Канд. техн. наук М. Л. ГАЛКИН,
ООО «Спектропласт»

В первой части статьи было рассмотрено влияние наличия микроорганизмов в жидкой среде (хладоносителе) на изменение гидравлического сопротивления в теплообменных аппаратах. Далее будет оценено влияние микроорганизмов в хладоносителе на теплообмен в аппаратах типа «труба в трубе» и предложены меры по стабилизации теплообмена и повышению энергоэффективости контура промежуточного охлаждения в условиях вероятного обсеменения микроорганизмами.

Изменение параметров теплообменных процессов при наличии микроорганизмов
Наличие биообрастаний, имеющих низкую теплопроводность, на поверхности теплообменника затрудняет процессы теплообмена между хладоносителем и охлаждаемой жидкостью. Для расчета этого влияния использовали тепловой баланс теплообмена через стенку трубы теплообменника [1, 3]. В первом приближении при расчетах не учитывались потери тепла в окружающую среду.
Тепловой поток Q через цилиндрическую стенку в теплообменнике типа «труба в трубе» при противоточном течении и теплоизолированной внешней трубе равен:

где K – линейный коэффициент теплопередачи;
l – длина трубы;
θ – средний температурный напор;
G1, G2 – массовые расходы охлаждаемой жидкости и хладоносителя соответственно;
ср1, ср2 – теплоемкости охлаждаемой жидкости и хладоносителя соответственно;
T1н и T1к , T2н и T2к –начальные и конечные температуры охлаждаемой жидкости и хладоносителя соответственно.
Линейный коэффициент теплопередачи К является функцией многих параметров: коэффициентов теплоотдачи хладоносителя и охлажаемой жидкости, толщины стенок теплообменника, а также толщины и теплопроводности биообрастаний.
При определении теплопроводности биообрастаний λбо исходили из того, что слой биообрастаний может рассматриваться приблизительно как слой стоячей воды без конвекции внутри слоя (либо как слой полимерного материала внутри трубы). Биообрастания в среднем на 90 % объема состоят из воды, теплопроводность которой λв = 0,56 Вт/(м·К), и на 10 % из сухой биоты, состоящей, например, для железобактерий на 90 % из окисленного железа в виде гидроксида Fe(OH)2 с теплопроводностью λFe(OH)2 = 1,2 Вт/(м·К) [2]. Теплопроводность биообрастаний, по нашим оценкам и согласно [5], при 20 °С равна приблизительно 0,6 Вт/(м·К), что на 1–2 порядка меньше теплопроводности конструкционных материалов стенки трубы [для стали Ст20, например, λст20 = 51,7 Вт/(м·К)].
Общее термическое сопротивление теплопередачи R = 1/K [1]. На рис. 4* представлены зависимости относительного термического сопротивления R от толщины биообрастаний δбо при разных режимах течения.
Видно, что при турбулентном режиме течения общее относительное термическое сопротивление гораздо чувствительнее к изменениям толщины биообрастаний, чем при ламинарном. При этом следует заметить, что в абсолютных значениях R при ламинарном режиме течения значительно выше, чем при турбулентном.

Рис. 4. Изменение относительного термического
сопротивления теплопередачи R в зависимости от
толщины биообрастаний δбо и режима течения
охлаждаемой жидкости и хладоносителя

Обобщенное влияние биофакторов на тепловой баланс КПО
На практике изменения вязкости хладоносителя, толщины биообрастаний и термического сопротивления теплопередачи влияют на работу КПО, как правило, одновременно и с разной интенсивностью. Для сохранения в теплообменнике нужного температурного режима охлаждения жидкости при наличии в хладоносителе микроорганизмов следует:
• интенсифицировать теплообмен, увеличивая массовый расход хладоносителя G2 и сохраняя постоянным расход охлаждаемой жидкости G1. При этом коэффициент теплопередачи вырастет до требуемого значения благодаря повышению коэффициента теплоотдачи хладоносителя и снизится негативное влияние сопротивления на теплообмен со стороны биообрастаний, связанное с их низкой теплопроводностью, уменьшением пропускного сечения и с повышением вязкости хладоносителя. Однако увеличение расхода хладоносителя негативно скажется на энергозатратах и износе оборудования;
• уменьшить массовый расход охлаждаемой жидкости G1, сохраняя постоянным расход хладоносителя G2. При этом снижение коэффициента теплопередачи компенсируется уменьшением общего теплового потока. Однако такой подход сокращает выход охлаждаемой жидкости с заданной температурой (производительность) и вряд ли окажется приемлемым для потребителей холода.
В качестве охлаждаемой жидкости при расчетах рассматривалось пиво, в качестве хладоносителя – 5%-ный водный раствор (по массе) пропиленгликоля. Термодинамические характеристики обеих жидкостей рассчитаны с использованием данных из [4].
Было рассчитано изменение относительного расхода хладоносителя 2 G , необходимое для поддержания температурного режима при снижении температуры охлаждаемой жидкости на 1 оС (с +3 до +2 оС) и G1 = const, в зависимости от толщины слоя биообрастаний при одновременном изменении вязкости хладоносителя и термического сопротивления. Расчет проводился для теплообменника с турбулентным и ламинарным режимами течения хладоносителя.
Полученные результаты говорят о том, что для сохранения температурного режима в теплообменнике при наличии биообрастаний на его стенках и с учетом всех факторов, влияющих на теплообмен, требуется увеличение расхода хладоносителя и мощности насосов для его перекачки.
Вязкость хладоносителя, наличие биообрастаний и вызываемое ими повышение гидравлического и термического сопротивления в теплообменном оборудовании проявляют синергизм, затрудняя эффективность теплообмена и работу КПО в целом.
Для исправления возникших проблем могут потребоваться временная остановка теплообменного оборудования, частичная его разборка и очистка.
Введение в состав хладоносителя биоцидных добавок, как показал наш практический опыт, может существенно снизить риск загрязнения его микроорганизмами и ПММ и, как следствие, стабилизировать теплообменные процессы в системе холодоснабжения предприятий.

Рис. 5. Необходимое для поддержания теплообмена
изменение относительного расхода хладоносителя 2 G
в зависимости от толщины биообрастаний δбо при
постоянном расходе охлаждаемой жидкости (G1 =
= const), ее охлаждении на 1 °С и суммарном влиянии
всех параметров: увеличении вязкости в 2 раза;
уменьшении пропускного сечения (рассчитывается);
и термического сопротивления (рассчитывается)

Таким образом:
- Влияние микроорганизмов и продуктов их метаболизма в хладоносителе в КПО на эффективность и стабильность теплообмена может оказаться существенным. При толщине биообрастаний более 1 мм такое влияние становится критическим.

-  При расчете параметров теплообмена в теплообменнике типа «труба в трубе» на модельных средах установлено, что:
• повышение вязкости хладоносителя вследствие загрязнения его микроорганизмами и ПММ существенно сказывается на росте гидравлического сопротивления хладоносителя в трубе (особенно при ламинарном режиме течения) и в меньшей степени влияет на теплообмен;
• увеличение толщины слоя биообрастаний на поверхности труб повышает гидравлическое сопротивление КПО. При толщине слоя микроорганизмов более 1 мм гидравлическое сопротивление может увеличиться на несколько порядков, особенно при турбулентном режиме течения;
• для сохранения температурного режима в КПО при наличии биообрастаний на поверхности труб требуется значительное (в разы) увеличение расхода хладоносителя, что ведет к резкому росту энергопотребления и ускоренному износу оборудования.

- Для стабилизации теплообмена и повышения энергоэффективности КПО, находящегося в условиях вероятного обсеменения микроорганизмами, хладоносители в нем должны содержать в своем составе эффективные биоцидные добавки, не допускающие роста микроорганизмов до критической массы. После 3–5 лет эксплуатации КПО требуется микробиологический мониторинг хладоносителя, а при необходимости его замена или регенерация, а также очистка контура от биообрастаний.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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.
2. Менча М.Н. Железобактерии в системах питьевого водоснабжения из подземных источников // Водоснабжение и санитарная техника. 2006. №7. С. 25–32.
3. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.А. Гуляев, Б.А. Вороненко, Л.М. Корнюшко и др. – СПб.: Изд-во «РАПП», 2009.
4. Melinder А. Thermophysical properties of liquid secondary refrigerants. Tables and Diagrams for the Refrigeration Industry, IIF/IIR. – Paris, 1997.
5. Roberge P.R. Handbook of Corrosion Engineering. McGraw-Hill, 2000. – 1128 р.