Процессы и динамика загрязнения

Проблемы загрязнения оборудования

При работе любого теплообменного оборудования на его поверхностях образуются загрязнения. Они выпадают из теплоносителей, которые протекают в оборудовании (вода, нефтепродукты, жидкие металлы и т.д.).

Теплообменное оборудование по взаимодействию греющей и обогреваемой сред можно разделить на следующие типы:

- поверхностный;

-смешивающий.

Теплообменники смешивающего типа используются не столь широко, в основном в системах регенерации. В них обычно загрязняется внутренняя поверхность корпуса, что не представляет большой опасности и на интенсивность теплообмена не влияет.

Теплообменники поверхностного типа между греющей и обогреваемой средой имеют разделительную стенку. Из-за загрязнения теплообменных поверхностей снижается коэффициент теплопередачи.

В зависимости от качества используемых сред изменение термических сопротивлений отложений от времени может быть представлено четырьмя характерными кривыми: (рис. 9.1) [19].

Рис. 9.1. Характерные кривые, описывающие загрязнение теплообменника в течение времени: 1 – линейная для систем с высоким содержанием солей до 30 Г/л (морская или океаническая вода); 2 – изгибающаяся для воды со средним солесодержанием до 5 Г/л (вода устьев рек); 3 – экспоненциальная и 4 – пилообразная для пресной воды с низким солесодержанием 500 мГ/л (вода рек, озер)

Все эти кривые наблюдаются в системах технического водоснабжения [20]. Например, в Цимлянском водохранилище солесодержание колеблется от 70 до 100 мГ/л. Из приведенного графика следует, что основной вклад в образование отложений вносят содержащиеся в воде соли.

9.1.1. Состав отложений. Источником формирования отложений в теплообменном оборудовании являются:

- растворенные в воде соли;

- взвешенные вещества (частицы размером от 1 до 15 мкм, содержащие в воде песок, ил и т.д.);

- микроорганизмы, размеры которых колеблются от 1 до 1 мм; характеризуются общим микробным числом (ОМЧ);

- продукты коррозии металла оборудования и систем.

Растворенные соли, содержащиеся в воде, выпадают на теплообменную стенку только в случае образования в потоке условия перенасыщения, в результате которого происходит кристаллообразование непосредственно в потоке (микрокристаллы 0,5-0,7мкм) либо непосредственно на теплообменной стенке.

Такие соли называются солями жесткости (СаСО₃, Мg₂СО₃). Они имеют отрицательную растворимость от повышения температуры, т.е. у большинства солей при повышении температуры растворимость увеличивается, а у этих солей она уменьшается (рис. 9.2).

а) б)

Рис. 9.2. Растворимость солей и газов в зависимости от

температуры; а – растворимость солей; б – растворимость газов

Как видно из рис. 9.2,а для CaCO₃ и CaSO₄ - отрицательная зависимость растворимости от температуры, а для CaCl₂ – положительная.

Зависимость растворимости углекислого газа от температуры также отрицательна, т.е. при повышении температуры растворимость снижается (рис.9.2,б). Например, при 20^оС и атмосферном давлении для СаСО₃ насыщенная концентрация C_S» 6 - 12 мг/л, при том, что в Цимлянском водохранилище содержится до 36 мг/л Са в различных формах. В морской воде содержание солей жесткости может достигать до 300 мг/л.

Опыт эксплуатации теплообменного оборудования показывает, что теплообменники, работающие на морской воде, интенсивнее загрязняются солями и в некоторых случаях ресурс между очистками составляет

20 часов.

Необходимо отметить, что не все соли Са и Mg имеют такую зависимость от температуры и такой уровень насыщения. Например, СаCl₂ и CaSO₄ имеют растворимость насыщения при атмосферных условиях на два порядка выше и достигают уровня C_S» 800-1200 мг/л.

До настоящего времени механизм образования микрокристаллов из пересыщенного раствора полностью не изучен. В технической воде содержание взвешенных частиц может быть различным как по количеству, так и по размерам. Все их можно разделить на три основных диапазона размеров:

- песок - размер частиц 50 - 300 мкм и до 1500 мкм;

- ил – размер частиц 10 - 50 мкм. Ил основная составляющая отложений, он является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов;

- частицы размером менее 10 мкм, в том числе и микрокристаллы солей, выпадающие из раствора с размерами 0,3-0,5 мкм, а также другие частицы.

Например, микроорганизмы – 0,3 ¸ 10 мкм, вирус гриппа - 7 мкм, эритроциты крови человека – 5 мкм, частицы дыма – 0,03 мкм.

Содержание взвешенных частиц, в зависимости от времени года также изменяется (табл. 9.1.).

Таблица 9.1

Содержание взвешенных частиц, в зависимости от времени года

d частиц, мкм	Осень – зима (%)	Весна – лето (%)
100 - 500 менее 50	34 - 36 58 - 62	20 - 22 75 - 78

Природная вода содержит дисперсные частицы в широком диапазоне размеров. Дисперсность частиц может изменяться от времени года. Кроме этого, спектр дисперсности частиц по различным рекам отличается (табл. 9.2.).

Таблица 9.2

Содержание частиц в процентах

Источник	Размер частиц, мкм
100-50	50-10	Менее 10
Р. Днепр Р. Дон	20-36 5-10	18-27 10-20	38-50 70-80

Взвешенные частицы, как правило, являются основой для образования отложений; они становятся центрами кристаллизации для солей и образования мицелл.

Мицелла – коллоидное образование дисперсной частицы с ионами раствора.

Начальную стадию механизма образования отложений можно представить в следующем виде. Вокруг микроорганизмов или дисперсных частиц образуются мицеллы, которые в потоке воды случайным образом сталкиваются между собой (слипаются) с образованием коллоидной желеобразной частицы сферической формы. Размеры этих частиц за счет ассоциации ионов становятся значительными и при взаимодействии с потоком подвержены осаждению с большой вероятностью (рис.9.3.).

Рис. 9.3. Структура и динамика образования отложений (начальная стадия- образование желеобразного слоя)

Таким образом, из пресной воды таких рек, как Дон, Днепр линейная скорость образования отложений на трубах из латуни и медно-никелевого сплава составляет 0,6 - 1,2 мм/год.

В каждом водоеме, вода которого используется для охлаждения в системах тепловых станций, содержание микроорганизмов в воде изменяется в течение года, причем в холодное время или в холодных климатических поясах содержание микроорганизмов сводится к минимуму.

Как правило, благоприятная температура для большинства микроорганизмов составляет 15 - 30^о С. В зимний период, в холодное время, содержание микроорганизмов на литр воды составляет

15 - 10 млн.штук, а в летнее время 6 - 20 млн. штук.

Для систем технического водоснабжения опасными являются микроорганизмы, благоприятная температура которых находится в пределах 10 - 25^о С. Например, рачок Дрейсена, размеры которого 0,2-2мм своими колониями покрывает внутреннюю поверхность трубопроводов.

Существуют микроорганизмы, для которых благоприятными являются температуры в пределах 60 - 80^о С. Они существуют в системах горячего водоснабжения. Одним из средств борьбы с микроорганизмами является повышение температуры и прогревание при 80 - 120^о С.

9.1.2. Механизм образования отложений. Он включает в себя пять основных процессов[21]:

1. Образование микрокристаллов солей, их рост или коагуляция с дисперсными частицами в более крупные коллоидные соединения. Скорость роста образующихся в потоке кристаллов мала, но они успевают вырасти до значительных размеров. Так, например, в конденсаторе турбины при w = 1 м/с на длине 9 м частица вырастает от размеров микрокристалла 0,3 - 0,6 мкм до 3 – 5 мкм.

2. Доставка материала отложений к стенке. На каждую дисперсную частицу в потоке действуют различные силы (силы тяжести, силы Архимеда, динамический напор потока и т.д.). Они и способствуют доставке (осаждению) материала.

3. Закрепление. Оседающие частицы могут закрепляться под действием электрохимических сил (химические, ионные, молекулярные связи).

4. Удаление или естественный смыв. На образующиеся отложения постоянно со стороны потока действует сила, создающая смывное касательное напряжение. Если энергетические связи осевших частиц меньше энергии смыва, то частицы будут смыты обратно в поток.

5. Старение отложений. В процессе работы накопленные отложения могут подвергаться упариванию, рекристаллизации солей, при этом они уплотняются. Например, СаСО₃ имеет более тридцати кристаллических форм, имеющих различные свойства (теплопроводность, плотность и др.). Наиболее распространенные кальцит и арагонит (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Структура образующихся отложений (конечная стадия):

1 – коллоидный желеобразный слой (рыхлая дюна); 2 – фронт кристаллизации(спекание и упаривание отложений); 3 – упрочненные отложения

Все эти слои имеют различные теплофизические свойства. Смыву подвергается верхний слой. За счет смыва этого слоя можно объяснить пилообразный характер процесса загрязнения (см. рис. 9.1).

9.1.3. Силы, действующие при образовании отложений. На взвешенные дисперсные частицы в потоке воды действуют следующие силы:

- тяжести

где -объем частицы;

-диаметр частицы; m-масса частицы; -плотность частицы.

- Архимеда

,

Эти силы действуют по одной оси и потому их разница будет иметь вид:

;

где -плотность воды;

- динамического воздействия потока

,

где -скорость потока;

S_ч – поперечное сечение частицы, м²;

-коэффициент сопротивления частицы потоку;

;

- воздействия на частицу турбулентных пульсаций.

Все эти силы могут быть объединены в результирующую силу, которая представляет собой их векторную сумму:

.

По оси силы` в противоположном ей направлении действует сила сопротивления

,

где u_ч - скорость частицы в этом направлении; -динамическая вязкость потока.

Кроме указанных, на частицу действуют силы электростатического взаимодействия и другие силы слабых взаимодействий коллоидных систем. Расчетной математической модели процесса осаждения в настоящее время не существует.

9.1.4. Теплофизические свойства отложений. Важное значение при расчете отложений имеет их теплопроводность. В зависимости от систем, в которых они сформированы, теплопроводность отложений можно подразделить на следующие:

- в барабанных котлах плотные отложения желтого цвета имеют теплопроводность 3,0 – 3,6 Вт/(м × К);

- в оборудовании систем технической воды, например конденсатор турбины, вспомогательное теплообменное оборудование; в них рабочие температуры не превышают 100^оС, поэтому отложения менее плотные, их теплопроводность составляет 0,4 – 1,2 Вт/(м × К).

Из этого следует, что на структуру отложений существенное влияние оказывают режимы эксплуатации оборудования и в большей степени температура формирования, т.е. при более высоких температурах и давлениях в котлах образуются более плотные отложения, имеющие большую теплопроводность.

Основные структуры отложений следующие:

· насосные, дисперсные и кристаллические. Они представляют собой смешанное образование произвольно оседающих дисперсных частиц и кристаллов. Такие отложения образуются в системах с низким солесодержанием C <200 мг/л, в них кристаллизация происходит непосредственно на теплообменной стенке;

· коллоидные шары, которые образуются в потоке, а затем оседают на стенки. Эта структура характерна для C >200 мг/л.

При формировании отложений (свободное осаждение) в их структуре остаются пустоты, т.е. поры. Исследования показывают, что свободная засыпка монодисперсных шаров не может иметь пористость П ³27%. Реальные структуры отложений имеют пористость, значение которой зависит от температуры формирования и принимает значение в пределах 3%< П <35%.

Экспериментальными исследованиями установлена зависимость пористости и теплопроводности отложений от температуры формирования [21] (рис. 9.5,а)

Рис. 9.5. Пористость и теплопроводность отложений в зависимости от температуры их формирования:

а – пористость отложений (O-по эфиру; D-по спирту; -по воде);

б – коэффициент теплопроводности (O-сухие образцы, D-увлажненные образцы)

Образующиеся в отложениях поры могут быть заполнены водой, водяным паром или газами, растворенными в воде.

Таким образом, отложения являются трехкомпонентной структурой, которая включает монолитные отложения, воду, пар.

Из справочных данных известно, что коэффициент теплопроводности этих веществ составляет: вода – 0,6, пары и газы» 0,06. В некоторых источниках указывается, что теплопроводность связана с теплопроводностью компонентов через объемное их содержание следующим образом [17]:

,

где;; - коэффициенты теплопроводности соответственно: монолита отложений, воды и газа;

- общий коэффициент теплопроводности многокомпанентной структуры отложений;

;;; - объемы соответственно: отложений в целом, монолитной части, воды и газа в порах.

где - пористость водяная,

- пористость газовая,

- λ_мо; λ_н2о; λ_г – коэффициенты теплопроводности соответстветственно: монолита отложений, воды и газа;

- λ_о – общий коэффициент теплопроводности и многокомпонентной структуры отложений;

- V₀; V_мо; V_H2O; V_Г – объемы соответственно: отложений в целом, монолитной части воды и газов в порах.

Общая пористость представляет сумму:

П^о = П^В + П^Г.

Используя экспериментальные данные и некоторые, указанные ранее, табличные данные, теплопроводность отложений в зависимости от пористости может быть представлена в упрощенном виде:

.

Сложность заключается в точном определении пористости и структуры отложений.

9.1.5. Некоторые теоретические и эмпирические зависимости к определению теплопроводности отложений. На основе теории обобщенной проводимости (перенос в гетерогенных материалах) и по аналогии с законом Фурье

,

где и - векторные величины,

или (например, q и град t)

- характеризует свойства материала, как обобщенный коэффициент проводимости.

Решение интегрального уравнения для двухкомпонентной структуры дает выражение, аналогичное закону Фурье:

где m – объемные доли компонентов.

Дата добавления: 2014-01-05