Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой проблемы и определены задачи исследования.
В первой главе приведен обзор литературных данных по факторам, влияющим на процесс образования отложений продуктов коррозии железа на поверхностях котельного оборудования.
Из обзора литературных данных следует, что основными факторами, влияющими на процесс образования отложений продуктов коррозии железа, являются тепловой поток и концентрация продуктов коррозии железа в воде, изменение которых может привести к увеличению скорости образования отложений в десятки раз. Однако скорость образования отложений продуктов коррозии зависит не только от вышеуказанных факторов.
Так, например, тип ВХР и значение рН теплоносителя влияют на растворимость продуктов коррозии железа, на форму их существования, а также на заряд образующихся частиц, если концентрация продуктов коррозии железа превышает их растворимость. В зависимости от соотношения между зарядом частиц продуктов коррозии железа и поверхности металла изменяется и количество образующихся отложений. Известно, что при АВР продукты коррозии железа находятся в воде преимущественно в виде Fe3О4, при КАВР – в виде Fe(OH)3, скорость образования отложений при КАВР ниже, чем при АВР при одинаковых рабочих параметрах оборудования и концентрации железа в теплоносителе.
При рассмотрении факторов, оказывающих влияние на процесс образования отложений продуктов коррозии железа, необходимо также учитывать факторы, влияющие на физико-химические и другие процессы, например, гидродинамические, которые, в свою очередь, влияют на массообмен в пристенном слое потока теплоносителя.
Таким образом, на основании проведенного обзора литературных данных сформулирована задача о необходимости выделения из общего количества факторов, влияющих на процесс образования отложений продуктов коррозии железа, основных, которые определяют скорость образования отложений применительно к условиям работы конкретного оборудования.
Во второй главе приведено описание физической модели образования отложений продуктов коррозии железа, включающей в себя следующие стадии: физическое взаимодействие коллоидных и взвешенных частиц с поверхностью трубы; образование твердой фазы из воды в результате снижения растворимости; процессы адсорбции и ионного обмена на поверхности и в порах отложений.
На основании литературных данных выполнен анализ существующих математических моделей, описывающих процесс образования внутритрубных отложений продуктов коррозии железа. Установлено, что подход к созданию моделей и оценка основных факторов, влияющих на процесс образования отложений, у разных авторов значительно отличается.
Одни авторы считают, что определяющим фактором образования отложений продуктов коррозии железа является электростатическое взаимодействие между заряженной частицей и поверхностью трубы. На основании данного предположения авторы выводят зависимость для описания скорости образования отложений продуктов коррозии железа в виде уравнения:
А = k1∙q2·CFe, (1)
где А – скорость образования отложений продуктов коррозии железа; k1 – коэффициент пропорциональности; q – тепловой поток; СFe – концентрация железа в воде.
На основании тех же представлений о взаимодействии электрических частиц с поверхностью трубы, другими авторами получено следующее уравнение для расчета скорости образования отложений продуктов коррозии железа:
А = k2∙q·(CFe-СFeр)∙ρ∙dν/di, (2)
где k2 – коэффициент пропорциональности; СFeр – концентрация растворенного железа; ρ – плотность теплоносителя; ν – удельный объем теплоносителя; i – энтальпия теплоносителя.
В другой модели авторы предлагают оценивать скорость образования отложений продуктов коррозии на основании закономерностей массопереноса, протекающего при движении среды, содержащей взвешенные частицы, с учетом влияния на него тепловых и гидродинамических факторов:
(3)
где β – отношение наружного диаметра трубы к внутреннему; С – концентрация продуктов коррозии в теплоносителе; ν, νсл – удельные объемы теплоносителя в ядре течения и в пристенном слое соответственно; iсл – энтальпия теплоносителя в пристенном слое.
Некоторые авторы предлагают рассчитывать поверхностную плотность отложений с учетом времени нахождения примеси в объеме теплоносителя:
(4)
где R – радиус трубы; С0 – исходная концентрация вещества в теплоносителе; z – продольная координата; u – скорость потока; τ – время нахождения примеси в объеме теплоносителя.
Приведенный во второй главе анализ существующих уравнений для расчета скорости образования внутритрубных отложений продуктов коррозии железа показал, что в настоящее время нет единого математического описания механизма образования отложений. Кроме того, оценить влияние параметров, не входящих в явном виде в приведенные уравнения, практически невозможно. Следует также отметить, что значения некоторых коэффициентов и постоянных, входящих в уравнения (1) - (4), справедливы только в условиях проведения экспериментов.
На основании приведенного во второй главе анализа имеющихся математических моделей сформулированы задачи исследования.
В третьей главе представлен корреляционно-регрессивный анализ экспериментальных данных, выполненный с целью оценки влияния отдельных факторов на скорость образования отложений продуктов коррозии железа. Для проведения этого анализа были использованы результаты, полученные на экспериментальной установке кафедры Технологии воды и топлива (рис. 1), т.к. эти данные характеризуют конкретные условия проведения опытов: тип ВХР, теплотехнические параметры, время проведения опытов, концентрацию продуктов коррозии железа.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки
1 – бак; 2,2А,2Б – холодильники; 3 – дренаж; 4 – насосы; 5 – ресивер; 6 – газовый баллон с азотом; 7,7А – группа дроссельных вентилей; 8 - теплообменник; 9 – подогреватели; 10,16,17,18 – отбор проб; 11 – емкость для дозирования; 12 – насос-дозатор; 13 – электронагреватель экспериментального участка; 14 - экспериментальный участок; 15 – расходомер; 19 – Н-катионитные фильтры; 20 – фильтр смешанного действия.
Таблица 1
|
q, кВт/м2 |
G, л/ч |
tст, oC |
tвхв, oC |
τ, ч |
pH |
ОВП, мВ |
СFe, мкг/дм3 |
СNa, мкг/дм3 |
χ, мкСм/см |
χн, мкСм/см |
AобщFe, *102 мг/(см2·ч) |
|
АВР |
|||||||||||
|
54,6 |
73 |
- |
326,4 |
121 |
9,2 |
65 |
10,5 |
5,1 |
5,7 |
0,82 |
0,92 |
|
48,5 |
64 |
340,2 |
324,7 |
121 |
8,9 |
72 |
6,8 |
0,9 |
5,7 |
0,38 |
0,41 |
|
50,2 |
74 |
329,2 |
325,2 |
123 |
9,1 |
60 |
7,8 |
0,7 |
6,0 |
0,20 |
0,59 |
|
48,1 |
69 |
327,0 |
327,9 |
125 |
9,3 |
76 |
46,3 |
2,1 |
5,2 |
0,40 |
1,45 |
|
51,1 |
72 |
334,0 |
325,7 |
- |
9,2 |
71 |
51,6 |
2,3 |
5,5 |
0,38 |
2,00 |
|
150,4 |
59 |
349,4 |
324,3 |
120 |
9,4 |
85 |
8,5 |
1,23 |
5,6 |
0,41 |
0,73 |
|
159,9 |
73 |
332,0 |
323,3 |
121 |
9,1 |
70 |
9,0 |
0,52 |
5,9 |
0,31 |
1,50 |
|
149,5 |
75 |
322,4 |
314,5 |
121 |
9,1 |
80 |
41,6 |
2,4 |
6,1 |
0,20 |
2,20 |
|
294,5 |
74 |
340,1 |
316,8 |
76 |
9,3 |
80 |
7,6 |
3,54 |
5,6 |
0,32 |
4,30 |
|
298,5 |
76 |
338,6 |
315,8 |
77 |
9,1 |
65 |
38,2 |
4,2 |
5,9 |
0,34 |
5,37 |
|
КАВР |
|||||||||||
|
49,6 |
72 |
326,4 |
329,0 |
118 |
8,3 |
275 |
5,6 |
2,8 |
2,40 |
0,50 |
0,37 |
|
50,0 |
71 |
328,3 |
327,4 |
120 |
8,1 |
225 |
38,8 |
2,5 |
2,10 |
0,40 |
0,45 |
|
151,8 |
70 |
333,6 |
322,4 |
121 |
8,2 |
230 |
9,5 |
2,9 |
2,40 |
0,40 |
0,73 |
|
148,8 |
62 |
333,1 |
324,1 |
121 |
7,8 |
260 |
10,0 |
3,3 |
2,50 |
0,20 |
0,41 |
|
156,0 |
71 |
337,8 |
323,9 |
118 |
8,2 |
240 |
39,0 |
2,5 |
6,50 |
0,41 |
1,10 |
|
303,5 |
80 |
339,5 |
318,4 |
90 |
8,1 |
280 |
8,0 |
1,2 |
2,60 |
0,30 |
2,00 |
|
310,4 |
63 |
349,5 |
314,1 |
98 |
8,3 |
280 |
6,8 |
1,42 |
3,50 |
0,50 |
1,67 |
|
303,4 |
61 |
346,0 |
316,4 |
78 |
7,9 |
230 |
45,5 |
3,3 |
2,50 |
0,20 |
2,40 |
|
ВВР |
|||||||||||
|
50,8 |
71 |
329,8 |
327,3 |
120 |
8,9 |
-122 |
8,1 |
2,6 |
4,4 |
0,31 |
0,266 |
|
49,6 |
72 |
329,2 |
327,3 |
120 |
9,0 |
-121 |
34,2 |
2,5 |
4,3 |
0,30 |
0,477 |
|
50,7 |
64 |
329,9 |
328,0 |
120 |
8,4 |
-127 |
6,5 |
2,5 |
4,4 |
0,34 |
0,371 |
|
149,7 |
72 |
330,8 |
326,7 |
120 |
8,9 |
-135 |
7,2 |
2,9 |
4,0 |
0,36 |
0,472 |
|
148,7 |
74 |
333,8 |
326,0 |
121 |
8,9 |
-133 |
39,4 |
2,8 |
3,8 |
0,31 |
0,626 |
|
288,6 |
75 |
329,9 |
320,1 |
98 |
9,0 |
-143 |
10,8 |
3,1 |
3,8 |
0,42 |
1,700 |
|
296,9 |
70 |
338,4 |
320,9 |
102 |
9,0 |
-124 |
35,4 |
3,0 |
3,7 |
0,42 |
2,250 |
|
298,2 |
66 |
339,6 |
321,5 |
100 |
8,9 |
-154 |
12,1 |
3,0 |
4,9 |
0,34 |
1,985 |
|
297,8 |
70 |
339,7 |
321,1 |
98 |
8,9 |
-117 |
35,6 |
3,1 |
3,8 |
0,48 |
1,924 |
|
276,7 |
69 |
337,6 |
319,5 |
106 |
8,5 |
-148 |
40,5 |
2,8 |
5,1 |
0,34 |
1,839 |
|
272,1 |
63 |
335,4 |
319,0 |
96 |
8,4 |
-145 |
10,6 |
2,8 |
5,4 |
0,32 |
1,725 |
Примечание: q – тепловой поток; G – расход воды; tст - температура стенки экспериментального участка; tвхв - температура воды на входе в экспериментальный участок; τ – продолжительность эксперимента; pH – значение рН; ОВП – окислительно-восстановительный потенциал; СFe – концентрация железа в воде; СNa - концентрация натрия в воде; χ, χн - электропроводность и электропроводность Н-катионированной пробы воды соответственно; AобщFe - суммарное количество отложений продуктов коррозии железа.
В течение каждого эксперимента все химические и теплотехнические параметры на экспериментальном участке поддерживались постоянными.
Корреляционно-регрессивный анализ экспериментальных данных, представленных в табл. 1, выполнен по программе STATISTICA 7.0 (фирма-производитель StatSoft Inc, USA), состоящей из набора модулей, в каждом из которых собрана определенная группа методов анализа.
В модуле Descriptive Statistics были определены основные параметры описательной статистики (дисперсия выборки, среднее квадратическое отклонение и пр.), используя которые были рассчитаны коэффициенты корреляции. Анализируя значения коэффициентов корреляции, был сделан вывод, что все параметры, контролируемые в процессе проведения опытов, в той или иной степени оказывали влияние на скорость образования отложений продуктов коррозии железа – все значения коэффициентов корреляции были отличны от нуля (табл. 2).
Таблица 2