Одним из эффективных средств борьбы с накипеобразованием в теплообменной аппаратуре является применение пульсационных режимов.
Снижение накипеобразования при наложении пульсаций происходит за счет возникновения кавитации в объеме жидкости, что способствует выпадению осадка в массе раствора, удаленного от стенок. Наблюдается также механическое разрушение структуры накипи и ослабление ее связи с поверхностью металла.
Наложение пульсаций вызывает увеличение пульсационных скоростей и градиента скорости у стенки, причем указанный градиент приобретает свойства параметра, переменного по величине и направлению. Переменное распределение скорости в поперечном сечении при пульсациях изменяет также распределение температур и растворимости, способствуя выпадению солей в ядре потока.
Эффективность применения пульсационных подогревателей является весьма существенной и определяется такими факторами, как интенсификация теплообмена и снижение накипеобразования, уменьшение габаритов и металлоемкости аппаратов, уменьшение гидравлических сопротивлений и энергозатрат на перекачку жидкости, сокращение времени пребывания термолабильных продуктов в зоне высоких температур в пристенном слое.
При испытании пульсационных теплообменников тепловая производительность оценивалась по количеству конденсата, выходящего из паровой камеры. Интенсивность теплообмена определялась величиной коэффициента теплопередачи Кп при пульсационном режиме и величиной этого коэффициента без пульсаций К0. Частота пульсаций, Гц, определялась числом оборотов кривошипа плунжерного насоса, а скорость пульсационного движения жидкости вычислялась по формуле
где ω — угловая скорость вращения кривошипа плунжерного насоса; R — радиус кривошипа, м; i = R/L; L — длина шатуна, м; dп — диаметр плунжера, м; dтp — внутренний диаметр теплообменных труб, м; nтр— количество труб подогревателя в сменных ходах, шт.
Абсолютное значение амплитуды пульсаций принимается равным R, относительная амплитуда пульсаций А — это отношение длины перемещения частицы жидкости за половину хода пульсатора в трубе к ее диаметру D: A/D = =RR/D.
Испытания по изучению влияния пульсаций на накипеобразование проводили на сырой воде, фильтрованном соке I сатурации и диффузионном соке. Как показали результаты, пульсации в значительной мере подавляют процесс накипеобразования при изменении относительной амплитуды пульсаций в пределах A/D = 4—16. Значения параметра A/D зависят от физических свойств раствора и осадка и от температурного и гидродинамического режимов работы аппарата.
Из данных табл. 17 видно, что максимальное увеличение теплопередачи в подогревателе воды наступило при f = 0,61 Гц и составило 85 %, а среднее увеличение тепловой производительности подогревателя достигло 36—58 %. После 68 сут работы пульсационный и контрольный подогреватели были вскрыты для измерения толщины и массы накипи. В пульсационном подогревателе эти величины составили 0,4 мм и 52,2 г накипи из одной трубы, в контрольном соответственно — 0,8 и 108,5 г.
17. Результаты испытаний пульсационного подогревателя при различных режимах
Скорость движения воды в теплообменнике, м/с | Частота возмущений f, Гц | Амплитуда колебаний жидкости А, мм | Кп. Вт/(м·К) | Кп/Ко | |
без пульсации | в пульсационном режиме | ||||
1,5 | 0 | 0 | 0 | 726 | 1,0 |
1,5 | 0,49 | 0,42 | 150 | 1210 | 1,66 |
1,5 | 2,11 | 0,61 | 150 | 1337 | 1,85 |
1,5 | 2,74 | 0,80 | 150 | 1320 | 1,82 |
1,5 | 4,08 | 1,18 | 150 | 1244 | 1,71 |
Накипь из пульсационного подогревателя легко отделялась от стенок и имела рыхлую структуру, в контрольном подогревателе накипь
была настолько твердой, что ее трудно было удалять даже с помощью металлических щеток.
При испытании пульсационного и контрольного подогревателей сатурационного сока в обоих подогревателях поддерживалась скорость 1,1 м/с при частоте 1,3 Гц. Величина коэффициента теплопередачи для пульсационного подогревателя в течение всего периода (72 сут) оставалась неизменной (рис. 32), а в контрольном снизилась почти в два раза.
По окончании испытаний подогреватели были вскрыты для определения толщины накипи. На теплообменных трубах контрольного подогревателя отложилась плотная накипь толщиной 0,27—0,38 мм, прочно соединенная с поверхностью металла. В пульсационном подогревателе накипь отложилась в виде тонкой стекловидной пленки толщиной 0,02—0,03 мм.
Для изучения влияния пульсаций на размыв и удаление накипи проводились испытания на обычном заводском подогревателе после переоборудования его для работы в пульсационном режиме. После 120 ч работы было установлено, что слой осадка значительно уменьшился, особенно со стороны входа жидкости в теплообменные трубы, в среднем толщина отложений снизилась с 0,35—0,40 до 0,25 мм.
Для условий подогрева диффузионного сока установлено, что при режиме с частотой f= 1,2—1,3 Гц и относительной амплитудой A/D = 67 подогреватели I группы не загорают, для II группы нагрева AID должно составлять около 80.
Очистка поверхности теплообмена проводилась через 5 сут с помощью термошока в течение 6—8 мин и последующим включением пульсатора на 40—60 мин с f= 1,2—1,3 Гц и A/D = 80.
Рис. 32. Изменение коэффициента теплопередачи во времени для пульсационного (1) и обычного (2) подогревателей (сок I сатурации).
Рис. 33. Диаграмма измерения расхода среды с помощью прерывателя:
1 — нагрев раствора; 2 — охлаждение.
Способ интенсификации теплообмена в дефлегматорах БРУ с помощью турбулизующих вставок и низкочастотных пульсаций потока охлаждающей воды был применен на Трилесском спиртовом заводе. В качестве турбулизирующих вставок были применены спирали из стальных пластин и медного провода диаметром 6 мм. Низкочастотные пульсации создавались пневмогенератором с f= 0,074 Гц при скорости движения воды 0,3—0,6 м/с. Коэффициент теплоотдачи возрастал в среднем в 1,4—1,5 раза.
Для генерации пульсаций применяются поршневой или плунжерный насосы, ротационный или клапанный прерыватели потока с гидравлическими, пневматическими или электрическими приводами. Применение дополнительных насосов в качестве побудителей пульсаций усложняет установку, делает ее громоздкой и малооперативной.
Предложен способ генерации пульсаций с помощью прерывателя, регулирующего расход потока по заданной программе [3]. Максимальный эффект интенсификации теплообмена при нагреве получен за счет чередования скачкообразного уменьшения с плавным увеличением расхода среды, а при охлаждении раствора — путем плавного уменьшения расхода с последующим скачкообразным увеличением его. График изменения расхода жидкости показан на рис. 33.
