Растворы ПАВ в качестве теплоносителя

Уровень подготовки воды для систем теплоснабжения существенно влияет на эффективность их работы. От того, насколько качественно готовится теплоноситель зависит надежность работы всех элементов систем теплоснабжения – котлов, теплообменников, арматуры, трубопроводов, что связано с развитием коррозионных процессов и образованием твердых отложений на поверхностях элементов.

Отложения твердых веществ, в основном солей жесткости, в связке с взвешенными продуктами коррозии и другими механическими компонентами, которые содержатся в воде, приводит к ухудшению процессов теплообмена в котлах и теплообменных аппаратах. По разным оценкам слой отложений толщиной 1 мм в зависимости от их состава приводит к перерасходу топлива от 3 до 25%. Наличие коррозионно-активных кислорода и двуокиси углерода в воде с одной стороны приводит к коррозионных повреждений элементов тепловых сетей, а с другой из-за появления продуктов коррозии до более интенсивного роста слоя отложений.
Для теплообменников, работающих в системах теплоснабжения, характерные загрязнения типа накипи и взвешенных веществ, причем преобладает осаждение последних, которые циркулируют вместе с теплоносителем и представляют собой преимущественно продукты коррозии. При нагревании воды для систем горячего водоснабжения преобладает образования накипи.
Термическое сопротивление зависит от состава отложений и их структуры. По данным исследований при одинаковой толщине слоя отложений его термическое сопротивление может колебаться от 0,0002 до 0,0125 м2К/Вт.

Специальные исследования по механизму роста отложений показали, что скорость увеличения толщины отложений связана с интенсивностью теплообменных процессов на поверхностях нагрева. Другой фактор, сильно влияющий на темпы роста отложений – это величина касательных напряжений в пристеночном слое, которые, в свою очередь, зависят от скорости движения теплоносителя. В результате такого механизма скорость отложений может меняться во времени, что затрудняет прогнозирование изменения теплопередачи и гидравлического сопротивления теплообменных аппаратов в период эксплуатации и заставляет проектировщиков закладывать в расчеты уменьшая коэффициенты на загрязнение φ≤1 при определении теплопередачи, что ведет к увеличению площади теплообменных поверхностей. Однако увеличение площади теплообмена ведет к увеличению количества каналов в теплообменнике, что приводит к уменьшению скорости теплоносителя, а это влечет за собой падение касательных напряжений и как результат – рост слоя отложений. В конце концов это заставляет эксплуатационников выдвигать более жесткие требования к качеству воды и чаще останавливать теплообменные аппараты для очистки от отложений. Периодичность чистки теплообменников сильно зависит от состава воды и состояния тепловых сетей, качества освобождение воды от кислорода и двуокиси углерода.

В настоящее время борьба с образованием отложений ведется чаще всего химическими методами, путем удаления из воды накипеобразующих веществ. Методы связаны с влиянием внешних физических факторов на теплоноситель и применяются не так активно из-за отсутствия надежных универсальных технологий и теоретического обоснования. Описание физических процессов, происходящих в подобных технологиях, пока существует только на уровне гипотез. С удалением из воды агрессивных газов все наоборот – главный метод физический – деаэрация, а химические только развиваются. Как физические, так и химические методы имеют свои преимущества и недостатки, поэтому постоянно продолжаются поиски новых методов подготовки воды для систем теплоснабжения.

В последнее время обострился интерес к методу модификации теплоносителя, носит признаки как химического, так и физического методов – добавление поверхностно-активных веществ в теплофикационную воду. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) в теплоэнергетике давно были известны как высокоэффективные ингибиторы коррозии. Ингибитор коррозии – вещества, снижающие коррозию материала (металлов и их сплавов) при контакте с окружающей средой. Ингибиторы бывают органические и неорганические. Органические образуют защитное покрытие на поверхности металлов препятствующую реакции металла с агрессивной окружающей средой. Наиболее эффективны те, которые содержат азот, кислород и серу. Более подробно о защите от коррозии с помощью ингибиторов можно прочитать тут  http://www.splast.ru/rust_inhibitors/equipment-protection/

Однако недавно начались исследования по их использованию для борьбы с накипеобразованием. Механизм защиты поверхности одинаков и от воздействия растворенных в воде агрессивных газов и от накипеобразования. Поверхности металлических элементов системы теплоснабжения защищает пленка ПАВ – так называемый «частокол Ленгмюра». Использование ПАВ приводит к уменьшению гидравлического сопротивления турбулентных течений в цилиндрических каналах, объясняется двумя причинами: уменьшением шероховатости поверхностей металлических элементов за счет появления «частокола Ленгмюра» и уменьшением степени турбулентности течения растворов ПАВ. Однако в этих же исследованиях оказалось, что интенсивность теплообмена падает. Объяснение этому находятся в значительном уменьшении турбулентных пульсаций в пристеночном слое течения и увеличении толщины ламинарного первого слоя. Главная разница в числе Шервуда Sh для течений в гладких трубах для воды и слабого раствора – это показатель степени числа Рейнольдса Re. Для чистой воды коэффициенты А = 0,0133; n = 0,33; m = 0,725, а для слабого раствора ПАВ: А = 0,015; n = 0,33; m = 0,88.
Однако результаты этих исследований невозможно прямо использовать для прогнозирования процессов теплообмена и гидродинамики в пластинчатых теплообменниках при использовании слабых растворов ПАВ для защиты от коррозии и накипеобразования. Каналы в этих теплообменниках сильно отличаются от цилиндрических труб, в которых проводились приведенные выше эксперименты. В трубчатом канале возможно четко выявить турбулентное ядро течения и пристенный граничный слой с ламинарной прослойкой у самой стенки. При этом коэффициент теплоотдачи и гидравлическое сопротивление сильно зависит от структуры именно граничного слоя. Поэтому шероховатость поверхности стенки воздействует через структуру граничного слоя на гидравлическое сопротивление канала.

Гидравлическое сопротивление зависит от коэффициента гидравлического трения, который, в свою очередь, зависит от шероховатости стенок канала. Если пленка «частокола Ленгмюра» заполнит неровности стены, уменьшит таким образом шероховатость, то это приведет к снижению гидравлического сопротивления канала, но одновременно увеличится толщина ламинарной предельной прослойки, возрастет ее термическое сопротивление и снизится теплоотдача. Для пластинчатых теплообменников картина процессов теплообмена и гидродинамики другая. В каналах пластинчатых теплообменников практически отсутствует центральное турбулентное ядро, которое отделяется от стенок канала предельным слоем. Гофры пластины являются искусственными турбулизаторами течения в межпластинчатом пространстве. Они срывают граничный слой вместе с ламинарным слоем, поэтому шероховатость самой стенки уже не имеет такого значения, как для цилиндрического канала. Это дает возможность прогнозировать, что «частокол Ленгмюра», который должен появиться на стенках плоских каналов пластинчатых теплообменников будет выполнять свою защитную функцию против появления отложений и действия коррозионно активных кислорода и двуокиси углерода. Но он не будет так сильно влиять на формирование пристеночного слоя и через него на теплообмен и гидродинамику на поверхностях нагрева, как это имеет место в трубчатых каналах.

Из проведенного анализа следует такой вывод, что результаты исследований влияния ПАВ на гидродинамику и теплообмен в трубчатых каналах не могут быть распространены на процессы в плоских каналах с гофрированными стенками и для их описания необходимы специальные исследования.

Еще записи на эту же тему:



Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2019 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.