CC BY
274
ник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2015. № 3 (143). С. 248-251.
4. Дед А. В., Паршукова А. В. Моделирование в среде МаНаЬ работы электрической системы при наличии несимметричной нагрузки // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность. 2015. № 1. С. 172-177.
5. Наумов И. В., Шпак Д. А. Имитационное моделирование работы асинхронного двигателя при несимметрии напряжений питающей сети // Электрика. 2006. № 8. С. 43-44.
6. Новаш И. В., Румянцев Ю. В. Расчет параметров модели трехфазного трансформатора из библиотеки МаНаЬ^шиИпк с учетом насыщения магнитопровода // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. №. 1. С. 12-24.
7. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в МаНаЬ, SimPowerSystems и 81шиИпк. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
8. Электротехнический справочник. В 3 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. В. Г. Герасимова [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1985. 488 с.
9. Вольдек А. И. Электрические машины: учеб. для студентов вузов. 3-е изд., перераб. Л.: Энергия, 1978. 832 с.
10. Грунин В. К. Оборудование и электротехнические устройства систем электроснабжения. Справочник / под общ. ред. В. Л. Вязигина, В. Н. Горюнова, В. К. Грунина (гл. ред.) [и др.]. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. 232 с.
11. Радин В. И., Брускин А. Э., Зорохович А. Е. Электрические машины. Асинхронные машины. М.: Высшая Школа, 1988. 324 с. ISBN 5-06-001285-9.
ДЕД Александр Викторович, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
Адрес для переписки: ded_av@mail.ru
Статья поступила в редакцию 17.04.2017 г. © А. В. Дед
УДК 621182 С. В. ТЕРЕБИЛОВ
А. Г. МИХАЙЛОВ Е. Н. СЛОБОДИНА А. В. ВАСИЛЬЕВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов
ОБРАЗОВАНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ НАКИПИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА В ЖАРОТРУБНЫХ КОТЛАХ_
Рассмотрены основные виды отложений на поверхностях нагрева в котлах. Показаны основные закономерности образования отложений на поверхностях нагрева в энергетических котлах. Предложена зависимость скорости образования накипи солей жесткости на поверхностях нагрева жаротрубного котла.
Ключевые слова: образование отложений, поверхности нагрева, щелочно-зе-мельные отложения, жаротрубный котел.
Публикация подготовлена в рамках НИР № 17057В «Разработка методики расчета межпромывочного интервала жаротрубного котла», ОмГТУ.
При эксплуатации жаротрубных котлов на поверхностях теплообмена образуются отложения, способствующие увеличению коэффициента термического сопротивления [ 1 - 3], что приводит к увеличению температуры стенки. Повышение температуры стенки жаровой трубы может привести к разрушению и выходу котла из строя [4, 5].
Для определения влияния отложений на процесс теплопередачи запишем следующее выражение для коэффициента теплопередачи [1-3; 6]:
А. + ^OR Siai S,
f
So ln(dp / d,) 2kXL
(1)
+ Rfo +-
где Б. — площада поверхности нагрева со стороны продуктов сгорания; 5 — площадь поверхности нагрева со стороны теплоносителя; а. — суммарный коэффициент тепооотдочи со стороны газа; ао — коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя;
1
k
1
со стороны продуктов сгорания; Л — термическое сопротивление слоя отложений со стороны теплоносителя; X — коэффициент теплопроводности материала стенки; й. — внутренний диаметр поверхности нагрева; — наружный диаметр поверхности нагрева.
В выражении (1) термические сопротивления отложений на внутренней и наружной поверхностях нагрева являются функциями, зависящими от теплопроводности и толщины отложений.
Из данного выражения видно, что дополнительное термическое сопротивление вносит вклад в снижение коэффициента теплопередачи.
Также ввиду малых скоростей движения теплоносителя в контуре котла осуществление кислотной промывки без разбора корпуса жаротрубного котла невозможно. Поэтому существует необходимость в создании методики расчета межпромывочного интервала жаротрубного котла, который необходимо учитывать при разработке конструкций жаротруб-ных котлов и их эксплуатации.
Из анализа литературных данных [1 — 10] видно, что зависимости для скорости образования накипи на поверхностях нагрева жаротрубного котла отсутствуют. Поэтому существует необходимость в их определении для учета при разработке конструкций жаротрубного котла.
В ряде работ рассмотрены вопросы образования отложений на поверхностях теплообмена в котельных установках [7, 8]. По составу выделяют следующие основные группы отложений:
1. Железооксидные отложения.
При 100-й конденсатоочистке и подготовке питательной воды по схеме глубокого обессоливания около половины примесей питательной воды котлов составляют продукты коррозии железа. В составе отложений оксидов железа более 90 — 95 %. При до-критическом давлении в котлах по мере увеличения давления и улучшения системы подготовки воды доля железооксидных отложений также растет.
Оксиды железа, поступающие в котловую воду, превращаются в ней в магнетит Ре3О4, который и является основой железооксидных отложений. Другие формы оксидов (Бе2О3) образуют в основном шламовые осадки.
С ростом температуры растворимость магнетита уменьшается, значительная часть оксидов железа находится в дисперсном, а не в истинно растворенном состоянии. Поэтому отложения образуются не только за счет кристаллизации, но и за счет электрокинетических процессов. Дисперсные частицы несут электрический заряд (адсорбция ионов из теплоносителя, диссоциация собственных молекул). Под воздействием электрофоретических сил они осаждаются на поверхности нагрева и образуют отложения.
2. Щелочно-земельные отложения.
Щелочно-земельные отложения состоят из соединений кальция и магния. Эти соединения попадают в питательную воду с добавочной водой. В котловой воде обычно присутствуют: Са8Ю3, СаБ04, СаСО3, СаС12 и другие соединения. Интенсивное отложение соединений кальция (аналогично и магния) происходит при превышении концентрации Са2+ и анионов произведения растворимости.
3. Отложения соединений меди.
Оксиды меди в питательной воде появляются в результате коррозии деталей насоса, содержащих медь. Уже при концентрации меди порядка 3 мкг/кг
происходит интенсивное отложение меди на участках с высокими тепловыми потоками или в местах глубокого упаривания воды (испарительные поверхности нагрева и переходные зоны в прямоточных котлах). В отложениях присутствует, главным образом, чистая медь. Восстановление ионов меди до чистой меди происходит при их контакте с чистым железом. Процесс этот электрохимический, для его осуществления необходима достаточно высокая разность потенциалов. Поэтому медные отложения образуются в заметных количествах в зоне тепловых потоков выше порогового значения q0 — 200 кВт/м2.
4. Алюминиевые отложения (алюмосиликатные, силикатные с преобладанием свободной БЮ2). Реальные концентрации кремниевой кислоты в питательной воде изменяются от 10 мкг/кг ЗЮ2 при непрерывной длительной эксплуатации до 100 мкг/кг при пуске. Эти величины находятся ниже растворимости, однако кремнекислота всегда присутствует в отложениях при высоких давлениях. Возможно, кремниевая кислота способна вступать в различные реакции, например, с оксидами железа с образованием ферросиликатов.
5. Отложение легкорастворимых соединений.
В питательной воде паровых и водогрейных котлов могут присутствовать соединения натрия в виде ЫаОИ, ЫаС1, На2Б04, На2БЮ3. Как правило, они появляются в питательной воде после умягчения под-питочной воды при помощи Ыа-катионирования. Эти соединения обладают большой растворимостью при высоких параметрах, но за счет адсорбции на поверхностях нагрева, за счет химического взаимодействия с отложениями, соединения натрия присутствуют в составе отложившихся веществ.
Наибольший вред на работу котлов любых типов наносят отложения солей жесткости Са2+ и Мд2+(щелочно-земельные), которые дают плотные отложения практически на всех поверхностях нагрева котлов.
Можно выделить следующие основные факторы, влияющие на скорость образования отложений [6-9]:
1. Влияние концентрации примеси.
Кристаллизация вещества на стенке происходит
при его концентрации у стенки, большей растворимости при температуре стенки. Доставка примеси из ядра потока к стенке трубы зависит от разности концентраций.
2. Влияние плотности теплового потока.
При увеличении теплового потока ^
— увеличивается температура стенки и жидкости в пристенном слое при той же температуре потока;
— увеличивается коэффициент диффузии;
— уменьшается толщина вязкого подслоя;
— увеличиваются значения градиентов температуры и концентрации примеси, что ведет к росту скорости доставки примеси к стенке трубы.
Все это ведет к увеличению скорости роста отложений.
При q = 0 образование отложений происходит за счет адсорбционных сил. Сильная зависимость величины отложений от теплового потока приводит к тому, что максимум отложений совпадает с максимумом теплового потока. Металл при этом находится в тяжелых условиях работы.
3. Влияние скорости потока.
Увеличение скорости потока в котлах приводит:
— к усилению турбулизации потока и увеличению скорости роста отложений;
кг — термическое сопротивление слоя отложений
— к увеличению скорости смыва рыхлых отложений и ум еньшению массы отложений на стенке.
Для энергетических котлов существует зависимость скорости образования накипи в виде
A
Ca+Mg )
= 1,3 -10-13 с(Са+Mg q2
(2)
где С{Са+м^ — концентрация солей кальция и магния; д — плотность тьплового потока. Как видно из выражения (2), скорость образования накипи является функцией от плотности теплового потока и концентрации прем есей.
При переходе к жаротрубным котлам, в которых скорость движения теплоносителя соизмерима со скоростью свободного гравитационного движения теплоносителя, необходимо ввести поправочный коэффициент, равный значению (асв/авын)2, где авын — коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении, а асв — коэффициент теплоотдачи при свободном (гравитационном) движении, так как скорость теплоносителя будет определяющей при определении местных концентраций солей жесткости. При этом на поверхностях нагрева с высокими тепловыми потоками (жаровая труба и поворотная камера) возможно кипение воды и асв необходимо определять для поверхностного пузырькового кипения в большом объеме как функцию давления и плотности теплового потока, а авын — коэффициент теплоотдачи при движении кипящего теплоносителя в трубах. Процесс теплообмена (с кипением или без кипения) определяется по температуре стенки £ст со стороны теплоносителя, если £ст больше температуры насыщения £нас при данном давлении — процесс теплообмена с кипением теплоносителя, если данное условие не выполняется, то процесс теплообмена без кипения теплоносителя.
На рис. 1 изображена зависимость температуры стенки жаровой трубы от плотности теплового потока, где точка перегиба соответствует началу кипения теплоносителя. Зависимость поправочного коэффициента от плотности теплового потока приведена на рис. 2.
На участке АБ режим теплообмена без кипения теплоносителя, на участке БВ наблюдается скачок, который соответствует началу кипения теплоносителя, коэффициент а =/р,д) [10]. Участок ВГ соответствует зоне поверхностного кипения, в которой параметрами, определяющими процесс теплообмена, являются плотность теплового потока, давление, недогрев до температуры кипения, скорость. Коэффициент теплоотдачи в этой зоне рассчитывается по формуле, основанной на представлении поверхностного кипения как суперпозиции процессов кипения в большом объеме и конвективного теплообмена однофазной жидкости [7], что при увеличении плотности теьлового потока приводит к увеличению значения попрачочкого коэффиуиентк ка тчьт снижения доли кочвектив ного теплообмена.
Выражение для определения скорости образования накипц сримеь следьющвй вин:
Aca+MS)= 1,3 -10-13С(
(Ca+Mg)
(3)
Рис. 1. Зависимость температуры стенки жаровой трубы от плотности теплового потока при давлении теплоносителя 6 бар
0,9
0,8
0,7
0,6
£ л 0,5
- Й OA
> u 0,3
s 0,2
0,1
0
в
r
/
/
/
/
/
А Б
100000
200000
300000
q, Bt/I
м
Рис. 2. Зависимость поправочног о ккэфОициента асв/аш от плотности теблового потока при давлении теплоносителя 6 бар
Толщина слоя накипи определяется в соответствии с выражением:
5о аИ.10-6
Ротл
(4)
где 5 — толщина отложений, м; т — время работы, час; р — плотность отложений, г/см3; А — ско-
г отл
рость образования отложений, г/м2ч.
Выводы
1. Существует необходимость в создании методики расчета межпромывочного интервала для жа-ротрубного котла.
2. Из анализа выражения (3) для увеличения межпромывочного интервала котла необходимо использовать конструкторские решения, позволяющие снизить плотность теплового потока через поверхность нагрева без снижения массогабарит-ных показателей и энергетической эффективности котла, либо использовать более глубокую водопод-готовку.
3. Выбор способа увеличения межпромывочного интервала необходимо выполнять на основе технико-экономических расчетов.
где С(Са+Мм) — кенепнтрация солей Са и М§; д — плотность тепеового потока. Данное выражение требует экспериментального подтверждения для жаротрубного котла.
Библиографический список
1. Kakac S. Heat exchangers: selection, rating, and thermal design. Taylor Francis Inc, United States. 2012. 491 p.
2
a
св
в
a
2. Chenoweth J. M. Fouling problems in heat exchangers // Heat Transfer in High Technology and Power Engineering / Editors W. K. Yang, and Y. Mori. Washington, D. C.: Hemisphere Publishing Corp., 1987. P. 406.
3. Garrett-Price B. A., Smith S. A., Watts R. L., Knudsen J. G., Marner W. J., and Suitor J. W. Fouling of Heat Exchangers: Characteristics, Costs, Prevention, Control, and Removal. Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey. 1985. P. 9-20.
4. Васильев А. В. [и др. ]. Повышение надежности жаро-трубных водогрейных котлов // Промышленная энергетика. 1998. № 7. С. 19-21.
5. Игнатов В. Ю., Васильев А. В. Повышение эффективности жаротрубных водогрейных котлов на примере котла КВГ-4,0-115Н // Вопросы энергетики. 2016. № 1. URL:// energyissues.ru/pdf/2016/1/28.pdf (дата обращения: 04.04.2017).
6. Калинин [и др.]. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1998. 408 с. ISBN 5-283-03593-Х.
7. Липов Ю. М., Третьяков Ю. М. Котельные установки и парогенераторы. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. 588с. ISBN 5-93972-227-Х.
8. Глебов В. П. [и др.]. Внутритрубные образования в паровых котлах сверхкритического давления. М.: Энергоатомиз-дат, 1983. 240 с.
9. Теребилов С. В. Вопросы образования отложений на поверхностях теплообмена в газотрубном котле // Во-
просы энергетики. 2016. № 1. URL: http://energyissues.ru/ pdf/2016/1/41.pdf (дата обращения: 04.04.2017).
10. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.
ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теплоэнергетика» ОмГТУ.
СЛОБОДИНА Екатерина Николаевна, ассистент кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ. ВАСИЛЬЕВ Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Тепловая и атомная энергетика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Адрес для переписки: terebilovsv@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 06.04.2017 г. © С. В. Теребилов, А. Г. Михайлов, Е. Н. Слободина, А. В. Васильев
р
о
