Экспериментальное изучение кинетики накипеобразования в трубах подогревателей при турбулентном движении среды показывает, что характер изменения термического сопротивления накипи Rн=f(τ) имеет определенные особенности. В начальный период происходит резкое увеличение Rн, затем скорость роста отложений уменьшается, и по истечении определенного времени τ1, толщина накипи практически не изменяется, т. е. dRн/dτ= 0.
Подобные закономерности получены для аморфных органических отложений (диффузионный сок) и для твердого осадка (сатурационный сок, сок перед выпарной установкой) при моделировании условий подогрева как на промышленных продуктах, так и в лабораторных условиях. Следует заметить, что при испытании опытной установки соблюдался режим G= const, q= const, что давало возможность сохранить постоянство выходных параметров продукта при заданной теплопроизводительности теплообменника.
В качестве примера рассмотрим экспериментальные данные, полученные для сока перед II сатурацией. Из рис. 10 следует, что значение величины Rн с увеличением τ приближается к определенному пределу, который назовем Rнс и
удовлетворительно аппроксимируется функцией вида 
где k, т — постоянные.
Асимптотический характер роста термического сопротивления загрязнений на поверхности нагрева отмечается также в работах [61, 63] и соответствует режиму работы подогревателя, когда скорости осаждения и удаления осадка становятся соизмеримыми.
При соблюдении условия G = const с ростом слоя отложений возрастает скорость потока, увеличивается касательное напряжение сдвига на стенке тст и через некоторое время τ1, будет иметь место равенство: тст =Θ, где Θ — сдвиговой предел прочности накипи, Н/м2.
Очевидно, что такое равновесие может наступить только при определенной толщине слоя, который можно назвать стабилизированным по аналогии со стабилизированной накипью в условиях выпаривания и стабилизированным слоем отложений на поверхностях, обтекаемых неизотермическим потоком газа. В первом случае стабилизированный слой отражает равновесие между солесодержанием раствора и тепловой нагрузкой при одних и тех же условиях, во втором — стабилизация зависит от соотношения сил адгезии и динамического воздействия потока.
Принимая теплопроводность накипи λн по толщине слоя постоянной и пренебрегая для небольших значений δн влиянием кривизны трубы, формулу для расчета Rн можно записать:
где δнс—толщина стабилизированного слоя отложений.
Для конкретного случая (сок перед II сатурацией) w =3,0 м/с для зависимости Rн=f(τ) были подобраны две равноценные аппроксимирующие функции:
Из этих формул при τ→∞ следует, что предельное значение Rн= Rнс= 3600·10-6 м2 ·К/Вт, что соответствует при среднем значении λ = 1,2 Вт/(м ·К) толщине слоя накипи δ = 3,0 мм.
Предельная толщина слоя отложений δнс зависит от многих причин, основными из них можно считать состав подогреваемого продукта, конструкция аппарата, тепловые и гидродинамические условия. Эти же причины определяют
и время, в течение которого образуется стабилизированная накипь.
Для кожухотрубных подогревателей сахарных соков ориентировочные значения τ1, полученные в производственных условиях, приведены в табл. 29.
29. Время образования стабилизированной накипи
В некоторых работах [61] указывается, что грязевые отложения (неполярные частицы) могут разрушаться не только за счет смыва отдельных частиц, но и путем срезания крупных кусков в местах ослабления накипи. Можно считать, что периодическое отслаивание твердых отложений происходит и на стенках подогревателей сахарных заводов, это вызывается, в частности, неравномерной слоистой структурой накипи и соответственно различной прочностью слоев. Этим можно объяснить и большой разброс экспериментальных точек и некоторую периодичность функции δ= f (τ).
Несмотря на имеющиеся различные теории роста Rн и в большинстве случаев несовершенство их, аналитический подход к расчету накипеобразования является перспективным, и чем больше определяющих факторов входят в исходные уравнения, тем более надежным является способ расчета Rн. Можно также отметить и значительную общность уравнений для скорости накипеобразования при подогреве различных растворов.
Разработка методов прогнозирования накипеобразования в ближайшее время может проходить по трем направлениям: создание строгой физической модели и соответствующей математической интерпретации ее; создание полуаналитической модели; накопление опытных данных и разработка на их основе методов расчета.
Весьма важным является расчет параметров при асимптотическом возрастании слоя накипи и вычисление предельного значения Rн, а также расчет скоростей потоков, обеспечивающих безнакипный режим, и решение оптимизационных задач при минимальном накипеобразовании.
