3.6. Факторы, влияющие на скорость образования отложений

В предыдущих разделах были рассмотрены:

а) двухслойная модель отложений (рис.3.6.1: 1 - металл трубы, 2 - топотактический (внутренний) слой отложений, 3 - эпитактический (наружный) слой отложений);

б) механизм образования отложений:

химическая и электрохимическая коррозии:

• реакции процессов

• влияние температуры

• влияние О₂, Н₂, СО₂

• влияние потенциала

кислотная, щелочная и т.д. коррозии

кристаллизация из раствора на стенке:

• влияние с_п, с_ст

• влияние D_ст, D_ж

смыв отложений

в) изменение массы отложений во времени; динамически равно-весная масса отложений; межпромывочный период;

г) особенности образования отложений в прямоточных котлах СКД и ДКД, в барабанных котлах.

Рассмотрим еще некоторые факторы, влияющие на скорость образования отложений.

1. Влияние концентрации примеси

Кристаллизация вещества на стенке происходит при концентрации его у стенки С_ст, большей растворимости при температуре стенки. Доставка примеси из ядра потока к стенке трубы зависит от разности концентраций С_п - С_ст, где С_п - концентрация (средняя) в потоке воды. С увеличением С_п возрастает скорость роста отложений dg/dτ (рис.3.6.2) и температуры стенки (рис.3.6.3):

dg/dτ = С_пⁿ,

где показатель степени для большинства веществ n =1. Для оксидов меди n = 1/5.4.

2. Влияние диффузионных процессов

Кроме абсолютного значения концентрации примеси, необходимо знать фракционный состав примеси.

Коэффициент диффузии вещества зависит от индивидуальных свойств примеси, ее размеров (d_ч - диаметр частицы), вязкости раствора μ, температуры D ~ (kT/ μd_ч)К_t.

Влияние температуры и поправочного коэффициента К_t, учитывающего особенности диффузии в зоне максимальной теплоемкости, мы рассматривали при анализе кристаллизации вещества .

Зависимость диффузии от диаметра частицы показана на рис. 3.6.4: с увеличением диаметра коэффициент D падает.

На скорость образования отложений влияет и так называемая турбулентная диффузия D_т. Около поверхности трубы присутствует вязкий подслой жидкости (рис.3.6.5), в котором процессы теплообмена проходят на молекулярном уровне, а массообмена - на уровне микрочастиц и молекул вещества, перемещающихся в этом подслое за счет диффузионных процессов. Скорость среды в вязком подслое изменяется линейно от нулевого значения у поверхности стенки. Ближе к центру потока расположен промежуточный слой, а затем - ядро потока. В промежуточном слое (так же как и в ядре потока) малые объемы раствора (турбулентные моли) участвуют в турбулентной пульсации и перемещаются не только по направлению движения потока, но и в поперечном направлении.

При приближении турбулентного моля к границе вязкого подслоя (рис.3.6.5) он изменяет направление своего движения (внутрь вязкого подслоя он не проникает). Как ведут себя частицы примеси, находящиеся в этом моле раствора? Мелкие частицы движутся безынерционно и вместе с молем раствора вернутся обратно в ядро потока. Более крупные частицы за счет сил инерции будут продолжать двигаться к стенке трубы, часть из них достигнет поверхности стенки и за счет сил притяжения останется в слое отложений. Такой механизм перемещения частиц примеси в вязком подслое называют турбулентной диффузией.

Коэффициент турбулентной диффузии D_т увеличивается с ростом диаметра и, соответственно, массы частицы (рис.3.6.4).

Результирующий (эффективный) коэффициент переноса примеси в вязком подслое D_эф принимает минимальное значение при диаметре частиц d_ч, зависящем от вещества, концентрации, фазового состава примеси, от скорости потока и других факторов.

3. Влияние плотности теплового потока

При увеличении теплового потока q:

• увеличивается температура стенки и жидкости в пристенном слое при той же температуре потока;

• увеличивается коэффициент диффузии:

• уменьшается толшина вязкого подслоя:

• увеличиваются значения градиентов температуры dt/dx и концентрации примеси dС/dx, что ведет к росту скорости доставки примеси к стенке трубы.

Все это ведет к увеличению скорости роста отложений (рис.3.6.6). В общем случае зависимость скорости роста отложений от теплового потока можно представить в виде dg/dτ = A + Bq + Cq².

При q = 0 отложение примеси на стенке происходит за счет адсорбционных сил.

Сильная зависимость величины отложений от теплового потока приводит к тому, что максимум отложений совпадает с максимумом теплового потока (рис.3.6.7). Металл при этом находится в тяжелых условиях работы.

По периметру экранных труб тепловой поток распределяется не равномерно (рис.3.6.8): на лобовой образующей 1 тепловой поток максимален, на тыльной 3 -минимален. Растечка теплоты по металлу трубы несколько сглаживает неравномерность теплового потока. Такой характер изменения теплового потока по периметру трубы приводит к значительной неравномерности величины отложений - максимальное количество примеси расположено на лобовой образующей 1, что существенно сказывается на температуре металла в этой зоне.

4. Влияние скорости потока

Увеличение скорости потока в паровых котлах СКД приводит:

• к усилению турбулизации потока и увеличению скорости роста отложений:

• к увеличению скорости смыва рыхлых отложений и уменьшению массы отложений на стенке.

Следовательно, влияние скорости потока неоднозначно, зависит от конкретных условий. Общая тенденция:с увеличением скорости потока снижается скорость роста отложений.

При докритическом давлении в прямоточных котлах основная масса примеси выпадает в зоне кризиса кипения 2-го рода (рис.3.6.9). В координатах dg/dτ = f(ρw*x) максимум отложений для всех значений скорости потока (рис.3.6.10) лежит выше точки ρw*x = 500 кг/(м²с). Следовательно, при проектировании паровых котлов необходимо выдерживать соотношение ρw*x ≤ 500 кг/(м²с).

Барабанные котлы проектируются таким образом, чтобы в экранных трубах кризисы теплообмена 1 и 2 рода отсутствовали. На выходе из контура циркуляции массовое паросодеожание смеси должно быть меньше х_гр⁰, при котором наступает кризис теплообмена 2-го рода (с запасом). Из этого условия выбирается кратность циркуляции среды в контурах котла (должна быть больше 4).