Анализ влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) на процессы образования и накопления отложений на поверхности теплообмена

Цели работы:

1. Пояснение принципа анализа влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ).
2. Исследование влияния на процессы образования и накопления отложений на поверхности теплообмена.

В настоящее время повышение эффективности использования установок промышленной теплоэнергетики играет очень важную роль. Уменьшение габаритных размеров установки, уменьшение тепловых потерь, нахождение более актуальных способов и вариантов использования топлива - являются актуальными задачами на этапе проектирования теплоэнергетических установок, так как масштабы использования подобных аппаратов глобальны, как и количество потребляемого ими топлива. Топливо - основной энергетический ресурс и неэффективное его использование приводит к увеличению стоимости продукции, что является неприемлемым. В большинстве случаев, тепловые установки функционируют с низким коэффициентом использования тепла топлива из-за ошибок, получившихся при проектировании, неправильном использовании, некорректном монтаже, недостатке квалификации персонала. Огромную роль играет своевременное проведение организационно-технических мероприятий, проверка квалификационных способностей персонала, доработка инструктажа по мере актуализации технологического процесса, направленного на экономию топлива и повышение эффективности используемого оборудования.

Одним из способов борьбы за экономию топлива, а, следовательно, повышения эффективности теплообменных процессов является использование современных теплообменных технологий.

Целью данной статьи является изучение ионно-модифицированных поверхностей теплообмена и сравнение их с аналогами.

СПОСОБЫ ИНТЕСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Интенсификация -  организация развития производства, в котором применяются наиболее эффективные методы и средства, направленные на эффективное использование всех затрачиваемых ресурсов (как материалов, так и рабочей силы) с целью повышения производительности.

Не редко теплообменные аппараты технических установок имеют значительно большие размеры, чем основное оборудование. В ряде случаев, при отсутствии свободного пространства, приходится жертвовать интенсивностью теплообмена, что очень сильно ограничивает возможность решения поставленных задач. Использование интенсификации особенно незаменимо, когда коэффициенты теплоотдачи теплоносителей очень малы.

Основными задачами интенсификации теплообмена является:

1. Уменьшение массы и размеров теплообменного оборудование;
2. Снижение температурного напора (нахождение самой оптимальной зависимости температуры теплоносителя при заданной температуре стенок).

Способы, применяемые для реализации поставленных задач:

• Измерение скорости потока.
• Изменение термического сопротивления.
• Уменьшение геометрических размеров поверхности теплообмена.
• Использование оребренных поверхностей теплообмена.
• Искусственная турбулизация потока.
• Лучистый теплообмен.
• Использование нано/микромодифицированных поверхностей.
• Технологии ионного модифицирования.

Так как способов интенсификации невероятно огромное количество, в данной статье более подробно будет рассмотрен только метод ионного модифицирования.

В России остро стоит проблема надежности и энергоэффективности централизованных систем теплоснабжения. В среднем износ теплообменного оборудования в коммунальном секторе составляет 80-85%. В 97% случаев причиной повреждений тепловых сетей является разрушение металла трубопроводов через развитые коррозионные процессы. До 30% всех повреждений связано с внутренней коррозией локального характера, протекающая под слоем накипных отложений. Коррозия и отложения являются причиной ухудшения теплообмена, перерасхода топлива теплогенерирующим оборудованием, снижения мощности; повышения гидравлического сопротивления проходных каналов и увеличения расходов электроэнергии на транспортировку теплоносителя, понижения надежности работы оборудования, сокращения срока его эксплуатации; ухудшения экологических характеристик.

Наиболее распространенными для борьбы с образованием накипными отложениями в системах теплоснабжения являются методы реагентного и ионообменного умягчения.

Для снижения скорости коррозии используют методы изменения ионного состава воды, окислительно-восстановительного потенциала теплоносителя или пассивация металла. Несмотря на функционирование водоподготовительных установок на котельных, коммунальные предприятия вынуждены регулярно проводить очистку теплообменных поверхностей с применением сложных физических и химических методов и выводом оборудования из эксплуатации.

Для комплексной технологии ведения водно-химического режима котельных систем теплоснабжения целесообразно модифицирование теплоносителя пленкообразующих образующими поверхностно-активными веществами. Сформированная на поверхности металла оборудования слой-пленка из молекул модификатора является барьером по отношению к внешним воздействиям. Это позволяет улучшить теплообмен, повысить надежность оборудования, продлить срок его эксплуатации и уменьшить эксплуатационные расходы. На сегодня технические решения и научное обоснование процессов, которые происходят при использовании пленкообразующих низкомолекулярных поверхностно-активных веществ в системах теплоснабжения с водогрейными котлами недостаточно развиты.

Таким образом, решение проблемы научного обоснования и разработки комплексной технологии ведения водно-химического режима систем теплоснабжения модификацией теплоносителя для улучшения интенсивности и стабильности теплообмена и снижения затрат энергии на генерирование и транспортировку теплоносителя является актуальной задачей.

Большое количество положительных свойств ПАВ породило перед исследователями проблему выбора оптимальных слагаемых для регулирования физических процессов в различных отраслях промышленности.

Изменение структуры турбулентных потоков, гидрофобизация поверхностей, их очистка от отложений, изменение дисперсной и волновой структуры потоков и пленочных течений – эти и другие эффекты, обусловленные слагаемыми ПАВ и полимеров, оказывают существенное и неоднозначное влияние на процессы тепломассообмена. Опубликовано большое количество научных работ на эту тему. Основное внимание в литературе уделено процессам кипения и конденсации, широко распространенным в теплоэнергетических установках различного назначения

Молекулы ПАВ, абсорбируясь на поверхности твердых отложений или металла, создают хорошо гидратированный адсорбционный слой, обусловливающий возникновение "расклинивающего" давления. Это способствует отрыву частиц отложений от поверхности теплообмена и перехода их в жидкость. Адсорбционные пленки на поверхности частиц отложений придают этим частицам высокую агрегатную устойчивость, эмульгирующей способности и затормаживают процесс их прилипания в другом месте.

Дальнейшее повышение концентрации приводит к тому, что рост вязкости и снижение начинают превалировать над интенсификацией теплообмена в результате очистки, и после достижения некоторого максимума коэффициент теплоотдачи начинает падать. Прирост k для загрязненных поверхностей не только является функцией концентрации, но и зависит от времени воздействия и степени загрязненности поверхностей нагрева k = f (c, τ, ξ).

Известно, что слагаемые молекул ПАВ способны снижать скорость накопления термобарьерных отложений. Большие по размеру молекулы ПАВ попадают в микропоры и трещины отложений. За счет расклинивающего давления происходит отслоение и разрушение солевых отложений. Анализ источников [1-2] позволил установить, что растворы, которые использовались в экспериментах, складывались не только из веществ класса амины.

Таким образом, отложения, которые накапливаются на теплообменных поверхностях в процессе эксплуатации систем теплоснабжения, является причиной снижения эффективности систем теплоснабжения в современных условиях, которое обусловлено перерасходом топлива, увеличением нагрузки на транспортировку теплоносителя, снижением надежности работы оборудования, ухудшением экологической ситуации.

Методы ведения водно-химического режима систем теплоснабжения многоступенчатые, в основном, направлены на приведение показателей качества теплоносителя к нормированному уровню и характеризуются с одной стороны низкой эффективностью, а с другой - высокой эксплуатационной стоимостью.

Для комплексной технологии ведения водно-химического режима целесообразно модифицирование теплоносителя пленкообразующими поверхностно-активными веществами, в частности аминами.

Существенное влияние на гидродинамику и теплообмен имеет величина молекулярной массы поверхностно-активного вещества Mg: с ростом молекулярной массы добавки ПАВ эффект снижения теплообмена и гидравлического сопротивления растет.

В настоящее время технические решения и научное обоснование процессов, которые происходят при использовании низкомолекулярных поверхностно-активных веществ в системах теплоснабжения с водогрейными котлами недостаточно развиты.