Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Влияние свойств поверхности и распределения потока на загрязнение поверхностей теплообмена

Покупка
Артикул: 685748.01.99
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину
Загрязнение поверхностей и коррозия являются наиболее серьезными проблемами для разработчиков и предприятий, эксплуатирующих промыш- ленное оборудование, в частности, теплообменники. В настоящей работе изучено влияние свойств поверхности (шероховатости и свободной энер- гии) на формирование кристаллических, биологических и парафиновых от- ложений, а также на процесс коррозии. Предназначена для специалистов-теплотехников, занимающихся реше- нием теоретических и прикладных задач по тепло- и массообмену. Издание может быть полезно для студентов, обучающихся по направлению "Теплоэнергетика и теплотехника", "Ядерная энергетика и технологии", "Физика".
Зеттлер, Х. У. Влияние свойств поверхности и распределения потока на загрязнение поверхностей теплообмена: Монография / Зеттлер Х.У. - Санкт-Петербург :Страта, 2014. - 44 с.: ISBN 978-5-906150-13-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/968727 (дата обращения: 22.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Х. У. Зеттлер

ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ 
ПОВЕРХНОСТИ 
И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 
ПОТОКА НА зАгРЯзНЕНИЕ 
ПОВЕРХНОСТЕЙ 
ТЕПЛООбмЕНА

СТРАТА
Санкт-Петербург
2018

Ханс Ульрих Зеттлер

ВЛИЯНИЕ  
СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ  
И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКА 
НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ  
ПОВЕРХНОСТЕЙ  
ТЕПЛООБМЕНА

СтрАтА 

Санкт-Петербург

2018

УДК 532.546:536.24
ББК 30.124:31.31
З-58

Кафедра Технологии химического производства,
Университет Суррея

Руководитель:
Профессор,  д. т. н. Х. Мюллер-Штайнхаген, член Королевской академии 
технических наук

З-58  Зеттлер Х. У. Влияние свойств поверхности и распределения потока на загрязнение поверхностей теплообмена – 
СПб.: Страта, 2014. – 44с.

ISBN 978-5-906150-13-4

Загрязнение поверхностей и коррозия являются наиболее серьезными 
проблемами для разработчиков и предприятий, эксплуатирующих промышленное оборудование, в частности, теплообменники. В настоящей работе 
изучено влияние свойств поверхности (шероховатости и свободной энергии) на формирование кристаллических, биологических и парафиновых отложений, а также на процесс коррозии. 

Предназначена для специалистов-теплотехников, занимающихся решением теоретических и прикладных задач по тепло- и массообмену.
Издание может быть полезно для студентов, обучающихся по 
направлению "Теплоэнергетика и теплотехника", "Ядерная энергетика и 
технологии", "Физика".

ISBN978-5-906150-13-4

© Hans Ulrich ZETTLER, 2002 
© Издательство «СТРАТА», 2018

Главное — не прекращать 
задавать вопросы.

Альберт Энштейн (1879‑1955)

ПредУПреждение 
о соблюдении конфиденциальности

Все результаты, изложенные в Главе VI «Снижение отложений парафина методом модификации поверхности» являются конфиденциальными 
и не могут быть использованы или опубликованы без специального разрешения BP Amoco.

Контактное лицо: Ян Маккрэкен

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
КратКое содержание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

I. введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

глава II. 
основы процесса загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Механизмы загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.2 стадии загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.3 Кривые загрязнения и скорость его роста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.5 Затраты на борьбу с загрязнениями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
2.6 Методы удаления загрязнения и смягчение его последствий . . . . .48

глава III. 
Загрязнение систем водяного охлаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1 Кристаллизационное загрязнение и кристаллизация солей . . . . . .51
3.1.1 Растворимость CaSO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
3.1.2 Водный раствор сульфата кальция  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
3.1.3 Нуклеация или зарождение центров кристаллизации . . . . . . . . . . .57
3.1.4 Рост кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
3.2 Биологическое загрязнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
3.2.1 Речная вода Рейна (Германия) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

глава IV. 
отложение парафина в оборудовании 
нефтегазовой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1 отложения парафина в трубопроводах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
4.2 Механизмы отложения парафина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
4.3 Процесс отложения парафина  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
4.3.1 Свойства парафиновых углеводородов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

4.3.2 Механизм отложения парафина в трубопроводе . . . . . . . . . . . . . . .72
4.3.3 Параметры, влияющие на отложение парафинов  . . . . . . . . . . . . . .73
4.3.3.1 Время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
4.3.3.2 Скорость потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
4.3.3.3 Температура  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
4.3.3.4 Концентрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
4.3.3.5 Примеси  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
4.3.3.6 Свойства поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
4.3.4 Старение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
4.3.5 Накопление и удаление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84

глава V. 
Характеристика поверхности и методы ее модификации  . . . . . . . 85
5.1 Краевой угол и поверхностная энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
5.1.1 Краевой угол . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
5.1.2 Поверхностная энергия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
5.2 расчет поверхностной энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.2.1 Метод Owens, Wendt, Rabel и Kaebelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.2.2 Метод Schulz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
5.3 Прибор для измерения краевых углов. Методика измерения . . . . .92
5.4 структура поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
5.4.1 Щуповый метод измерение шероховатости . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
5.4.2 Атомно-силовой микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
5.5 Методы модификации поверхности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
5.5.1 Ионная имплантация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
5.5.2 Ионное распыление/несбалансированное  
магнетронное распыление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
5.5.3 Карбонитрация и оксидирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
5.5.4 Покрытие Ni-P-ПТФЭ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
5.5.5 Метод химического осаждения из пара  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
5.5.6 Кистевая гальванотехника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
5.5.7 Модификация поверхностной шероховатости . . . . . . . . . . . . . . . .117
5.5.7.1 Электрополирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
5.5.7.2 Травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
5.5.8 Свойства поверхностей и загрязнение —  
известные на сегодня данные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119

глава VI. 
снижение отложений  
парафина методом модификации поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1 Экспериментальный стенд для исследований  
отложений парафина  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

Содержание

6

6.1.1 Экспериментальный стенд для динамических испытаний . . . . . .128
6.1.2 Приготовление раствора парафина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131
6.1.3 Подготовка к измерениям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
6.1.4 Завершение измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
6.2 результаты измерений и обсуждение методов снижения  
отложений парафина в нефтегазовой промышленности  . . . . . . . .133
6.2.1 Свойства поверхности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
6.2.2 Измерения методом «холодного пальца» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
6.2.3 Экспериментальные исследования при течении раствора . . . . . .141
6.2.3.1 Порядок испытаний  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
6.2.3.2 Влияние расхода раствора на отложение парафина . . . . . . .141
6.2.3.3 Влияние шероховатости поверхности  
на отложение парафина  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
6.2.3.4 Влияние поверхностной энергии  
на отложение парафина  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149

глава VII.  
Пластинчатые теплообменники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.1 Конструкция пластинчатых теплообменников  . . . . . . . . . . . . . . . .157
7.2 теплопередача в пластинчатых теплообменниках  . . . . . . . . . . . . .162
7.3 Потери давления в пластинчатых теплообменниках . . . . . . . . . . .164
7.4 структура потока в каналах пластинчатых теплообменников . . .167
7.5 влияние загрязнения на эффективность пластинчатых  
теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
7.6 Учет загрязнения при проектировании и эксплуатации  
пластинчатых теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170

глава VIII. 
Борьба с отложениями в пластинчатых теплообменниках  
для охлаждения воды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8.1 Экспериментальное оборудование и методика исследований . . . .173
8.1.1 Гидравлическая схема экспериментального стенда  
в университете Суррея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
8.1.2 Гидравлическая схема экспериментальной  
установки BASF AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
8.1.3 Пластинчатый теплообменник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
8.1.4 Сбор данных  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
8.1.5 Анализ погрешностей измерений на экспериментальных  
стендах с пластинчатыми теплообменниками . . . . . . . . . . . . . . . . .184
8.1.6 Приготовление раствора сульфата кальция . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
8.1.7 Определение концентрации сульфата кальция . . . . . . . . . . . . . . . .185

Содержание

8.2 результаты эксперимента и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186
8.2.1 Снижение кристаллизационного загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . .186
8.2.1.1 Условия эксперимента  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186
8.2.1.2 Поверхностные свойства пластин теплообменника . . . . . .188
8.2.1.3 Необработанные пластины теплообменника  
и воспроизводимость результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .194
8.2.1.4 Влияние угла наклона гофр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197
8.2.1.4.1 Потери давления при отсутствии загрязнений . . . . . . .197
8.2.1.4.2 Теплопередача при отсутствии отложений . . . . . . . . . .199
8.2.1.4.3 Образование отложений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201
8.2.1.5 Влияние модификации поверхности на образование  
отложений CaSO4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
8.2.1.5.1 Ионная имплантация пластин теплообменников . . . . .203
8.2.1.5.2 Ионное напыление, карбонитрация  
и оксидирование пластин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
8.2.1.5.3 Пластины с никель-политетрафторэтиленовым  
покрытием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215
8.2.1.5.4 Пластины с различной шероховатостью  
поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221
8.2.1.5.5 Загрязнение и свойства поверхности . . . . . . . . . . . . . . .224
8.2.2 Снижение биологического загрязнения пластинчатых  
теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
8.2.2.1 Перечень опытов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232
8.2.2.2 Первоначальные эксперименты  
с необработанными пластинами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233
8.2.2.3 Влияние модификации поверхностей пластин  . . . . . . . . . .235
8.2.2.4 Хлорирование воды из Рейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239

глава IX.  
Предшествующие исследования гидродинамики  
пластинчатых теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.1 результаты предыдущих исследований потока  
в пластинчатых теплообменниках  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245
9.2 Численные исследования гидродинамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247

глава X.  
Экспериментальные исследования методом  
отслеживания траектории радиоактивных частиц . . . . . . . . . . . . 256
10.1 основы метода отслеживания траектории излучающей  
позитроны частицы (PEPT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .256
10.2 Экспериментальная установка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257

Содержание

10.3 Методика испытаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .259
10.4 результаты PEPT–исследования и их анализ . . . . . . . . . . . . . . . . .259

глава XI.  
Численные исследования потока теплоносителя  
в пластинчатом теплообменнике. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265
11.1 Базовая геометрия пластины Alfa Laval M3 . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
11.2 геометрия расчетного объема и построение сетки . . . . . . . . . . . . .269
11.3 изотермический турбулентный поток в канале  
между пластинами с углами наклона гофр 60°/60°  . . . . . . . . . . . . .269
11.3.1 Численные результаты и их анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
11.4 турбулентное течение и теплообмен в каналах между  
пластинами с углами наклона гофр 30°/30° и 60°/60°  . . . . . . . . . . .277
11.4.1 Результаты численных исследований течения жидкости  
в канале между пластинами с углами наклона гофр 60°/60°  
и их анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279
11.5 исследование влияния формы рифления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294
11.5.1 Асимметричное рифление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294
11.5.2 Пластины с ячеистым рифлением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300
11.6 сравнение характеристик теплообмена, потерь давления  
и загрязнения каналов между  
пластинами различных конструкций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .307
11.7 Моделирование ламинарного потока в канале между  
пластинами Alfa Laval M3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
11.7.1 Результаты расчета и их сравнение с данными  
PEPT-анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .313
11.8 оптимизация конструкции распределительной зоны канала  
пластинчатого теплообменника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318
11.8.1 Результаты расчета и их анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319

глава XII.  
итоги исследований и дальнейшие планы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
12.1 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323
12.1.1 Исследование загрязнения пластинчатых теплообменников . . .326
12.1.2 Отложения парафина  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333
12.1.3 Коррозия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339
12.1.4 Экспериментальные и численные исследования движения  
жидкости в пластинчатом теплообменнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . .340
12.2 взгляд в будущее. Планы дальнейших исследований . . . . . . . . . .347
12.2.1 Численные и экспериментальные исследования свойств поверхности и их загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .347

Содержание

12.2.2 Расчетные и экспериментальные исследования  
по созданию пластинчатых теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . .351

сПисоК литератУры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

Условные оБоЗнаЧения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
греческие символы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .373
Безразмерные величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375
индексы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375

Приложение а. 
Борьба с коррозией в нефтегазовой промышленности . . . . . . . . . 376
A 1. Коррозия в нефтегазовой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . .376
A 1.1. Коррозия в нефтегазовой промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . .376
A 1.1.1. Причины коррозии оборудования для  
транспортировки нефтепродуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .376
A 1.1.2. Материалы, используемые в оборудовании  
для транспортирования нефти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379
A 1.1.3. Углекислотная коррозия оборудования нефтегазовой  
промышленности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .380
А 1.1.4. Борьба с коррозией с помощью ингибиторов  
и различных способов обработки поверхности . . . . . . . . . . . . .387
 
A 2. Экспериментальная установка для изучения коррозии (BP) . . . .388
А 2.1. «Карусельный» тест . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388
A 2.2. Пузырьковый тест (Bubble Test) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388
A 2.3. Электрохимические измерения коррозии  
(эксперименты с плоскими пластинами) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391
A 2.4. Образцы углеродистых сталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394
а 3.  Борьба с коррозией в нефтегазовой промышленности.  
Экспериментальные результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395
А 3.1. Регистрация экспериментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395
А 3.2. Шероховатость поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .396
А 3.3. Твердость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .397
А 3.4. «Пузырьковый тест» с использованием электродов . . . . . . . . . .398
А 3.5. «Пузырьковый тест» с плоскими пластинами . . . . . . . . . . . . . . .400

Приложение B. 
современный опыт борьбы с парафиновыми отложениями . . . . 403
B 1. средства защиты от загрязнения нефтепроводов  . . . . . . . . . . . . .403

Содержание

B 1.1. Ингибиторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404
B 1.2. Очистка труб ёршем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .406
B 1.3. Комбинированное использование ингибиторов  
и очистки ершами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .407
B 1.4. Прокачка горячей нефти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .408
B 1.5. Подогрев труб  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .409

Приложение C. 
Математическое моделирование течения 
в пластинчатых теплообменниках  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
с 1. Математическая постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410
С 1.1. Уравнение сохранения массы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .410
С 1.2. Уравнение сохранения импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .411
С 1.3. Уравнение сохранения энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .414
C 2. Уравнения движения турбулентного потока . . . . . . . . . . . . . . . . . .414
С 2.1. Прямое численное моделирование турбулентного потока . . . . .414
С 2.2. Модель больших вихрей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .415
С 2.3. Усреднение по времени параметров  
турбулентного течения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .415
с 3. Модели турбулентности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .417
С 3.1. Модель напряжений Рейнольдса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .417
С 3.2. Модель Спаларта-Альмараса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .418
С 3.3. Стандартная k-e модель  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .420
C 3.4. Модель RNG k-e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .421
с 4. Пристеночные граничные условия  
для турбулентного потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .423
С 4.1. Пристеночные функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .424
С 4.2. Пристеночная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .425
с 5. основы метода конечных элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .425
с 6. Программный пакет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .427

Приложение D. 
Математическое моделирование загрязнения пластинчатых  
теплообменников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
D 1. Моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .431
D 2. определение сопротивления загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .431
D 2.1. Результаты и их анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .434
D 3. Учет шероховатости теплопередающей поверхности  
в математической модели загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .440
D 3.1. Результаты и их обсуждение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444

Содержание

ПредиСловие

Техническое и технологическое состояние большинства предприятий 
постсоветских стран, построенных и оснащенных еще в прошлом веке, 
не соответствует рыночной экономике. Сложившаяся ситуация вынуждает 
срочно делать шаги в направлении их перевооружения. При любой задержке с обновлением парка оборудования отставание от лидеров рынка будет 
увеличиваться.
Процесс модернизации должен быть направлен на внедрение современных малозатратных технологий, их разработку и практическую реализацию 
результатов. Цель его – повышение эффективности, сокращение трудоемкости производственных процессов, оптимизация численности рабочего персонала, сокращение производственных потерь, экономия энергетических 
и трудовых ресурсов и, как следствие, снижение себестоимости продукции 
и рост ее конкурентоспособности.
Исследования, направленные на улучшение характеристик технологического оборудования, повышение его эффективности всегда будут актуальными и востребованными. К таким исследованиям, результаты которых изложены в предлагаемой вашему вниманию монографии Ханса Ульриха Зеттлера, 
относится изучение процессов загрязнения и коррозии для нахождения способов противодействия им. Эти два негативных процесса приводят к столь серьезному ущербу, что долгие годы человечество ищет пути защиты от них или 
смягчения последствий их воздействия. Исследования специалистов США 
показывают, что финансовые потери этой страны из-за коррозии составляют 
около 3% внутреннего валового продукта, потери других промышленно развитых стран не меньше. В нефтяной промышленности коррозия оборудования приводит к увеличению расходов на добычу нефти более, чем на 10%. Загрязнению и коррозии сопутствуют увеличение потребления энергоресурсов, 
высокие эксплуатационные расходы на очистку, а, главное, убытки от остановок производства. Эту проблему также следует оценивать и с точки зрения 
воздействия на здоровье и безопасность людей, на окружающую среду.
Практический опыт показывает, что профилактика требует значительно 
меньше средств, чем последующий ремонт или замена оборудования. Наилучший способ минимизировать потери, связанные с загрязнениями – это 

Предисловие

создать препятствие для их появления, поставив эту задачу перед учеными 
и конструкторами.
Автор книги провел свои исследования по двум важным направлениям: 
обоснование методов борьбы с отложениями парафина в нефтепроводах 
и загрязнением наиболее широко распространенных аппаратов, имеющихся 
в арсенале любого производственного предприятия – теплообменников.
При транспортировке высокопарафинистой сырой нефти по трубопроводам ее температура падает вследствие теплообмена с окружающей средой. 
В результате парафин начинает кристаллизоваться и осаждаться на поверхностях труб и арматуры. Наиболее серьезными последствиями этих отложений является увеличение перепада давления и снижение пропускной 
способности трубопровода. Удаление парафиновых отложений приводит 
к простою оборудования и увеличению эксплуатационных расходов. Особенно серьезны последствия при непрерывном производственном процессе; ежегодный ущерб оценивается в миллиарды долларов. Поиск новых 
методов предотвращения этого процесса или снижения его интенсивности, 
способов эффективной очистки поверхностей трубопроводов представляет 
большой интерес для нефтяной промышленности.
Широкому распространению пластинчатых теплообменников, несмотря 
на их многочисленные достоинства, мешает недостаточная изученность последствий загрязнения. Снижение интенсивности теплообмена и уменьшение проходных сечений и без того узких каналов при большой тепловой 
нагрузке на единицу площади может привести к более резкому падению 
производительности аппарата, чем загрязнение отдельных труб в кожухотрубных теплообменниках. Вследствие этого оптимизация структуры поверхности пластин с целью снижения загрязнения является благодатным 
полем деятельности разработчиков теплообменного оборудования.
К изложению результатов своей работы автор монографии подошел с академических позиций в аспекте возможного решения существующей проблемы загрязнений. Начав с базовых сведений об их классификации, временных 
стадиях процесса, его параметрах и физических моделях, существующих методах борьбы с отложениями, он постепенно подводит читателя к сути решаемой им задачи и обосновывает выбранный метод предотвращения этого негативного процесса. При этом коррозия рассматривается им, как один из видов 
загрязнения со своим индивидуальным механизмом.
Проанализировав параметры, влияющие на процесс загрязнения, он 
остановился на двух, воздействием на которые, на его взгляд, можно добиться уменьшения отложений загрязняющих веществ. Это свободная поверхностная энергия и шероховатость. Изменять величины этих параметров 
предложено с помощью модификации поверхности. Довольно большой 
по объему раздел посвящен описанию всех применявшихся технологий – 
от травления и полирования до ионного и магнетронного напыления.

Основным методом исследований, примененным автором данной книги, является экспериментальный. Опыты проводились на специальных 
стендах в университете Суррея (Великобритания) и на водоохладительных станциях BASF в Людвигсхафене (Германия). Цель их заключалась 
в нахождении таких поверхностей, которые уменьшают или полностью 
предотвращают отложения парафина и соединений кальция. Для этого 
были проведены испытания образцов из нержавеющей стали, поверхности которых обрабатывались с помощью ионной имплантации, магнетронного распыления, карбонитрации и оксидирования, электрополирования 
и травления, а также путем нанесения покрытий Ni-P-ПТФЭ. Для сравнительного анализа в качестве эталонных образцов брались образцы с необработанными поверхностями.
Изложение экспериментальной части работы построено таким образом, чтобы у читателя не оставалось сомнений в надежности проведенных 
опытов. Четко и ясно изложена процедура исследований: использовавшееся оборудование и материалы, методы и результаты его тестирования. 
С учетом необходимых деталей описан процесс подготовки и проведения 
экспериментов, измерительные приборы и принцип их работы, методы обработки данных. Особое внимание уделено вопросу воспроизводимости 
эксперимента. Располагают к доверию и упоминания об неудавшихся опытах, результаты которых не согласуются с представлениями о механизме загрязнения и вызваны случайными факторами.
При исследованиях процессов загрязнения пластинчатых теплообменников автор использовал и другой подход – расчетный, показав, что хорошо 
владеет быстро развивающимися методами вычислительной гидродинамики. Для определения полей скорости, давления, температуры в каналах 
между пластинами он задействовал коммерческий программный продукт 
и исследовал структуру потока и теплопередачу при различных рифлениях 
пластин и расположениях входного и выходного отверстий. Благодаря численному подходу, менее дорогостоящему, чем проведение экспериментальных исследований, ему удалось рассмотреть большое количество вариантов 
конструкций.
Моделируя течение теплоносителя в каналах между гофрированными пластинами с различными числами Рейнольдса, им были найдены зоны рециркуляции и области повышенных температур, наиболее подверженные образованию загрязняющих отложений. Также установлена роль угла наклона гофр 
в процессе загрязнения. Сделан ряд практических выводов, в частности, что 
с увеличением этого угла касательные напряжения на стенках уменьшаются 
при постоянной скорости потока, вероятность появления отложений вблизи 
точек контакта пластин растет с его уменьшением и др. Предложены две новые конструкции пластин с улучшенными характеристиками теплопередачи 
(с асимметричным и ячеистым рифлением), рассмотрена возможность орга
Предисловие

низации более равномерного распределения потока в каналах между пластинами с целью снижения осаждения загрязняющих веществ за счет оптимизации расположения входных и выходных отверстий.
Заслуживает внимание сравнение расчетных результатов с данными, 
полученными на экспериментальном стенде путем визуального изучения 
структуры потока с помощью PEPT-метода. Этот метод отслеживания траектории движения радиоактивных частиц не требовал прозрачности пластин 
и позволил изучить течение теплоносителя в промышленном теплообменнике. Результаты сравнения показали, что методы вычислительной гидродинамики дают возможность с достаточной точностью рассчитать теплогидравлические параметры сложных каналов и получить более детальную 
картину течения, чем экспериментальные исследования.
Автору не в полной мере удалось решить поставленную задачу. Результаты исследований подтвердили только общую тенденцию замедления загрязнения с уменьшением поверхностной энергии пластин, обработанных 
различными способами. Попытки найти зависимость массы осажденных загрязняющих веществ в виде функции величин шероховатости поверхности 
и поверхностной энергии не привели к успеху. Возможно, эта задача требует 
построения более сложных моделей загрязнения, или практические условия 
экспериментов слишком сильно отличались от теоретических.
Подводя итог, можно сказать, что остается еще большое количество требующих решения задач, связанных с процессами загрязнения технологического оборудования. Данная монография будет полезна и специалистам, 
и начинающим исследователям, которые найдут в ней много полезных сведений о гидродинамике и теплопередаче в условиях образования загрязняющих отложений, методах борьбы с ними, способах модификации поверхностей, методах экспериментальных измерений. С другой стороны, в ней 
намечены направления дальнейших исследований, как фундаментальных 
по уточнению механизмов загрязнения, адгезии, коррозии, так и прикладных по разработке конструкций технологических установок. Приложенные 
усилия должны привести к созданию высокоэффективного незагрязняющегося оборудования.
К достоинствам монографии следует отнести обширный перечень ссылок на публикации по рассматриваемым вопросам, а также изобилие иллюстраций: фотографий, схем, диаграмм, помогающих лучше понять излагаемый материал.

к. т.н., ученый секретарь 
Института энергетики Национальной академии наук Беларуси  
А. П. Ахрамович

Предисловие

Доступ онлайн
300 ₽
В корзину