5. РАСЧЕТ СКОРОСТИ НАКИПЕОБРАЗОВАНИЯ
МЕТОДЫ УЧЕТА ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НАКИПИ
Существующие многочисленные методы предотвращения как карбонатной, сульфатной накипи, так и других видов отложений зачастую не гарантируют безнакипной работы установок. Это объясняется несовершенством применяемых методов, нарушением тепловых и гидродинамических условий работы, отклонениями в режиме подачи реагентов. Поэтому прогнозирование изменения термического сопротивления накипи Rн остается хотя и трудной, но очень актуальной задачей, так как дает возможность повысить точность тепловых расчетов, получить обоснованные данные для правильного учета Rн, создать надежную методику для инженерных расчетов, решить задачи, связанные с оптимизацией и конструированием теплообменников.
Многообразие факторов, влияющих на скорость накипеобразования, и различные взгляды теплотехников на механизм образования отложений привели к созданию большого количества моделей, описывающих закон изменения Rн. Аналитический подход к проблеме сосуществует с рядом эмпирических решений, основанных на большом экспериментальном материале, получаемом в различных отраслях теплоэнергетики, нефтехимии, многих химических производствах. Весьма разнообразным является также учет Rн с помощью таблиц, номограмм, графиков, коэффициентов запаса поверхности теплообмена, термических коэффициентов накипеобразования и др.
Процесс накипеобразования состоит из нескольких этапов: осаждения, размыва накипи и физико-химических превращений в осажденном веществе, приводящих к упрочнению структуры.
Устройство для определения толщины накипи и отбора проб для анализа показано на рис. 60.
В зависимости от природы раствора осаждение может происходить в результате процессов диффузии, кристаллизации, турбулентного переноса частиц, пригорания, свертывания белковых веществ, электротермофореза, адсорбционных явлений и др. Движущей силой процесса при этом являются: разность концентраций, температур и потенциалов, энергия турбулентных пульсаций, адгезионные явления, влияние шероховатости стенки.
Рис. 60. Устройство для отбора проб накипи:
1 — трубная решетка; 2 — теплообменная труба; 3 — стенка выпарного аппарата; 4 — задвижка; 5 — резьбовой стержень.
Второй этап (фактор смыва) является очень важным и существенным, однако многие авторы этим явлением пренебрегают. Основанием для такого подхода является значительная прочность накипи по сравнению с размывающим действием потока. Третий этап связан с упрочнением твердых отложений во времени. Величина индукционного периода изменяется в широких пределах в зависимости от природы накипеобразователя и других условий. Предполагается, что в начальный момент частицы накипи не имеют фазовых контактов, поэтому прочность отложений невелика. В дальнейшем образуется пространственный каркас из кристаллических образований, заполненный аморфными включениями.
В литературе описаны различные модели накипеобразования в зависимости от перечисленных факторов. Наиболее интересными являются те, которые построены на строгой физической сущности процесса и являются по этой причине более общими и точными.
Известные модели накипеобразования можно разделить на несколько основных групп в соответствии с принятым авторами механизмом накипеобразования:
а) уравнения, построенные на основе материального баланса [61, 63];
б) соотношения, учитывающие только скорость поверхностной реакции [7, 8, 10, 62];
в) уравнения, построенные на диффузионной модели процесса [26, 32, 60];
г) формулы, аппроксимирующие экспериментальные данные [22, 29, 59].
Методы учета накипеобразования, не связанные с теоретическими моделями, основаны на результатах практических измерений, полученных в различных отраслях энергетики и технологии, и имеют узкий диапазон применения.
К ним относятся коэффициенты использования поверхности теплообмена, термический коэффициент накипеобразования, номограммы, графики, таблицы. Использование таблиц является наиболее распространенным и простым, однако табличный метод имеет ряд недостатков. Прежде всего — это ограниченность метода, трудности при выполнении машинных расчетов, значения Rн даются в виде постоянных величин и динамика процесса не учитывается.
Для многих растворов можно показать, что количество солей-накипеобразователей, образующихся в результате химической реакции, значительно превышает уровень накипеобразования, поэтому были предприняты попытки определить, какая стадия в процессе образования отложений является лимитирующей и определить ее скорость. Наиболее простым в данных условиях является введение коэффициента, учитывающего массовую долю накипи от максимального количества твердой фазы. Такой метод был применен и изложен в работе [31] при выводе уравнения для скорости роста накипи в трубах охладительных установок систем оборотного водоснабжения.
Многими авторами отмечается общая закономерность для расчета накипеобразования в трубчатых теплообменниках — асимптотический характер роста отложений. Причина этого явления — достижение динамического равновесия условий отложений и смыва. Асимптотическое значение Rн важно для правильного расчета поверхности теплообмена и определения Rн, оно является наиболее сложным моментом при прогнозировании накипеобразования.
