Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей структур отложений и механизмов их образования 18
1.1. Систематизация характера структур отложений 18
1.2. Механизм образования отложений 28
1.3. Вода, как теплоноситель, ее характеристика и свойства 37
ВЫВОД. 43
2. Исследование теплофизических свойств отложений 43
2.1. Пористость отложений и ее влияние на теплопроводность 43
2.2. Анализ расчетных зависимостей по определению теплопроводности многокомпонентных структур отложений 57
2.3. Исследование влияния материала поверхности на энергию адгезии отложений 67
ВЫВОДЫ 80
3. Методы моделирования процессов образования отложений и проведения экспериментальных исследований 82
3.1. Обзор используемых ранее методов 82
3.2; Обоснование выбора методов моделирования условий формирования отложений 84
3.3. Описание экспериментальных установок 86
3.4. Анализ работы подогревателей сетевой воды по результатам испытаний '. 98
ВЫВОДЫ 110
4. Исследование влияния на образование отложений конструктивных особенностей оборудования и условий его эксплуатации 112
4.1. Распределение отложений в трубах 112
4.2. Анализ адекватности экспериментальных данных с расчетными результатами по существующим методикам 125
4.3. Анализ динамики процессов кристаллизации солей в потоке 136
ВЫВОДЫ 151
5. Исследование воздействия электродных процессов и электростатических взаимодействий на механизм образования отложений 154
5.1. Анализ влияния материала теплообменной поверхности 154
5.2. Электродный потенциал теплообменной поверхности 161
5.3. Электростатические силы, действующие в коллоидных системах 167
5.4. Использование поляризации для предотвращения отложений 176
ВЫВОДЫ 188
6. Методы прогнозирования процесса образования отложений 189
6.1. Обзор эмпирических зависимостей 189
6.2. Построение эмпирической зависимости для прогнозирования процесса загрязнения 194
6.3. Диагностика ресурса работы теплообменного оборудования ,. 198
6.4. Построение математической модели процесса загрязнения 202
6.5. Влияние ламинарного слоя на динамику осаждения дисперсных
частиц 217
6.6. Закрепление и смыв частиц 226
6.7. Адекватность зависимостей экспериментальным и эксплуатационным данным 229
Выводы 232
7. Способы борьбы с образованием отложений 23 6
7.1. Обзор существующих методов 236
7.1.1. Химические способы обработки воды 237
7.1.2. Физические способы 239
7.1.3. Механические способы 243
7.2. Оптимизация работы циркуляционной охлаждающей системы с градирней 253
7.3. Использование полимерных покрытий 258
7.4. Исследование теплофизических свойств покрытий из наполненных фторопластов 256
Выводы 277
Заключение 279
Список использованной литературы
- Механизм образования отложений
- Анализ расчетных зависимостей по определению теплопроводности многокомпонентных структур отложений
- Обоснование выбора методов моделирования условий формирования отложений
- Анализ адекватности экспериментальных данных с расчетными результатами по существующим методикам
Введение к работе
В настоящее время в большинстве стран мира в основу выработки электроэнергии положен принцип паросилового цикла. Так в бывшем СССР, в 80-ые годы на тепловых станциях вырабатывалось до 75% всего количества электроэнергии, а в США до 70-73% [1,2]. Широкое использование тепловой энергетики чаще всего обосновывается географическим положением стран, необходимостью отопления, а также хорошо отработанными технологиями преобразования тепловой энергии в электрическую. До настоящего времени тепловая энергетика (ТЭС и АЭС) позволяют получить наиболее дешевую электроэнергию.
Отложения на теплообменных поверхностях, даже при небольшой толщине (5=0,2-1,0мм), приводят к существенному снижению коэффициента теплопередачи (до 30-60%). Это вызвано тем, что они имеют очень малые значения коэффициента теплопроводности (0,2-1,5) Вт/(м К), в сравнении с теплопроводностью материала теплообменных. труб (X. = 20-100 Вт/(мК). Причем, падение до 30% при работе в различных системах технического водоснабжения может происходить, например, на морской воде за первые 10-40 часов или, внутри континентальных водоемов, за 60-200 часов. При этом скорость роста отложений из пресной воды может достигать от 0,5 до 3,0 мм/год. Образование отложений на теплообменных поверхностях конденсаторов турбин влечет за собой снижение КПД, в результате чего в энергетике США имеет место недовыработка электроэнергии на сумму 1,36 млрд дол. в год. Экономический расчет по России в тарифах начала 21-го века показывает, что при средней скорости роста отложений 0,6 мм/год энергоблок электрической мощностью 1000 МВт за счет отложений теряет до 4% КПД за год, что составляет потери в виде недовыработанной электроэнергии на сумму 175 млн.руб. или 175 руб. на 1 кВт установленной мощности. В целом же по тепловой энергетике страны потери составляют величину около 30 млрд. руб. в год.
Несмотря на это, многими специалистами проблема признается не решаемой в комплексе всех процессов. Для каждой системы охлаждения предполагается уникальность процессов загрязнения. Лабораторные исследования часто сводятся к получению частных зависимостей, причем на столько упрощенных, что результаты их не могут быть адекватно использованы в те-плообменном оборудовании промышленного масштаба. В результате, в настоящее время практически отсутствуют какие-либо хотя бы приближенные рекомендации по прогнозированию отложений.
Экономический эффект от внедрения рекомендаций, способов, устройств, способствующих снижению скорости образования отложений в оборудовании систем технической воды на 10, 20, 30 %, может составить в целом по тепловой энергетике страны соответственно 3, 6, 9 млрд. руб. в год.
Обзорный материал, приведенный выше подчеркивает актуальность; научных исследовавший, в результате которых могут быть получены принципиально новые сведения о свойствах отложений, о характере их распределения на теплообменных поверхностях различной формы, о влиянии режимов работы теплообменного оборудования и качества воды на интенсивность образования отложений. Общие представления о механизме и свойствах позволят правильно выбирать методы воздействия на процесс, оптимизировать способы разрушения отложений.
Целью научной работы является - повышение эффективности и надежности работы ТЭС и АЭС путем разработки теоретических положений механизма образования отложений, принципов диагностирования и методов борьбы с образованием отложений в теплообменном; оборудовании.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
- установить закономерности влияния природных и технологических параметров на механизм образования отложений в различных охлаждающих системах ТЭС и АЭС;
- на основании анализа теоретических и экспериментальных исследований оценить уровень влияния динамики процессов кристаллизации солей на образование дисперсной фазы в потоке охлаждающей воды в оборудовании ТЭС и АЭС;
- установить взаимосвязи между структурными особенностями и теплофизическими свойствами отложений, образованных на различных теплообменных материалах в различных системах технического водоснабжения ТЭС и АЭС;
- на основе регрессионного анализа эксплуатационных и экспериментальных данных разработать эмпирическую модель. процесса образования: отложений;
- установить взаимосвязи между электростатическими зарядами дисперсных частиц в потоке воды, электродным потенциалом поверхности теплообмена и интенсивностью образования отложений;
- создать математическую модель процесса образования отложений и: подвергнуть ее проверке на адекватность эксплуатационным и экспериментальным результатам;
- на основании анализа существующих методов борьбы с отложениями разработать новые, наиболее эффективные методы снижения скорости образования отложений.
Положения диссертации, выносимые на защиту и их научная новизна: 1. Впервые сформулированы основы теории формирования отложений на различных теплообменных поверхностях оборудования ТЭС и АЭС.
2. Эмпирическая модель процесса загрязнения, построенная на основании регрессивного анализа экспериментальных и эксплуатационных данных, которая в сравнении с существующими является более универсальной.
3. Математическая модель процесса образования отложений не имеющая аналогов.
4. Впервые произведена классификация факторов, влияющих на уровень энергии адгезии отложений к различным теплообменным материалам, используемым в оборудовании ТЭС и АЭС.
5. Закономерности воздействия поверхностных процессов и ионной активности теплообменной поверхности на уровень электродных потенциалов различных теплообменных материалов, на удельное количество отложений и уровень энергии адгезии. 6. Разработана оригинальная методика прогнозирования теплопроводности многокомпонентных структур отложений в оборудовании систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС.
8. Критерии выбора низко теплопроводных диэлектрических материалов в качестве покрытий теплообменных поверхностей, с целью снижения интенсивности процессов загрязнения и оценка степени влияния ряда факторов на формирование определенного уровня теплопроводности наполненных фторопластовых покрытий.
Степень достоверности результатов исследований подтверждается:
- применением современных, как оригинальных, так и стандартных, а также традиционных методов постановки, проведения и обработки результатов исследований;
- корректным использованием математического и экспериментального моделирования процессов;
- положительными результатами практического использования предложений и рекомендаций;
- идентичностью и сходимостью расчетных и экспериментальных дан- ных (расхождение не превышает 20%).
Практическая значимость работы:
- разработаны эмпирическая и математическая модели процесса загрязнения теплообменных трубок оборудования систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС, позволяющие с точностью до 15-20% прогнозировать динамику загрязнения, планировать своевременные очистки с минимумом: энергетических и экономических потерь;
- разработаны рекомендации по диагностированию толщины отложений образующихся в процессе эксплуатации оборудования ТЭС, и АЭС;
- разработаны рекомендации по предотвращению срыва циркуляции и стремительному зарастанию теплообменных трубок при большом их количестве, включенных параллельно; - предложены рекомендации по выбору на этапе проектирования материалов теплообменной поверхности, способствующие наименьшей скорости образования отложений;
- обоснована целесообразность использования на теплообменных поверхностях защитных полимерных покрытий, снижающих скорость образования отложений;
- разработаны рекомендации по технологии нанесения и составу наполненного фторопласта из условия наибольшего коэффициента теплопроводности покрытия и наименьшей адгезии отложений;
- предложен способ минимизации образования отложений в оборудовании ТЭС и АЭС, основанный на создании электростатического поля, направленного действия.
Реализация работы:
В период с 1984 по 1987 годы по заказу специализированного конструкторского бюро (СКБ) завода «Атоммаш», в рамках комплексных научно-технических программ Северо-Кавказского научного центра высшей школы «Атоммаш» и «Реактор» были выполнены ряд хоздоговорных работы по обоснованию возможности снижения диаметра теплообменных трубок в оборудовании АЭС, работающего в системе технического водоснабжения с морской: водой. Результаты экспериментальных исследований были внедрены в виде рекомендаций по скорости образования отложений в трубах из стали типа 08Х18Н10Т.,
В период с 1987 по 1989 годы по заказу ВНИИАМ (г.Москва) на базе Волгодонской ТЭЦ-2 выполнены комплексные исследования влияния конструктивных и технологических факторов на процесс загрязнения теплооб-менного оборудования ТЭС и АЭС. Внедренные рекомендации позволили осуществлять выбор конструктивных и технологических параметров проектируемого оборудования, обеспечивающих минимум образования отложений. В период 1990 - 1997гг. на Волгодонской ТЭЦ-2 проведены комплексные исследования по оптимизации схемы включения и режимов работы сетевых подогревателей. Предложенные рекомендации повысили надежность работы и тепловые показатели ПСГ.
Результаты научных исследований использованы в учебных курсах для студентов энергетических специальностей по дисциплинам «Моделирование и проектирование энергоустановок», «Испытание и наладка энергоустановок» (указаны в перечне публикаций).
В выполнении: отдельных разделов работы принимали участие сотрудники Волгодонского института ЮРГТУ(НПИ), специалисты завода; «Атоммаш», Волгодонской ТЭЦ-2, ВФ ВНИИАМ, а так же аспиранты кафедры, руководимые соискателем. По тематике научных исследований защищена кандидатская диссертация.
Основные результаты диссертационной работы автором получены самостоятельно. Непосредственно автором выполнено следующее:;
1. Разработано и сформировано научное направление (в том числе кафедры ; теплоэнергетических технологий и оборудования Волгодонского института ЮРГТУ (НПИ)) по изучению процессов накипеобразования, структур отложений и эффективных способов борьбы с ними.
2. Разработаны конструкции экспериментальных стендов по исследованию процессов загрязнения, в том числе полупромышленная установка на Волгодонской ТЭЦ-2.
3. Предложен метод обработки показаний штатных приборов тепловых и атомных станций с целью диагностирования толщины отложений, динамики их образования.
4. На основе собранного лично автором массива: эксплуатационных данных по различным тепловым и атомным станциям разработана эмпирическая модель процесса загрязнения.,
5. Разработан алгоритм построения математической модели процесса загрязнения. Проведен анализ результатов расчетных исследований.
6. Произведен анализ всех процессов, участвующих в механизме формирования отложений. Разработаны методы воздействия на эти процессы.
7. Организовал и непосредственно участвовал в подготовке и проведении экспериментальных и аналитических исследований представленных в диссертации.
8. Подготовил большинство публикаций по результатам работы, а также доклады и выступления на научно-технических конференциях и семинарах.
Механизм образования отложений
Растворенные соли, содержащиеся в воде, выпадают в теплообменную стенку только в случае образования в потоке условия перенасыщения, в результате которого происходит кристаллообразование непосредственно в потоке микрокристаллов размером от 0,3 до 0,7мкм, либо непосредственно на теплообменной стенке.
Такие соли называются солями жесткости (СаС03, Mg2C03). Эти соли имеют отрицательную растворимость при повышении температуры, т.е. при повышении температуры растворимость этих солей в воде уменьшается [10]. Химический состав некоторых рек по основным показателям представлен в табл. 1.1.
В каждом водоеме, вода которого используется для охлаждения в системах тепловых станций, содержание микроорганизмов в воде изменяется в течение года, причем в холодное время или в холодных климатических поясах содержание микроорганизмов сводится к минимуму.
Как правило, благоприятная температура для большинства микроорганизмов составляет 15:+ 30 С. В зимний период, в холодное время содержание микроорганизмов на литр воды 15 -ь 10 штук, а в летнее время достигает 6 + 20 млн. штук [8]. Для систем технического водоснабжения опасными являются микроорганизмы, благоприятная температура которых находится в предела 10т-25С. Например, рачок Дрейсена, размеры которого могут быть от 0,2 до 2мм, своими колониями покрывает внутреннюю поверхность трубопроводов циркводоводов и теплообменного оборудования [31,32] (табл. 1.2). Существуют в природе также железобактерии, для которых благоприятной является температура в очень широком диапазоне от -2С до 80С. Имея размеры от 0,5 до 4,0 мкм, они очень часто расселяются в трубопроводах теплосетей. Единственным эффективным способом борьбы с ними, как правило, является прогрев теплосети до уровня температур 100-120С.
Процесс закрепления и формирования структуры отложений начинается с зародышей на теплообменной поверхности. Ими могут служить неровности поверхности, микровпадины шероховатости. Появлению зародышей предшествует некоторый инкубационный период - сложный многокомпонентный процесс, в конкретных условиях носящий индивидуальный характер. Протекает он обычно в следующей последовательности: - адсорбция ионов раствора на поверхности канала или трубы; - вытеснение ионного слоя мицеллой, частицы, оседающей на поверхность; - перераспределение адсорбционного слоя; - формирование связи: поверхность - частица; - формирование связи частица - частица.
В результате этих процессов на поверхности теплообмена образуется тонкий желеобразный слой. Его появление обнаруживается при эксплуатации оборудования снижением гидродинамического сопротивления аппарата на 10-15% в первые 10-50 часов эксплуатации. Это объясняется снижением трения воды по желеобразному слою вместо шероховатой металлической поверхности [8,23,24].
В свою очередь закрепление и развитие микроорганизмов происходит в результате процессов: - адсорбции и концентрации бактерий на поверхности; - хемоформирования в соответствии с химическими связями; - миграции подвижных бактерий с поверхности внутрь структуры; - закрепление второго слоя, его роста, формирований колоний и смыв их потоком [25,26,27].
Механизм образования отложений включает в себя пять основных процессов, как это представлено на матрице Эпстейна, приведенной во введении (рис.В. 1 .)
1. Образование микрокристаллов солей, их рост и коагуляция с дисперсными частицами в более крупные коллоидные соединения. Скорость роста образующихся в потоке кристаллов мала, но они успевают вырасти до значительных размеров [28].
2. Доставка материалов отложений к стенке. На каждую дисперсную частицу в потоке действуют различные силы (силы тяжести, силы Архимеда, динамический напор потока и т.д.). Все они участвуют в механизме осаждения частиц на стенку.
3. Закрепление. Оседающие частицы могут закрепляться под действием электрохимических сил (химические связи, ионные и молекулярные связи).
Анализ расчетных зависимостей по определению теплопроводности многокомпонентных структур отложений
Характер кривых показывает, что на их перегибе имеет место рекристаллизация и образование более плотных кристаллических форм. В основном теплообменном оборудовании энергетических объектов: в паровых котлах, парогенераторах и др., качество используемой воды, в сравнении с охлаждающей водой открытой циркуляционной системы, значительно выше. Однако уровень температур, давлений, удельных тепловых потоков, а самое главное - имеющие место фазовые превращения воды, образование пара, приводят к концентрированию солей и образованию на теплообменных поверхностях твердых, низкопористых отложений.
На основе теории обобщенной проводимости перенос теплоты в гетерогенных материалах по аналогии с законом Фурье описывается уравнением вида [67;68]: А=ЛВ или где А и В - векторные величины (например, q и град t); Л. - характеризует свойства материала, как обобщенный коэффициент проводимости. Решение интегрального уравнения для двухкомпонентной структуры дает выражение, аналогичное закону Фурье (5)—UaV. + AaVa )), где v - объемные доли компонентов. В этом случае обобщенный коэффициент проводимости примет вид A = A1v1 1+A2v2 р) где ш= Многокомпонентные структуры подразделяют на следующие группы [66]: - матричные - включения (вкрапления) одного материала в другой; - взаимопроникающие структуры определяются непрерывной протяженностью всех компонентов; - статистические смеси имеют неизвестное объемное строение включений; - зернистые и связанные системы.
Если частицы являются изомерными, то есть размеры по осям отличаются не более, чем 2-3 раза, то их форма мало влияет на эффективную проводимость.
2.2.1. Теплопроводность статистических смесей. Наиболее подходящими для описания теплопроводности отложений на основе общей теории диэлектрической проницаемости являются статистические смеси. В этих структурах зерна компонентов расположены в пространстве неупорядочено, хаотически. Теплопроводность этих смесей должна находится между значениями определенными параллельной и последовательной моделями (рис.2.6), ограниченной неравенствами Винера (О. Wiener) (рис. 2.7) [67].
Такая структура характерна, как правило, вкраплениями высокотеплопроводных частиц в низкотеплопроводную сплошную структуру. В качестве примера можно привести смесь полимера с хорошо теплопроводными вкраплениями. Например, фто ропласт, как диэлектрик и медь в качестве вкраплений. Матрица — это полимер (диэлектрик), зерна - это включения.
Иногда матричные смеси — это частные случаи статистических моделей (при малом содержании зерен, а также в случаях, когда они не соприкасаются).
Для расчета коэффициента теплопроводности таких структур рекомендуется использовать: 1) при наличии шарообразных включений формулу Максвелла [67] о _ і 2 Я t + Я і 2 V \Хг X і) су гу \ ее упрощенный вариант при v «1 имеет вид: l + 3v_A L л — J /U — Лі 2) если зерна хорошие проводники тепла, то хорошее схождение дает формула Брюггемана, при V 0,5: э Я, . (2.25) Я""(1-у) Однако для применения формул необходимо учитывать следующие замечания: - формула Максвелла применима при условии v 0,5, а в некоторых случаях при v 0,25. X - упрощенная формула Максвелла имеет решение только при —-1- . 1, где Л і - теплопроводность включений, то есть теплопроводность основного материала матрицы должна быть меньше, чем включений; - все предлагаемые формулы не могут описывать изменение (А,о) от V во всем диапазоне от 0 до 100 %. Они как правило имеют ограничения до v 0,5. Многие авторы считают, что использование принципа обобщенной проводимости оказывается наиболее эффективным, если при этом рассматривается реальная структура материала, оцениваются пористость системы, размеры пор, частиц, способов контактирования и так далее.
Такие структуры в упрощенном виде можно рассчитывать по следующим формулам [66]:
Для уменьшения математических трудностей хаотическую структуру заменяют упорядоченной моделью отражающей все основные особенности исходной структуры (рис.2.8.6). Упорядоченная модель должна адекватно отражать структуру реального материала (устойчивость, изотропность сохранение формы частиц) и корректность математического описания.
Предполагается, что каркас, образованный контактирующими частицами невытянутой формы, представляет собой упорядоченную трехмерную-решетку с кубической симметрией; и брусьями постоянного сечения. Пространство между брусьями и межзеренные поры в каркасе заполнены в общем случае водой или паро-газовой смесью.
Как было установлено ранее, пористость реальной структуры отложений может изменяться в ограниченном диапазоне от 0,03 до 0,3. В этом случае минимальные значения пористости всей системы будут определяться пористостью каркаса. Поэтому предполагается, что каркас образован наиболее плотной укладкой частиц одного размера шаровой формы с пористостью около 0,26.
Ячейка ориентирована относительной общего направления потока тепла таким образом, что поверхности, параллельные потоку, являются адиабатическими, а перпендикулярные — изотермическими, причем температурное поле при этом линеаризуется.
Часть внутреннего объема ячейки заполнена каркасом, который рассматривается как сплошное однофазное вещество с теплопроводностью Лм. Остальной объем имитирует пространственную сеть пор в структуре второго порядка с теплопроводностью ЛПц.
Обоснование выбора методов моделирования условий формирования отложений
Результаты проведенных ранее исследований не могут в полной мере быть объединены для решения поставленной задачи, поскольку анализ используемых методов указывает на существенные их недостатки: - задачи слишком разобщены; -условия экспериментов часто не соответствуют условиям в конкретном те-плообменном оборудовании; - упрощение методов часто ведет к неадекватности полученных результатов реальным условиям; - при анализе результатов практически отсутствуют обобщающие интегральные критерии.
Из этого следует, что решая поставленную задачу исследования процесса образования отложений с целью разработки надежного метода их прогнозирования, а в последующем, используя полученные данные, разработать І предложения по эффективности способов борьбы, необходимо определить следующие основные позиции метода исследований: - в качестве охлаждающей среды использовать воду только естественного природного водоема, причем по содержанию накипеобразующих элементов близкую к техводе большинства станций; - обогрев осуществлять паром или водой, адекватным реальным условиям эксплуатации; - в качестве теплообменной поверхности использовать трубы из материалов и типоразмеров, обычно используемых в теплообменниках ТЭС и АЭС; - режим работы по скорости течения воды, по тепловым потокам должны охватывать диапазоны режимов теплообменников, используемых в энергетике; - исследовать отдельно массовые параметры отложений, определяя закономерности их распределения по теплообменной поверхности и с другой стороны, закономерности структурообразования и теплофизические свойства; - исследовать эффективность физических воздействий на процесс на-кипеобразования из искусственных растворов на лабораторных установках; - результаты экспериментов сопоставлять со скоростью загрязнения и характером; образований на теплообменных поверхностях штатного оборудования станций.
Параметры некоторых, наиболее характерных теплообменников, используемых в отечественной энергетике в системах технического водоснабжения, приведены в табл. В. 1.
Основываясь на этих данных, для экспериментальной установки приняты следующие варьируемые факторы и их значения: - материал трубки: сталь 20, 06Х18Н10Т, 08Х14МФ, ЛО-70; - наружный диаметр трубки; 25 мм, 16мм, 10 мм; - скорость технической воды: 0,5; 1,0; 2,0 м/с; - удельный тепловой ноток в зависимости от режимов работы в пределах 50-250 кВт/м2; - сезонные изменения химического и микробиологического состава технической воды в периоды: осенне-зимний, весенне-летний. 3.3. Описание экспериментальных установок Процесс образования отложений исследовался в 3 этапа: - на лабораторных установках с искусственным солевым раствором в качестве накипеобразугощей среды изучался процесс образования отложений из искусственной морской воды и насыщенного раствора солей СаСоз и СаС12; - на экспериментальной установке, смонтированной на Волгодонской ТЭЦ-2, использующей в качестве охлаждающей среды природную воду Цимлянского водохранилища; - на штатных теплообменниках типа ПСГ и конденсаторах турбин Волгодонской ТЭЦ-2.
Лабораторные исследования с искусственной морской водой и растворами солей. Исследования проводились с целью определения удельного количества отложений в трубках различного диаметра. Установка (рис. 3.1) представляла собой замкнутый циркуляционный контур, включающий: панель из пяти трубок (1) (сталь 08Х18НЮТ) типоразмером 0 25x2; 0 18x1; 0 16x1,2; 0 12x0,5; 0 10x1,2; емкость для приготовления и перемешивания раствора объемом 0,2 м3 (8); циркуляционный насос (9); теплообменник для отвода части тепла (б); силовой трансформатор (7); через балластные реостаты (5), осуществляющие питание электрических спиралей трубок экспериментальной панели (2), трубопроводы, запорную и регулирующую арматуру.
Средства измерений установки позволяли контролировать: - температуру воды на входе и выходе из каждой трубки термопарами типа ХА и ртутными термометрами; - расход воды на каждой трубке нестандартными шайбами и жидкостными дифманометрами, погрешность тарировки шайб не превышает 3%; - падение давления на каждой трубке жидкостными дифманометрами; - мощность, выделяемую электрическими нагревателями на каждой трубке. В установке, обеспечивались следующие режимы работы: - разогрев воды на 3-7 С, с 70-73 до 78-80 С; - число Рейнольдса по трубкам в диапазоне 6500-16400 при скоростях воды 0,1-0,3 м/с; - удельный тепловой поток не превышал 32 кВт/м с учетом потерь тепла в окружающую среду;
Анализ адекватности экспериментальных данных с расчетными результатами по существующим методикам
Экспериментальные данные можно сопоставить с результатами расчета, полученными с использованием существующих методик. Суть их заключается в следующем: - расчет скорости осаждения (крупности частиц) соч [4]; - расчет минимальной скорости потока, при которой не происходит осаждение частиц vmin при гидротранспорте [55;56;57;58].
Скорость равномерного падения частицы определяется при свободном обтекании шара диаметром d4 жидкостью плотностью р и вязкостью v по формуле О.М. Тодеса и Р. Б. Розенбаума: 0)ч =j-Ar(l$ + Q,6\-jA y\ (4.1) где Аг Я\РЧ Рв) - критерий Архимеда; d4—диаметр шара, эквива i/з лентного частице по поверхности, d3 = 1,24 VT На эквивалентный диаметр частицы оказывает влияние коэффициент формы частицы кф.
Если вставить в формулу (4.1) критерий Архимеда, и параметры воды при температуре t=20C /?ч«2400кг/м3; /уЮООкг/м3; VRJMO"6 М2/С и упростить, то получим: rae =g(p4-pBy(pB V) l,4 106 размерная величина, (м-с)"1;
Если проанализировать это выражение, то обращает на себя внимание то, что при значениях d4 порядка 10 6 м, подкоренное выражение в знаменателе принимает значения близкие к нулю. Пренебрегая им, получим упрощенное выражение: Л А =Ї8 ч- (4 2) Это квадратная парабола, показанная на рис. 4.13.
В технической: литературе, посвященной гидротранспорту, в частности [58], рассматривается движение мелкозернистых материалов почти однородно перемешанных с несущей жидкостью (гомогенной суспензией).
При этом определяющим является размер частицы. Рассматривается движение (транспорт) монодисперсных частиц фракций грунтов, которые в воде могут иметь следующие размеры [56]: Глина тонкая до 1 мкм; грубая - от 1 до 5 мкм; Пыль мелкая - от 5 до 10 мкм; крупная - от 10 до 50 мкм; Песок тонкий - от 50 до 100 мкм; мелкий - от 100 до 250 мкм; средний от 250 до 500 мкм; крупный - от 500 до 2000 мкм. Эти методики не могут быть в полной мере применены для расчета осаждения из технической воды, которая; является полидисперсной системой.. Размеры частиц в технической воде измеряются в широком диапазоне, в основном от 0,5 мкм до 100 мкм. Присутствуют в воде частицы и меньшего и большего размера, однако они осаждению не подвергаются, поскольку: - первые- на столько малы,, что подвержены броуновскому движению; — вторые - слишком велики и под действием смывных касательных напряжений потока воды, уносятся им..
Из анализа режимов гидротранспорта следует, что минимальная скорость потока воды, препятствующая осаждения дисперсных частиц размером менее 100 мкм, составляет от 10"3 до 10"2 м/с.При; этом она зависит от плотности материала частиц,, а так же от числа, Рейнольдса, которое определяется по d4 и изменяется в диапазоне от 0,03 до 0,1..
Длина, на которой дисперсная частица в потоке воды опустится на стенку трубы по данным [4] можно определить по формуле: 2-а,. V (4.3) где ФЧ — скорость осаждения частицы (гидравлическая крупность), м/с; Vmin - скорость потока воды, м/с; v -кинематическая вязкость м /с. Таким образом, из (4.3) следует, что длина осаждения / . линейно зависит от критерия Re. Однако коэффициент турбулентности (несовершенства гидродинамических условий) к так же зависит от скорости. Его предлагается определять по следующей формуле: Vft v2-(0,05.n2 Зависимость (4.3) в этом случае будет иметь не линейный характер от значения Re.
Если поставить в формулу (4.3) упрощенное значение скорости осаждения частиц о, (4.2), то получим зависимость длины осаждения от диаметра частиц в виде гиперболы, представленной на рис.4.14.. Анализ полученных кривых показывает очевидное: - чем больше с?ч, тем меньше длина осаждения /да; - чем больше Re, тем больше їж.
Используя результаты экспериментальных исследований, приведенные ранее в разделе 4.1.4, были рассчитаны значения коэффициента к. Результаты расчетов в графическом виде представлены на рис. 4Л5. - в ламинарном режиме течения при увеличении скорости потока значение к возрастает, а при достижении Re на уровне 3000, к стабилизируется; - для переходного и турбулентного режима течения потока значение этого коэффициента постоянно и характеризует размеры частиц. Так, например, для частиц талька d4 » 10 мкм; =6-10"3; для частиц СаС03 d4 « 30 мкм; =50-10" ; для частиц мела d4« 5 мкм; к=3,4-10" [59].
В результате анализа полученных данных установлена зависимость (к) от d4. Она имеет вид пологой параболы, которая может быть описана выражением: k = Ad4n. (4.5)
При значениях А 0,0037; п«1,4 это уравнение имеет удовлетворительное схождение с экспериментальными данными (рис.4.16 и рис.4.11).
Из представленных на рис.4.18 графиков следует, что в результате умножения значений графика (б) в 3-ей степени на значения графика (в) -должны получиться значения графика (а).
Частоту падения частиц (шт/с), а также количество закрепившихся частиц пч (шт) за определенный промежуток времени можно определить, зная линейную скорость образования отложений V\ (мм/год), пористость образующейся структуры П (%), а также размеры закрепляющихся частиц.
Для многих охлаждающих систем тепловых станций, использующих пресную воду внутриконтинентальных водоемов и рек Европейской части России (р. Дон, р. Волга и др.) линейная скорость образования отложений на теплообменную поверхность конденсаторов турбин определяется в диапазоне от 0,6 до 1,2 мм/год. В пересчете на удельное количество отложений при плотности отложений /?отл«2400 кг/м3 и средней пористости /7«20% за один год получаются значения от 1,1 до 2,3 кг/м2 g Spowil-II), где д— толщина отложений, сформировавшихся за год, д= У/ г, мм. При осаждении монодисперсных частиц, их число ич, определяемое че рез объем и массу частицы на 1 м теплообменной поверхности за один год при средней линейной скорости образования отложений 1 мм/год можно найти по формуле
