СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА УГЛЕРОДИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА СТЕНКАХ ТЕПЛООБМЕННЫХ КАНАЛОВ
METHOD TO PREVENT FORMATION AND GROWTH OF CARBONACEOUS DEPOSITS ON WALLS OF HEAT EXCHANGE CHANNELS

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам предотвращения отложений на стенках теплообменных каналов теплообменных аппаратов, и может быть применено в энергоустановках многоразового использования на жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО) различного назначения и базирования.
Известно, что теплообменные аппараты (ТА) используются с целью охлаждения или нагрева теплоносителей: «Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом» авторов Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 1999. 176 с. [1].
Недостатком данных аппаратов является подверженность при повышенных температурах осадкообразованию на стенках ТА при применении жидких УВГ и УВО в качестве одного из теплоносителей.
На осадкообразование влияют разные факторы: температура УВГ (УВО) и стенки топливоподающего (охлаждающего) канала, степень шероховатости канала, вид материала стенки канала, состав УВГ (УВО) и др. Одним из главных факторов возникновения твердого углеродистого осадка является температура 100°С и более. Осадкообразование ведет к засорению, к теплоизоляции и перегреву каналов ТА, т.е. данный процесс может привести к преждевременному выходу из строя топливоподающей и охлаждающей аппаратуры [2-6].
Известен «Способ предупреждения образования отложений в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника» авторов Михайлов Г.М., Захаров В.В., Тябин Н.В., Хворостухин В.А., Авторское свидетельство на изобретение СССР №408598; кл. F28F 19/00; Бюл. №47 от 23.12.84. [7], в котором с целью повышения экономичности псевдоожижение мелкозернистого материала, помещенного в межтрубное пространство, осуществляют с помощью жидкого теплоносителя в процессе теплообмена.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ предотвращения отложений на стенках теплообменных каналов» авторов Юрков О.И., Змушко B.C., Авторское свидетельство на изобретение СССР №754195, кл. F28F 19/00; Бюл. №29 от 07.08.80. [8], в котором путем заполнения теплообменных каналов частицами мелкозернистого материала, псевдоожижаемыми с помощью циркулирующих по каналам теплообменивающихся сред, предусмотрено предотвращение обледенения стенок каналов при использовании в качестве теплообменивающихся сред приточного и вытяжного воздуха, при этом циркуляцию вытяжного воздуха осуществляют со скоростью в 1,25-1,4 раза превышающей скорость циркуляции приточного воздуха.
Недостатком аналога [7] и прототипа [8] заявляемого изобретения является отсутствие средств и методов борьбы с углеродистыми отложениями на нагретых стенках каналов ТА, контактирующих с жидким УВГ (УВО).
Решаемой задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности борьбы с осадкообразованием и ростом углеродистых отложений на стенках теплообменных каналов при использовании в виде одного из теплоносителей жидкого УВГ (УВО).
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении эффективного способа предотвращения осадкообразования и роста углеродистых отложений на стенках теплообменных каналов, охлаждаемых жидким УВГ (УВО), являющимся одним из теплоносителей.
Технический результат достигается тем, что в способе предотвращения образования и роста углеродистых отложений на стенках теплообменных каналов путем применения двух теплоносителей с разными температурами, с регулированием их расходов, один из теплоносителей выполняют в виде жидкого углеводородного горючего (охладителя), при этом на поверхности стенок теплообменных каналов, контактирующих с жидким углеводородным горючим (охладителем), устанавливают термопары, при помощи которых определяют текущую температуру данной поверхности и поддерживают температуру до заданной, не превышающей ста градусов по шкале Цельсия, являющейся температурой начала осадкообразования, причем в этот момент для снижения температуры поверхности стенок теплообменных каналов регулирование расхода одного из теплоносителей, выполненного в виде углеводородного горючего (охладителя), производят путем увеличения скорости его прокачки при любых давлениях внутри теплообменного аппарата.
Для обеспечения интенсификации теплообмена внутри теплообменного аппарата поддерживают зону критических давлений жидкого углеводородного горючего (охладителя).
В заявляемом изобретении рассматривается способ предотвращения осадкообразования на нагретых стенках теплообменных каналов, погруженных в среду жидкого УВГ (УВО) в условиях вынужденной конвекции. Экспериментально установлено [6], что негативный процесс осадкообразования на нагретой поверхности можно предотвратить если обеспечить понижение температуры стенки до 100°С и ниже. Этого можно достичь путем регулирования массовой скорости прокачки жидкого УВГ (УВО) через ТА, а также путем создания и поддержания зоны критических давлений УВГ (УВО). Например, для жидкого УВГ (УВО) марки ТС-1 зона критических давлений находится в пределах от (1,6-2,2) МПа, а для РГ-1-(1,8-2,4) МПа. В этой зоне коэффициент теплоотдачи увеличивается в 2-3 раза за счет повышения коэффициента теплофизических свойств (ТФС) «В» [4]. Этот эффект можно использовать не только для интенсификации теплоотдачи к жидким УВГ (УВО), но и для обеспечения охлаждения нагретых стенок до необходимых температур, при которых не происходит процесс осадкообразования. Кроме того, понижается необходимость в регулировании скорости прокачки горячего теплоносителя внутри труб ТА.
Для пояснения технической сущности изобретения рассмотрим фиг.1.
На фиг.1 изображен рекуперативный кожухотрубный ТА, где
1 - кожух с размещенными внутри трубами 2; 2 - трубы; 3 - входной патрубок; 4 - трубная решетка; 5 - входной патрубок подвода жидкого УВГ (УВО); 6 - термопары; 7 - трубная решетка; 8 - выходной патрубок; 9 - выходной патрубок отвода жидкого УВГ (УВО).
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:
При подаче жидкого УВГ (УВО) через входной патрубок 5 жидкое УВГ (УВО) омывает внешнюю поверхность труб 2 и выходит через выходной патрубок 9. Другой теплоноситель подается через входной патрубок 3, проходит внутри труб 2 и выходит через выходной патрубок 8. Термопары 6 установлены на внешней поверхности труб 2.
При приближении температуры внешней поверхности труб 2 к заданной температуре 100°С (по показаниям термопар), являющейся температурой начала осадкообразования, увеличивают расход охлаждающего теплоносителя (например, УВГ (УВО) через патрубки 5, 9) с целью поддержания температуры внешней поверхности труб 2 ниже, чем 100°С. Для интенсификации теплообмена поддерживают зону критических давлений жидкого УВГ (УВО) внутри ТА. Таким образом можно предотвратить осадкообразование и дальнейший рост углеродистых отложений на нагретых поверхностях труб 2. Создание и поддержание зоны критических давлений жидкого УВГ (УВО) и регулирование его скорости прокачки снаружи труб 2 позволяет исключить необходимость регулирования скорости прокачки горячего теплоносителя внутри труб 2, т.е. практически при любом нагреве наружной поверхности стенок труб 2 в ТА они гарантированно охлаждаются до температуры ниже 100°С.
Научной новизной данного изобретения является:
поддержание температуры наружной поверхности теплообменных каналов ТА, контактирующей с жидким УВГ (УВО), не выше ста градусов по шкале Цельсия для предотвращения образования и роста углеродистых отложений на стенках теплообменных каналов, регулируя расход одного из теплоносителей в виде жидкого УВГ (УВО) при любых давлениях без необходимости регулирования расхода другого теплоносителя (внутри теплообменных каналов ТА);
поддержание зоны критических давлений жидкого углеводородного горючего (охладителя) внутри теплообменного аппарата для дополнительной интенсификации теплообмена и гарантированного охлаждения стенок теплообменных каналов до температуры не выше ста градусов по шкале Цельсия.
Применение данного изобретения позволит повысить эффективность способа предотвращения и роста отложений в различных теплообменных аппаратах на жидких УВГ (УВО) в земных и космических условиях.
Источники информации
1. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 1999. 176 с.
2. Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М., Сапгир Г.Б. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. Казань: Абак, 1999. 284 с.
3. Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Л.: Химия, 1972. 232 с.
4. Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования. Книга первая. Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та им. В.И. Ульянова-Ленина, 2005. 272 с.
5. Алтунин К.В, Гортышов Ю.Ф., Галимов Ф.М., Дресвянников Ф.Н., Алтунин В.А. Проблемы осадкообразования в энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях // Энергетика Татарстана. №2. 2010. С.10-17.
6. Алтунин К.В., Гортышов Ю.Ф., Галимов Ф.М., Дресвянников Ф.Н., Алтунин В.А. Способы борьбы с осадкообразованием в энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях. // Энергетика Татарстана. №3. 2010. С.43-51.
7. Михайлов Г.М., Захаров В.В., Тябин Н.В., Хворостухин В.А. Способ предупреждения образования отложений в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника. Авторское свидетельство на изобретение СССР №408598; кл. F28F 19/00; Бюл. №47 от 23.12.84.
8. Юрков О.И., Змушко B.C. Способ предотвращения отложений на стенках теплообменных каналов. Авторское свидетельство на изобретение СССР №754195, кл. F28F 19/00; Бюл. №29 от 07.08.80.