накипе – и шламообразования.
  • возникновением вторичных взаимодействий.
  • свойствами воды как вещества.
  • свойствами конструкционных материалов при термических знакопеременных нагрузках.
  • влиянием гидродинамического воздействия.
  • токсичностью химических реагентов и воздействием на окружающую среду.
  • стоимостью и доступностью реагентов.
  • капитальными и эксплутационными затратами связанными с  использованием методов и средств, а также  утилизацией отходов.

Сравнение стоимости применяемых реагентов для защиты металла в теплоэнергетике в рублях за 1кг:

Helamin BRW – 150H                                                               900

Hidro X                                                                                      270

Аква – нтф – Zn                                                                         87

Аква – одэф – Zn                                                                       82

Парафин П – 2                                                                        47 – 65

Реагент для водогрейных котлов и тепловых сетей            40 – 50

         Технология  основана на использовании свойств гомологов парафина в качестве комбинированного антикоррозионного и антинакипного средства и  предназначена  для предотвращения поверхностных явлений – коррозии и накипеобразования, самопроизвольно возникающих при контакте металла оборудования с рабочей средой при эксплуатации теплотехнического оборудования котельных,  ТЭС, АЭС, тепловых сетей и систем отопления закрытого типа.

         К этому виду оборудования относятся паровые и водогрейные котлы, пароводяные и  водо-водяные подогреватели, паровые турбины, конденсаторы турбин, экономайзеры котлов, паропроводы, конденсатопроводы, арматура, трубопроводы  тепловых сетей, трубопроводы систем отопления и отопительные приборы.

 Теоретические предпосылки применения технологии  основываются:

  •  на  принципах физикохимии дисперсных систем и поверхностных явлений (коллоидной химии);
  • на общности закономерностей  кинетики и термодинамики самопроизвольных поверхностных явлений;
  • на свойствах гомологов парафина,  проявляющихся при изменении их агрегатного состояния под действием температуры рабочей среды.

Использование технологии не имеет ограничений связанных с видом металла оборудования, химическим составом примесей рабочей среды и ее агрегатным состоянием.

Использование реагента на основе гомологов парафина технологии позволяет исключить  предварительную обработку воды, в частности ее умягчение и деаэрацию, что в значительной степени упрощает технологическую схему энергообъектов. Это дает возможность уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат, за счет отказа от приобретения и монтажа оборудования водоподготовительных установок. Снижения эксплуатационных  расходов, связанных с применением регенерационных реагентов, а также воды на собственные нужды водоподготовительной установки, которые доходят до 25%  ее производительности.

Кроме того, предотвратить сброс загрязненных стоков от водоподготовительных установок, в состав которых входят кроме солей, содержащихся в исходной воде, продукты регенерации катионита, а также избыток регенерационных реагентов.

Свойства гомологов парафина.

Парафины нормального строения (предельные углеводороды, алканы) с общей формулой CnH2n+2 составляют гомологический ряд родственных соединений, с однотипной  структурой, имеют одинаковый качественный состав и схожесть химических свойств. Изменение физических констант парафинов, а именно температур плавления, кипения, разложения, молекулярной массы, плотности,  при увеличении или уменьшении числа атомов в молекуле, не оказывает  воздействия на изменение их химических свойств. Свойства  парафинов  характеризуются отсутствием:

  • химического сродства к воде;
  • растворимости в воде и водяном паре;
  • летучести;
  • реакционной способности;
  • низкими значениями:
  • поверхностной энергии;
  • вязкости;
  • гидрофобностью по отношению к воде;
  • высокой смачивающей способностью поверхностей  любых твердых тел.
  • термохимической устойчивостью;
  • высокими диэлектрическими показателями;

Свойства реагента позволяют  при минимальных затратах осуществлять его вывод из продувочной воды паровых котлов в виде твердых нерастворимых отходов, с возможностью повторного использования после  применения  методов физической очистки, что предотвращает загрязнение окружающей среды.

 Механизм действия

В рабочей среде, под действием внешних условий,  (высокая температура, давление, интенсивное перемешивание и т.п.), реагент, переходя в жидкофазное состояние способен диспергироваться до размеров коллоидных частиц (не более100 нм) и приобретает физические свойства присущие  жидким телам.  В результате чего, рабочая среда, в виду незначительной объемной концентрации реагента (0,1 — 0,5%) преобразуется в свободнодисперсную систему, состоящую из двух не смешивающихся фаз, которая классифицируется как «разбавленная эмульсия». Системы такого типа обладают большой поверхностной активностью и высокой устойчивостью, без применения эмульгаторов, что способствует  равномерному распределению реагента в рабочей среде, увеличивая скорость и вероятность контакта частиц реагента с поверхностями твердых тел.  Взаимодействие реагента с твердыми телами носит физический характер.

 Самоорганизующийся слой на поверхностях твердых тел создается в результате физической  адсорбции реагента, из-за значительной разности в значениях поверхностной энергии реагента, рабочей среды, металла, накипных образований и шламовых частиц. Кроме того, использование реагента позволяет, переориентировать процесс накипеобразования на стадии возникновения шламовых частиц в результате их кристаллизации из насыщенного солей раствора рабочей среды,  что приводит к образованию неспекающегося мелкодисперсного шлама.

     Свойства самоорганизующегося поверхностного слоя.

 Структура  и свойства  слоя  обусловлены физико-химическими свойствами  парафинов и особенностями их молекулярного и надмолекулярного строения в жидком состоянии. Вследствие чего, поверхности твердых тел, характеризующиеся электрохимической неоднородностью поверхности, а, следовательно, и неоднородностью электрохимических потенциалов приобретают новые качественные свойства, которые характерны свойствам парафинов. Эти свойства  проявляются в эквипотенциальности, высокой диэлектрической способности, и гидрофобности  слоя, что исключает контактные взаимовоздействия рабочей среды с металлом,  предотвращая тем самым поверхностные явления в  независимости от химического состава примесей и природы их происхождения.

Эквипотенциальность  – характеризует энергетическую равномерность поверхности, что препятствует объединению частиц реагента в агрегаты, вторичному накипе — и шламообразования и увеличению толщины слоя реагента  на поверхностях.

Диэлектрическая способность – предотвращение электрохимических и электрокинетических явлений. Значение удельного электрического сопротивления (Ом·см) для парафинов составляет 1015-1018,  для сравнения у фарфора – 1014-1015.

Гидрофобность  — предотвращение смачиваемости рабочей средой   поверхностей твердых тел. Краевой угол смачивания парафинов водой составляет 106°. По гидрофобным свойствам парафин стоит на втором месте после фторопласта, краевой угол смачивания которого равен 108°.

Толщина  слоя реагента  на поверхностях твердых тел, в том числе и теплопередающих поверхностей котла не превышает 4 – 5 нанометров, не сказываясь на теплопроводности металла. Расход реагента в среднем составляет 1 куб. см на 600 кв. метров поверхности. Реагент не оказывает химического воздействия на поверхность металла, рабочую среду и не образует новых химических соединений, в независимости от вида металла.

 Жидкофазное агрегатное состояние слоя исключает его разрушение под действием знакопеременных нагрузок при термической деформации металла оборудования и эрозию от механического воздействия со стороны рабочей среды при ее  движении.

  Очистка  внутренних поверхностей.

Постоянное  применение реагента способствует очистке металла внутренних поверхностей оборудования (паровых и водогрейных котлов, трубопроводов, отопительных приборов и пр.) от ранее образовавшихся отложений, в независимости от их вида, химического состава и месторасположения. Это позволяет отказаться от методов механической и химической очистки.

 Разрушение отложений связано с вытеснением воды, как с поверхности твердых тел, так и из пор и трещин, имеющих место при образовании отложений. Это явление объясняется величиной работы физической адсорбции реагента, которая является функцией поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, а также низким значением вязкости парафина в расплавленном состоянии, что  обусловлено его молекулярным  строением и геометрией молекулы.  В результате, вода, входящая в состав  отложений, вытесняется реагентом, что приводит к  механическому разрушению отложений.

 Консервация оборудования.

Использование гомологов парафина дает возможность консервации металла оборудования без дополнительных устройств, реагентов и затрат.   Изменение агрегатного состояния при снижении температуры рабочей среды ниже температуры плавления реагента, т.е. переход из расплавленного в твердое состояние, позволяет произвести консервацию внутренних поверхностей оборудования практически на любой срок, со сливом или без слива рабочей среды. При этом отсутствует явление «застывания» с образованием пробок. Расконсервация  оборудования и ввод в работу  не требует каких-либо мер и происходит за счет повышения температуры рабочей среды при пуске оборудования в работу.

 Медико-биологические свойства и экологические аспекты.   

Парафин, как смесь высокомолекулярных алканов нормального строения,  наряду с восками, стеринами и смоляными кислотами, представляет собой микрокомпоненты живого вещества. Являясь составной частью  липидов –  жироподобных веществ, парафины входят в состав живых  организмов и растений, выполняя функции по защите тканей и органов при различных биохимических и биоэлектрических явлениях, происходящих внутри живых организмов и растений, а также предохраняя их от воздействия внешней среды. Содержание в липидах высокомолекулярных алканов  составляет  12 — 17%.

Парафины имеют  применение в различных сферах человеческой деятельности, в частности в медицине, пищевой, электро — и радиотехнической, бумажной, спичечной, химической, кожевенной и парфюмерной промышленности.

Парафин не токсичен и не образует токсичных соединений в условиях работы оборудования,  не требует специальных мер защиты при хранении и транспортировке.

Пищевые  парафины, частности марки П-2, разрешены для контакта с питьевой водой и продуктами питания, зарегистрированы в качестве пищевой добавки Е905с. Смеси  твердых и жидких парафинов в различных соотношениях применяют в качестве лекарственных форм для наружного применения. Эти формы известны в фармакологии под наименованием «искусственный вазелин» (vaselinium artificiale) и зарегистрированы в качестве пищевой добавки. Е 905b.

Перечисленные  свойства обеспечивает экологическую безопасность при его применении.

 Применение в паровых котлах.

Опытно-промышленное применение осуществлялось на паровых котлах низкого давления, на  предприятиях Ленинграда и Ленинградской области в период 1983 – 90 годов  при содействии и поддержке Ленинградского областного правления Союза Научно-Инженерного Общества СССР. Под руководством  О.Н. Полякова временным творческим коллективом были произведены исследования по разработке и опытному внедрению в производство способа по предотвращению явлений первичного и вторичного накипеобразования, а также коррозии внутренних поверхностей при эксплуатации паровых котлов. За указанный период способ был опробован на 28 объектах, оснащенных вертикально — водотрубными котлами типа ДКВр, ДЕ, КЕ, Е., как с применением методов докотловой обработки воды, а также и при их отсутствии, в частности без деаэрации питательной воды. Способ  является альтернативой, применяемым в настоящее время,  способам и методам  докотловой и внутрикотловой обработки воды и не имеет аналогов в России и за рубежом, что подтверждено патентом РФ № 2378562

 В качестве реагента, в основном использовался пищевой парафин марки П-2 (ГОСТ 23683-89). Во всех случаях применения,  при внутренних осмотрах котлов отмечалось отсутствие коррозии и накипеобразования.   Реагент вводился периодически, в зависимости от паропроизводительности котлов.

Применение реагента позволяло повышать кратность упаривания котловой воды, что давало возможность снижения величины продувки котлов в 2 — 3 раза. Также, наблюдалось  снижение содержания железа в возвратных конденсатах ~ в 10 раз, повышение кпд котлов  на 1,7 – 2%.

Кроме того, использование реагента позволяет получить свободный от примесей  пар с высокой степенью сухости, что связано с образованием слоя реагента на зеркале испарения, предотвращая вспенивание котловой воды и  унос котловой воды в пар.

Значительное влияние приобретенные  свойства теплопередающих поверхностей оказывают на процессы теплообмена, что дает возможность увеличения паропроизводительности котла за счет повышения степени использования теплоотдающих поверхностей, повышения гидродинамической устойчивости и надежности работы циркуляционного контура котла.

    Это обусловлено:

  • изменением гидродинамических характеристик потока пароводяной смеси за счет увеличения скорости из-за снижения трения в пристенной области;
  • увеличением количества центров парообразования на единице поверхности нагрева;
  • оптимизацией геометрии и размеров образующихся паровых пузырей;
  • увеличением частоты, скорости образования и отрыва паровых пузырей;

 В 1998 – 99 годах, заведующим  «Лабораторией водно-химических режимов» НПО ЦКТИ, к.т.н. В.Ю. Петровым,  были проведены аналогичные работы. Результатом этих работ явилась разработка технологии применения парафина марки П-2 для промывки паровых котлов «на ходу». Кроме того,  были подтверждены данные, полученные О.Н. Поляковым, и отмечены, положительные результаты применения реагента.

 В 2011 году в ОАО «НПО ЦКТИ» было получено «Техническое заключение», в котором подчеркивалась   важность и необходимость возобновления по исследованию условий применения парафина на паровых котлах промышленных объектов.

Применение реагента П-2 для котельной оборудованной котлами ДКВр10-13 складывается из следующих составляющих: 

  1. отказ от химической очистки внутренних поверхностей котла.

 Затраты на химическую очистку котла ДКВр 10/13 составляют (по данным    ООО « Фирма «ВЭОС» на 2009г) (Ио.) – 280 тыс. рублей

  1. сокращение расходов топлива ΔИт. = 552588руб. и уменьшения количества продувочной воды Ипр = 59839руб. за счет глубины упаривания котловой воды (снижение числа продувок)
  1. сокращение расходов воды на собственные нужды Исн = 22808руб
  1. исключение расходов на техническую соль Ис =41755руб.

 (в расчете не приняты расходы на ремонт и консервацию оборудования).

 Общая экономия эксплуатационных издержек составит

      С = Ио.+ ΔИт. + Ипр+ Исн+ Ис

      С = 956990 руб.

Срок окупаемости составит

        Ток = К/С;

Где: К – затраты включающие стоимость реагента, изготовление и монтаж дозатора и наладочных работ приняты 450 тыс. рублей,

в этом случае срок окупаемости составит – 5,6 мес.

Общее количество парафина с учетом первоначального ввода

 Мр. = 998 +1,34 + 0,026 = 999,36 кг

Стоимость реагента Ир. при цене 1 тонны парафина 65000 рублей составит 64958 руб.

 Применение  в теплообменных аппаратах

Свойства гомологов парафина позволяют использование их в качестве гидрофобизаторов поверхностей теплообмена различных температурных режимах.  При работе пароводяных подогревателей, конденсаторов турбин и пр.  возможны два вида  конденсация пара, которые являются следствием состояния поверхности нагрева. Обычно происходит пленочная  конденсация, возникающая при смачивании конденсатом поверхностей теплообмена. Капельная  конденсация возникает на гидрофобных поверхностях, при этом конденсат,   выпадая в виде отдельных капель, изменяет характер движения жидкости и пара, что отражается интенсивности теплопередачи.

В  равных условиях, при пленочной конденсации водяного пара коэффициент теплоотдачи составляет около 6000 ккал/м2град. час, при капельной – 30000 – 40000 ккал/м2град. час.

 Гидрофобизация поверхностей нагрева позволяет  повысить тепловую мощность существующих подогревателей, либо использовать подогреватели с меньшими поверхностями нагрева, а также исключить коррозию поверхности нагрева и загрязнение конденсата продуктами коррозии железа, меди и цинка.  В результате образования отложений снижение общего коэффициента теплопередачи подогревателей за один год эксплуатации составляет 5 — 7%, за два года — до 30%, за три года — 50% и более. Кроме того, образование отложений в трубках подогревателей приводит к повышению их гидравлического сопротивления, которое достигает 0,2 Мпа.

Сохранность слоя реагента на поверхностях нагрева от механических и кавитационных воздействий со стороны рабочей среды, обеспечивается таким свойством реагента, как  прочность на разрыв,  которая составляет 22 – 29 кг/см2 , то есть примерно в два раза выше этой величины для воды 13 кг/см2.

 Водогрейные котлы, тепловые сети, системы отопления.

Проблема надежности систем теплоснабжения непосредственно связана с коррозией внутренних поверхностей металла оборудования, что в первую очередь зависит от типа системы теплоснабжения.

В структуре теплоснабжения страны, открытые системы, т.е. системы с непосредственным разбором воды,  составляют около половины всех систем. Основным из недостатков открытых систем является невыполнимость  предотвращения  коррозионно-накипных процессов имеющимися методами и средствами водоподготовки, что   связано  с  санитарными нормами по качеству воды для горячего водоснабжения. В результате коррозии металла отопительных приборов, трубопроводных систем  вода приобретает  цветность, запах, появляются различные примеси, железо-окисные бактерии, а в наиболее теплонапряженных местах  внутренних поверхностей нагрева происходит образование накипи.

В результате чего, оборудование открытых систем  теплоснабжения обречено на значительные эксплуатационные затраты, из-за высокой аварийности и снижения  технико-экономических показателей работы.

Применение полимерных труб в системах теплоснабжения нельзя рассматривать как альтернативу стальным трубам. Это связано с жесткими ограничениями по рабочему давлению, напрямую зависящему от средней температуры всего срока эксплуатации, а также максимальному диаметру равному 160 мм. Область их применения на сегодня – внутриквартальные сети с температурным графиком 95 – 70оС.

 В настоящее время основным средством по предотвращению внутренней коррозии без внесения в воду  дополнительных примесей является удаление коррозионно-активных газов из воды методом термической деаэрации. В зависимости от вида котельного оборудования и производимого ими вида теплоносителя для осуществления процесса деаэрации применяются  деаэраторы атмосферного или вакуумного типа

Но, несовершенство термической деаэрации как физического процесса, а также  проблемы автоматического регулирования работы не позволяют добиться полного удаления содержащегося  в воде кислорода. Так, остаточное содержание кислорода  для атмосферных деаэраторов, согласно нормам технической эксплуатации, должно составлять 20мкг/кг, а для вакуумных – 50 мкг/кг,  практически и эти нормы не выдерживаются.  Поэтому, более 90% деаэрационных установок в системе ЖКХ и в промэнергетике не обеспечивают расчетного качества деаэрирования воды и деаэрационные установки используются как промежуточные баки. Согласно статистике в настоящее время в системе ЖКХ  страны эксплуатируется порядка 200 тыс. коммунальных отопительных котельных. Из них около 60% не оснащены водоподготовкой, а в 40% котельных подготовка воды производится неудовлетворительно

В котельных с водогрейными котлами, как правило, применяются  вакуумные деаэраторы, которые работают, при температурах воды от 40 до 90°С. Вакуумные деаэраторы имеют, множество существенных недостатков: большая металлоемкость, большое количество дополнительного вспомогательного оборудования (вакуумные насосы или эжекторы, баки, насосы), необходимость расположения на значительной высоте для обеспечения работоспособности подпиточных насосов. Главным же недостатком является наличие существенного количества оборудования и трубопроводов, находящихся под разряжением.

В результате через уплотнения валов насосов и арматуры, неплотности во фланцевых соединениях и сварных стыках в воду поступает воздух. При этом эффект деаэрации полностью пропадает и даже возможен рост концентрации кислорода в подпиточной воде по сравнению с исходной.

Тем более, с 1 сентября 2009 г. вступило в дейст­вие Приложение к Постановлению Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 07.04.2009 г. № 20. Пункт 33.4. Прило­жение гласит: «При открытой системе теп­лоснабжения деаэрация должна прово­диться при температуре более 100 °С. Иными словами, указанное Приложение запрещает использование вакуумной деаэрации и делает проблематичным применение водогрейных котлов и паровых, переведенных в водогрейный режим  в отрытых системах теплоснабжения.

Выход из создавшегося положения может быть решен переходом к  закрытым системам теплоснабжения. В закрытых  системах,  циркулирующая в трубопроводе вода используется только как теплоноситель, и не забирается из теплосети для обеспечения горячего водоснабжения.

Подача тепла в закрытой системе теплоснабжения регулируется централизованно, при этом количество теплоносителя (воды) остается в системе неизменным, а расход тепла зависит от температуры циркулирующего теплоносителя. В закрытых системах теплоснабжения, как правило, используются возможности тепловых пунктов. К ним поступает теплоноситель от поставщика теплоэнергии, а центральные тепловые пункты районов регулируют температуру теплоносителя до необходимой величины для нужд отопления и горячего водоснабжения, и распределяют потребителю.

Преимущества закрытой системы теплоснабжения состоят в  высоком качестве горячего водоснабжения, в энергосберегающем эффекте, в возможности организации оперативного контроля герметичности системы по расходу подпиточной воды.  Недостаток – сложности водоподготовки из-за удаленности тепловых пунктов друг от друга и затраты на дополнительное теплообменное оборудование для получения горячей воды.

 К настоящему времени разработана технология, основанная на использовании реагента состоящего из смеси твердого  и жидкого парафинов, выпускаемых  отечественной промышленностью.  Применение  технологии позволит осуществить защиту металла, при работе и консервацию на период остановок водогрейных котлов в независимости  от их типа  и  вида металла, а также  тепловых сетей и систем отопления от любых видов внутренней коррозии, накипе- шламообразования.  При этом отпадает необходимость в предпусковых и межсезонных промывках  оборудования и систем.

 Применение реагента, в закрытых системах теплоснабжения позволяет решить задачу защиты металла при минимальных затратах, используя лишь, в необходимых случаях, предварительную механическую очистку подпиточной воды без применения существующих методов обработки воды.

Повышение  эффективности теплообмена в энергетическом   оборудовании.

 Перспективным направлением в области энергосбережения является повышение эффективности работы теплообменного оборудования за счет интенсификации процессов теплообмена. К такому оборудованию относятся рекуперативные теплообменные аппараты различного назначения, в частности паровые и водогрейные котлы, паро — и водоводяные подогреватели, конденсаторы турбин и пр. В таких аппаратах горячая и холодная среда протекают одновременно, и теплота передается через разделяющую их стенку.  Рабочая поверхность теплообмена в используемых аппаратах выполнена из  отдельных гладкостенных труб, объединенных в трубную систему.

 В 1958  году сотрудником Института двигателей АН СССР Э. К. Калининым,  при разработке трубчатых теплообменников для транспортных газотурбинных установок был предложен метод  интенсификации теплообмена. Метод основывался на изменениях, возникающих в характере движения теплоносителя, в целях  турбулизации пограничного слоя потока в пристенной области теплообменной поверхности гидродинамическим воздействием на пограничный слой профилем поверхности теплообмена.

Для чего, было предложено использовать в качестве поверхностей нагрева, теплообменных труб с  кольцевой или винтовой накаткой, и так называемых «шероховатых труб», внутренняя поверхность которых может быть  выполнена в виде  резьбы различного профиля.

Исследования по интенсификации процессов теплообмена проводились Э. К. Калининым, в соавторстве Г. А. Дрейцером и С. А. Ярхо  и получили теоретическое обоснование.

Результаты исследований были опубликованы авторами,  в работе «Закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции».

В 1981 году эта работа была признана  научным открытием.   В ходе  практической реализации метода интенсификации теплообмена авторами были разработаны новые виды теплообменных труб для теплообменных аппаратов, а также технологии их изготовления, что было подтверждено Авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Анализ результатов исследований, по применению профилированных и шероховатых труб в целях интенсификации теплообмена показал их высокую эффективность.  Прочность профилированных и шероховатых труб при оптимальных параметрах профиля не отличается от прочности гладкостенных труб.

Производство  профилированных и шероховатых труб допускает использование стандартного оборудования, с внесением незначительных изменений в технологию их изготовления, связанных с накатом или нарезкой соответствующего профиля. Стоимость производства  таких труб не превышает нескольких процентов от стоимости производства труб с гладкой поверхностью.

Опытное  применение «метода интенсификации  теплообмена»  при нагреве, кипении и охлаждении  одно — и двухфазных потоков с различного рода теплоносителями проводилось как в нашей стране, так и за рубежом.

Так, интенсивность теплообмена в шероховатых трубах по опытным данным, полученным на кафедре теоретической теплотехники МЭИ, при  кипении повышается почти в 3 раза. Это  позволяет осуществить в паровых котлах  увеличение критических температурных напоров при пузырьковом и пленочном режиме (т.е. сдвиг кривой кипения в область более высоких температурных напоров).

Использование труб с кольцевой накаткой позволило увеличить коэффициент  теплопередачи в водо-водяных подогревателях систем отопления на 60%, что было выявлено в результате  двухлетних исследований проведенных в НИИ санитарной техники и оборудования (г. Киев).

В описании изобретения к авторскому свидетельству № 612142 от 02.08.76г. авторы изобретения указывают, что применение теплообменных труб с кольцевой накаткой в водоводяных подогревателях горячего водоснабжения приводит к снижению на 33% удельных годовых приведенных затрат на единицу расхода нагреваемой воды.

Проведенные  ЦКТИ исследования на ряде действующих ТЭС, показали, что  замена в конденсаторах паровых турбин поверхностей охлаждения из гладких труб на профилированные трубы позволило  интенсифицировать теплоотдачу на 50 – 80%, что дает возможность сократить общее количество труб на  25 – 30% и снизить  массогабаритные показатели конденсаторов в 1,5 – 2 раза.

Однако широкое применение метод получил только в низкотемпературном оборудовании холодильной и  криогенной техники. Это, прежде всего, связано с отсутствием причин для возникновения поверхностных явлений (коррозии и образования отложений) и объясняется свойствами используемых теплоносителей и конструкционных материалов.

 Практическое использование «метода повышения эффективности теплообмена» в энергетических теплообменных аппаратах при высокотемпературных параметрах рабочей среды оказалось проблематичным. Появление  различного рода коррозионно-накипных отложений на теплообменных поверхностях, сказываясь  на изменениях в  размерах и геометрии профиля  поверхности, являются причиной потери эффективности  дискретной турбулизации  потока в пристенной области.

 Использование технологии защиты металла основанных  на свойствах гомологов парафина  и «Метода интенсификации процессов теплообмена» открывает возможность их использования в составе «Единой технологии», в условиях  высоких температурах и фазовых изменениях водного теплоносителя.

Интенсификация  процессов теплообмена при отсутствии условий для коррозионно-эрозионных разрушений  и образования отложений, может явиться  качественным этапом в развитии отечественной энергетики.  Такое решение было бы целесообразным при существующем положении дел, когда износ теплотехнического оборудования котельных и ТЭС  составляет более 50%.

Применение «Единой технологии» позволит без внесения принципиальных изменений в конструкцию теплообменных аппаратов и технологию их сборки или ремонта, на  первом этапе применения, произвести реконструкцию и модернизацию действующего теплообменного оборудования, приуроченную к его капитальному ремонту.  Это  позволит  при технологической простоте практического применения и минимальных затратах повысить надежность и эффективность использования теплообменного оборудования.

На втором этапе открывается  возможность разработки и создания  теплообменных аппаратов нового поколения, позволяющая повысить единичную тепловую мощность теплообменных аппаратов при  снижении их массогабаритных показателей. Кроме того,  в ряде случаев это позволит осуществить переход на более дешевые и недефицитные конструкционные материалы при их изготовлении.

 Ковалёв Н.П.                                        Ковалёв А.П.

Санкт- Петербург      12.05.2012

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.