АЛГОРИТМ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ НА ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

ALGORITHM AND PARAMETERS OF THE PROCESS OF DEPOSITS FORMATION ON HEAT EXCHANGE SURFACES

Yegor Rudakov

post-graduate student of Ivanovo State University of Chemistry and Technology

Russia, Ivanovo

В процессе работы на теплообменных поверхностях аппаратуры происходит отложение твердых осадков. Осадки инкрустируют греющие поверхности, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи от теплоносителя к нагреваемому раствору и повышению коррозии нагревательных элементов. Исследование технологии процесса инкрустирования и параметров данного процесса позволит составить правильную математическую модель процесса.

1. Алгоритм процесса образования отложений [1].

Последовательный процесс нарастания отложений на теплообменных поверхностях при нагреве растворов происходит в 5 шагов, которые приведены на рисунке 4:

Рисунок 1. Алгоритм процесса образования отложений

 1) Период инициирования. После введения в эксплуатацию нового или очищенного теплообменника первоначально высокие коэффициенты теплопередачи могут оставаться неизменными в течение определенного времени. За это время образуются ядра для кристаллизации. Период инициирования уменьшается с повышением температуры поверхности, по мере увеличения пересыщения и / или скорости реакции. Как правило, время задержки перед началом осаждения уменьшается с увеличением шероховатости поверхности теплообмена.

2) Массопередача. Для образования осадка на поверхности теплообмена необходимо, чтобы, по меньшей мере, один ключевой компонент транспортировался из объема раствора на поверхность теплообмена. В большинстве случаев это происходит путем диффузии.

3) Формирование отложений. После переноса осадка на поверхность теплообмена он прилипает к поверхности (для обрастания частицами) или реагирует на вещество, образующее осадок. В процессе прилипания решающую роль играют три взаимосвязанных и одновременнодействующих фактора: свойства поверхности, поверхностные силы и вероятность прилипания.

4) Торможение. Торможение происходит сразу после заложения первого осадка. Это происходит из-за того, рост осадка приводит к снижению температуры нагреваемого раствора, и, соответственно, уменьшению объёма выделяющегося осадка.

5) Старение. Каждый осадок подвергается старению. Старение может увеличить прочность осадка путем полимеризации, перекристаллизации, обезвоживания и т. д.

Если раствор, от которого отделяются инкрустации, непрерывно движется относительно теплообменной поверхности, то кроме вышеуказанных шагов можно выделить еще один – удаление “молодых” отложений с поверхности с дальнейшим переходом осадка из пограничной зоны жидкость/твердая стенка к потоку жидкой среды (6). Между частицами “старых” осадков действуют очень сильные сцепляющие силы, не дающие им отрываться друг от друга и удаляться вместе с потоком жидкости.

Рисунок 2. Процесс образования отложений в подвижной среде

6)Удаление отложений с поверхности может происходить или не происходить одновременно с осаждением. Удаление происходит из-за однократного или одновременного действия следующих механизмов: силы сдвига, турбулентных всплесков, повторного растворения и эрозии.

После отслоения от теплопередающей поверхности частицы отложений не всегда транспортируются из пограничной зоны жидкость/твердая стенка к потоку жидкой среды. Это зависит от массы и объема перемешанной частицы и от гидродинамических сил в потоке жидкости. Если частица достаточно большая, она может перемещаться по поверхности и осаждаться на другом месте. Все отложения, удаленные из-за эрозионного эффекта, будут транспортироваться в основную часть жидкости. Процесс удаления не может быть завершен без этого действия.

2. Параметры процесса, влияющие на скорость образования осадка.

Процесс зарастания теплопередающей поверхности инкрустациями является динамическим и нестационарным, что осложняет составление кинетических уравнений данного процесса и выявление переменных, оказывающих максимальное влияние на его скорость. Для решения этой проблемы необходимо рассматривать эти переменные совместно и выделять взаимосвязи между ними. По мнению многих исследователей, к ключевым параметрам процесса относятся:

1) Скорость потока жидкости. Скорость потока оказывает сильное влияние на скорость зарастания, так как она оказывает прямое влияние как на скорость осаждения, так и на скорость удаления частиц отложений через гидродинамические эффекты, такие как вихри и напряжение сдвига на поверхности. С другой стороны, скорость потока оказывает косвенное влияние на прочность отложений, коэффициент массопереноса и липкость осадка.

2) Температура поверхности. Известно, что повышение температуры поверхности может вызывать как увеличение, так и уменьшение скорости зарастания. Исследования показали, что причиной данного дуализма является различная растворимость веществ, образующих отложения. Вещества с нормальной растворимостью при понижении температуры кристаллизуются и затвердевают, что приводит к их выделению из  раствора. При нагревании растворов, содержащих веществ с “обратной” растворимостью происходит их перенасыщение в растворе, в результате чего увеличиваются скорость зарастания поверхности и скорость ёё коррозии.

3) Шероховатость поверхности. Шероховатость поверхности имеет следующие эффекты:  обеспечение «участков зародышеобразования», которые способствуют укладке первоначальных месторождений, и создание турбулентности в текучей среде, повышающей степень отделения частиц от основного потока. Доказано, что улучшение качества поверхности задерживает начало зарастания и облегчает очистку.

4) Свойства жидкости. Склонность жидкости к образованию осадка зависит от таких её свойств, как вязкость и плотность. Вязкость оказывает большое влияние на толщину подслоя, где происходит процесс осаждения. С другой стороны, вязкость и плотность оказывают сильное влияние на напряжение сдвига, которое является ключевым элементом процесса удаления.

Исследование влияния типа текучей среды на сопротивление обрастанию [2] показали, что теплообменники, в которых с обеих сторон от теплопередающих поверхностей протекают жидкости, в два раза меньше подвержены отложению осадка, чем газовые. Теплообменники с теплоносителями разных типов подвержены отложениям в 1,3-1,5 меньше, чем полностью газовые.

5) Наличие примесей и суспендированных твердых веществ.

Абсолютное большинство жидкостей содержит некоторое количество мелких примесей, которые могут инициировать или существенно увеличить скорость образования инкрустаций. Они могут либо осаждаться в качестве слоя отложений, либо действовать как катализаторы процессов обрастания. Кроме того, при увеличении концентрации осаждающегося вещества в объёме смеси скорость осаждения тоже увеличивается.

Суспендированные твердые вещества способствуют загрязнению теплопередающей поверхности  путем осаждения на неё частиц под действием гравитации. Поскольку выпадение частиц зависит от скорости потока, то рекомендуется при проектировании избегать застойных областей и использовать насосы для увеличения скорости жидкости.

Исходя из вышенаписанного, можно заключить, что включение всех этих параметров в уравнения процесса обязательно и необходимо для составления адекватной модели образования отложений

Список литературы:

1. Belmiloudi A. (Ed.) Heat Transfer - Theoretical Analysis, Experimental Investigations and Industrial Systems. — InTech, 2011. — 654 p.
2. Chenoweth, J. M., "Final Report of the HTRI/TEMA Joint Committee to Review the Fouling Section of the TEMA Standards", Heat Transfer Research, Inc., Alhambra, Calif., 1988.