Борьба с накипеобразованием в теплообменниках - Влияние материала и состояния поверхности на образование накипи

Наличие в перенасыщенном растворе готовой кристаллической поверхности способствует увеличению скорости образования зародышей кристаллов тем в большей степени, чем интенсивней движение раствора относительно поверхности.
В случае, когда контактный угол между кристаллическим осадком и поверхностью твердой частицы меньше 180 °, образование кристаллического зародыша на примеси меньше образования зародыша в объеме раствора и, следовательно, механические примеси будут увеличивать вероятность образования зародыша. Это является одной из причин загрязнения греющих поверхностей и как мера борьбы с отложениями предлагается антиадгезионное покрытие узлов аппаратов фторопластовой, силиконовой, полиэтиленовой, тефлоновой и другими подобными пленками, а также резиной, фторокаучуком, фторопластовой пастой [62]. Тонкая гидрофобизованная пленка не ухудшает существенным образом теплоотдачу и имеет хорошие механические свойства.
Особую устойчивость растворам придают поверхностноактивные вещества. Их действие связано с адсорбцией на поверхности субмикрозародышей, препятствующих дальнейшему росту зародышей. Возможно также, что поверхностно-активные вещества изменяют величину поверхностного натяжения между раствором и поверхностью зародыша, увеличивая работу образования зародыша. Поверхностно-активные вещества сокращают общее число центров кристаллизации, уменьшают роль поверхности раздела, и вероятность образования зародышей оказывается большей в объеме раствора.
Определенную роль в стимулировании образования центров кристаллизации могут иметь микротрещины и углубления на поверхности посторонних частиц и на стенках аппаратов. В этом случае значительно уменьшается величина поверхности равновесного зародыша, а следовательно, и работа его образования. Если даже раствор в объеме не насыщен, то в порах со смачиваемой поверхностью при достаточно малых размерах он может стать перенасыщенным, и из него будет выпадать твердая фаза.
Сведений о влиянии материала на выделение отложений имеется мало и они весьма противоречивы. В ряде работ отмечается зависимость накипеобразования от величины электродного потенциала материала [6, 7], другие авторы этой связи не обнаруживают.
Некоторые специалисты [6] указывают, что стенка, омываемая раствором солей, приобретает определенный электрический заряд, причем в силу физической и химической неоднородности материала (включения шлаков, оксидные пленки, дифференциальная аэрация и др.) на его поверхности образуется большое количество гальванических пар, а следовательно, катодных и анодных участков. Наличие разноименных зарядов между участками стенки котла и выделяющимися накипеобразователями приводит к выделению на металле микрокристаллов, а в дальнейшем — к возникновению и росту слоя накипи. Установлено также, что чем больше упругость растворения металла, тем больше выделяется накипи.
Проводились исследования для определения влияния различных материалов при отложении сульфата кальция [30], которые показали, что на всех применяемых материалах толщина этих отложений примерно, одинакова, однако сцепление осадка с поверхностью было различным и зависело от материала. Наиболее прочно осадок удерживался на образце из серого чугуна.

6. Влияние материала теплообменных трубок на образование накипи

Значительно легче он удалялся с металлических поверхностей, не подверженных коррозии. Согласно данным, приведенным в работах [10, 63], воздействие материала связано только с началом накипеобразования, в дальнейшем материал поверхности играет меньшую роль. Влияние материала может выражаться посредством коррозионных процессов, шероховатости и каталитического воздействия.
Для изучения влияний свойств материала на отложение накипи в подогревателях сахарного сока перед II сатурацией предварительно оттарированные трубки из разных материалов — сталь 10, нержавеющая сталь 12Х18Н9Т, латунь Л62 — были установлены в промышленном подогревателе в 1-м и 10-м ходах. Продолжительность работы подогревателя составила 100 сут. Результаты проведенных испытаний приведены в табл. 6. Можно считать, что материал трубок при длительной работе подогревателя ощутимого влияния на отложение накипи в трубках одного и того же хода не оказывает.

Для определения основных закономерностей накипеобразования были проведены испытания на экспериментальной установке в Киевском технологическом институте пищевой промышленности. В задачи испытаний входило, в частности, изучение влияния природы материала поверхности нагрева на скорость образования отложений, а также влияние гидродинамических условий, состава раствора и определение условий безнакипного режима.
При определении влияния материала поверхности на выделение отложений применялись трубы из разных материалов (сталь 10, медь, латунь, алюминий, нержавеющая сталь). В качестве рабочей жидкости использовался модельный сахарный раствор, соответствующий модели сока перед II сатурацией.

7. Влияние электродного потенциала материала трубок на отложение накипи

Скорость движения среды во всех трубках была одинаковой — 1,5 м/с, напряжение теплового потока составило 39 000—43 500 Вт/м2. Сравнительные испытания проводились в течение 72 ч.
В результате испытаний установлено, что максимальное количество отложений образовалось на алюминиевой трубке, меньше на стальной и весьма мало накипи образовалось на трубках из меди, латуни и нержавеющей стали. Влияние электродного потенциала материала трубок на отложение накипи приведено в табл. 7. Данные испытаний свидетельствуют о том, что отложение накипи увеличивается с ростом отрицательного потенциала материала. Материал с хорошими антикоррозионными свойствами является более выгодным с точки зрения уменьшения накипеотложений.
Для исследования взаимодействия осаждающихся частиц накипи с поверхностью теплообмена были проведены опыты с применением полированных вставок (рис. 7). Последние представляют собой трубки или стержни, согнутые П-образно, соответствующим образом обработанные и вваренные в нагревательную трубку промышленного подогревателя. После выключения подогревателя трубку со вставкой разрезали и проводили сравнительные исследования. Применение стержней и трубок в качестве вставок давало возможность сравнить накипеобразование на обогреваемой и необогреваемой поверхности, определить также влияние на этот процесс материала и чистоты обработки.
В результате проведенных испытаний можно сделать следующие выводы: количество отложений на обогреваемых и необогреваемых вставках примерно одинаково; накипеобразование на коррозионностойких материалах (медь, латунь) значительно меньше, чем на стали; отложение накипи на полированной хромированной поверхности значительно меньше, чем на такой же поверхности без покрытия. Без защитного покрытия эффект полировки не наблюдается вследствие коррозионных процессов, создающих повышенную шероховатость, способствующую накипеобразованию.

Процесс выделения накипи проходит в две стадии: образуется первичная сетка накипи, затем происходит дальнейший рост отложений. Закономерности этих процессов различны и их следует рассматривать отдельно.

Рис. 7. Схема установки полированной вставки в теплообменной трубке.
Первичная сетка накипи образуется в результате электрохимического взаимодействия материала стенки с ионами солей-накипеобразователей и за счет адсорбции твердой фазы раствора стенками. Повышенная шероховатость увеличивает адсорбционную способность стенки подогревателя и отложение накипи.
Высокоэффективные теплообменники (интенсивного потока) фирмы «Юнион Кэрбайд» (США), применяющиеся в химической промышленности, снабжены трубами с пористой металлической основой, непосредственно контактирующей с кипящим слоем. Материалы для трубок выбраны: медь, алюминий, сталь, нержавеющая сталь, сплавы, на которые наносится пористый слой толщиной около 0,25 мм.
Общий коэффициент теплопередачи в этих теплообменниках возрастает в 3—8 раз за счет изменения механизма кипения на пористой основе — наличия большого количества мелкораздробленных пузырьков, где жидкость может испаряться без перегрева и наличия большой площади микрослоя постоянно обновляемой жидкости в тесном контакте с металлической основой. Расширение и последующее сжатие пузырьков пара обеспечивает дополнительную циркуляцию жидкости. Высокая капиллярность пористой основы определяет хорошую смачиваемость стенок и предотвращает образование накипи и отложений, а также обеспечивает процесс теплопередачи при малом температурном напоре.

Между процессом образования накипи на нагреваемой поверхности в кипящем растворе и при подогреве жидкости существует принципиальное различие, оно состоит в том, что накипь при подогреве появляется лишь при наличии солей с отрицательным коэффициентом растворимости, а при кипении возможно выпадение любых солей при достижении определенной концентрации остаточного раствора. На меди, латуни, алюминии при кипении вначале образуются кольцеобразные структуры, на нержавеющей стали кольца накипи зарастают плоскими образованиями. Установлено также, что на гидрофильных поверхностях образуются кольцеобразные отложения, на гидрофобных — пластинчатые. Со стороны нагреваемой поверхности слой накипи плотнее, это вызывает различную пористость по толщине слоя.
Термические свойства нагреваемой стенки оказывают значительное влияние на процесс кипения. По данным работы [63] в течение 1 ч при кипении раствора CaSO4 максимальное количество накипи было получено на окисленной в азотной кислоте алюминиевой пластинке, далее в порядке убывания количества накипи располагались: алюминий, сталь, медь. Расчетным путем установлено, что влияние материала стенки продолжается до тех пор, пока толщина слоя CaSO4 не достигнет 0,8 мм.
Накипь сцепляется сильнее с поверхностью, обладающей большей шероховатостью, так как такая поверхность обладает большей поверхностной энергией. Адгезия накипи минимальна к поверхности титана, немного больше к поверхности из нержавеющей стали и увеличивается на сплавах Сu — Ni и монель-металле. Тефлон с минимальной поверхностной энергией 17 · 10-11 Дж/м характеризуется самой низкой величиной адгезии к накипи.