Влияние свойств поверхности и распределения потока на загрязнение поверхностей теплообмена

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