Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о формировании золовых отложений котельного оборудования 10
1.1. Основные типы золовых отложений 10
1.2. Образование первичного слоя отложений 16
1.3. Образование слоя вторичных отложений 22
1.4. Изменение массы натрубных отложений в зависимости от скорости дымовых газов 23
1.5. Конденсация парообразных продуктов сгорания углей 26
1.6. Характеристики минеральной части углей 33
1.7. Модели формирования шлаковых отложений 35
1.8. Выводы по главе 43
2. Математическое моделирование температурных полей в системе «частица летучей золы - слой шлаковых отложений» с учетом динамики процесса формирования натрубных отложений 44
2.1. Постановка задачи о температурном поле системы «слой отложений -частица летучей золы» в рамках одномерной модели 45
2.2. Метод решения 51
2.3. Результаты численного моделирования и обсуждение 54
2.4. Постановка задачи в двумерной постановке 60
2.5. Температурное поле системы «частица летучей золы — слой натрубных отложений» при учете процесса внедрения частицы 81
2.6. Численное моделирование температурных полей в системе «частица летучей золы — слой шлаковых отложений» 86
2.7. Выводы по главе 95
3. Температурные поля системы «частица - подложка» в условиях плазменного нанесения защитных и упрочняющих покрытий 97
3.1. Постановка задачи 97
3.2. Численный анализ температурных полей в системе «частица - подложка» в условиях высоких температур 104
3.3. Экспериментальные исследования закономерностей внедрения нагретой частицы в плавящуюся подложку 112
3.4. Анализ и обобщение полученных результатов 119
3.5. Выводы по главе 120
Заключение 121
Список использованной литературы 122
- Образование первичного слоя отложений
- Результаты численного моделирования и обсуждение
- Численное моделирование температурных полей в системе «частица летучей золы — слой шлаковых отложений»
- Численный анализ температурных полей в системе «частица - подложка» в условиях высоких температур
Введение к работе
В соответствии с основными направлениями стратегии энергетической безопасности Российской Федерации [1] на ближайшие два десятилетия запланирован перевод большей части тепловых электрических станций, работающих на мазуте и газе, на использование натурального твердого топлива — угля. В ряду крупных научно-технических проблем, без решения которых такой переход невозможен, стоит проблема формирования натрубных отложений. Следует отметить, что первые публикации по этой тематике появились в научной печати более пятидесяти лет назад [2, 3] но, нет никаких оснований утверждать, что эта проблема полностью решена. Используемые на практике способы борьбы с натрубными отложениями представляют собой только технические решения [3], разработанные на основании анализа и обобщения информации, полученной при испытаниях котельного оборудования с использованием конкретных углей и ряда аэродинамических схем их сжигания.
Работа любого котла сопровождается загрязнением наружных поверхностей нагрева. При высоких температурах в топочных камерах частицы летучей золы могут переходить в расплавленное или размягченное состояние. На экранах и ширмах топки во многих случаях возможны отложения шлака. Зашлаковыванию подвергаются также трубы поверхностей нагрева, расположенные на выходе из топки (ширмы, фестоны, конвективные пучки). В этом случае рост золовых отложений приводит к забиванию проходов между трубами и к частичному или полному перекрытию сечения для прохода газов [4].
Золовые отложения уменьшают тепловосприятие поверхностей нагрева и повышают температуру продуктов горения, что может привести к нарушению нормального гидравлического режима работы котла. Это происходит за счет комплекса взаимосвязанных процессов: роста толщины
5
слоя отложения, увеличения температуры их нагреваемой поверхности за
счет повышения'термического сопротивления слоя, снижения интенсивности
теплоотвода в водяные экономайзеры, пароперегреватели,
воздухоподогреватели и последующее ухудшение условий работы всех систем парогенерирования в целом. Поэтому, при работе любого котельного оборудования предусматривается операция очистки поверхностей нагрева от натрубных отложений. Такая операция необходима при использовании практически всех углей. Но наиболее сложной, трудоёмкой и затратной она является при работе на углях с высокой зольностью (например, Канско-Ачинского бассейна), которые, тем не менее, остаются до настоящего времени весьма перспективными для использования на тепловых электрических станциях. Более того, угли этого бассейна являются для многих ТЭС Сибири наиболее экономически эффективным топливом на несколько ближайших десятилетий при условии отработки технологий борьбы с натрубными отложениями.
Процессы в паровых котлах, определяемые свойствами минеральной части топлива, остаются актуальными для исследований, поскольку на длительную перспективу основу энергетики составляют угольные тепловые электрические станции [5, 6, 7].
Современное состояние проблемы характеризуется, с одной стороны, довольно глубоким проникновением в существо происходящих явлений и пониманием механизма в целом, с другой стороны, утверждением представлений о многообразии факторов, влияющих на загрязнение поверхностей нагрева, а в итоге - о большой сложности процессов [7-19].
Но до настоящего времени не опубликовано результатов математического моделирования температурных полей натрубных отложений с учетом динамики осаждения твердых продуктов сгорания натурального минерального топлива.
Модели формирования и роста золовых отложений необходимы для
определения зависимости степени загрязнения для характерных зон котла от времени, которые используются для принятия решения* о возможности использования определенного топлива, максимальной допустимой нагрузке, регламенте работы средств очистки и др. [7]. Так, например, увеличение температуры поверхности слоя отложений на 100 С приводит к уменьшению величины теплового потока от продуктов сгорания угля в рабочие каналы экономайзеров.и пароперегревателей до 15 % [3]. Последнее эквивалентно избыточному сжиганию топлива' на 12-15 %. При этом масштабы потерь существенно зависят от состава минеральной части углей, так как теплофизические характеристики «спеченного» шлака (коэффициент теплопроводности, плотность и удельная теплоёмкость) достаточно значимо» зависят от типа месторождения.
Необходимо отметить, что угли каждого месторождения обладают специфическими свойствами. Отличия, например, по составу минеральной части могут быть настолько значительными, что переход с одного* типа месторождения! на другое в некоторых случаях котельного оборудования' просто невозможен. При этом также вероятны достаточно значимые отличия в твердых продуктах сгорания углей даже одного крупного месторождения [12, 13]. Присутствие в минеральной части компонент определенного типа [4] приводит к изменению условий образования натрубных отложений, их структуры, прочности и теплофизических характеристик.
Совокупность физико-химических процессов, протекающих при формировании в процессе горения угля твёрдых продуктов сгорания, настолько обширна и многогранна, что до последнего времени (по состоянию на время написания диссертации) не было разработано даже общей физической модели формирования, как минеральной части углей, так и непосредственно натрубных отложений. Только в диссертации А.С. Заворина [5] сформулированы физические основы физико-химических превращений минеральной части Канско-Ачинских углей в процессе горения и осаждения
7 на трубные поверхности.
В связи с этим до настоящего времени не сформулирована и общая или даже частные математические модели, описывающие обсуждаемые физико-химические процессы. Сложность рассматриваемых превращений состоит не только в их многообразии и многогранности. Трудности моделирования обусловлены обилием характеристик, как самой минеральной части, так и процессов, протекающих при формировании отложений. Эти эмпирические постоянные различаются достаточно существенно для разных углей. Например, температуры плавления минеральной части отличаются на 300 -400 К.
Создание компактной^ опирающейся на минимальное количество эмпирических постоянных, модели может позволить существенно сократить затраты на разработку технологий сжигания углей и очистки трубных поверхностей: Так, например теоретическое варьирование параметров, характеризующих аэродинамику и тепломассоперенос топочного процесса:, может позволить спрогнозировать последствия трансформации минеральной! части, в зависимости от изменения* геометрических и гидродинамических характеристик топочного пространства.
Учет реального состояния твердых продуктов сгорания углей и процесса взаимодействия частиц летучей золы с поверхностью отложений может обеспечить получение достоверной информации о температурном поле и толщине слоя шлака. В результате возможно прогнозирование процессов шлакообразования не только в некоторых, отработанных на специальных стендах режимах, но и в широком диапазоне изменения основных эксплуатационных параметров. Создание комплексной модели, учитывающей весь комплекс физико-химических превращений минеральной части от горения до «спекания» в слое отложений, является весьма сложной задачей. Решение её пока в полной постановке невозможно из-за отсутствия необходимых эмпирических постоянных для её реализации. Но и решение
8 задачи о температурном поле слоя отложений с учётом динамики осаждения частиц золы является важным этапом построения общей теории формирования натрубных отложений. Также необходимо отметить, что* математическое моделирование рассматриваемых в данной работе процессов создаёт реальные предпосылки для перехода на модели, опирающиеся* на минимальное число достаточно легко определяемых эмпирических характеристик и постоянных.
Целью работы является создание математической модели, описывающей тепловой режим (температурные поля)* шлаковых отложений, при осаждении^ одиночных частиц^ летучей золы на трубных поверхностях. Необходимо - отметить, что процессы аналогичные описанным, протекают и при реализации, другого очень важного технологического процесса. Это процесс нанесения упрочняющих и< защитных порошковых покрытий; на, поверхности деталей* машин и аппаратов, работающих в условиях интенсивных тепловых, механических, газодинамических и і термохимических воздействий [24-30]. Эта проблема имеет самостоятельное значение И' её решение может существенно повысить качество прогностического- моделирования технологических процессов нанесения-порошковых защитных и упрочняющих покрытий. До настоящего времени нет полной замкнутой теории процесса формирования таких покрытий с учетом внедрения частицы в подложку. Поэтому разрабатываемая в диссертации теория тепловых режимов натрубных отложений при осаждении частиц летучей золы была использована также и для описания процессов теплопереноса в системе «частица - подложка» при плазменном- нанесении порошковых покрытий.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи.
Разработка математической модели теплопереноса в слое натрубных отложений с учетом динамики осаждения частиц летучей золы на нагреваемых поверхностях.
Разработка метода решения задачи о температурном поле натрубных отложений в условиях нестационарного осаждения частиц летучей золы.
Численное моделирование процесса нестационарной одномерной теплопроводности в слое натрубных отложений при осаждении частиц летучей золы на нагреваемой поверхности.
Создание математической модели теплопереноса в системе «частица летучей золы — слой натрубных отложений» в условиях внедрения частицы.
Разработка метода решения задачи о температурном поле системы «частица летучей золы - слой отложений».
Численное моделирование процесса нестационарной двумерной теплопроводности в системе «частица золы — слой отложений» в условиях внедрения частицы.
Создание математической модели теплопереноса в системе «частица металла - подложка» в условиях высокотемпературного нанесения порошковых покрытий на поверхность деталей.
Численное моделирование процесса нестационарной двумерной теплопроводности в системе «частица расплавленного металла в оболочке из закристаллизовавшегося материала - подложка» в условиях внедрения частицы в плавящуюся подложку.
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОРМИРОВАНИИ ЗОЛОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Образование первичного слоя отложений
Механизм возникновения1 первичных отложений обычно объясняют исходя из преобладающих особенностей1 химического и минералогического составов уже сформировавшегося слоя. В рамках такого подхода выделяют отложения, обогащенные щелочными оксидами, отложения» с высокой концентрацией- железа и отложения с высоким содержанием сульфата кальция [7].
В соответствии с этой классификацией одной из основных причин начального загрязнения труб считается конденсация1 парообразных минеральных компонентов натурального топлива [11]. Конденсироваться могут пары солей натрия и калия; содержащиеся в продуктах сгорания подавляющего большинства углей. Пары щелочей могут конденсироваться ПО ходу дымовых газов непосредственно на поверхности нагрева, образуя липкую пленку, которая( способствует закреплению нейтральных частиц. Но эти пары щелочей также могут конденсироваться в тепловом пограничном-слое в виде мельчайших частиц аэрозоля, которые пополняют число активных частиц в отложениях. Конденсация щелочей в потоке происходит также на имеющих меньшую по сравнению с газами температуру мельчайших золовых частицах. В этом случае на поверхности последних образуются (как продукт взаимодействия) соединения с низкой температурой-плавления, что усиливает способность таких частиц к образованию отложений. Осажденные и закрепившиеся- на поверхности нагрева системы сконденсировавшихся щелочных оксидов и гидроксидов-взаимодействуют с. оксидами серы дымовых газов и образуют разнообразные сульфаты, пиросульфаты и комплексные сульфаты. Эти сульфаты имеют низкую температуру плавления и поэтому усиливают слипаемость и спекаемость частиц в слое золы, вовлекая в процесс упрочнения нейтральные силикатные частицы» [11]. 2MOH(2)+S02+l/2 02= М04(г)+Н20. 2MGI(e)+H20+S02+l/202=M2S04(e)+2HCL. 2MOH(a)+S02 = M2S04(e)+H20. Здесь через М обозначены А или К.
ПО мере увеЛИЧеНИЯ ТОЛЩИНЫ ОТЛОЖеНИЙ И, СООТВеТСТВеННО; ИХ термического1 сопротивления на нагреваемой стороне слоя повышается температура: Поэтому условия для конденсации паров щелочных соединений ухудшаются. Это приводит к тому, что определяющая роль в развитии отложений переходит к другому, термодинамически наиболее обусловленному, механизму золового загрязнения. Вероятно, по" этим причинам- обогащенные щелочными соединениями первичные отложения не достигают большой толщины, а на их основе образуются отложения, в которых связывание идет уже за счет активных частиц других веществ [4, 14].
Еще один возможный, механизм образования первичных отложений обусловлен накоплением соединений железа [4, 14]. Селективный по соединениям железа процесс образования отложений встречается при сжигании твердых топлив« ряда месторождений разных регионов с различными минералогическими формами присутствия железа в топливе. Установлено, что в некоторых условиях превалирующее значение имеют параметры топочного процесса по сравнению с исходным состоянием железистых компонентов, топлива [14]. Например, железистые плотные отложения возникают на топочных экранах в области высокой интенсивности излучения факела. Это свидетельствует о закреплении частиц с фрагментами плавления. Существует довольно большое количество систем, в. состав которых входит железо в низшей степени окисления, и которые имеют сравнительно низкие температуры плавления. Этому процессу могут способствовать локальные неравномерности тепловой нагрузки, аэродинамическая структура факела, газовый состав топочной среды в пристенной области, режим действия средств очистки и величина напряжений трения газового потока [14].
Важным при этом является установление [14] при анализе состава частиц летучей золы их существенной неоднородности. Несмотря на относительно малые характерные размеры (миллиметры или даже доли) миллиметров) каждая частица обычно представляет собой жестко скрепленную смесь плавких и неплавких твердых компонент минеральное части продуктов сгорания углей. Доли каждой компоненты зависят от типа углей. Плавкая является по сути связующим веществом, которое связывает между собой неплавкие компоненты. Последние являются, как правило, пористыми структурами. Поэтому расплав легко проникает при высоких температурах в поры и связывает отдельные элементарные фрагменты частицы золы. Можно обосновано предположить, что плавкие и особенно испаряющиеся компоненты продуктов сгорания углей играют основную роль в формировании натрубных отложений. Также и наличие в» топливе колчеданных форм железа (пирит, марказит) признается большинством исследователей в качестве главного показателя склонности топлива к образованию железистых отложений. Основным звеном в их формировании являются процессы с участием промежуточного продукта разложения пирита - моносульфида железа, который в сочетании с другими формами железа образует легкоплавкие высокотекучие эвтектические системы. Например, эвтектика FeS-Fe плавится при 980 С, a FeS-FeO - при 940 С [14].
Для углей, содержащих дисульфидные формы железа, характерно образование железистых отложений, как на топочных экранах, так и в виде первичных отложений на высокотемпературных конвективных поверхностях нагрева. Особенно проявляется образование железистых отложений при сжигании Березовского угля - вплоть до возникновения не удаляемых средствами штатной очистки монолитов.
Первичные плотные отложения с высоким содержанием сульфата кальция, в отличие от щелочных и железистых, не могут рассматриваться как результат единичного акта осаждения и закрепления активных частиц, поскольку основным процессом непосредственно упрочнения этих отложений является сульфатизация [15]. Этот вторичный химический) процесс продолжается определенный интервал времени и протекает в уже отложившихся частицах. Поэтому он не может оказывать непосредственное влияние на механизм осаждения и закрепления частиц. Такими значимыми процессами могут быть любые взаимодействия поверхностей нагрева с запыленным потоком дымовых газов, создающие предпосылки для протекания сульфатизации закрепившихся частиц. К ним относятся и рассмотренные выше (при образовании двух других типов первичных отложений), но при существенно меньшем содержании щелочных и железистых легкоплавких частиц в потоке.
Результаты численного моделирования и обсуждение
Численный анализ температурных полей проводился для работы экономайзера и- пароперегревателя в течение 9 часов. В этот промежуток времени образуются отложения первого типа. Из [7] известно, что на трубах экономайзера, где максимальная температура газов 440 С и стенки труб ЗОО5 С, толщина отложений первого типа едва достигает десятых долей миллиметра. На трубах пароперегревателей, где максимальная температура; газов 1000 С и стенки труб 600 С, толщина отложений1 первого типа достигает 5-7 мм. В результате проведенных численных исследований были получены температурные поля стенки пароперегревателя и экономайзера при наличии золовых отложений (рис. 2.3, 2.4). Из рисунка 2.4 следует, как и можно было предположить, что перепад температур в слое металла намного меньше, чем перепад температур в слое золы. Это объясняется малым значением коэффициента теплопроводности золы.
Большее количество теплоты выделяется при протекании первой реакции. Это объясняется тем, что в дымовых газах содержание SO3 относительно суммарного содержания оксидов серы очень мало по сравнению с SO2, как правило, находится на уровне 1-2 %. Однако, общий вклад химических реакций в величину теплового потока не1 велик. Весомый вклад в величину теплового потока вносит теплообмен излучением со стороны дымовых газов из-за достаточно высоких температур дымовых газов.
Из зависимости температуры поверхности золовых отложений от времени следует, что выпадение частиц золы приводит к постепенному росту температуры поверхности (рис. 2.7, 2.8). На поверхности экономайзера за 9 часов температура увеличилась на 3.6 С. Температура стенки металла при этом (со стороны нагреваемого теплоносителя) практически не изменилась. В пароперегревателе температура поверхности увеличилась на 10.5 С за 0.9 часа. За 9 часов работы пароперегревателя температура поверхности натрубных отложений увеличилась на 88 С. За этот же промежуток времени температура стенки металла со стороны пара уменьшилась на 1.9 С.
Столь значительное изменение температур стенок в пароперегревателе объясняется тем, что выпадение частиц золы здесь происходит намного интенсивней, по сравнению с экономайзером. Для определения скорости роста золовых отложений использовались данные [9].
Для проверки достоверности численных исследований было проведено сравнение количества теплоты, проходящего в стационарном режиме через слой золы и металла. Численный анализ показал, что погрешность вычислений составляла в среднем 0.05 %.
Из решения задачи о температурном поле шлаковых отложений с учетом динамики образования слоя отложенийч следует, что масштабы перепадов температур по толщине: слоя шлака, и абсолютные значения температур достигаемые в процессе осаждения частиц летучей; золы, достаточно значимы. Установленные закономерности могут быть использованы при совершенствовании- модели образования , натрубных: отложений.
Следует отметить, что: для реализации; сформулированной в диссертации математической модели необходима, в отличие от [9], информация, для получения которой нет необходимости проведения специальных экспериментов. Достаточно знать теплофизические характеристики материала отложений и частиц летучей золы, а также условия теплообмена дымовых газов с поверхностью отложений. Размеры частиц летучей золы и частота их выпадения на трубные поверхности могут выбираться на основании опыта эксплуатации котельных установок или варьироваться в пределах возможных изменений.
Решенная задача также показывает возможный объем вычислений, необходимый для прогностического моделирования процесса формирования; натрубных отложений при сжигании углей определенного сорта: Дальнейшее развитие исследовавшейся в данной работе модели может создать объективные предпосылки для выбора конструктивных решений по отдельным агрегатам котельного оборудования и режимным параметрам их работы путем математического моделирования комплекса процессов, протекающих при формировании натрубных отложений. Но даже достигнутый уровень моделирования позволяет судить о зависимостях величин тепловых потоков (в экономайзере и пароперегревателе в условиях шлакообразования) для характерных зон котла от времени. Такие зависимости необходимы для принятия решения о соответствии топлива, максимальной нагрузке, регламенте работы средств очистки.
Численное моделирование температурных полей в системе «частица летучей золы — слой шлаковых отложений»
При численном моделировании процесса рассматривались достаточно типичные диапазоны изменения параметров: h = 40-100 мкм; L = 120-300 мкм; Тг= 1500 К; Т„= 600 К; Тт= 1200 К; Q\ = 20112 кДж/кг; q = 795 Дж/(кг-К); Лх = 0.73 Вт/(м-К); рх = 450 кг/м3; ах = 1000 Вт/м2-К; с2 = 840 Дж/(кгК); Я2 = 0.29 Вт/(м-К); р2 = 900 кг/м3; с3 = 750 Дж/(кг-К); = 0.29 Вт/(м-К); р3 = 900 кг/м3; с4 = 750 Дж/(кг-К); Л4 = 0.29 Вт/(м-К); р4 = 900 кг/м3; Q4= 1467 кДж/кг; а = 5.67-10"8Вт/(м2-К4); ггг = 0.8; єп= 0.9. Ha рисунках 2.34 - 2.39 приведены типичные температурные поля в области решения для характерных моментов времени (начало внедрения и завершения кристаллизации).
Положение характерных изотерм при частичном внедрении частицы летучей золы в слой шлака (момент времени t= 3.1 10 с). Сравнение результатов, представленных на рис. 2.34 и 2.39 показывает, что рассматриваемый процесс является быстропротекающим,,так как частица летучей золы мала по размерам, то она достаточно быстро остывает. При этом прогревается за счет теплоты, аккумулированной в частице во время её движения В потоке дымовых газов, и теплоты кристаллизации только очень малая область в непосредственной окрестности частицы. Теплопроводность и-теплоемкость шлаковых отложений, достаточно велики для того; чтобы отводить теплоту из зоны внедрения. Поэтому интервал времен, в течение которого возможны реакции «спекания»- очень, мал и составляет не более десятых долей секунды. После этого температура в зоне контакта частицы с материалом существующих отложений быстро- падает и несущественно отличаются-температуры основного массива.и в приповерхностном слое.
На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что при анализе процесса «спекания» частиц- летучей золы с материалом, натрубных отложений- необходимо» учитывать существенную-нестационарность процесса.
Представленные на рис. 2.40; 2:41 результаты характеризуют в определенной степени достоверность, полученных при численном моделировании температурных полей системы «частица — летучей золы — натрубные отложения» результатов. Необходимо отметить, что провести экспериментальные исследования рассматриваемого процесса для реальных размеров, частиц и характерных времен взаимодействия практически невозможно. Поэтому оценка достоверности результатов численных исследований проводилась из анализа выполнения закона сохранения энергии для исследуемого процесса. Но косвенным обоснованием достоверности является и характер распределений основных искомых Т. К О
Проводя анализ полученных теоретических результатов, следует отметить, что рассмотренная схема формирования натрубных отложений» является-в определенном смысле базовой. Возможны различные варианты её реализации в зависимости от типа сжигаемого угля. В/ каждом конкретном случае могут протекать (или не протекать) химические реакции между различными химическими соединениями, входящими в состав- частиц летучей золы и шлаковых отложений. Такие реакции могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими. Соответственно возможны как дополнительный разогрев зоны контакта частицы с поверхностью, так и охлаждение. Эти- эффекты могут, как ускорять, так и замедлять процессы формирования химических связей в структуре отложений. Кроме того учет реальной, пористости частиц минеральной части продуктов сгорания некоторых углей, также может приводить к определенным изменениям характеристик и свойств шлаковых отложений. Соответственно сформулированная в данной работе математическая модель образования натрубных отложений может в дальнейшем развиваться и усложняться за счет более полного учета комплекса сопутствующих рассматриваемому процессу физико-химических превращений в частице золы, на поверхности контакта и в самих отложениях. Но реализация таких более сложных моделей сопряжена с получением большого объема дополнительной эмпирической информациишо? составу- ЗОЛЬІЇ И структуре частиц. Ві настоящее время? таких. характеристик в шолном объёмегдлямногих углей нет.
В заключении .следует отметить, .что теоретически исследован процесс формирования температурных, полей» системы «частица; летучей золы- — слой і шлаковых отложений»- при внедрении частицы, пал сформировавшуюся поверхность, а так-же получено времяшолношкристаллизациичастиньі;зольі = 3s 1С 10"3 с; Полученные результаты позволяют сделать.вывод,,чтоюкоростБ роста; натрубных . отложений! должна расти по мере: увеличения толщиньк этогсн слоя: в, связи с изменением; условии теплоотводаї от поверхности? взаимодействия частиц?с отложением; Чем больше; толщина этого слоя;.тем выше температура поверхности взаимодействия-и,\, соответственно, скорость. реакции «сцепления» (или. «спекания»- частищ с поверхностью). Эти результаты теоретического анализа: качественно? соответствуют известным; данным; о закономерностях формирования», натрубных, отложений \3 —. 19]. Установленные закономерности также создают определенные: предпосылки для выработки: конкретных мер по снижению масштабов; роста: шлаковых отложенишвітопках котельного оборудованияша тепловых;электростанциях.
Впервые сформулирована- математическая модель температурных полей, слоя; шлаковых; отложений- с учетомі динамики осаждения одиночных частиц на поверхность; слоя отложении с учетом: ряда особенностей, — структуры частицы. Впервые: решена- задача о температурном1; полег натрубных отложений/ типичных элементов? конструкции котельного оборудования — пароперегревателя и экономайзера с учётом; динамики осаждения частиц летучей золы. Впервые получены распределения температур по толщине слоя отложения для типичных углей и условий сжигания в рамках одномерной модели с учётом процесса осаждения одиночной частицы. Сформулирована физическая модель формирования слоя шлаковых отложений при частичном внедрении одиночной частицы золы в слой отложений. Разработана математическая модель, описывающая температурное поле системы «частица золы — слой отложений» при внедрении частицы в шлак. Проведено численное моделирование температурных полей в системе «частица летучей золы - слой золовых отложений» для типичных режимов взаимодействия дымовых газов с конвективными поверхностями. Установлены основные закономерности исследуемого процесса и показана возможность достаточно детального описания температурных полей в исследуемой системе с применением разработанной в диссертации математической модели.
Численный анализ температурных полей в системе «частица - подложка» в условиях высоких температур
Система двумерных дифференциальных нелинейных уравнений теплопроводности, сформулированная выше, с соответствующими начальными и граничными условиями решена методом конечных разностей [41-43]. Разностные аналоги исходных нелинейных уравнений решены локально одномерным методом. Одномерные разностные уравнения решены методом итераций с применением метода прогонки на каждой итерации. Численный анализ показал, что наиболее высокие градиенты температуры возникают в зоне контакта системы «частица - подложка». Это является следствием существования фронтов кристаллизации металла частицы, а так же плавления металла подложки. Локальное интенсивное тепловыделение или поглощение тепла существенно усложняет процесс численного решения задачи. Устойчивые решения задачи возможны только при некотором уровне дискретизации области решения в окрестностях фронтов плавления и кристаллизации. Поэтому проводилось измельчение разностной сетки в окрестностях фронтов фазовых переходов. Использовалась нерегулярная и неравномерная разностная сетка. В связи с отсутствием аналогов решений подобных задач и экспериментальных данных по основным характеристикам процесса контроль за достоверность получаемых результатов проводился путем численных решений на последовательности разностных сеток с различными распределениями значений шагов сетки по пространственным и временным координатам. Реализация такого алгоритма приводила к перестройке разностной сетки на каждом временном слое. При численном моделировании процесса рассматривались частицы никеля, взаимодействующие с подложкой из обычной низкосортной стали. В реальных технологиях плазменного нанесения порошковых покрытий возможны различные варианты соотношения между температурами подложки и частиц, а так же разные характерные размеры последних. Для численного моделирования были выбраны достаточно типичные диапазоны изменения параметров: h = 40-100 мкм; L = 120-300 мкм; Тг— 1600 К; Тп— 600 К; Qx = 306 кДж/кг; с, = 450 Дж/(кг-К); Хх = 46 Вт/(м-К); рх = 8900 кг/м3; ах = 1000 Вт/м2-К; с2 = 450 Дж/(кг-К); Л2 = 46 Вт/(м-К); р2 = 8900 кг/м3; с3 = 460 Дж/(кг-К); Я3 = 45.4 Вт/(м-К); р3 = 7860 кг/м3; с4 = 460 Дж/(кг-К); Я4 = 45.4 Вт/(м-К); р4 = 7860 кг/м3; 04 = 205 кДж/кг; сг = 5.67-10-8 Вт/(м2-К4); єг— 0.6; єп=0Л. На рис. 3.3 - 3.6 приведены типичные положения характерных изотерм для фиксированных моментов времени при внедрении частицы никеля в подложку из низкосортной стали. Анализ полученных результатов показывает, что область дополнительного прогрева подложки за счет тепла, аккумулированного в частице, а также выделяющегося при фазовом переходе достаточно мала (с одной стороны). Но, в тоже время, она составляет десятки микрон. Такой глубины внедрения определенно достаточно для закрепления частицы в приповерхностном слое металла после кристаллизации. Также можно отметить, что характерные времена исследуемого процесса составляют миллисекунды (или десятки миллисекунд), то есть процесс, как и можно было предполагать является быстропротекающим. При этом частицы металла остывают намного быстрее частиц летучей золы, потому что теплопроводности металлов частицы и подложки много больше соответствующих теплопроводностей летучей золы и слоя натрубных отложений. В тоже время теплоемкости последних намного (более чем в два раза) меньше. Поэтому совместное влияние этих факторов приводит к достаточно сложным вариантам реализаций исследуемого процесса для двух рассмотренных приложений. Большая объемная теплоемкость металлов приводит к росту времени внедрения частицы при прочих адекватных условиях, но их высокая теплопроводность приводит к быстрому остыванию. Из анализа полученных результатов можно сделать несколько интересных выводов.
Управляя температурой частиц при высокотемпературном нанесении покрытий можно максимально оптимизировать технологический процесс. Также следует заметить, что расплавы металлов обладают, как правило, очень низкой вязкостью. Поэтому вытеснение частицей, находящейся в твердой оболочке, расплава из углубления, в которое она внедряется, является реальным процессом.
Полученные в диссертации теоретические следствия также позволяют объяснить известный механизм улучшения качества порошковых плазменных покрытий при подогреве подложки в процессе их нанесения [27]. Подогрев приповерхностного слоя детали даже на 200-300 К существенно улучшает условия для образования пятна расплава под частицей, внедряющейся в подложку. В этом случае длительность процесса непосредственного внедрения заметно увеличивается. Соответственно растет глубина внедрения, а в итоге и прочность сцепления покрытия с подложкой.
Видно, что в рассматриваемых условиях глубина внедрения s достигает до 20 % от начальной высоты частицы. Скорее всего, этого вполне достаточно для формирования хорошего сцепления покрытия с основой. Необходимо отметить, что выделенные закономерности характерны и для других типичных режимов, результаты анализа которых не представлены в данной работе.
