Problematika usadenín vo výmenníkoch tepla

Usadeniny spôsobujú pri prevádzke výmenníkov tepla v rámci technologických procesov každoročne veľké národohospodárske škody, preto by sa tejto problematike mala venovať náležitá pozornosť.

Tvorbou usadenín na teplovýmenných plochách výmenníkov tepla sa nezhoršujú len prenosové vlastnosti, ale aj hydraulické pomery, ktoré vplývajú na prevádzku celých procesných liniek alebo sústav zapojení. V technickej praxi nie je ľahké a ani jednoduché odstrániť takto vzniknuté prevádzkové komplikácie, preto by malo byť úlohou projektanta, resp. konštruktéra vyrovnať sa s touto problematikou už pri návrhových výpočtoch výmenníkov tepla.

Pod pojmom výmenník tepla sa rozumie energetické zariadenie, ktoré pracuje na princípe výmeny tepelnej energie medzi dvomi alebo viacerými teplonosnými látkami s rôznymi teplotami a fázami. Podľa spôsobu výmeny tepla sa rozlišujú tri základné druhy tepelných výmenníkov – rekuperačné, regeneračné a zmiešavacie –, pričom každý typ charakterizuje iná oblasť prevádzkového alebo technologického použitia.

Výmenníky tepla sa využívajú v rozličných oblastiach energetiky, potravinárstva, chemického priemyslu a pod. Nezastupiteľnú úlohu majú predovšetkým v oblasti vykurovania a prípravy teplej vody. V ostatnom období vytrvalo stúpa ich význam pri spätnom získavaní tepla a rekuperácii, ktoré súvisia s vetraním a klimatizáciou administratívnych, občianskych alebo bytových objektov. Prenos tepla pritom veľmi často sprevádza aj prenos hmoty. Podobne ako iné energetické zariadenia, aj výmenníky tepla zápasia pri svojej prevádzke s problémami, medzi ktoré patrí najmä vznik usadenín na teplovýmenných plochách. Tie následne negatívne ovplyvňujú nielen prenos tepla, ale aj hydraulické pomery v prevádzkových sústavách alebo pri technologických procesoch.

Vznik usadenín a ich odstraňovanie

Usadeniny sú produktom procesov zanášania, ktoré prebiehajú v rámci výmen tepla na teplovýmenných plochách. Tvoria ich najmä nečistoty, ktoré sú unášané v prúdiacich teplonosných látkach a pri splnení niektorých nežiaducich podmienok sa usádzajú. Samotný proces vzniku usadenín ovplyvňujú predovšetkým tieto parametre:

Materiál a povrchová úprava teplovýmenných plôch

Použitý materiál a jeho povrchová úprava výrazným spôsobom ovplyvňujú proces vzniku usadenín. Uhlíkové ocele sú lacné, sú však veľmi náchylné na koróziu. Meď a jej zliatiny dobre odolávajú korózii, často ich však napádajú organizmy, ktoré spôsobujú biologické zanášanie. Nehrdzavejúca oceľ a titán sú takisto odolné proti korózii, ich nevýhodou je zase vysoká cena. Sklo, grafit alebo teflon sú chemicky takmer nereaktívne, výborne sa čistia, sú však drahé a vyznačujú sa aj nízkou tepelnou vodivosťou. Na efektívnejší prenos tepla medzi povrchom teplovýmennej plochy a prúdiacou teplonosnou látkou sa odporúča čo najdrsnejší povrch. Čím sú však teplovýmenné plochy výmenníkov tepla drsnejšie, tým ľahšie na nich vznikajú usadeniny.

Geometria teplovýmennej plochy

Geometria teplovýmennej plochy značne ovplyvňuje rýchlosť vzniku usadenín a stupeň zanesenia výmenníka. Geometriu je nevyhnutné voliť podľa druhu prúdiacich teplonosných látok a prevádzkového využitia tepelného výmenníka.

Teplota povrchu teplovýmennej plochy

Vo všeobecnosti platí, že čím je vyššia vnútor­ná povrchová teplota teplovýmennej plochy, tým intenzívnejšie budú vznikať usadeniny. Pri vyššej teplote prebiehajú chemické reakcie rýchlejšie, zrýchľuje sa vznik biologických usadenín, zvyšuje sa riziko výskytu korózie a objavuje sa aj možnosť pripekania sa vznikajúcej usadeniny na teplovýmenné plochy.

Rýchlosť prúdenia pracovných teplonosných látok

Platí závislosť, podľa ktorej sa so zvyšujúcou rýchlosťou prúdiacej teplonosnej látky znižuje schopnosť vzniku usadenín. Ak je rýchlosť prúdiacej teplonosnej látky nízka, nečistoty sa rýchlejšie usádzajú na teplovýmenných plochách a vznikajú usadeniny. Naopak, pri rýchlom prúdení teplonosných látok sa nečistoty nestihnú na stenách výmenníkov tepla zachytiť a zanášanie sa tak výrazne znižuje.

Vlastnosti pracovných teplonosných látok

Najvýznamnejší vplyv na vznik usadenín má, samozrejme, samotná teplonosná pracovná látka a jej chemické a mechanické vlastnosti (viskozita, hustota a pod.).

Niektoré teplonosné látky nemajú veľkú tendenciu tvoriť usadeniny, iné môžu spôsobiť silné zanášanie výmenníkov. Veľmi dôležitá je aj čistota teplonosnej pracovnej látky, pretože sa usádzajú práve nečistoty a pevné látky rozpustené v teplonosných pracovných látkach.

Druh a typ výmenníka tepla

Voľba určitého druhu a typu výmenníka tepla je základným návrhovým predpokladom na dosiahnutie požadovaných prevádzkových parametrov technologického procesu. Usadeniny vznikajú najčastejšie pôsobením týchto vplyvov:

• sedimentácia,
• kontinuálne usadzovanie,
• chemická reakcia,
• kryštalizácia a precipitácia, 
• mráz,
• korózia,
• biologické procesy, 
• kombinácia rôznych vplyvov.

Podľa toho, čo pôsobilo na vznik usadenín, podľa technologického procesu a druhu výmenníka tepla sa následne volia rôzne metódy na odstraňovanie týchto usadenín.

Metódy čistenia výmenníkov tepla

Tieto metódy sa rozdeľujú do dvoch základných skupín:
Online metódy čistenia:

• vodná dýza,
• ultrazvukové čistenie,
• chemické čistenie,
• ostatné metódy.

Offline metódy čistenia:

• manuálne mechanické čistenie,
• čistenie pieskom,
• čistenie vodou,
• ostatné metódy.

Pred niekoľkými rokmi sa v zahraničí objavila nová metóda [5] na stanovenie kritického množstva usadenín na určitom paneli výmenníka tepla, na určenie miesta so zvýšeným výskytom korózie alebo s už vzniknutým otvorom v doske. Metódou možno priamo pomocou zmesi plynu vháňaného do výmenníka tepla lokalizovať dané miesto a následne ho rozobrať a opraviť, vymeniť panel alebo ho vyčistiť. Túto metódu však možno použiť len v prípade rozoberateľných panelových výmenníkov tepla.

Vplyv usadenín na prenos tepla

V technickej praxi sa vyskytujú tri základné fázy prenosu tepla, a to pevná, kvapalná a plynná. Vo výmenníkoch tepla sa môže teplo prenášať medzi fázami v ľubovoľnej kombinácii. Najčastejšie ide o tieto prípady:

Kvapalina – kvapalina
Prenos tepla medzi kvapalinami sa využíva zväčša v priemyselných výmenníkoch tepla. Ide predovšetkým o rúrové a rúrové špirálové výmenníky alebo o panelové a špirálové panelové výmenníky. Prenos tepla medzi teplonosnou pracovnou látkou a teplovýmennou plochou ovplyvňuje súčiniteľ prestupu tepla α. Vo všeobecnosti platí, že prestup tepla medzi teplonosnou látkou (kvapalinou) a stenou prenosu tepla je niekoľkonásobne vyšší ako medzi plynom a tou istou stenou prenosu tepla.

Kvapalina – plyn
Vzhľadom na odlišné hodnoty súčiniteľov prestupu tepla pri kvapalinách a plynoch sa odporúča, aby bol povrch teplovýmennej plochy na strane plynu x-krát väčší ako na strane kvapaliny. To sa v technickej praxi dosahuje rebrovaním (vnútorné alebo vonkajšie), prípadne inou povrchovou úpravou teplovýmennej plochy.

Plyn – plyn
Použitím výmenníka tepla na prenos tepla medzi plynmi sa zabráni ich miešaniu. Na dosiahnutie najväčšieho prenosu tepla sa používajú čo najväčšie teplovýmenné plochy so značným rebrovaním. Tento typ výmeny tepla sa využíva najčastejšie v rekuperátoroch tepla.

Pevná látka – kvapalina/plyn
Tento typ prenosu tepla sa vyskytuje predovšetkým v prípade vzniku tepla priamo v pevnej látke. Toto teplo sa odovzdáva cez výmenník tepla do kvapaliny alebo plynu. V technickej praxi môže ísť napríklad o chladenie mikroprocesorov osobných počítačov.

Prenos tepla pri zmene fázy
K takémuto typu prenosu tepla dochádza vo výparníkoch alebo kondenzátoroch. Jedna teplonosná pracovná látka máva zväčša nemennú fázu, druhá teplonosná pracovná látka mení vplyvom dodávania alebo odoberania tepla svoju teplotu alebo skupenstvo.

Časový priebeh vzniku usadením

Prenos tepla vo výmenníkoch tepla ovplyvňuje do značnej miery časový priebeh vzniku usadenín. Tepelný odpor vznikajúcej usadeniny Rf, vyjadrovaný najčastejšie ako súčiniteľ zanášania fR, sa uvádza na každej procesnej strane teplovýmennej plochy výmenníka tepla, kde možno očakávať vznik usadeniny. Určiť tento súčiniteľ tak, aby približne zodpovedal reálnemu priebehu technologického procesu, je veľmi ťažké, lebo ide o statickú veličinu, zatiaľ čo niektoré procesy vzniku usadenín predstavujú dynamické deje. Hodnoty súčiniteľa zanášania fR sa pri väčšine bežných priemyselných pracovných teplonosných látok uvádzajú v tabuľkách. Uvedené hodnoty však vždy nevystihujú realitu, pri niektorých dejoch sú vysoké a naopak, pri iných operáciách zase veľmi nízke. Je to spôsobené tým, že tieto hodnoty nezohľadňujú dostatočne niektoré parametre, ktoré proces vzniku usadenín významne ovplyvňujú (napríklad teplota, rýchlosť prúdenia teplonosných látok a pod.). Číselné hodnoty súčiniteľa zanášania fR nezahrnujú ani časovo premenný charakter vznikajúcich usadenín. Vzhľadom na tieto nepresnosti sa pri návrhu výmenníkov tepla v praxi často teplovýmenná plocha ešte zväčšuje, čo vedie k vyšším prevádzkovým nákladom.

Na obr. 2 je znázornený časový priebeh vzniku usadeniny na teplovýmenných plochách výmenníka tepla. Je zrejmé, že pri dosiahnutí ustáleného stavu už ďalšie usadeniny nevznikajú. Prevádzka výmenníka tepla je však v tomto stave veľmi neefektívna, preto je ne­vyhnutné vhodnou metódou vyčistiť jeho tep­lovýmenné plochy alebo ho vymeniť za nový.

Pri návrhu výmenníka tepla na prenos tepla býva vznik usadeniny spôsobený procesmi zanášania vo výpočte najčastejšie už zohľadnený uvedeným súčiniteľom zanášania fR alebo odporom usadeniny Rf.

Tepelný výkon výmenníka tepla Q sa vo všeobecnosti určí podľa vzťahu

Q = U_R . A₀ . ∆θ_s  (W)    (1)
kde    UR    je    súčiniteľ prechodu tepla zahŕňajúci vplyv súčiniteľa zanášania fR (odporu usadeniny R_f) (W/(m² . K)),
    A₀    –    celková teplovýmenná plocha (m²),
    ∆θ_s    –    stredný rozdiel teplôt prúdiacich tekutín vo výmenníku tepla (K).

Odpor usadeniny Rf sa určí podľa vzťahu

Rf = 1/UR – 1/U0  (m² . K/W)    (2)

kde    U0    je    súčiniteľ prechodu tepla bez vplyvu súčiniteľa zanášania f_R (W/(m² . K)).

Odpor usadeniny Rf má negatívny vplyv na nadmerné zväčšenie teplovýmenných plôch výmenníkov tepla, veľkosť a hmotnosť celého zariadenia a zároveň na rastúce prevádzkové náklady.

Záver

Vznik usadenín pri prevádzke výmenníkov tep­la je nežiaduci jav, ktorý spôsobuje nielen zní­ženie prenosu tepla a zhoršenie hydraulických pomerov prejavujúcich sa vo zvýšení prevádz­kových nákladov, ale aj celkovú nehospodárnosť celého technologického procesu. V tech­nických výpočtoch sa veľmi často používajú hodnoty tepelných odporov usadenín, ktoré nezodpovedajú skutočnosti a ktoré sa získali z nehospodárne prevádzkovaných sústav. Sta­noveniu hodnôt súčiniteľov zanášania treba venovať veľkú pozornosť s ohľadom na druh a typ navrhnutého výmenníka tepla, vlastnos­ti prúdiacich teplonosných pracovných látok a v neposlednom rade na možnosti voľby vhodnej čistiacej metódy pri odstraňovaní vzniknutých usadenín – či už počas prevádzky výmenníka tepla, alebo pri jeho odstavení.

Dr. Ing. Milan Kubín
Autor pôsobí v Ústave technických zariadení budov Stavebnej fakulty VUT v Brne.
Recenzoval: doc. Ing. Ján Takács, PhD.
Obrázky: autor

Literatúra
1.    Kubín, M.: Zanášení deskových výměníků v soustavách vytápění a přípravy teplé vody.
In: CHEMAGAZÍN, ročník XXIII, 2013, č. 1.
2.    Kubín, M.: Návrh matematického modelu simulace procesů zanášení deskových výměníků. Brno: Ústav TZB, FS VUT, 2012.
3.    Ostrezi, J.: Tepelné výměníky a problematika jejich zanášení. Bakalárska práca. Brno: FSI VUT, ÚPEI, 2009.
4.    APV. Principles of Plate Heat Transfer in Parafloows. APV Baker AS. Demark.
5.    Prospektové materiály, firma RESOM GmbH, Rakúsko.

Článok bol uverejnený v TZB Haustechnik.