Биообрастание как фактор снижения эффективности теплообмена. Часть 1

Галкин М. Л., канд. тех. наук, зам. ген. директора ООО «Спектропласт»

В процессе эксплуатации системы холодоснабжения с контуром промежуточного охлаждения (КПО) возможно заселение его микроорганизмами, жизнедеятельность которых способна изменить состав и вязкость хладоносителя, образовать на внутренних стенках труб слои биообрастаний и в итоге повысить гидравлическое и термическое сопротивление теплообменного оборудования. Статья посвящена расчетной и эмпирической оценке влияния этих изменений под действием микроорганизмов на эффективность и стабильность теплообмена в КПО. Установлено существование критической толщины слоя биообрастаний (1 мм), при превышении которой резко растет (на несколько порядков) гидравлическое сопротивление в трубах. Отмечено ухудшение теплопередачи при наличии биообрастаний из-за их низкой 
теплопроводности (на 1–2 порядка меньше, чем у материала труб). 

Приведены возможные методы поддержания температурного режима КПО в условиях биообрастаний, а также способы ограничения их негативного влияния (специальные добавки в хладоноситель, его регулярный мониторинг после 3–5 лет работы, регенерация или замена хладоносителя). 

Ключевые слова: хладоноситель, биообрастания, гидравлическое и термическое сопротивления в теплообменнике, вязкость хладоносителя, эффективность теплообмена. 

Выбрав систему холодоснабжения с контуром промежуточного охлаждения (КПО), большинство потребителей холода рассматривают его как 
устойчивый, мало изменяющийся со временем, а потому не требующий особого внимания сегмент оборудования. Это ошибочное мнение, так как практика показала, что при длительной (5 и более лет) эксплуатации КПО существенно меняется состояние как хладоносителя, так и стенок оборудования. 
Изменения свойств хладоносителя в КПО могут происходить из-за накопления в нем продуктов коррозии, а также микроорганизмов и продуктов метаболизма микроорганизмов (ПММ), которые повышают вязкость, изменяют рН и взаимодействуют с присадками хладоносителя [1], в ряде случаев снижая эффективность этих функциональных присадок. 
Изменение состояния стенок оборудования обусловлено коррозионным воздействием хладоносителя и микроорганизмов на металл (появлением язв и шероховатостей); накоплением на внутренней поверхности КПО слоев продуктов коррозии и биообрастаний. 
Отложения накипи и биообрастания на внутренних поверхностях теплообменных труб приводят к сужению их пропускного сечения, изменяя гидродинамические режимы работы оборудования. Кроме того, осадок на стенках теплообменников оборудования, который имеет существенно меньшие значения коэффициента теплопроводности, чем трубы, приводит к ухудшению теплообмена в КПО. 
В статье оценивается, как изменяются под воздействием микроорганизмов отдельные факторы, влияющие на эффективность теплообмена в КПО, а именно: его гидродинамическое сопротивление (при изменении вязкости хладоносителя и уменьшении пропускного сечения из-за биообрастаний) и интенсивность теплообмена через стенку теплообменника (как функция от толщины и теплового сопротивления биообрастаний), а также рассматривается обобщенное влияние вышеперечисленных факторов на тепловой баланс в контуре. 

Изменение гидродинамических параметров теплообменника при наличии микроорганизмов 
Согласно [4] многие виды микроорганизмов оставляют на поверхности труб ПММ – плотные слизистые скопления, обладающие высокой механической прочностью и не смываемые потоком жидкости. С ростом толщины слоя биообрастаний гидродинамические условия в теплообменнике могутменяться из-за уменьшения пропускного сечения труб. 
В качестве модели для расчета изменения параметров гидродинамических и тепловых процессов из соображений наглядности и применимости на практике выбран теплообменник типа «труба в трубе» (рис. 1) серии ТТОН, выпускаемый по ТУ-3612-014-002203302–99. 
Рост вязкости хладоносителя связан с накоплением в нем как самих микроорганизмов, так и ПММ. Согласно [1, 4] среди многих видов микроорганизмов, поражающих системы водоснабжения и теплообмена, наиболее быстрорастущими являются бактерии рода Pseudomonas и грибы рода Aspergillus, а продукты их жизнедеятельности (гетерополисахариды и органические кислоты) способны увеличивать вязкость жидкости в несколько раз [1, 5]. 
Динамическая вязкость хладоносителя ? при наличии в нем ПММ зависит в том числе и от условий течения хладоносителя в трубе. В результате 
проведенных опытов на трубах разного диаметра получено уравнение зависимости эмпирической динамической вязкости хладоносителя ? от концентрации в нем микроорганизмов и количества продуктов их метаболизма: 

(1) 

где ?0 – динамическая вязкость хладоносителя без микроорганизмов; Аi – поправочный коэффициент, измеренный в процессе опытов для некоторых видов микроорганизмов и ПММ; Ci – концентрация в хладоносителе микроорганизмов определенного вида. 
Повышение вязкости хладоносителя (даже приотсутствии слоя биообрастаний на поверхности труб) оказывает отрицательное влияние на гидравлическое сопротивление в теплообменнике. Результаты вычислений с использованием формул Вейсбаха-Дарси, Альтшуля [2, 3] и формулы (1) приведены на рис. 2, из которого видно, что наиболее сильное влияние на гидравлическое сопротивление потока оказывает повышение вязкости при ламинарном режиме течения жидкости. 
Гидравлическое сопротивление h прямого участка трубы (в режимах ламинарного и турбулентного течений при постоянной вязкости хладоносителя) согласно [2, 3] находят по уравнению 

(2) 

где ?2 = f(Re) – гидравлический коэффициент трения, зависящий от режима течения жидкости [2, 3]; 
Re – критерий Рейнольдса; 
l – длина участка, на котором измеряется сопротивление; 
D2 = d2внутр – (d1 + 2?бо) – условный диаметр пропускного сечения трубы; 
v2 = G2 /(S2?2) – средняя скорость потока хладоносителя; 
S2 – площадь пропускного сечения; 
?2 – плотность хладоносителя; 

Рис.1: 

 
Увеличить 

Рис. 2. Изменение относительного гидравлического 
сопротивления h хладоносителя при 20 °С в 
зависимости от относительной вязкости ? и режима 
течения хладоносителя* 
 
* Здесь и в дальнейших расчетах используются величины 
параметров, отнесенные к их значениям в случае чистого 
хладоносителя и контура без обрастаний, т.е. относительные 
вязкость, гидравлическое сопротивление и т.д. Это наглядно 
и удобно при оценке влияния того или иного фактора на 
процессы в КПО. 

Рис. 3. Зависимость относительного гидравлического 
сопротивления хладоносителя h от толщины 
биообрастаний и режима течения при постоянном 
расходе и различной относительной вязкости 
хладоносителя ? 
 

g – коэффициент, численно равный ускорению свободного падения 9,81 м/с2. 
Внутренний диаметр наружной трубы d2внутр, по которой течет хладоноситель, и площадь пропускного сечения S2 уменьшаются вследствие нароста биообрастаний (см. рис. 1): 

 

При биообрастании происходит уменьшение пропускного сечения, а также увеличение вязкости хладоносителя. Для расчетов гидродинамического сопротивления принимаются: наружные диаметры труб внутренней d1 = 25 мм, наружной d2 = 57 мм, толщина стенок труб ?ст = 3 мм, материал – сталь Ст20. 
В первом приближении считаем, что биообрастание происходит только в виде сплошной равномерной по толщине пленки на поверхностях стенок наружной и внутренней труб, соприкасающихся с хладоносителем (см. рис. 1). 
Результаты расчета относительного гидравлического сопротивления даны на рис. 3. Значение h растет при увеличении вязкости хладоносителя и толщины биообрастаний, причем влияние их толщины на гидравлическое сопротивление хладоносителя прослеживается сильнее при ламинарном режиме течения. Из рис. 3 видно, что увеличение гидродинамического сопротивления происходит примерно одинаково в обоих режимах течения до некоторой критической величины толщины биообрастаний (около 1 мм). В ходе дальнейшего роста толщины биообрастаний при условии сохранения расхода хладоносителя (G2 = const) происходит значительное увеличение гидравлического сопротивления, связанное с ростом гидравлического коэффициента трения потока хладоносителя и с уменьшением пропускного сечения. 

Увеличение гидравлического сопротивления, вызванное как ростом толщины биообрастаний, так и повышением вязкости хладоносителя, ведет к бoльшим энергозатратам на перекачку хладоносителя и нагрузкам на насосное оборудование и его ускоренному износу. 


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
1. Генель Л.С., Галкин М.Л. Микробиологическая безопасность систем охлаждения и кондиционирования воздуха // Холодильная техника. 2009. № 2. 
2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учеб. для вузов. – Изд. 2-е. В 2-х кн.: Ч. 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. – М.: Химия, 1995. 
3. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.А. Гуляев, Б.А. Вороненко, Л.М. Корнюшко и др. – СПб.: Изд-во «РАПП», 2009. 
4. Little B.J., Lee J.S. Microbiologically Influenced Corrosion. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. – New Jersey, 2007. 
5. Verhoef R.P. Structural Characterisation and Enzymatic Degradation of Exopolysaccharides involved in Paper Mill Slime Deposition. – Ph.D. thesis Wageningen University, the Netherlands, 2005-01-04. 

.