Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния и путей совершенствования абсорбционных бромистолитиевых преобразователей теплоты 16
1.1. Характеристика конструкций АБПТ и эффективности их использования 16
1.2. Характеристика основных потребительских свойств АБПТ и их показателей 24
1.2.1. Влияние коррозионной активности рабочего раствора на металлоемкость и эксплуатационную надежность АБПТ 24
1.2.3. Интенсификация тепломассопереноса путем использования поверхностно-активных веществ 31
1.2.4. Влияние улучшенных поверхностей теплообмена на металлоемкость АБПТ 40
1.3. Математические модели абсорбционных бромистолитиевых преобразователей теплоты 43
1.4. Выводы. Задачи исследования 47
Глава 2. Экспериментальные установки, методики экспериментальных исследований 50
2.1. Экспериментальный стенд. Методика коррозионных исследований и обработки результатов 50
2.1.1. Гравиметрические исследования 50
2.1.2. Электрохимические исследования 54
2.2. Экспериментальная установка для исследования тепломассопереноса при кипении водного раствора бромида лития в большом объеме. Методика исследований и оценка погрешности измерений 56
2.2.1. Схема экспериментального стенда 56
2.2.2. Конструкция, геометрические параметры и чистота обработки поверхности экспериментальных труб 59
2.2.3. Методика проведения экспериментальных исследований 60
2.2.4. Оценка погрешностей измерений 64
2.3. Экспериментальный стенд для исследования теплообмена при пленочной абсорбции и конденсации. Методика проведения экспериментальных исследований и обработки результатов 69
Глава 3. Повышение эксплуатационной надежности и снижение металлоемкости АБПТ путем использования коррозионноустойчивых конструкционных материалов и новых ингибиторов коррозии 82
3.1. Исследование коррозионной стойкости конструкционных материалов—82
3.2. Теоретическое обоснование выбора ингибиторов коррозии для АБПТ 92
3.3. Защитные свойства некоторых ингибиторов коррозии 98
3.4. Влияние ингибиторов коррозии на конструкционные материалы с оребренной поверхностью 117
3.5. Электрохимические исследования рабочего раствора 120
3.6. Выводы 124.
Глава 4. Совершенствование абпт путем применения развитых поверхностей теплопередачи 127
4.1. Исследование влияния оребрения на эффективность процесса кипения воды и десорбции водных растворов бромида лития 132
4.2. Влияние защитной пленки ингибитора на интенсивность процессов теплопередачи в конденсаторе и абсорбере 142
4.3. Влияние улучшенных поверхностей теплообмена на материалоемкость АБПТ 152
4.4. Выводы 160
Глава 5. Разработка математической модели расчета АБПТ с заданными потребительскими свойствами 162
5.1. Принципы формирования математической модели для расчета АБПТ по показателям энерго-, материалоемкости 162
5.2. Структурная схема формирования математической модели расчета АБПТ 166
5.2.1. Тепловой расчет теоретического цикла АБПТ с прямоточным движением раствора через ступени генератора 168
5.2.2. Методики расчета действительных циклов 171
5.2.3. Методики расчета термодинамических и теплофизических свойств воды 176
5.2.4. Методики расчета термодинамических свойств водного раствора бромида лития 180
5.2.5. Методики расчета теплофизический свойств водного раствора бромида лития 183
5.2.6. Методики расчета свойств ПАВ 187
5.2.7. Методики расчетов теплообменных аппаратов 189
5.2.8. Расчет массы теплообменных аппаратов 207
5.2.9. Расчет количества бромида лития для заправки АБПТ 208
5.2.10. Расчет срока службы машины 211
5.2.11. Расчет технико-экономических показателей 211
5.3. Проверка адекватности расчетных и опытных данных 216
5.4. Результаты вариантных расчетов АБПТ и их анализ 229
5.4.1. Исходные данные для технико-экономических расчетов АБПТ 229
5.4.2. Анализируемые комбинации способов снижения материалоемкости и увеличения срока службы АБПТ 230
5.4.3. Сопоставление фактической и расчетной массы АБПТ 233
5.4.4. Анализ снижения материалоемкости АБПТ 235
5.4.5. Технико-экономические расчеты АБПТ 241
5.5. Выводы 247
Заключение 249
Литература 251
Приложения
- Характеристика основных потребительских свойств АБПТ и их показателей
- Экспериментальная установка для исследования тепломассопереноса при кипении водного раствора бромида лития в большом объеме. Методика исследований и оценка погрешности измерений
- Влияние ингибиторов коррозии на конструкционные материалы с оребренной поверхностью
- Влияние защитной пленки ингибитора на интенсивность процессов теплопередачи в конденсаторе и абсорбере
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблемам рационального использования топливно-энергетических ресурсов и охраны окружающей среды в настоящее время уделяется особенное внимание. Это обусловлено растущей потребностью промышленности в тепловой и электрической энергии, увеличением затрат на добычу и производство энергоресурсов и постоянно возрастающим антропогенным воздействием на среду обитания.
Значительный вклад в экономию энергии и топлива может внести использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Уровень энергетических отходов на предприятиях нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, металлургической и других отраслей промышленности составляет от 50 до 60% от поступившей энергии на производство. При этом многие предприятия перечисленных отраслей нуждаются в холоде для осуществления технологического цикла и систем кондиционирования воздуха.
Одним из путей использования ВЭР является получение холода или тепла с помощью абсорбционных преобразователей теплоты (АПТ).
АПТ могут производить холод, холод и тепло одновременно, а также трансформировать теплоту с высокотемпературного уровня на низкотемпературный (понижающие АПТ) или с низкотемпературного уровня на более высокий (повышающие АПТ).
Применение АПТ позволяет решать комплексные проблемы энергосбережения и теплохладоснабжения с возможным увеличением выпуска готовой продукции, а также осуществлять природоохранные мероприятия за счет сокращения тепловых и токсичных выбросов в окружающую среду.
В мировой практике широкое применение получили абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты (АБПТ). Это объясняется их высокой эффективностью, экологической безопасностью, бесшумной работой, простотой в обслуживании, длительным сроком службы и др. Кроме того, АБПТ менее энергоемки, чем парокомпрессионные холодильные машины и тепловые насосы. Ведущими производителями АБПТ являются США, Япония, Китай, Корея. Объем производства таких машин за рубежом значителен. Например, Япония в 90-е годы производила 2200-2400 машин производительностью более 300 КВт ежегодно. В последние годы за рубежом увеличен выпуск АБПТ с топкой на газовом или жидком топливе, которые могут работать в летнее время в режиме холодильной машины, а в холодное время года — в режиме водогрейного котла. Эти машины характеризуются высокой экономичностью и автономностью. Освоен выпуск АБПТ, работающих в режиме теплового насоса для систем отопления и горячего водоснабжения.
В зарубежных АБПТ в качестве теплообменных поверхностей применяют трубы толщиной 0,7-1,0 мм из медных или медно-никелевых сплавов, используют улучшенные поверхности теплообмена, поверхностно-активные вещества и эффективные ингибиторы коррозии. Эти агрегаты характеризуются относительно небольшими значениями массогабаритных показателей и длительным сроком службы (до 25 лет), а также требуют меньшего количества бромида лития для заправки аппаратов.
У нас в стране АБПТ серийно выпускались с конца 60-х годов. Основным конструкционным материалом для их изготовления являлась углеродистая сталь. Высокая коррозионная активность водного раствора бромида лития определила низкие потребительские свойства отечественных машин: значительную металлоемкость, небольшой срок службы (5-7 лет) и затрудненную эксплуатацию.
В частности отечественные термотрансформаторы первого поколения при равной холодопроизводительности в 3,5-4 раза превышают по металлоемкости аналогичные образцы фирмы YORK. В институте теплофизики СО РАН совместно с рядом НИИ и КБ Новосибирска и Санкт-Петербургским государственным университетом низкотемпературных и пищевых технологий в 90-х годах были разработаны и созданы первые образцы отечественных АБПТ нового поколения.
Теоретические и экспериментальные исследования, направленные на создание и совершенствование АБПТ нового поколения с улучшенными массогабаритными показателями, повышенной надежностью и длительным сроком службы, являются актуальными и позволяют решить важную научно-техническую проблему создания отечественного высокоэффективного энергосберегающего, экологически безопасного оборудования.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является:
• развитие теоретических основ и разработка практических путей повышения эффективности АБПТ по показателям энерго-, материалоемкости и эксплуатационной надежности на основе применения новых средств комплексной защиты агрегатов от коррозии, позволивших интенсифицировать процессы тепломассопереноса;
• создание методологии и методик расчета конструкций высокоэффективных
АБПТ нового поколения, обладающих оптимальными показателями энерго и материалоемкости, а также отвечающих требуемым срокам эксплуатации.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. На основании анализа особенностей всех возможных видов коррозионных разрушений металла в АБПТ и результатов экспериментальных исследований коррозионной стойкости различных конструкционных материалов в условиях работы АБПТ определить металлы и сплавы, приемлемые для создания агрегатов с оптимальными массогабаритными показателями и длительным сроком службы.
2. Разработать научные основы подбора ингибиторов коррозии для водного раствора бромида лития, позволяющих защищать различные конструкционные материалы и их сочетания. На основании теоретических и экспериментальных исследований выбрать эффективные ингибиторы коррозии, совместимые с поверхностно-активными веществами (ПАВ), обеспечивающие нормативные сроки эксплуатации АБПТ, изготовленных из различных конструкционных материалов.
3. Для снижения материалоемкости АБПТ исследовать целесообразность применения развитых поверхностей теплообмена в аппаратах.
4. Разработать методологию расчета конструкций АБПТ с заданными потребительскими свойствами, использование которой расширит области применения АБПТ и повысит эффективность энергосберегающих систем.
5. Разработать рекомендации по практическому использованию полученных теоретических и экспериментальных данных в промышленности и при проектировании АБПТ.
Научная новизна. Разработаны научные основы создания АБПТ нового поколения с заданными потребительскими свойствами, включающие в себя созданную научную базу подбора новых ингибиторов коррозии, комплекс химико-технологических методов снижения материалоемкости и повышения эксплуатационной надежности агрегатов путем применения оптимальных конструкционных материалов, предложенных ингибиторов коррозии, ПАВ и развитых поверхностей тепломассопереноса в генераторе, а также методологию расчета конструкций АБПТ с заданными потребительскими свойствами.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. На основании выполненных исследований определены коррозионноустойчивые конструкционные материалы для АБПТ нового поколения.
На основании теоретических и экспериментальных исследований создана научная база выбора ингибиторов коррозии для АБПТ, изготовленных из любых конструкционных материалов. Предложены эффективные ингибиторы коррозии, позволяющие значительно увеличить срок службы, повысить эксплуатационную надежность и снизить материалоемкость АБПТ. Разработаны методики антикоррозионной защиты промышленных агрегатов.
Полученные экспериментальные данные и эмпирические зависимости для коэффициентов теплоотдачи при кипении водных растворов бромида лития на оребренной поверхности рекомендованы для проектирования генераторов затопленного типа АБПТ.
Разработаны методология и методики расчета конструкций АБПТ, учитывающие весь комплекс химико-технологических методов снижения материалоемкости, увеличения срока службы агрегатов и технико-экономические возможности потребителей.
Предложенные конструкционные материалы и ингибиторные композиции, содержащие ПАВ, использованы при создании АБПТ нового поколения ООО «Теплосибмаш» и внедрены в 8 агрегатах нового поколения.
Математическая модель реализована в 000 «Теплосибмаш» при проектировании АБПТ под конкретные системы тепло- или хладоснабжения.
Способ антикоррозионной защиты на основе 8-оксихинолина внедрен на ряде холодильных станций, оснащенных машинами АБХА-1000, АБХА-2500, АБХМД-2500 в НИИДАРе, на Днепропетровском машиностроительном заводе, на Узбекском металлургическом заводе
Материалы о внедрении результатов диссертационной работы представлены в Приложении 3.
Апробация работы.
Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных и Международных научно-технических конференциях «Интенсификация производства и применения искусственного холода», г. Ленинград, 1986 г.; «Борьба с коррозией в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности», г. Кириши, 1988 г.; «Пути интенсификации производства и применения искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте», г. Одесса, 1989 г.; посвященной 300-летию Санкт-Петербурга, г. Санкт-Петербург, 2003 г.; «Природные холодильные агенты - альтернатива глобальному потеплению», г. Санкт-Петербург, 2003 г.; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ, 1999-2005 г..
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 24 работах, на новые рабочие тела для АХМ и ТТ получено 2 авторских свидетельства на изобретения СССР и 1 патент РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и содержит 249 страниц основного машинописного текста, 43 рисунка, 32 таблицы, 54 страницы приложений. Список литературы включает 239 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Характеристика основных потребительских свойств АБПТ и их показателей
Одним из основных факторов, определяющих показатели массогабаритных характеристик и эксплуатационную надежность АБПТ, является величина коррозионной активности рабочего раствора.
Используемый в качестве абсорбента водный раствор бромида лития обладает высокой коррозионной активностью по отношению к конструкционным материалам [108, 202].
Коррозия сталей в водном растворе бромида лития обусловлена электрохимической реакцией, при которой на поверхности металла протекают два процесса - анодный и катодный [84]. В ходе анодного процесса атомы металла в виде ионов переходят в раствор. Катодный процесс, в основном, определяют реакции восстановления ионов водорода (водородная деполяризация) восстановление кислорода (кислородная деполяризация) или
Скорость коррозии сталей в АБПТ определяется, в основном, катодным процессом, поскольку он протекает с меньшей скоростью и является лимитирующей стадией. Так как условия работы АБПТ требуют максимального снижения количества воздуха и других неабсорбируемых газов, катодный процесс в данных агрегатах будет лимитироваться скоростью водородной деполяризации.
Процесс эксплуатации АБПТ предусматривает проведение испытаний на герметичность, в ходе которых в агрегаты попадает воздух. Это характеризуется увеличением давления в абсорбере на 2 мм рт.ст. за 7 дней в отечественных АБПТ и на 0,5 за 4 недели в зарубежных агрегатах [65, 239]. При попадании воздуха в машину помимо водородной будет иметь место кислородная деполяризация, увеличивающая скорость коррозионного процесса.
В основу оценки коррозионных разрушений происходящих в АБПТ положены результаты обследования коррозионного состояния отечественных промышленных агрегатов первого поколения, работающих в режиме холодильной машины типа АБХА-1000, АБХА-2500, АБХА-2500ХТ и АБХА-25002В, изготовленных АО «Пензхиммаш». Данные типы машин выполнены из углеродистой стали марки Ст.З. В АБХА для объектов специального назначения (БКЗ «Октябрьский») наряду с углеродистой сталью были использованы мельхиоровые теплообменные трубки.
Наибольшим коррозионным разрушениям в АБХА подвержены генератор и абсорбер. Это обусловлено влиянием многих факторов на коррозионный процесс. Так, при осуществлении термодинамического цикла в АБПТ изменяются температура и концентрация рабочего раствора, значение рН среды, скорость движения жидкости в теплообменных аппаратах, агрегатное состояние веществ и т.д. [65, 94, 96].
Известно, что с повышением температуры скорость электрохимических реакций, как правило, возрастает. Как следствие, наиболее значительные коррозионные разрушения в АБПТ происходят в генераторе, где выпаривание водного раствора бромида лития осуществляется при температуре 80-160С.
Следующим параметром, обусловливающим коррозию в генераторе, является большая концентрация бромида лития (58-64% масс). В результате теплообменные поверхности генератора, помимо общей коррозии, подвергаются различным видам локальной коррозии, в том числе питтинговой и язвенной. Срок службы генераторов АБПТ первого поколения не превышал 1 -го - 2-х лет.
Коррозионные процессы, протекающие в АБПТ, в значительной степени определяет рН среды. Скорость коррозии стали увеличивается по мере уменьшения рН в связи с возрастанием роли водородной деполяризации. В процессе работы агрегатов рН рабочего раствора снижается от 8-10 до более низких значений. При рН 10 сталь практически не корродирует, т.е. наступает ее пассивация [108]. Поэтому для увеличения рН рабочего раствора используют гидроксид лития и воду высокой степени дистилляции.
Высокую скорость коррозии в абсорбере определяют концентрация и температура рабочего раствора. Раствор бромида лития при поступлении в абсорбер, имеет концентрацию 64% при температуре 70-90С.
В абсорберах оросительного типа происходит удаление продуктов коррозии с поверхности металла стекающим раствором. Это в значительной степени увеличивает скорость коррозии теплообменных поверхностей. В процессе орошения водным раствором бромида лития на их поверхности могут возникнуть «сухие» пятна. Металл в местах границы раздела фаз жидкость - пар подвергается питтинговой и язвенной коррозии. По-видимому, в тонких пленках раствора протекает следующая реакция [84]: В результате этой реакции появляется дополнительный сильный окислитель Fe+i, который вызывает усиленную коррозию стали по реакции: Практически при всех видах коррозии ее скорость увеличивается с увеличением плотности теплового потока [108]. В АБПТ плотности тепловых потоков, как правило, составляют в генераторе 2700-3500 кДж/м , в абсорбере 2800-3200 кДж/м2. Помимо перечисленных видов коррозии в АБХА-1000 (БКЗ «Октябрьский») имело место коррозионное растрескивание теплообменных труб, выполненных из мельхиора. Коррозионное растрескивание теплообменных поверхностей в значительной степени зависит от длительности эксплуатации агрегатов. Следует отметить, что на коррозионные процессы в АБПТ большое влияние оказывает степень чистоты бромида лития и воды. Наличие посторонних примесей активизирует коррозионные процессы. Использование различных комбинаций конструкционных материалов при изготовлении теплообменных аппаратов АБПТ приводит к возникновению контактной коррозии. Известно, что при контакте разнородных металлов в электролите образуется гальванический элемент, работа которого изменяет скорость коррозии каждого из металлов [84]. Коррозия более электроотрицательного металла обычно увеличивается, а коррозия менее электроотрицательного - ослабляется. Между трубной доской и теплообменными трубами могут образовываться зазоры, в которых возникнет щелевая коррозия. Она относится к опасным видам местной электрохимической коррозии. В узких зазорах происходит изменение рН раствора из-за накопления продуктов коррозии и гидролиза. Уменьшение значений рН среды облегчает протекание процесса, уменьшая его поляризуемость, что приводит к усиленной работе микропары: металл в щели (анод) - металл открытой поверхности (катод) [84].
Экспериментальная установка для исследования тепломассопереноса при кипении водного раствора бромида лития в большом объеме. Методика исследований и оценка погрешности измерений
Исследования проводили на стенде, спроектированном Институтом Теплофизики СО РАН, схема которого представлена на рис. 2.2 [175]. Экспериментальный стенд позволяет проводить опыты на одиночных трубах диаметром до 20 мм, а также вести визуальное наблюдение за процессом кипения. Для уменьшения теплопотерь основные узлы стенда -конденсатор 2 и генератор 3 расположены в одном корпусе 1.
Конденсатор выполнен в виде трех труб из нержавеющей стали марки 10Х17Н13М2Т диаметром 16 мм, длиной 274 мм, вваренных в корпус стенда. С торцевых сторон с помощью шпилек прикреплены входная и выходная камеры с перегородками. Генератор затопленного типа содержит три горизонтально расположенные теплообменные трубы 6 диаметром 20 мм и длиной 330 мм. Длина экспериментального участка каждой трубы составляет 250 мм. Трубы зафиксированы в корпусе стенда с помощью стальных втулок и крышек, - корпус стенда; 2 - конденсатор; 3 - генератор; 4 - электронагреватель; 5 отбойник; б - экспериментальная труба; 7 - вакуумметр; 8 — дифманометр; 9 вакуумный насос; 10 - расходомер; 11 - сильфонный вентиль; 12 амперметр; 13 - вольтметр; 14 - ваттметр; 15 - капиллярные трубки для установки термопар в жидкостное и паровое пространство; 16 - смотровые окна; 17 - автотрансформатор РНО-250-10; 18 - капиллярные трубки для установки термопар для измерения температуры воды на входе и выходе из конденсатора которые прикреплены шпильками к корпусу стенда. Для уплотнения экспериментальных труб применяли втулки и прокладки из фторопласта и медно-асбестовых колец. Экспериментальный участок труб обогревался вмонтированным электронагревателем 4. Конденсатор и генератор разделены отбойником 5. Для визуального наблюдения за процессом кипения на корпусе экспериментального стенда находились два смотровых окна 16, диаметром 65 мм каждое.
Уплотнение стекол смотровых окон осуществлялось с помощью резиновых и фторопластовых прокладок и фланцев, которые стягивались шестью шпильками. В верхней части корпуса стенда расположены: - штуцер для установки вакуумметра 7; - штуцер с пробкой, в которую впаяны капиллярные трубки диаметром 2,0 мм для установки термопар в жидкостное и паровое пространство экспериментального стенда; - патрубок для присоединения вакуумного насоса 9 и ртутного дифманометра 8. В нижней части корпуса стенда находится штуцер с сильфонным вентилем 11 для заправки, отбора проб и слива раствора. Расход охлаждающей воды через конденсатор определяли электромагнитным расходомер-счетчиком «Взлет ЭР» 10 класса точности 1,0. Питание электронагревателей экспериментальных труб осуществлялось от сети переменного тока с напряжением JJ - 220 В. Нагрузка на нагревателях, включенных параллельно, регулировалась автотрансформатором РНО-250-10 17. Величину электрической мощности, подаваемой на нагреватель экспериментальной трубы, в которой были установлены термопары, определяли при помощи ваттметра Д5095 14 класса точности 0,5. Силу тока на электронагревателях всех трех экспериментальных труб измеряли амперметром типа Д565, 12, класса точности 0,2, а напряжение - вольтметром типа Э59, 13, класса точности 0,5. Давление контролировали образцовым вакуумметром ВО 7, класса точности 0,4 и ртутным дифманометром 8, погрешность которого не превышает 1 мм рт.ст. Атмосферное давление определяли по данным Гидрометеоцентра.
В опытах по определению коэффициента теплоотдачи при кипении водного раствора бромида лития в большом объеме использовали гладкие и оребренные трубы, изготовленные из медно-никелевого сплава марки МНЖ Мц 30-1-1. Геометрические параметры экспериментальных труб представлены в таблице 2.1. В таблице 2.1. приняты следующие обозначения: dH - наружный диаметр трубы; d0 диаметр трубы по основанию ребер; deH -внутренний диаметр трубы; sp - шаг ребер; s - расстояние между ребрами; у/т -угол ребра; дт - толщина торца ребра; 80 - толщина ребра в основании; FH — площадь наружной поверхности 1 м.п. трубы; F0 — площадь основной поверхности 1 п.м. трубы; FeH - площадь внутренней поверхности 1 п.м. трубы; h - высота ребра; P=FH/ F0 - коэффициент оребрения.
Влияние ингибиторов коррозии на конструкционные материалы с оребренной поверхностью
Для оценки возможности использования оребренных теплообменных труб в аппаратах АБПТ необходимо исследовать их коррозионную стойкость в водном растворе бромида лития, а также эффективность действия ингибиторов коррозии на медные и медно-никелевые трубы с оребренными поверхностями.
Динамические коррозионные испытания проводили в условиях испарения раствора - конденсации пара. Для исследований были выбраны медный сплав марки МЗР и медно-никелевые сплавы марок МНЖ 5-1 и МНЖ Мц 30-1-1.
Образцы для коррозионных испытаний были выполнены в виде полуцилиндров из гладких и оребренных труб (трапециидальный профиль ребра; коэффициент оребрения - 1,75) размером 30x16x2,5 мм.
Результаты коррозионных испытаний конструкционных материалов в 64%-ном растворе бромида лития при температуре 160С за 100 часов непрерывных испытаний представлены в таблице 3.17.
Из исследованных материалов наибольшей коррозионной стойкостью обладает медно-никелевый сплав марки МНЖ Мц 30-1-1, скорость коррозии -0,003ч-0,094 г/(м -ч). Существенного различия в значениях скоростей коррозии между образцами с гладкой и оребренной поверхностью за 200 часов испытаний не наблюдается [47].
Сплав марки МЗР обладает наименьшей коррозионной стойкостью во всех фазах рабочего раствора (К = 0,26-г0,44 г/(м -ч)). Эффективность действия ингибиторной композиции, состоящей из хромата лития (0,18%), гидроксида лития (0,10%), БТА и ПАВ, на исследуемые конструкционные материалы определяли при температуре 160С в 64%-ном растворе бромида лития.
Полученные результаты, представленные в таблице 3.17, показывают, что ингибиторная композиция эффективно защищает трубы из медно-никелевого сплава во всех фазах рабочего раствора. Степень защиты (Z) составляет 98-100%. В случае применения оребренного профиля степень защиты сплава МЗР в жидкой фазе составляет 93 %, а сплава МНЖ Мц 30-1-1 - 97,5%». В паровой фазе и на границе раздела фаз степень защиты оребренной поверхности из сплава МЗР, соответственно, 95% и 92%, а сплава МНЖ Мц 30-1-1 - 100% в обеих фазах.
Таким образом, данная ингибиторная композиция эффективно защищает медные и медно-никелевые трубы с оребренным профилем от коррозии в условиях работы генератора АБПТ.
При протекании электрохимических процессов происходит перенос электрических зарядов через границу металл - коррозионная среда. Зависимость потенциала металла Е от скорости окисления металла (і) или восстановления окислителя представляют в виде анодных или катодных поляризационных кривых.
Поляризационные кривые позволяют изучить действие ингибиторов и оценить их эффективность. Торможение ингибитором одной из стадий коррозионного процесса вызывает увеличение поляризации. Чем выше эффективность действия ингибитора, тем круче наклон соответствующей поляризационной кривой. Экстраполяция линейных (тафелевских) участков поляризационных кривых позволяет определить потенциалы коррозии Ек и скорость коррозии ік [173].
Электрохимические исследования рабочего раствора были проведены при температурах 20-г120С на электродах из углеродистой стали в атмосфере азота. Для изучения влияния ингибитора в рабочий раствор добавляли 1,2,3-бензотриазол [56].
Полученные результаты представлены графически в координатах нарис. 3.2-3.4. Стационарный потенциал углеродистой стали в рабочем растворе при 20С составляет 0,29В и находится в области активного растворения металла, протекающего с большой скоростью. Галоген-ионы активизируют процесс растворения металла. С увеличением температуры наблюдается увеличение скорости анодного и катодного процессов. Катодный процесс протекает с меньшей скоростью и является лимитирующей стадией.
Добавка 1,2,3-бензотриазола приводит к торможению анодной и катодной реакции. Резко увеличивается перенапряжение обеих реакций.
Влияние защитной пленки ингибитора на интенсивность процессов теплопередачи в конденсаторе и абсорбере
Исследования на экспериментальном стенде, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.5, проводили на чистой металлической поверхности и поверхности, покрытой защитной пленкой оксихинолята железа. Теплообменные трубы изготовлены из углеродистой стали марки Ст 20.
Характер движения раствора и конденсата в аппаратах - пленочное стекание жидкости по горизонтальным трубам под воздействием гравитации.
В период исследования (в течение одного месяца) внешний вид теплообменной поверхности аппаратов не изменился. Продукты коррозии в растворе отсутствовали, что свидетельствует о химической стабильности и надежности защитной пленки ингибитора в условиях испытаний.
На рис. 4.6 приведены зависимости коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара от плотности теплового потока на чистой трубе и на трубе с защитной пленкой. Здесь же нанесены результаты расчетов по формуле Нуссельта при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе в условиях проведения эксперимента.
Интенсивность теплообмена со стороны охлаждающей воды, движущейся внутри труб конденсатора, была одинаковой при исследовании процессов на чистой и защищенной пленкой трубах.
Из представленных данных видно, что значения коэффициентов теплоотдачи при конденсации водяного пара на трубе, покрытой защитной пленкой, практически не отличаются от значений коэффициентов теплоотдачи при конденсации водяного пара на поверхности трубы, не обработанной ингибитором и хорошо согласуются с результатами расчета по формуле Нуссельта. Это может означать, что смачиваемость металлической поверхности водой при нанесении на нее защитной пленки оксихинолята железа практически не изменяется. На рис. 4.7 представлены зависимости коэффициента теплопередачи от плотности теплового потока для чистой поверхности теплообмена и поверхности, покрытой защитной пленкой. Там же приведены расчетные значения коэффициентов теплопередачи для труб без покрытия. Коэффициент теплопередачи в конденсаторе, отнесенный к полной наружной поверхности, Вт/(м -К) коэффициенты теплопередачи уменьшаются. В принятых условиях исследования коэффициенты теплопередачи через чистую металлическую поверхность выше, чем через поверхность, покрытую защитной пленкой, в среднем на 13%. Это определяется дополнительным термическим сопротивлением, создаваемым пленкой.
Зависимости коэффициентов теплоотдачи от плотности орошения в абсорбере для водного раствора бромида лития на трубе, покрытой защитной пленкой, и на трубе без покрытия приведены на рис. 4.8. Полученные результаты показывают, что интенсивность теплоотдачи от пленки раствора к трубе, покрытой защитной пленкой, практически не отличается от случая стекания раствора по трубе без защитного покрытия. На рис. 4.9 представлены зависимости коэффициентов теплопередачи от плотности орошения для поверхности теплообмена, покрытой защитной пленкой, и для поверхности без покрытия. Коэффициенты теплопередачи отнесены к полной наружной теплообменной поверхности абсорбера. Из полученных результатов следует, что значения коэффициентов теплопередачи через поверхность без покрытия практически не отличаются от коэффициентов теплопередачи через поверхность с защитной пленкой.
В конденсаторе вклад термического сопротивления пленки в общее термическое сопротивление больше, чем в абсорбере, поэтому наличие пленки в первом аппарате несколько снижает эффективность теплопередачи. На рис. 4.10 приведены зависимости коэффициентов теплоотдачи от пленки раствора бромида лития к стенке трубы от плотности орошения, полученные в данной работе и сопоставленные с данными других авторов. Из представленного материала видно, что полученные автором экспериментальные данные согласуются с данными работ [78, 195, 172, 61, 203, 196,23, 183]. На рис. 4.11 (а, б) приведены зависимости коэффициентов теплопередачи от плотности теплового потока при разных плотностях орошения. Полученные данные показывают, что в принятых условиях исследований значения коэффициентов теплопередачи через поверхность с защитной пленкой и поверхность без покрытия практически не отличаются и возрастают с увеличением теплового потока. Следует отметить, что влияние теплового потока на коэффициенты теплопередачи незначительно, что согласуется с данными других авторов [78, 183]. Таким образом, в результате выполненных исследований доказана целесообразность применения в абсорбционных преобразователях теплоты антикоррозийной защиты 8-оксихинолином. Определены коэффициенты теплоотдачи в моделях пленочного абсорбера и горизонтального конденсатора, теплообменная поверхность которых была покрыта защитной пленкой оксихинолята железа и коэффициенты теплопередачи в указанных аппаратах с теплообменной поверхностью без покрытий, оценено влияние защитной пленки на теплопередачу.
