WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1780 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/146.pdf Влияние покрытий на интенсивность процессов солеотложения Гнеденков С.В. (svg21@hotmail.com )(1), Синебрюхов С.Л. (1), Коврянов А.Н.

(1), Минаев А.Н. (2), Машталяр Д.В. (2), Гордиенко П.С. (1) (1)Институт Химии ДВО РАН, (2)Дальневосточный государственный технический университет Введение При использовании в качестве хладоагента морской воды и реализации величины удельного теплового потока 0,2...1 МВт/м2 на поверхности труб теплообменника осаждается солевой слой, значительно снижающий теплопроводность, а следовательно, эффективность работы и срок эксплуатации теплообменного оборудования. Несмотря на большой научный интерес, проявляемый исследователями к этой проблеме, к настоящему времени достаточно эффективного способа защиты теплообменника от солеотложения не разработано. Химический состав солевых отложений в значительной степени определяется температурой, реализуемой на поверхности труб. Однако состояние поверхности (химический состав, шероховатость, электрофизические, полупроводниковые свойства) может оказывать существенное влияние на интенсивность процесса солеотложения. Поскольку поверхностные слои, полученные методом микродугового оксидирования на металлах и сплавах в водных растворах электролитов, в значительной степени изменяют состояние поверхности [1…3], то существуют предпосылки обнаружить влияние МДО-слоев на скорость процесса солеотложения.

1. Современные представления о накипеобразовании Накипеобразование является общей проблемой для самых различных областей техники, связанных с использованием морской воды. Образование на теплопередающих поверхностях слоя отложений с низким коэффициентом теплопроводности уменьшает общий коэффициент теплопередачи. Это в свою очередь приводит к уменьшению тепловой нагрузки.

В элементах теплоэнергетического оборудования накипь присутствует в трех основных формах [4]:

1. Первичная накипь – выпадает непосредственно на поверхности нагрева из раствора.

2. Шлам – накипь, выпадающая в объеме раствора на центрах кристаллизации.

3. Вторичная накипь – шлам, прикипающий к поверхности нагрева.

Для образования кристаллов из раствора необходимо наличие центров кристаллизации и пересыщение раствора по накипеобразователям. Роль центров кристаллизации могут играть центры парообразования, зародыши кристаллов накипи, уже находящейся в аппарате, взвешенные частицы, продукты коррозии и т.д.

При конвективном теплообмене у поверхности нагрева существует ламинарный подслой жидкости, через который теплота передается к турбулентной части слоя посредством теплопроводности. В ламинарном подслое происходит перераспределение температур от значения температуры стенки до значения температуры ядра потока. В этом случае основным фактором, определяющим начало процесса кристаллизации, является температура стенки. Если раствор оказывается пересыщенным при достижении температуры теплообменной поверхности, то начинается кристаллизация на центрах, которые практически всегда имеются на греющих поверхностях. Поскольку часть солей уходит в накипь, их концентрация в пристенном слое уменьшается, и дальнейший ход кристаллизации определяется подводом вещества к граням кристаллов.

В работе [4] указано, что процесс накипеобразования начинает сказываться на теплообмен не с начального момента, а после определенного латентного периода л, в течение которого на греющих поверхностях наблюдается даже некоторое увеличение коэффициента теплопередачи.

Эта особенность объясняется тем, что поверхность новых металлических элементов покрыта Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1781 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/146.pdf пленкой оксидов, которая является дополнительным термическим сопротивлением. При кипении морской воды эта пленка разрушается, что усиливает процессы теплообмена. Кроме того, образование динамической сетки накипи в начальный период изменяет микрогеометрию поверхности нагрева, увеличивая коэффициент теплопередачи.

Основными компонентами накипи, выпадающей из морской воды, являются углекислый кальций СаСО3, гидроксид магния Мg(OH)2 и сернокислый кальций в виде гипса СаSO4·2H2O, полугидрата CaSO4·1/2H2O, ангидрита CaSO4. Химический состав солевых отложений в значительной степени определяется температурой, реализуемой на теплообменной поверхности: при температурах 60...70°С в основном осаждается СаСО3, при температурах 70...100°С – Mg(OH)2, выше 100°С солевой осадок состоит из кристаллогидратов или безводного сульфата кальция.

Углекислый кальций и гидроксид магния образуются в результате разложения Сa(HCO3)+ c выделением СО2 и ОН-. При кипении морской воды парциальное давление углекислого газа в воде уменьшается. Ионы бикарбонатов распадаются на ионы карбонатов, углекислый газ и воду:

- 22НСО СО + Н2О + СО2. (1) 3 Если температура воды не превышает 70°С, то ионы карбонатов соединяются с ионами кальция, что приводит к выпадению кальцита CaCO3:

2СО + Са2+ СаСО3. (2) С повышением температуры начинается взаимодействие с водой карбонат-ионов с образованием гидроксид-ионов, которые, соединяясь с ионами магния, образуют гидроксид магния:

2СО + Н2О СО2 + 2ОН–, (3) Mg2+ + 2ОН– Mg(OH)2. (4) Особые трудности для удаления представляет накипь, состоящая из сульфата кальция (имеющий отрицательный коэффициент растворимости), который в испарительных установках выпадает на поверхностях нагрева практически при любых рабочих температурах стенки.

Накипеобразование, влияя на картину теплообмена через греющую поверхность, приводит к изменению соотношения переноса теплоты как в самой стенке, так и от наружной стороны стенки к омывающей жидкости. Мерой относительной интенсивности переноса теплоты от поверхности тела к переносу теплоты в самом теле является безразмерное термическое сопротивление RH.

Основные факторы, которые влияют на процесс накипеобразования при кипении воды могут быть выделены в 5 групп [4]:

1. Тепловые и гидравлические характеристики системы (температура насыщения Тн, плотность теплового потока qп, вязкость ж и плотность жидкости ж, скорость движения паровых пузырей и др.).

2. Факторы, характеризующие состояние поверхности теплообмена (шероховатость r, гидрофобность и др.).

3. Параметры, характеризующие количество накипеобразователей в системе (концентрация накипеобразователей в исходной воде сисх, концентрация накипеобразователей в питательной воде свх, равновесная концентрация сравн, стационарная концентрация сст).

4. Факторы, учитывающие свойства отложений (толщина накипи н, теплопроводность н, плотность н, температуропроводность Qн).

5. Временные факторы (время процессов, влияющих на теплообмен).

Следовательно, параметр Rн, определяющий влияние накипи на теплообмен, является функцией целого ряда факторов:

Rн = f(Тн, qп, ж, ж, r, сравн, свх, сст, сисх, н, н, н, Qн, ). (5) По данным [5] накипи на греющих поверхностях по происхождению классифицируют следующим образом:

1) оксидные пленки – результат химического взаимодействия металла теплообменной поверхности с растворенным кислородом;

2) отложения кристаллического характера, образовавшиеся в результате роста кристаллов на поверхности за счет присоединения ионов из контактирующего с поверхностью перенасыЭлектронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1782 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/146.pdf щенного (при температуре теплоотдающей поверхности) раствора. К этому типу относятся отложения сульфата кальция;

3) отложения, образовавшиеся в результате осаждения из потока мелкодисперсных взвесей, часто имеющие шламовидную, рыхлую структуру, уплотняющуюся во времени. К этому типу отложений относятся железоокисные соединения, карбонат кальция и гидрооксид магния;

4) отложения, образовавшиеся в результате осаждения из потока взвешенных частиц различной дисперсности, цементируемые одновременно протекающим процессом кристаллизации примесей кристаллизационного характера.

Для борьбы с накипеобразованием применяется широкий спектр мероприятий. Однако все их можно разделить на три группы:

1) обработка накипеобразующего раствора (реагентные и безреагентные методы);

2) эксплуатационные мероприятия (увеличение скорости движения жидкости, изменение смачиваемости поверхности, предотвращение образования пузырей, применение вибрации в аппарате);

3) конструкционные мероприятия (применение гидрофобных покрытий, удаление накипи, применение гладких поверхностей, применение движущихся поверхностей).

По мнению автора [4] эксплуатационные и конструкционные мероприятия играют вспомогательную роль и не позволяют полностью избавиться от накипи, если не решен вопрос с обработкой раствора. Тем не менее, состояние поверхности теплообмена (химический состав, шероховатость, электрофизические, полупроводниковые свойства) может оказывать существенное влияние на интенсивность процесса накипеобразования. Так как поверхностные слои на металлах и сплавах, формируемые методом микродугового оксидирования в водных растворах электролитов, в значительной степени изменяют состояние поверхности [1…3], то существует вероятность обнаружения влияния МДО-слоев на скорость процесса накипеобразования.

2. Исследование процессов накипеобразования при электрическом способе нагрева теплообменной поверхности Для организации теплового потока необходимой величины исследуемые образцы нагревали электрическим способом – пропусканием через них электрического тока. В качестве образцов использовали U-образную титановую проволоку диаметром 1,3 мм и длиной ~ 15 см, на поверхность которой наносили защитные слои различного типа. С целью исключения поляризационных эффектов для нагревания использовали переменный ток. Исследуемый образец помещали в сосуд емкостью шесть литров, заполненный натуральной морской водой соленостью 30‰ (Уссурийский залив, Японское море). Соленость воды определялась по методу Мора [6]. Для исключения местного разогрева и разрушения образца на границе раздела воздух/морская вода использовали массивные титановые контакты. С целью поддержания постоянной температуры воды в ячейке (25...30°С) морская вода охлаждалась водопроводной водой, пропускаемой через змеевик, и перемешивалась электрической мешалкой. Контроль температуры осуществлялся визуально по ртутному термометру. Расчетное значение силы тока, проходящего через исследуемый образец, достигалось регулировкой напряжения лабораторного автотрансформатора. Плотность теплового потока, проходящего через поверхность образца, составляла q = 0,58 МВт/м2.

Исследованию на солеотложение были подвергнуты образцы из титановой проволоки (марка титана ВТ1-0), на поверхность которых были нанесены МДО-покрытия различного фазового и элементного составов. Оксидирование проводили по методике, изложенной в [7]. Для сравнения были использованы образцы из титана без покрытия и с термическим покрытием, полученным в результате нагрева титана на воздухе при температуре 750°С в течение 3,5 часов.

Результаты испытаний, а также фазовый, элементный составы исследуемых поверхностных слоев и обнаруженного солевого осадка на поверхности образцов представлены в таблице 1.

Анализ представленных результатов позволяет говорить о влиянии поверхностных МДОструктур на скорость процесса солеотложения. По сравнению с необработанной поверхностью титана, МДО-покрытия уменьшают осаждение солей на 30…70% в зависимости от состава покрытия. По данным рентгенофазового и элементного анализа в МДО-покрытиях обнаружены Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1783 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/146.pdf кристаллические и рентгеноаморфные структуры, содержащие элементы включения из электролита: P, Al, Na, Ca. Наличие таких структур на поверхности титана существенно влияет на электрохимические, сорбционные характеристики образца, а следовательно, может определять кинетику осаждения солей.

Согласно данным, представленным в табл. 1, в наибольшей степени снижает интенсив- Таблица Результаты испытаний на солеотложение образцов из титана (ВТ1-0) с различными типами поверхностных слоев № Элементный Рентгенофазовый соРентгенофазоп/п Тип поверхностного состав по- m, став солевого осадка вый состав послоя крытий, мас- г/см2 (в порядке убывания крытий совая доля, % количества) МДО-покрытие, полу- Р – (4…5) Mg(OH)2*, NaCl, ТiОченное в фосфатном 0,Тi – (42…70) (анатаз) CaCO3, CaSOэлектролите О – ост.

МДО-покрытие, полу- Р – (9…10) ченное в фосфатно- ТiО2 Аl – (20…32) Mg(OH)2, NaCl, 0,алюминатном электро- (анатаз) Тi – (17…37) CaCOлите О – ост.

Р – (8…10) МДО-покрытие, полуАl – (15…22) ченное в гипофосфит- рентгеноMg(OH)2, NaCl, CaCO0,Ca – (0,5…1,0) алюминатном электро- аморфная фаза Тi – (15…32) лите О – ост.

P – (5…10) МДО-покрытие, полу- Mg(OH)2*,NaCl, TiO2 Ca -(0,1…0,8) ченное в многокомпо- 0,(анатаз, рутил) CaCO3, CaSOTi – (30…50) нентном электролите O – ост.

5 ТiО2 Ti – 60 Mg(OH)2*, CaCO3, Термическое покрытие 0,(рутил) O – 40 CaSO6 Естественная оксидная Mg(OH)2*, NaCl, — –– 0,пленка CaCO3, CaSO* ) – соединения, содержащиеся в солевом осадке в большом количестве.

ность солеотложения покрытие, полученное в гипофосфит-алюминатном электролите. Как показано в [3], при исследовании полупроводниковых свойств МДО-слоев такое покрытие обладает, по сравнению с другими оксидными слоями, наименьшей концентрацией носителей заряда – ND = 9,6·1015 см-3. МДО-покрытие, сформированное в фосфатном электролите, имеет ND = 9,8·см-3; естественная оксидная пленка на титане – ND = 5,9·101 9см-3. Концентрация носителей заряда в пленке может существенно влиять на процесс сорбции солей, который является начальной, а порой и определяющей стадией процесса солеотложения. Вместе с тем, концентрация носителей в термическом покрытии, практически не влияющем на процесс солеотложения (см. табл.

1), сравнима и даже несколько меньше по величине (ND = 3,4·1015 см-3) с ND для покрытия, сформированного в гипофосфит-алюминатном электролите. Поэтому наряду с концентрацией носителей должна существовать другая причина, обусловливающая свойства пленок.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.