Загрязнения в теплообменниках - Студенческий научный форум

XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Загрязнения в теплообменниках

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность темы.

Теплообменник – это устройство для передачи тепла от более нагретого теплоносителя (жидкого или газообразного) к более холодному. Теплообменники должны отвечать таким требованиям, как высокая тепловая производительность и экономичность в работе при обеспечении заданных технологических условий процесса, простота конструкции, компактность, удобство монтажа и ремонта, надежность в работе, техническое и эстетическое соответствие времени, соответствие требованиям охраны труда и техники безопасности, правилам Госгортехнадзора.

В случае загрязненности теплообменников увеличивается сопротивление движению нефти и давление на сырьевом насосе возрастает. Если засорилась значительная часть теплообменников, то, кроме повышения давления, сильно понизится температура предварительного подогрева пефти. 

По мере увеличения срока службы теплообменника общий коэффициент теплопередачи будет уменьшаться вследствие возрастания отложений. Поскольку скорости проходящих через теплообменник потоков изменяются во времени из-за сезонных колебаний потребности в продуктах, случаев выключения смежных аппаратов или появления механических сопротивлений, то для того, чтобы можно было сопоставлять данные, необходимо ввести поправки к стандартным потокам.

Таким образом, предотвращение загрязнений во время работы теплообменников и внедрение новых технологий очистки, необходимы для производства.

Цель работы.

Рассмотреть разные способы предотвращения загрязнений в теплообменниках в нефтепереработке.

Задачи исследования.

Изучить и произвести анализ литературных источников (учебников, журналов, научных публикаций, докторских и кандидатских диссертаций, интернет статей), провести патентный поиск.

1 Литературный обзор

В системах теплоснабжения городов и промышленных предприятий развивается тенденция применения теплообменных аппаратов интенсивного действия, среди которых ведущее положение заняли пластичные теплообменники.

Разборные и полуразборные пластинчатые теплообменники сравнительно легко очищаются от отложений после их разборки механическим способом. Компактные неразборные (сварные или паяные) пластинчатые теплообменники механической очистке не поддаются, и их очищают химической промывкой.

Загрязнённый теплообменник, у которого в процессе эксплуатации снизился коэффициент теплопередачи, возросло гидравлическое сопротивление и изменились конечные температуры рабочих сред, подлежит выключению из работы для очистки (промывки) поверхности теплообмена от загрязнения.

1.1 Обзор технической литературы

Автор книги «Теплообменные аппараты для вязких жидкостей» Андреев В.А считает что для повышения коррозионной стойкости теплообменников следует применять легирующую сталь, которая так же повышает жаропрочность теплообменника. Но широкое применение в аппаратостроении имеет нержавеющая (коррозионностойкая) сталь. Наличие хрома от 12% и выше обеспечивает высокую сопротивляемость коррозии в атмосфере. При содержании хрома выше 18% сталь противостоит коррозии и в морской воде.

Сталь марки Х18Н9ТЛ рекомендуется для изготовления патрубков, фланцев, корпусов теплообменных аппаратов и др. Эта сталь обладает коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

По ГОСТ 10885 – 64 (сталь горячекатаная толстолистовая двухслойная коррозионностойкая) осуществляется поставка листов толщиной 4 – 160 мм, при этом толщина коррозионностойкого слоя от 1,0 до 1,5 мм (при общей толщине 4 и 5 мм) и от 6 до 20 мм (при общей толщине 120 – 160 мм). Основной слой предусматривается из стали марок 10, 15К, 20К, 12МХ и др., коррозионностойкий слой – из стали марок 0Х13, Х18НЭТ, ОХ18НИОТ, ОХ18Н12Т и др., длина и ширина двухслойных листов – по ГОСТ 5681 – 57.

Так же широко применяется плакированная сталь. При использовании плакированной стали основной слой выбирается в зависимости от рабочих параметров теплоносителей. Плакированная сталь представляет собой прочное соединение технологическими способами двух (или более) неоднородных разных по своим свойствам металлов. Обычно основным слоем является углеродистая сталь, а плакирующий слой небольшой толщины из различных нержавеющих сталей. В биметаллических листах плакирующий слой выполняется из цветных или редких металлов или сплавов. Плакированная сталь является не просто заменителем, а новым конструкционным материалом, широкое применение которого позволит обеспечивать коррозионную стойкость, повышать прочность конструкций; при этом экономится большое количество дефицитных материалов, содержащих никель, олово и другие остродефицитные и редкие металлы. Применение плакированных материалов позволяет уменьшать вес и габариты конструкций.

Технологические и эксплуатационные качества плакированных цветными металлами и сплавами сталей изучены еще не в достаточной степени, однако сочетание высоких прочностных свойств одного материала с хорошими пластическими свойствами другого позволяет надеяться на целесообразность применения их для деталей и конструкций, подвергающихся динамическим и знакопеременным нагрузкам при наличии агрессивных теплоносителей.

В книге «Пластинчатые теплообменные аппараты» авторы Тарадай А.М., Гуров О.И., Коваленко Л.М. подчёркивают что эффективность работы пластинчатого теплообменника зависит от правильного выбора схемы компоновки пластин. Правильная компоновка пластин позволить повысить гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи, увеличивая срок службы теплообменника.

В данной книге так же приводятся разные конструкции пластинчатых теплообменников.

Для агрессивных сред применяются теплообменные аппараты типа Р. В данных теплообменниках толщина стенки 1 мм, в которой скорость коррозии металла является более 0,05 мм в год. Пластины изготавливаются из стали 12Х18Н10Т.

В первой главе книги «Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи» автор Коваленко Л.М. предлагает разные способы интенсификации теплообмена для повышения эффективности, проблема для реализации которых, является загрязнение стенок теплообменника.

Интенсификация теплоотдачи может достигаться разнообразными способами и их сочетаниями. Основными являются следующие способы:

1 Воздействие на поток рабочей среды формой поверхности теплообмена;

2 Воздействие турбулизации вставками в канале;

3 Увеличение площади поверхности теплообмена со стороны рабочей среды с малым коэффициентом теплоотдачи;

4 Механическое воздействие на поверхность теплообмена вращением поверхности теплообмена (внутреннее и внешнее обтекание), вибрацией поверхности теплообмена, пульсацией давления в потоке, перемешиванием жидкости;

5 Воздействие на поток полем электрическим, акустическим, магнитным;

6 Интенсификация теплообмена при фазовых превращениях (обработка поверхности, использование эффекта поверхностного натяжения, капельная конденсация, закрутка потока, наложение электростатического поля и т. д.);

7 Вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность;

8 Добавка в жидкость твердых частиц или газовых пузырьков.

Если не проводить своевременной очистки поверхности теплообмена от загрязнений, то тепловая производительность аппарата быстро уменьшится и технологический режим будет нарушен. Восстановить режим можно увеличением расхода рабочей среды и температурного напора, однако это экономически невыгодно, а во многих случаях просто не может быть реализовано на практике. Наименьшие затраты труда и средств на очистку поверхностей теплообмена от загрязнений и наилучшие условия поддержания стабильной интенсивности процесса обеспечены в разборных конструкциях теплообменных аппаратов.

1.2 Обзор научных публикаций

В статье «Контроль качества химической промывки от загрязнения теплообменных аппаратов» Тарадай А.М. разработал довольно простой, но надёжный способ контроля качества промывки неразборных теплообменников.

Способ заключается в определении времени получения температуры “схождения” теплоносителя и нагреваемой среды для теплообменника, снятого с эксплуатации, до и после промывки в сравнении со временем, полученным для эталонного (нового) теплообменника до выхода их на стационарный режим работы.

Разборные и полуразборные пластинчатые теплообменники сравнительно легко очищаются от отложений после их разборки механическим способом. Компактные неразборные (сварные или паяные) пластинчатые теплообменники механической очистке не поддаются, и их очищают химической промывкой.

В условиях эксплуатации практически избежать загрязнения поверхностей теплообмена не представляется возможным. Если для предотвращения загрязнения теплообменников твердыми частицами песка, сварочным гратом и т.п. в магистралях устанавливаются фильтры-ловушки, то отложения солей жесткости необходимо удалять только химической промывкой.

Теоретически можно с достаточной степенью достоверности определить толщину накипи, зная природу солевых отложений, и допуская, что они равномерно распределены по всей площади пластин неразборного теплообменника.

В статье «О влиянии загрязнений и конструктивных особенностей пластинчатых теплообменников на коэффициент теплопередачи» Михеев М.А. рассказывает о том что, накипь на поверхности нагрева теплообменника увеличивает термическое сопротивление теплопередающей стенки и, следовательно, снижает коэффициент теплопередачи аппарата. Так как коэффициент теплопроводности накипи имеет весьма низкое значение, то даже незначительный слой отложений создает большое термическое сопротивление (слой котельной накипи толщиной 1 мм по термическому сопротивлению примерно эквивалентен 40 мм стальной стенки.

В данной статье так же рассматривается метод определения налёта в теплообменниках – периодический контроль перепада давления на входе и выходе аппарата в процессе эксплуатации (а также до и после химических промывок). Указанный метод отличается простотой и хорошо зарекомендовал себя на практике. Однако, этот метод не всегда применим. В частности, на основании него невозможно сделать вывод о способности конкретного теплообменника выполнить свою функцию (нагреть определенное количество воды до нужной температуры), если он в момент измерения перепада давления работает в нерасчетном режиме и, в особенности, если этот теплообменник изначально подобран с запасом или недостатком поверхности нагрева.

Автор статьи «Применение пневмоимпульсных технологий в теплоэнергетической промышленности» Звегинцев В.И. рассматривает технологию пневмоимпульсной очистки теплообменников.

Пневмоимпульсный генератор выбрасывает в теплообменник, заполненный водой, кратковременную струю сжатого воздуха. Внутри теплообменника создается ударная волна, которая распространяется в жидкости и разрушает отложения. Количество точек подачи воздушных струй, их ориентация и продолжительность процесса обработки определяются опытным путем в зависимости от конфигурации теплообменника и прочностных характеристик отложений.

Для очистки отложений толщиной 2-5 мм в межтрубном пространстве теплообменника 800-ТНГ использовались 9 патрубков диаметром 20 мм, приваренных к корпусу теплообменника. Через каждый патрубок производилось 10-15 выхлопов пневмогенератора с объемом накопительной камеры 1 дм3 при начальном давлении воздуха до 20 бар. Процесс очистки теплообменника занял 2 часа.

В статье «Чистка теплообменных устройств биоорганическим веществом» рассмотрены перспективы использования технологии чистки теплообменных аппаратов пластинчатого типа биоорганической жидкостью, использующей в своем составе активные бактерии.

Биовещество не активно при взаимодействии с металлами, этим оно отличается от кислот, использующихся при очистке теплообменников. Если упомянуть об использовании соляной кислоты, считающейся оптимальным по эффекту и стоимости вариантом удаления большинства типов и видов твердых отложений в теплообменных устройствах, следует учесть, что она имеет повышенную коррозионную активность, следовательно, использовать её не всегда целесообразно.

Представленный способ очистки был проверен на нескольких объектах теплоснабжения. Предварительно теплообменник был демонтирован для проведения натурного осмотра устройства с целью выявления вида накипи и объемов отложений. При осмотре пластины теплообменника со стороны подачи теплоносителя наблюдалось устойчивое отложение темного серо-зеленого цвета с легким запахом нефтепродуктов. Отложения представляли собой особо прочный налет, который налет физическими и химическими методами не устранялся.

По окончанию процесса очистки был произведен повторный демонтаж и вскрытие пластин теплообменника. Образования накипи перешли из твердого состояния в коллоидную массу, и были легко удалены струей воды, что стало возможным именно благодаря свойствам биоорганического реагента.

Можно сделать вывод, что технологии биологической очистки систем теплоснабжения и отопления в будущем могут составить конкуренцию традиционным способам очистки, имея преимущества в виде экологичности и высокой эффективности, однако, недостатком будет является большая стоимость использования данного способа.

1.3 Обзор научно-исследовательских работ

Васильева Л.В. в своей кандидатской диссертации «Формирование элементного и фазового состава отложений в теплоэнергетическом оборудовании в условиях различных схем водоподготовки и способы их удаления» исследовала закономерности образования элементного и фазового состава отложений на внутренних поверхностях нагрева теплоэнергетического оборудования, изучение и оптимизация схем и способов их удаления с минимальным воздействием на окружающую среду.

Для водоснабжения энергообъектов используют природные
воды, поверхностные (из рек, озер, прудов и др.) и подземные (из артезианских скважин), которые представляют собой сложную динамическую экогеохимическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества в молекулярном, истинно растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Содержание газов, различных примесей и растворенных веществ в этих водах может быть уменьшено тем или иным методом предварительной водоподготовки.

Выделяют три основные формы присутствия отложений в теплоэнергетическом оборудовании:

1 Первичная накипь – отложения, образующиеся непосредственно на поверхности нагрева и выделяющиеся на наиболее нагретых и теплонапряженных участках поверхности.

2 Вторичная накипь – грубодисперсные частицы, находящиеся в объеме воды (шлам) или занесенные в теплообменник из питательного тракта, впоследствии осевшие и прикипевшие к поверхности металла и обычно образующиеся при низких скоростях движения воды и низких теплонапряжениях.

3 Продукты коррозии металла – образуют либо первичную накипь, состоящую из оксидов железа или меди, либо входят в состав вторичных накипей.

В данной работе установлено, что фазовый состав отложений зависит от молярного соотношения элементов, содержащихся в исходной природной воде. При наличии одних и тех же элементов в исходной воде, в зависимости от выбранной схемы подготовки воды и условий эксплуатаций оборудования, возможно образование как легко удаляемых отложений (карбонаты кальция и магния), так практически нерастворимых соединений (диопсид и тремолит), а также появление отложений, вызванных различными коррозионными процессами.

Елистратова Ю. В. В своей диссертационной работе «Повышение эффективности пластинчатых теплообменных устройств в системах теплоснабжения» рассматривает влияние конструктивных параметров пластинчатых теплообменников на интенсивность процесса загрязнения.

Значимое влияние на интенсивность процесса загрязнения оказывают конструктивные параметры рабочих пластин нагрева. Исследования показали, что пластинчатые теплообменники, обладающие одинаковыми условиями эксплуатации, но укомплектованные пластинами различного типа рифления, имеют разную степень загрязнения. Кроме того, наличие дополнительных потокораспределителей, оказывает непосредственное влияние на равномерность распределения жидкости по межпластинному каналу, что в свою очередь определяет степень интенсивности образования отложений в отдельных участках канала.

Исследование показывает влияние характера распределения теплоносителя в межпластинном канале на интенсивность образования загрязнений в виде накипи на отдельных участках канала. Установлена хронологическая особенность формирования накипи в межпластинном канале, на основании которой можно сделать вывод о том, что процесс загрязнения имеет неравномерный характер. Первостепенное загрязнение происходит в правом верхнем углу, где преобладает высокая температура жидкости и низкоскоростная область течения теплоносителя (в случае левой пластины с диагональным расположением транзитных угловых отверстий). Подобное явление доказывает влияние геометрических особенностей профиля пластин на интенсивность формирования загрязнений в каналах теплообмена.

В кандидатской диссертации «Разработка и внедрение в системах теплоснабжения теплораспределительных станций с пластинчатыми теплообменниками» Тарадай А. М. привёл методы защиты и способы очистки пластинчатого теплообменного оборудования от продуктов накипи.

Наиболее распространенной мерой предупреждения формирования продуктов солеотложений на поверхностях нагрева, является предварительная подготовка теплоносителя систем отопления и сетевой воды для ГВС. Обработка воды предполагает удаление из нее растворенных газов и создание таких условий, при которых происходит снижение кристаллизации солей временной жесткости.

К широко применяемому на практике методу водоподготовки относится умягчение подпиточного теплоносителя (снижение карбонатной жесткости воды), путем его циркуляции через ионнообменные фильтры. Такой способ обладает высокой себестоимостью очистки и требует постоянных затрат на реагенты, кроме того эффективность данного метода наблюдается только теплоносителей с низким уровнем карбонатной жесткости. Также, отработанные регенерационные растворы требуют специальной утилизации, так как в их состав входит большое количество опасных для окружающей среды химических веществ.

Более эффективными реагентами для коррекционной обработки воды считаются фосфорсодержащие комплексоны, повышающие растворимость накипных солей без образования отложений. Сущность данного метода заключается в постоянном введении в рабочую среду, на протяжении всего периода эксплуатации теплообменного оборудования, химических
веществ – комплексонов. Известно, что ввод комплексонов в теплоноситель также способствует удалению уже образовавшегося слоя накипи. Применение подобного противонакипного мероприятия требует постоянного контроля по режиму дозирования ингибиторов, что является главным условием эффективности рассматриваемого способа.

В качестве альтернативного способа сохранения штатного режима работы теплообменного оборудования и защиты его от накипеобразования возможно применение ультразвуковых, электромагнитных и электрических противонакипных устройств.

Наибольший противонакипный эффект – 87,1 %, был достигнут при совместной обработке теплоносителя физическими полями ультразвука и электричества.

1.4 Выводы и результаты по литературному обзору

Для проектирования теплообменника следует уделить внимание на выбор марки стали, чтобы обеспечить высокую коррозионную стойкость аппарата. Для этого лучше всего подойдет нержавеющая сталь с высоким содержанием хрома.

Накопившийся налет сильно влияет на гидравлическое сопротивление и коэффициент теплопередачи.

Если накипь на теплообменнике своевременно не удалять и не применять средства для борьбы с ней то это может привести к выходу из строя теплообменника либо приостановки работы для его очистки.

Содержание газов, различных примесей и растворенных веществ в воде, следует уделить отдельное внимание. Используя методы, химической или механической обработки.

Существует огромное количество методов для очистки и первичной защиты от загрязнённых отложений и в данной работе была рассмотрена лишь не большая их часть.

Так же следует не забывать про отработанные растворы, которые использовались для очистки загрязнений, иначе они могут, в дальнейшем, нанести вред окружающей среде, так как в них находится огромное количество вредных химических веществ.

2 Патентный поиск

2.1 Задание на проведение патентных исследований

Целью данного исследования является изучение различных способов повышения эффективности установки замедленного коксования. Проанализировать и сравнить имеющиеся в настоящий момент методы с новыми предложениями по данной тематике.

2.2 Регламент патентного поиска

Общие сведения.

На стадии курсового и дипломного проектирования необходимо проводить оценку новизны и эффективности новых технических решений в области технологического оборудования. Объективным критерием оценки новых технических, разработок является наличие в них изобретений, поскольку они определяют уровень современного технологического оборудования, технологических процессов и материалов.

Анализ описаний отечественных и зарубежных изобретений, а также информация технического, экономического и конъюнктурного характера позволяют дать оценку новизны и технико-экономической эффективности разрабатываемого объекта. Патентные исследования являются обязательной, необъемлемой и составной частью при выполнении научно-исследователь-ских, опытно-конструкторских и проектно-конструкторских работ. Такой же обязательной частью они становятся сегодня при выполнении курсовых и дипломных проектов, так как дипломные работы представляют собой одну из составляющих вышеперечисленных этапов.

Патентные исследования - это целый комплекс мероприятий, выполняемых разработчиком для выявления путем сопоставления определенных признаков и показателей разрабатываемого объекта техники с показателями аналогичных по назначению и функционированию объектов, содержащихся в патентных и других источниках информации.

Основную роль в проведении этих исследований играет анализ патентной информации, представляющей собой совокупность сведений научно-технического и экономико-правового характера. К ее достоинствам следует отнести, прежде всего, подтвержденную патентной экспертизой достоверность, новизну и практическую полезность содержащихся в ней сведений.

Важно отметить подробность описаний изобретений, сопровождаемых необходимыми графическими материалами в виде чертежей, схем и графиков. Кроме того, существенным для патентной документации является сравнительная легкость ее поиска и обработки благодаря единой международной систематизации с помощью МПК, где принята лаконичная и унифицированная форма изложения.

Суммарный мировой массив патентной информации составляет сегодня около 2,5 млн. публикаций в год, среди которых примерно 1,5 млн. - это сведения о предполагаемых или признанных изобретениях. Завершающий этап патентного производства - выдача охранного документа, информация о которой представляет интерес для патентных ведомств. Эту информацию публикуют около 80 стран и четыре международные организации. Ежегодно в мире выдается около 400 тысяч патентов.

Учитывая большой, нарастающий год из года объем патентной информации, научный руководитель должен при выдаче студенту задания на курсовое или дипломное проектирование дать четкую ориентацию на ведущие фирмы-разработчики и страны-производители полиграфического оборудования. Это существенно облегчит поиск патентной и технической документации для проведения анализа объекта проектирования.

На стадии курсового и дипломного проектирования патентные исследования содержат следующие этапы:

• определение ориентировочного уровня развития техники путем сопоставительного анализа разрабатываемого объекта с аналогичными решениями, защищенными патентом;

• определение новизны технических решений, полученных при дипломном проектировании, и при ее выявлении производится оформление материалов на предполагаемое изобретение.

Цели патентного поиска.

Патентный поиск - это процесс отбора соответствующих запросу документов или сведений по одному или нескольким признакам из массива патентных документов или данных, при этом осуществляется процесс поиска из множества документов и текстов только тех, которые соответствуют теме или предмету запроса.

Патентный поиск осуществляется посредством информационно-поисковой системы и выполняется вручную или с использованием соответствующих компьютерных программ, а так же с привлечением соответствующих экспертов.

Предмет поиска определяют исходя из конкретных задач патентных исследований категории объекта (устройство, способ, вещество), а так же из того, какие его элементы, параметры, свойства и другие характеристики предполагается исследовать.

При патентном поиске сравниваются выражения смыслового содержания информационного запроса и содержания документа.

Для оценки результатов поиска создаются определенные правила-критерии соответствия, устанавливающие, при какой степени формального совпадения поискового образа документа с поисковым предписанием текст следует считать отвечающим информационному запросу.

Среди основных целей патентного поиска можно выделить:

Проверка уникальности изобретения;

Определение особенностей нового продукта;

Определение других сфер применения нового продукта;

Поиск изобретателей или компании, получивших патенты на изобретения в той же области;

Поиск патентов на какой-либо продукт;

Найти последние новинки в исследуемой области;

Поиск патентов на изобретения в смежных областях;

Определение состояния исследований в интересуемом технологическом поле;

Выяснить, не посягает ли ваше изобретение на чужую интеллектуальную собственность;

Получить информацию по конкретной компании или состоянию сектора рынка в целом;

Получить информацию о частных лицах, имеющих патенты на схожие изобретения;

Поиск потенциальных лицензиаров;

Поиск дополнительных информационных материалов.

Порядок проведения патентных исследований.

Порядок выполнения патентных исследований включает:

- определение задач патентных исследований, видов исследований и методов их проведения и разработку задания на проведение патентных исследований;

- определение требований к поиску патентной и другой документации, разработку регламента поиска;

- поиск и отбор патентной и другой документации в соответствии с утвержденным регламентом и оформление отчета о поиске;

- систематизацию и анализ отобранной документации; — обоснование решений задач патентными исследованиями; обоснование предложений по дальнейшей деятельности хозяйствующего субъекта, подготовка выводов и рекомендаций;

- оформление результатов исследований в виде отчета о патентных исследованиях.

Интернет и сетевые ресурсы.

Проведение патентного поиска является сложной и долгой процедурой, но существуют бесплатные Интернет-ресурсы, которые могут помочь в достаточно сжатые сроки достигнуть наиболее эффективных результатов и получить точную информацию.

Информационно-поисковая система - это логическая система, предназначенная для нахождения и выдачи информации, в том числе при патентном поиске, в документальном или ином виде и представляющая собой совокупность информационно-поискового языка, правил переводов текстов на этот язык, общих правил поиска и критерия смыслового соответствия содержания текста информационному запросу.

Если патентный поиск по базе данных зарегистрированных объектов результатов не дал, то необходимо проводить поиск до последней поданной заявки, но это значительно дольше и дороже.

В настоящее время наиболее эффективным и бесплатным способом проведения патентных исследований в России является просмотр патентов и изобретений в банке данных Федерального института промышленной собственности.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ФОРМА ЗАДАНИЯ НА ПРОВЕДЕНИЕ ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой МС Сарилов М. Ю.

«1»октября 2021 г.

ЗАДАНИЕ № 3МА

на проведение патентных исследований

Наименование работы:  Загрязнения в теплообменниках.

Шифр работы: КП 3МА.

Этап работы: Курсовое проектирование, сроки его выполнения 01.10.2021 по 30.11.2021.

Задачи патентных исследований: Изучение различных способов предотвращения образования налётных отложений в теплообменном оборудовании. Проанализировать и сравнить имеющиеся в настоящий момент методы с новыми предложениями по данной тематике, нахождение прототипов и аналогов по соответствующей теме.

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

Виды патентных исследований

Подразделения-исполнители (соисполнители)

Ответственные исполнители (Ф.И.О.)

Сроки выполнения патентных исследований. Начало. Окончание

Отчетные документы

Патентный поиск на тему:

«Загрязнения в теплообменниках»

КнАГУ,

кафедра МС

Голобоков

С.А.

15.10.2021 –

16.10.2021

Заполнение таблицы

1.1 – Патентная

документация

28.10.2021 –

29.10.2021

Заполнение таблицы

1.2 – Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации

15.11.2021 –

17.11.2021

Заполнение таблицы

1.3 – Тенденции развития объекта исследования

Руководитель _________ Т.И. Башкова ___________

патентного подразделения   личная подпись  расшифровка дата

подписи

Руководитель подразделения __________ М.Ю. Сарилов _____________

исполнителя работы личная подпись  расшифровка дата

подписи

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

РЕГЛАМЕНТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА

К заданию № 3МА от «1» октября 2021 г.

Студенту: Голобокову Сергею Алексеевичу.

Группы 8МАб-1 по теме: Загрязнения в теплообменниках.

Стадия: Курсовое проектирование.

Цель поиска информации: изучение технического уровня и тенденций развития объекта разработки. Обоснование регламента поиска: Патентные исследования являются обязательной, необъемлемой и составной частью при выполнении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектно-конструкторских работ. Такой же обязательной частью они становятся сегодня при выполнении курсовых и дипломных проектов, так как дипломные работы представляют собой одну из составляющих вышеперечисленных этапов. Предмет поиска представляет собой устройство в целом в соответствии с заданием на дипломное проектирование, классификационные рубрики определены по ключевым словам, характеризующим объект разработки, страны поиска определены в результате проведения предварительного поиска по журналам и являются ведущими в данной отрасли техники, глубина поиска достаточна для определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки, источники информации соответствуют минимуму технической документации, которую необходимо просмотреть с целью определения технического уровня и тенденций развития объекта разработки.

Руководитель подразделения исполнителя М.Ю. Сарилов

Подпись ____________

Руководитель патентного подразделения Т.И. Башкова

Подпись ___________

2.3 Форма отчета о патентном поиске

Поиск проведен в соответствии с заданием зав. кафедрой МС Сарилова М.Ю.

3МА от 1 октября 2021 и Регламентом поиска № 3МА от 1 октября 2021.

2. Этап работы: Курсовое проектирование.

3. Начало поиска: 01.10.2021. Окончание поиска: 30.11.2021.

4. Сведения о выполнении регламента поиска (указывают степень выполнения регламента поиска, отступления от требований регламента, причины этих отступлений).

5. Предложения по дальнейшему проведению поиска и патентных исследований.

6. Материалы, отобранные для последующего анализа:

Таблица 1.1 Патентная документация

Предмет поиска (объект исследования, его составные части)

Страна выдачи, вид и номер охранного документа. Классификационный индекс*

Заявитель (патентообладатель), страна. Номер заявки, дата приоритета, конвенционный приоритет, дата публикации*

Название изобретения (полной модели, образца)

Сведения о действии охранного документа или причина его аннулирования (только для анализа патентной чистоты)

1

2

3

4

5

Теплообменник

Патент US

G01B 21/08

G01K 13/02

G01K 7/18

G01N 17/00

2747834

ЭКОЛАБ ЮЭСЭЙ ИНК. (US)

2019107000

14.05.2021

Осуществление контроля за отложением

Действует до 12.09.2022

Теплообменник

Патент FI

D21H 21/02 D21C 3/22 D21H 17/65

2697104

КЕМИРА ОЙЙ (FI)

2017104654

12.08.2019

Способ предотвращения образования накипи

Действует до 10.07.2022

Теплообменник

Патент CH

G01N 17/02

2649049

СОЛЕНИС ТЕКНОЛОДЖИЗ КЕЙМАН, Л.П. (CH)

2015149258

29.03.2018

Устройство и способ для обнаружения и анализа отложений

Действует до 16.10.2022

Теплообменник

Патент РФ

F28G 9/00 F03G 4/00 F24T 50/00

2751468

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "дагестанский государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

2018112810

14.07.2021

Способ эксплуатации теплообменника

Действует до 20.07.2022

Теплообменник

Патент РФ

C23F 11/14

2706927

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)

2019112458

21.11.2019

Ингибитор коррозии

Не действует

Теплообменник

Патент РФ

B05C 7/08 F28F 19/00 F28F 21/00

2695204

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации (RU)

2018117167

22.07.2019

Способ защиты от коррозии и восстановления поверхностей теплообменника

Не действует

Теплообменник

Патент РФ

F28G 13/00

F28F 3/02

2619326

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)

2016117480

15.05.2017

Способ гидродинамической очистки пластинчатых теплообмен
ников

Не действует

Таблица 1.2 Научно-техническая, конъюнктурная, нормативная документация и материалы государственной регистрации (отчеты о научно-исследовательских работах)

Предмет поиска

Наименование источника информации с указанием страницы источника

Автор, фирма (держатель) технической документации

Год, место и орган издания (утверждения, депонирования источника)

1

2

3

4

Теплообменник

https://www.fips.ru/

Чатторадж, Мита (US),

Мурсиа, Майкл, Дж. (US),

Мукхерджи, Асит (US)

14.05.2021

Теплообменник

https://www.fips.ru/

Кэмпбелл Клейтон (US),

Аткинсон Джеймс (GB),

Заниевски Аркадиуш (PL),

Колари Марко (FI),

Экман Яакко (FI)

12.08.2019

Теплообменник

https://www.fips.ru/

Бирганнс Патрик (DE),

Брёхер Маркус (DE)

29.03.2018

Теплообменник

https://www.fips.ru/

Ахмедов Ганапи Янгиевич (RU)

14.07.2021

Теплообменник

https://www.fips.ru/

Мазитова Алия Карамовна (RU),

Могучев Александр Иванович (RU),

Даминов Рустам Римович (RU),

Буйлова Евгения Андреевна (RU),

Аглиуллин Ахтям Халимович (RU)

21.11.2019

Теплообменник

https://www.fips.ru/

Панкин Дмитрий Анатольевич (RU),

Спирягин Валерий Викторович (RU),

Челноков Алексей Викторович (RU),

Чмыхало Александр Игоревич (RU)

22.07.2019

Теплообменник

https://www.fips.ru/

Такмовцев Владимир Викторович (RU),

Ильинков Андрей Владиславович (RU),

Щукин Андрей Викторович (RU),

Зарипов Ильнар Шавкатович (RU)

15.05.2017

Таблица 1.3 - Тенденции развития объекта исследования

Выявленные тенденции развития объекта исследования

Источники информации

Технические решения, реализующие тенденции

в объектах организаций (фирм)

в исследуемом объекте

1

2

3

4

Контроль за отложениями в теплообменнике

Патент US

2747834

НПЗ, химическая промышленность

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля уровня отложений. Системы потока текучей среды могут содержать один или несколько резистивных температурных датчиков (RTD), контактирующих с жидкостью, протекающей через систему. Один или несколько датчиков RTD могут работать в режиме нагрева и в режиме измерения. Термическое поведение одного или нескольких датчиков RTD может быть проанализировано, чтобы выявить уровень отложения, образованного на датчиках RTD из текучей среды, протекающей через систему. Определение характеристик наслаивания на датчиках RTD, работающих при разных температурах, могут быть использованы для установления зависимого от температуры профиля наслаивания. Профиль наслаивания может быть использован для определения того, имеет ли место образование наслаиваний в определенных местах в системе потока текучей среды, например, в используемом устройстве. Технический результат - обнаруженные условия для отложения могут инициировать одно или несколько корректирующих действий, которые могут быть предприняты для предотвращения или минимизации образования отложения до того, как отложения отрицательно повлияют на работу системы потока текучей среды.

Различные системы потока текучей среды выполнены с возможностью течения технологической текучей среды от одного или большего количества источников текучей среды в направлении к используемому устройству. Например, текучая среда, текущая к поверхности теплообменника, может использоваться для передачи тепла или отвода тепла от поверхности теплообмена и поддержания поверхности при рабочей температуре.

Предотвращение образования накипи

Патент FI

2697104

Нефтехимическая промышленность

Настоящее изобретение относится к способу предотвращения образования накипи на технологических поверхностях в процессе производства бумаги, картона и т.п., согласно ограничительной части независимого пункта прилагаемой формулы изобретения.

Образование накипи означает образование неорганических отложений на технологических поверхностях, и это часто является серьезной проблемой в промышленных процессах, в которых используют большое количество воды, например, в производстве бумаги и картона. В производстве бумаги и картона, особенно в недавно наметившейся тенденции к использованию замкнутого процесса циркуляции воды, усилились проблемы, связанные с образованием накипи.

Одним из наиболее часто встречающихся соединений при образовании накипи в производстве бумаги и картона является карбонат кальция. Карбонат кальция обычно используют в качестве наполнителя в бумажной массе, а также в качестве минерального пигмента в композициях для мелования. Когда повторно используемое волокно и отходы производственного процесса используют в качестве волокнистого сырьевого материала, уровень содержания карбоната кальция в технологических потоках повышается, а также возрастает риск образования накипи из карбоната кальция на технологических поверхностях.

Проблемы, связанные с образованием накипи, обычно решают посредством добавления различных антинакипинов или ингибиторов накипи в потоки технологической воды. Типичными антинакипинами являются, например, различные фосфонаты и поликарбоксилаты. Однако существует постоянная потребность в новых эффективных способах и соединениях для снижения уровня образования накипи в производстве бумаги и картона.

Устройство и способ для обнаружения и анализа отложений

Патент CH

2649049

Нефтехимическая промышленность

Использование: для обнаружения отложений на отражающем участке внутри вмещающей жидкость системы. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для обнаружения отложений на отражающем участке внутри вмещающей жидкость системы содержит ультразвуковой преобразователь для испускания ультразвукового испускаемого сигнала в направлении этого отражающего участка и первое регистрирующее средство для регистрации ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала на этом отражающем участке, причем на этом отражающем участке расположено второе регистрирующее средство, выполненное с возможностью обнаружения отложения конкретного вида. Технический результат: обеспечение возможности получения достоверных данных об отложениях на отражающем участке внутри вмещающей жидкость системы.

На промышленных предприятиях, таких как электростанции, сталелитейные заводы, предприятия целлюлозного или бумажного производства, обычно имеются средства для перемещения или хранения жидкостей, например трубопроводы или резервуары. Известно, что на внутренних стенках этих средств для перемещения или хранения жидкостей происходит осаждение органических и неорганических веществ, вследствие чего скопившиеся биологические или солевые (механические) отложения по меньшей мере частично препятствуют прохождению потока через средства перемещения жидкостей. В результате этого перемещаемые или хранящиеся жидкости могут подвергаться загрязнению. Это нежелательное явление создает ряд производственных проблем, таких как засорение оборудования, неэффективное использование химических материалов, повышение затрат на энергию, производственные потери вследствие простоев, коррозия и снижение качества продукции из-за роста числа случаев загрязнения.

Эксплуатация теплообменников без солеотложения и при минимальной коррозии

Патент РФ

2751468

НПЗ, химическая промышленность

Изобретение относится к геотермальной энергетике и может быть использовано для эксплуатации теплообменников в режиме без солеотложения и при минимальной коррозии его внутренней поверхности. Сущность изобретения заключается в периодическом изменении направления потоков геотермальной и холодной подогреваемой воды в соответствующих контурах теплообменника на противоположное, сохраняя противоточное их движение. Период изменения направления потоков устанавливается по показаниям датчиков солеотложения, установленных на трубопроводах подачи и отвода геотермальной воды, непосредственно примыкающих к первичному контуру теплообменника. Изобретение обеспечивает повышение эффективности использования теплообменника путем предотвращения образования твердой фазы карбоната кальция и снижения коррозии оборудования.

Известен способ эксплуатации теплообменников при использовании геотермальных вод, исключающий отложение карбоната кальция на теплообменной поверхности в первичном контуре. Способ заключается в поддержании давления в оборудовании выше равновесного значения, при котором не выделяется твердая фаза карбоната кальция в геотермальной воде. Данный способ эксплуатации теплообменника обладает недостатками. Высокое давление в устье геотермальной скважины приводит к снижению ее дебита, а также к увеличению кислотности раствора воды из-за повышенного содержания в нем углекислого газа.

Получение ингибиторов коррозии

Патент РФ

2706927

НПЗ, химическая промышленность

Изобретение относится к области получения ингибиторов коррозии газо- и нефтепромыслового оборудования и трубопроводов транспортировки нефти, работающих в высокоминерализованных сероводородсодержащих средах, а именно к способу получения активной основы ингибиторов - производных азотсодержащих гетероциклов - имидазолинонов.

Известно применение ингибитора коррозии в сероводородной среде на основе хлоргидратов аминопарафинов.

Однако недостатком заявленного ингибитора является невысокий защитный эффект при дозировке до 100 мг/л.

Известен также ингибитор коррозии для защиты оборудования в сероводородсодержащих средах, в котором в качестве активной основы -продукт взаимодействия одного моль жирной кислоты с числом углеродных атомов С8-С20 и 0,1-1 моль аминопарафинов с числом атомов углерода C8-С20 в соотношении взаимодействия 10÷50.

Недостатками ингибитора коррозии являются недостаточно высокий защитный эффект при дозировке 50 мл/л, а также применение метилового спирта, который имеет низкую температуру кипения и применяется в количестве 80 мл на 10 г активной основы.

Нанесение защитного покрытия от коррозии

Патент РФ

2695204

Нефтехимическая промышленность

Изобретение относится к способам нанесения покрытия. Описан способ защиты от коррозии и восстановления поверхностей теплообменника, заключающийся в том, что на поверхность стенки, разделяющей смежные контуры теплообменника, наносят покрытие, в котором в контур вводят жидкость или текучее вещество при температуре ниже температуры отверждения материала покрытия, вводят в смежный контур, разделенный стенкой от контура с материалом покрытия, теплоноситель, с температурой, равной или превышающей температуру отверждения материала покрытия, поддерживают температуру теплоносителя по меньшей мере до образования пленки отвержденного материала покрытия на поверхности, разделяющей стенки, выводят теплоноситель из контура или понижают температуру теплоносителя ниже температуры отверждения материала покрытия, далее выводят неотвержденный материал покрытия из контура. Технический результат: снижение трудоемкости процесса нанесения покрытия для защиты от коррозии и восстановлении внутренних и наружных поверхностей теплообменных трубок.

Изобретение относится к способам нанесения покрытия, преимущественно жидкости или других текучих веществ, на поверхность стенок, разделяющих смежные контуры теплообменника, и может быть использовано, например, для обновления изношенных или изъязвленных трубок теплообменника, их антикоррозионной защиты, защиты от отложений и накипи внутренней и наружной поверхностей трубок, в том числе для заделки коррозионных язв и каверн.

Известен способ окраски внутренних поверхностей труб, заключающийся в том, что материал покрытия прокачивают при помощи сжатого воздуха в обоих направлениях нужное количество раз для осуществления полного процесса покрытия.

Недостатком данного способа является неравномерность нанесения материала покрытия при изменении скорости сжатого воздуха, зависящая от диаметра, длины трубы и шероховатости поверхности.

Совершенствова
ние гидродинамичес
кой очистки от загрязнений и накипи теплообменного оборудования

Патент РФ

2619326

НПЗ, химическая промышленность

Изобретение относится к теплоэнергетике, а конкретно к способам гидродинамической внутренней очистки от загрязнений пластинчатых теплообменников, и может быть использовано в энергетической, химической, металлургической и др. отраслях промышленности.

Способ гидродинамической очистки пластинчатых теплообменников, выполненных в виде секций, состоящих из двух соединенных пластин со сферическими выемками на их рабочих поверхностях, выемки одной пластины входят внутрь выемок другой пластины, включающий создание под действием основного потока теплоносителя в выемках турбулизированного потока с единичными самоорганизующимися пульсирующими вихревыми структурами и дополнительного струйного байпасного течения, образованного за счет перепуска части основного потока через каналы перепуска, выполненные в меридиональной плоскости выемок, из зон повышенного давления на стенках выемок, примыкающих к их выходным кромкам, в зоны пониженного давления в донной части смежных выемок. В результате комплексного гидродинамического воздействия единичных самоорганизующихся пульсирующих вихревых структур и струйного байпасного течения происходит непрерывная очистка от загрязнений пластин теплообменника и увеличивается его срок службы. Кроме того, определены геометрические параметры сферических выемок «отрывного» типа на пластинах, места расположения и размеры каналов перепуска.

2.4 Выводы и результаты по патентному поиску

После проведения патентного поиска можно сделать вывод, что на данный момент есть много патентов относящихся к способам повышения эффективности установки замедленного коксования. Однако, не все патенты на сегодняшний день действительны. Целью новых патентов является повышение эффективности работы старых, но есть и такие, в которых стараются придумывать новые патенты, основываясь на прошлых изобретениях, стараются их модернизировать.

Существуют патенты, суть которых заключаются в усовершенствовании и комбинировании уже известных способов. Чаще всего целями таких патентов являются улучшения их характеристик.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что методы для предотвращения налётных отложений теплообменного оборудования, совершенствуются с каждым годом.

Можно выделить несколько интересных моментов из данных патентов:

Проблемы, связанные с образованием накипи, обычно решают посредством добавления различных антинакипинов или ингибиторов накипи в потоки технологической воды. Типичными антинакипинами являются, например, различные фосфонаты и поликарбоксилаты.

Изобретение обеспечивает повышение эффективности использования теплообменника путем предотвращения образования твердой фазы карбоната кальция и снижения коррозии оборудования.

Способ гидродинамической очистки пластинчатых теплообменников, выполненных в виде секций, состоящих из двух соединенных пластин со сферическими выемками на их рабочих поверхностях, выемки одной пластины входят внутрь выемок другой пластины, включающий создание под действием основного потока теплоносителя.

3 Теоретическое и конструкторско-технологическое описание проблемных вопросов. Подбор и описание мероприятий, предложенных для решения проблемы

Теплообменник - техническое устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющими различные температуры.

Теплообменные аппараты в зависимости способа передачи теплоты подразделяют на поверхностные, смесительные (контактные), регенеративные.

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную группу аппаратов, используемых в химической технологии. В таких аппаратах теплоносители разделены стенкой, через которую теплота передается за счет теплопроводности материала стенки. Главной характеристикой таких аппаратов является площадь поверхности стенки, поскольку именно от её размера зависит количество теплота, передаваемое в аппарате от одного теплоносителя к другому. Форма поверхности стенки может быть трубчатой, плоской или иной.

В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. В регенеративных теплообменниках процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному происходит на насадке, которая нагревается горячим теплоносителем, а затем сама нагревает холодный теплоноситель.

По назначению поверхностные теплообменные аппараты подразделяют на следующие типы:

холодильники – для охлаждения жидких или газовых сред;

подогреватели – для нагрева жидких или газовых сред жидким теплагентом или конденсирующимся паром;

конденсаторы – для конденсации паров при охлаждении водой или другим хладагентом;

испарители – для испарения жидкостей при обогреве паром или жидким высокотемпературным теплоносителем.

Теплообменники поддерживают постоянный уровень температуры, что обеспечивает экономию на энергоносителях. Через это оборудование цикл за циклом проходит вода, часто без какой-либо предварительной фильтрации. В результате через несколько месяцев эксплуатации на внутренней поверхности теплообменника может образоваться налет.

При появлении хотя бы одного из перечисленных признаков необходимо как можно скорее проверить оборудование и устранить возникшую неисправность. В противном случае проблема со временем будет только нарастать, а ее решение станет более сложным и дорогим. В крайнем случае, пластинчатый теплообменник износится так, что его вообще придется менять.

Загрязнения теплообменников становятся причиной снижения их эффективности и скорых поломок.

Самый частый вид отложений на стенках теплообменников - накипь, образованная карбонатами и гидрокарбонатами кальция и магния. Причина - жесткая вода, обычная для подавляющего большинства российских регионов.

Встречаются и другие виды загрязнений:

Минеральные. Это основная категория соединений, оседающих на внутренних поверхностях теплообменников. К ней относят металлические отложения, соли металлов (в первую очередь карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния), оксиды железа, которые образуются вследствие окисления стенок оборудования.

Органические. Данная группа объединяет соли, образованные от карбоновых кислот, и некоторые другие соединения. Органические отложения встречаются реже минеральных, но их содержание возрастает, если в качестве теплоносителя используют не воду, а какую-то органическую среду, например, смесь гликолей.

Биологические. Это наиболее редкая категория загрязнений, куда входят высокомолекулярные соединения вроде жиров, масел и иных подобных веществ. Такие отложения характерны на производствах, где используются биоорганику.

Значительная часть любых загрязнений, особенно биологических, смывается потоком воды, однако при длительной эксплуатации оставшееся количество оседает на стенках теплообменника, формируют там со временем плотное наслоение, могут проникать в структуру самой стенки. Это чревато, в том числе нарушением целостности пластинчатой установки.

Ключевые факторы, которые определяют график очистки теплообменников - конструктивные особенности оборудования и тип теплоносителя. В технической документации, входящей в комплектацию поставки, всегда указывается предпочтительная частота промывки, но в зависимости от реальных условий эксплуатации она может быть скорректирована.

Есть три основных режима очищения теплообменника:

При очищенной воде. Если жидкость, составляющая рабочую среду агрегата, не содержит загрязнений, достаточно промывать устройство один раз в четыре года.

При неочищенной воде. Если рабочая среда не очищается перед подачей внутрь аппарата, но сама по себе она не очень загрязнена, теплообменник нужно чистить один раз в два или три года, в зависимости от других условий эксплуатации.

При жесткой воде. Если жидкость внутри агрегата загрязнена, а предварительная очистка отсутствует или неэффективна, промывать нужно не реже раза в два года.

Если в качестве теплоносителя используют антифриз, промывать также нужно один раз в два года, отслеживая при этом срок годности антифриза и заменяя его по необходимости. Такая же частота необходима для теплообменников в двухконтурных котлах, потому что в них циркулирует водопроводная вода, не проходящая предварительную фильтрацию.

Пропускать очередное промывание пластинчатого теплообменника крайне не рекомендуется, потому что это увеличивает риски поломки и досрочного выхода из строя.

Наиболее существенные последствия:

1 Перегрев. В процессе работы теплообменник всегда нагревается. Отложения на его стенках мешают нормальному распределению тепла и приводят к перегреву оборудования, вследствие чего оно выходит из строя.

2 Повышение нагрузки насоса. Налет на внутренней поверхности теплообменника сужает его просвет. При этом объем пропускаемой воды не изменяется, но для ее проталкивания теперь требуется больше усилий. В результате циркуляционный насос вынужден постоянно работать на пределе возможностей, что приводит к преждевременному износу комплектующих и сокращает срок службы насоса.

3 Снижение эффективности. КПД теплообменника, забитого отложениями, падает. Прибор больше не может поддерживать нужную температуру теплоносителя при прежнем уровне расхода источника энергии. Поэтому расходы, например, на газ возрастают в среднем на 10–15%. За полгода такой эксплуатации получается от 60 до 90% перерасхода.

Практически все современные технологии промывки теплообменников рассчитаны на работу с оборудованием в сборе. Разбирать его на запчасти долго и сложно, к тому же есть сварные модели, у которых вообще не предусмотрено такой опции. Чтобы чистка пластинчатого агрегата оставалась эффективной даже в таких условиях, выпускают многокомпонентные профессиональные средства.

Самый простой вариант промывания теплообменника - запустить поток рабочей среды в обратном направлении. Но используя этот метод, можно смыть лишь те загрязнения, которые не въелись в стенки прибора. Обычно таких наслоений немного - основные загрязнения все же нужно предварительно растворить. Для этого применяют следующие технологии:

Механическую промывку. Оптимальный при небольшом загрязнении, например, при профилактическом осмотре теплообменника. Снаружи аппарат очищают щетками. Для внутренней промывки аппарат погружают в раствор на 30–40 минут. Для механической промывки применяют растворы щелочей или кислот.

Химическую (гидрохимическую) промывку. Применяют при сильных загрязнениях. Внутрь теплообменника под давлением закачивают раствор, который разрушает до 85% отложений, а после - вымывают их струей воды. Для химической очистки используют профессиональные составы.

Гидродинамическую промывку. Наиболее эффективный и самый технологически сложный метод очистки теплообменника. Через всю систему, к которой он подключен, прогоняют чистящий раствор. Его подают под давлением с помощью бустера. Такую промывку должны выполнять специалисты: малейшее повышение напора жидкости грозит поломкой теплообменника.

На практике обычно применяют сочетание первых двух способов. Сначала используют химический метод - травление залитым внутрь составом, а оставшиеся после него загрязнения удаляют механически.

Есть и более современные способы - магнитный, электромагнитный, ультразвуковой. Они обеспечивает высокий уровень чистки, но применяются намного реже: для их использования необходимо дорогое сложное оборудование.

Для примера проведём гидравлический расчёт кожухотрубчатого теплообменника.

Эти теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Расчет определяет количество энергии, затраченной на движение теплоносителей через аппарат. Гидравлическое сопротивление пароводяных теплообменников по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его значение вследствие небольших скоростей и малой плотности пара мало.

Расчет мощности, необходимой для перемещения воды через подогреватель.

Исходные данные:

1 давление воды Рв = 0,148 МПа;

2 температура воды на входе tв′ = 21 ºС;

3 температура воды на выходе tв′′ = 87 ºС;

4 расход воды Gв = 213 м3/ч;

5 давление греющего пара Pп = 0,56 МПа;

6 температура греющего пара tп = 185 ºС.

Полный напор ΔР, необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник, определяется по следующей формуле, Па

где ΣΔPтр - сумма гидравлических потерь на трение, Па; ΣΔPм – сумма потерь напора в местных сопротивлениях, Па; ΣΔPу – сумма потерь напора, обусловленных ускорением потока, Па; ΣΔPг – перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости, Па.

Гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата определяются по формуле, Па

где λтр –коэффициент сопротивления трения; L –суммарная длина трубок, м; dэ –эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, м; ω – средняя скорость воды на данном участке, м/с; ρ –плотность воды, кг/м3.

Коэффициент сопротивления трения для чистых трубок можно рассчитать по формуле:

Вычисляем:

Гидравлические потери давления, Па, в местных сопротивлениях определяются по формуле

где ξ –коэффициент местного сопротивления, его находят как сумму сопротивлений каждого элемента подогревателя (ξ = 1,5).

Потери давления, Па, обусловленные ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала, определяются по формуле:

где ρ2 и ρ1 –– плотности теплоносителя в выходном и входном сечениях потока соответственно, кг/м3; ω2 и ω1 –– скорости теплоносителя в выходном и входном сечениях потока соответственно, м/с.

Так как для капельных жидкостей потери давления ΔPу ничтожно малы, то они в расчет не принимаются (ΔPу = 0).

Перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости равен нулю (ΔPг = 0), так как данный подогреватель не сообщается с окружающей средой.

Полный напор, необходимый для движения воды через аппарат:

Мощность, необходимая для перемещения воды через подогреватель:

где Gв –– объемный расход воды, м3/с; η = 0,85 – коэффициент полезного действия насоса.

Проанализировав все способы очистки от налёта в теплообменном оборудовании в данной работе, считаю самым интересным, метод пневмоимпульсной очистки теплообменников.

В настоящее время пневмоимпульсные технологии разработаны для решения следующих задач:

устранение зависания и налипания на стенках бункеров и емкостей;

очистка внутренних поверхностей трубопроводов;

очистка теплообменников различных конструкций и размеров;

очистка вентиляционных устройств;

очистка поверхностей электрооборудования;

очистка систем отопления промышленных и бытовых зданий;

очистка стенок химических реакторов;

очистка теплообменных поверхностей котельных агрегатов.

Данный способ состоит в том, что пневмоимпульсный генератор выбрасывает в теплообменник, заполненный водой, кратковременную струю сжатого воздуха. Внутри теплообменника создается взрывная волна, которая распространяется в жидкости и разрушает отложения. Число точек подачи воздушных струй, их ориентация и длительность процесса обработки определяются опытным путем зависимо от конфигурации теплообменника и прочностных характеристик отложений.

Основная экономическая целесообразность применения состоит в устранении трудоемких дорогостоящих и зачастую опасных ручных операций.

4 Подбор и описание применяемого оборудования

Для контроля за отложениями в теплообменном оборудовании используются температурные датчики RTD.

Один или несколько датчиков RTD могут работать в режиме нагрева и в режиме измерения. Термическое поведение одного или нескольких датчиков RTD может быть проанализировано, чтобы выявить уровень отложения, образованного на датчиках RTD из текучей среды, протекающей через систему.

Датчики RTD может взаимодействовать с нагревательным контуром, выполненным с возможностью подачи электрической энергии на датчики RTD, например, для повышения температуры датчиков RTD. Дополнительно или в качестве альтернативны, датчики RTD может взаимодействовать с измерительным контуром, выполненным с возможностью обеспечивать выходной сигнал, представляющий температуру одного или большего количества датчиков RTD.

Системы могут содержать контроллер, связанный с контуром нагрева и измерительным контуром, и который может быть выполнен с возможностью управлять датчиками RTD в режиме нагрева и режиме измерения. В некоторых примерах контроллер может быть выполнен с возможностью нагрева датчиков RTD до повышенной температуры (например, в режиме нагрева), прекращения нагрева датчиков RTD и выявления изменения температуры датчиков RTD во времени (например, в режиме измерения). Выявление изменения температуры датчиков RTD может включать выявление изменения температуры вследствие термической проводимости тепла от датчиков RTD к текучей среде, протекающей через систему потока через измерительный контур. Отложения от потока текучей среды на датчиках RTD могут влиять на термическую проводимость между датчиком RTD и текучей средой.

Так же можно использовать ультразвуковой преобразователь для определения свойств отложений на отражающем участке в зависимости от эталонной информации.

Воздействие ультразвука на различные технологические процессы широко используются во многих областях. Ультразвук применяется в медицине, энергетике, металлообработке, химической промышленности.

Преобразователь – это довольно сложное в изготовлении изделие, которое преобразует электромагнитные колебания в механические, в нашем случае ультразвуковые.

Реальное расстояние между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком изменяется, например, в зависимости от температуры или давления внутри сосуда с жидкостью. Поэтому текущее расстояние между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком в момент измерения может быть точно определено с помощью эталонного расстояния, измеренного одновременно с ним. Следовательно, результат измерения толщины отложений не содержит неизвестной погрешности, зависящей от условий эксплуатации, таких как давление и температура.

Известно использование в пластинчатых теплообменных аппаратах поверхностных интенсификаторов теплообмена в виде систем сферических выемок отрывного типа, выполненных на пластинах с помощью штамповки. Применение сферических выемок позволяет повысить эффективность работы теплообменных аппаратов не только путем увеличения теплоотдачи теплообменных поверхностей пластин, но и за счет снижения интенсивности их загрязнения в результате турбулентности потока.

Появление турбулентности обусловлено действием вихревых структур, возникающих в сферических выемках. Множество мелких частиц загрязнения попросту не остается на стенках оборудования, а смывается в процессе работы. Зато более крупные частицы накапливаются в донной части сферических выемок и на исходно гладкой поверхности пластин между ними, образуя загрязнение и накипь на рабочих элементах в процессе длительной эксплуатации теплообменника.

Для защиты от коррозии используют ингибиторы.

Ингибиторы коррозии - это молекулы органического вещества, которые прикрепляются к поверхности теплообменника.

Ингибиторы коррозии предназначены для снижения агрессивности газовых и электролитических сред, а также предотвращения активного контакта металлической поверхности с окружающей средой. Это достигается путем введения ингибитора в коррозионную среду, в результате чего резко уменьшается сольватационная активность ее ионов, атомов и молекул. Кроме того, падает и их способность к ассимиляции электронов, покидающих поверхность металла в ходе его поляризации. На металле образуется моно- или полиатомная адсорбционная пленка, которая существенно ограничивает площадь контакта поверхности с коррозионной средой и служит весьма надежным барьером, препятствующим протеканию процессов саморастворения. При этом важно, чтобы ингибитор обладал хорошей растворимостью в коррозионной среде и высокой адсорбционной способностью.

По механизму действия ингибиторы делятся на адсорбционные и пассивационные.

Ингибиторы - пассиваторы вызывают формирование на поверхности металла защитной пленки и способствуют переходу металла в пассивное состояние.

Наиболее широко пассиваторы применяются для борьбы с коррозией в нейтральных или близких к ним средах, где коррозия протекает преимущественно с кислородной деполяризацией.

Заключение

Сегодня существует много способов для очистки теплообменных аппаратов. У каждого из этих способов свои достоинства и недостатки.

Нормальная работа теплообменника обеспечивается его регулярной чисткой. Вода, проходящая через теплообменные агрегаты, насыщена солями, примесями и прочими включениями. Со временем на деталях и стенках теплообменника образуется накипь, которая мешает его нормальному функционированию.

Чистку теплообменников необходимо производить 1 - 2 раза в год во избежание непредвиденных поломок и продления срока службы оборудования, а метод чистки выбирать наиболее подходящий в каждом отдельно взятом случае.

В данной работе были изучены причины образования налётных отложений в теплообменниках и методы борьбы с ними. Так же были предложены различные материалы для изготовления теплообменников, чтобы предотвратить образования коррозии ещё на начальном этапе.

На основе литературного материала проанализированы различные способы для предотвращения образования налёта в теплообменном оборудовании.

Список использованных источников

1 Андреев В.А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей / В.А. Андреев Л. «Энергия», 1971 - 152 с.

2 Пат 2697104 FI, МПК7 D21H 21/02, D21C 3/22, D21H 17/65. Способ предотвращения образования накипи / Кэмпбелл К., Аткинсон Д., Заниевски А., Колари М., Экман Я. заявитель и патентообладатель КЕМИРА ОЙЙ - № 2017104654, заявл 10.07.2015, опубл 12.08.2019, Бюл № 23.

3 Пат 2751468 РФ, МПК7 F28G 9/00, F03G 4/00, F24T 50/00. Способ эксплуатации теплообменника / Ахмедов Г. Я., заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дагестанский государственный технический университет" (ДГТУ) - № 2018112810, заявл 09.04.2018, опубл 14.07.2021, Бюл № 20.

4 Тарадай А.М. Пластинчатые теплообменные аппараты / А.М. Тарадай, О.И. Гуров, Л.М. Коваленко под ред. Н.М. Зингера. - Харьков.: Прапор, 1995. - 60 с.

5 Коваленко Л.М. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи / Л.М. Коваленко, А.Ф. Глушков М. «Энергоатомиздат», 1986 - 240 с.

6 Тарадай А. М. Контроль качества химической промывки от загрязнения теплообменных аппаратов / А. М. Тарадай, Л. М. Коваленко, Е. П. Гурин, Журнал "Новости теплоснабжения", № 10 (26), 2002 - с 47.

7 О влиянии загрязнений и конструктивных особенностей пластинчатых теплообменников на коэффициент теплопередачи. URL: http://infobos.ru/str/821.html (Дата обращения 14.11.2021)

8 Звегинцев В.И. Применение пневмоимпульсных технологий в теплоэнергетической промышленности / Журнал "Новости теплоснабжения" №03 (174), 2015 г - с 56.

9 Матрунчик А.С. Чистка теплообменных устройств биоорганическим веществом / Международный научно-исследовательский журнал № 11 (53), 2016 г - с 172.

10 Пат 2619326 РФ, МПК7 F28G 13/00, F28F 3/02. Способ гидродинамической очистки пластинчатых теплообменников / Такмовцев В. В., Ильинков А. В, Щукин А. В., Зарипов И. Ш. заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) - № 2016117480, заявл 04.05.2016, опубл 15.05.2017, Бюл № 14.

11 Пат 2649049 CH, МПК7 G01N 17/02. Устройство и способ для обнаружения и анализа отложений / Бирганнс П., Брёхер М., заявитель и патентообладатель СОЛЕНИС ТЕКНОЛОДЖИЗ КЕЙМАН, Л.П. - № 2015149258, заявл 16.04.2014, опубл 29.03.2018, Бюл № 10.

12 Пат 2695204 РФ, МПК7 B05C 7/08, F28F 19/00, F28F 21/00. Способ защиты от коррозии и восстановления поверхностей теплообменника / Панкин Д. А., Спирягин В. В., Челноков А. В., Чмыхало А. И. заявитель и патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации - № 2018117167, заявл 08.05.2018, опубл 22.07.2019, Бюл № 21.

13 Пат 2747834 US, МПК7 G01B 21/08, G01K 13/02, G01K 7/18, G01N 17/00. Осуществление контроля за отложением / Чатторадж М., Мурсиа М. Д., Мукхерджи А. заявитель и патентообладатель ЭКОЛАБ ЮЭСЭЙ ИНК - № 2019107000, заявл 12.09.2017, опубл 14.05.2021, Бюл № 14.

14 Пат 2706927 РФ, МПК7 C23F 11/14. Ингибитор коррозии / Мазитова А. К., Могучев А. И., Даминов Р. Р., Буйлова Е. А., Аглиуллин А. Х. заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" - № 2019112458, заявл 24.04.2019, опубл 21.11.2019, Бюл № 33.

Просмотров работы: 1158