Обрастание

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Fouling»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( ноябрь 2008 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Теплообменник паровой электростанции , загрязненный макрообрастанием

Трубка конденсатора с остатками биообрастания (разрезать)

Трубка конденсатора с отложениями из карбоната кальция (разрез)

Латунная трубка со следами коррозии (разрезать)

Соотношение затрат между отдельными видами обрастания

Обрастание - это накопление нежелательного материала на твердых поверхностях. Загрязняющие материалы могут состоять либо из живых организмов ( биообрастание ), либо из неживого вещества (неорганического или органического). Обрастание обычно отличается от других явлений поверхностного роста тем, что оно происходит на поверхности компонента, системы или установки, выполняющей определенную и полезную функцию, и что процесс засорения препятствует или препятствует этой функции.

Другие термины, используемые в литературе для описания обрастания, включают образование отложений, образование корки, примеси, отложение, образование окалины, образование накипи, шлакование и образование шлама. Последние шесть терминов имеют более узкое значение, чем загрязнение, в рамках науки и техники по обрастанию, а также имеют значения за пределами этой области; поэтому их следует использовать с осторожностью.

Явления обрастания являются обычными и разнообразными, начиная от обрастания корпусов судов, естественных поверхностей в морской среде ( обрастание морской среды ), загрязнения компонентов теплопередачи ингредиентами, содержащимися в охлаждающей воде или газах, и даже образования налета или зубного камня на зубах. или отложения на солнечных батареях на Марсе, среди других примеров.

Эта статья в первую очередь посвящена загрязнению промышленных теплообменников, хотя та же теория в целом применима к другим разновидностям загрязнения. В технологии охлаждения и других технических областях различают макрообрастание и микрообрастание. Из этих двух микрообрастание обычно труднее предотвратить и поэтому более важно.

Компоненты, подверженные обрастанию [ править ]

Примеры компонентов, которые могут быть подвержены обрастанию, и соответствующие эффекты загрязнения:

• Поверхности теплообменника - снижает термический КПД, уменьшает тепловой поток, увеличивает температуру на горячей стороне, снижает температуру на холодной стороне, вызывает коррозию под отложениями, увеличивает использование охлаждающей воды;
• Трубопроводы, проточные каналы - уменьшает поток, увеличивает перепад давления, увеличивает давление на входе, увеличивает расход энергии, может вызывать колебания потока, закупорку в двухфазном потоке, кавитацию; может увеличить скорость потока в другом месте, может вызвать вибрацию, может вызвать блокировку потока;
• Корпуса кораблей - создает дополнительное сопротивление , увеличивает расход топлива, снижает максимальную скорость; ^[1]
• Турбины - снижает КПД, увеличивает вероятность отказа;
• Солнечные батареи - снижает выработку электроэнергии;
• Мембраны обратного осмоса - увеличивает перепад давления, увеличивает расход энергии, уменьшает поток, отказ мембраны (в тяжелых случаях); ^[2]
• Электронагревательные элементы - повышают температуру элемента, усиливают коррозию, сокращают срок службы;
• Ядерное топливо в реакторах с водой под давлением - аномалия осевого смещения ^[3], возможно, потребуется снизить номинальную мощность электростанции;
• Форсунки для впрыска / распыления (например, форсунка, распыляющая топливо в топку) - впрыск неправильное количество, неправильная форма струи, неэффективность компонентов, отказ компонентов;
• Трубки Вентури , диафрагмы - неточное или неправильное измерение расхода;
• Трубки Пито в самолетах - неточная или неверная индикация скорости самолета;
• Электроды свечей зажигания в автомобилях - пропуски зажигания в двигателе; ^[4]
• Добывающая зона нефтяных пластов и нефтяных скважин - снижение добычи нефти со временем; засорение; в некоторых случаях полная остановка потока в считанные дни; ^[5]
• Зубы - способствует заболеванию зубов или десен, снижает эстетический вид;
• Живые организмы - осаждение избыточных минералов (например, кальций, железо, медь) в тканях (иногда спорно) связанно с старением / старения .

Макрообрастание [ править ]

Макрообрастание вызывается крупными частицами биологического или неорганического происхождения, например отходами промышленного производства . Такое вещество попадает в контур охлаждающей воды через насосы охлаждающей воды из таких источников, как открытое море , реки или озера . В замкнутых контурах, таких как градирни , попадание макрообрастания в бассейн градирни возможно через открытые каналы или ветер. Иногда части внутренних устройств градирни отсоединяются и попадают в контур охлаждающей воды. Такие вещества могут загрязнять поверхности теплообменников и вызывать ухудшение соответствующего коэффициента теплопередачи.. Они также могут создавать препятствия для потока, перераспределять поток внутри компонентов или вызывать истирание .

Примеры

• Искусственный мусор;
• Отдельные внутренние части компонентов;
• Инструменты и другие «посторонние предметы», случайно оставленные после ремонта;
• Водоросли ;
• Мидии ;
• Листья , части растений до целых стволов .

Микрообрастание [ править ]

Что касается микрообрастания, различают: ^[6]

• Отложения накипи или осаждения, такие как кристаллизация твердых солей , оксидов и гидроксидов из водных растворов (например, карбоната кальция или сульфата кальция)
• Загрязнение твердыми частицами, т. Е. Скопление частиц, обычно коллоидных частиц, на поверхности
• Коррозионное загрязнение, т.е. рост коррозионных отложений на месте, например, магнетита на поверхностях из углеродистой стали.
• Загрязнение в результате химической реакции, например, разложение или полимеризация органических веществ на поверхностях нагрева.
• Загрязнение при затвердевании - когда компоненты протекающей жидкости с высокой температурой плавления замерзают на переохлажденной поверхности.
• Биообрастание , например, поселения бактерий и водорослей
• Комбинированное обрастание, при котором обрастание включает более одного механизма загрязнения или обрастания

Обрастание осадков [ править ]

Обрастание отложениями или осаждением включает кристаллизацию твердых солей , оксидов и гидроксидов из растворов . Чаще всего это водные растворы, но известно и об образовании неводных осадков. Осадки - очень распространенная проблема в котлах и теплообменниках, работающих с жесткой водой, и часто приводит к образованию накипи .

Из-за изменений температуры, испарения или дегазации растворителя концентрация солей может превышать насыщение , что приводит к осаждению твердых веществ (обычно кристаллов).

В качестве примера равновесия между легкорастворимым бикарбонатом кальция - всегда преобладающим в природной воде - и плохо растворимым карбонатом кальция , можно записать следующее химическое уравнение:

${\ displaystyle {\ ce {\ mathsf {{Ca (HCO3) 2} _ {(водный)} -> {CaCO3 (v)} + {CO2} \! {\ uparrow} + H2O}}}}$

Карбонат кальция, образующийся в результате этой реакции, выпадает в осадок. Из-за температурной зависимости реакции и возрастающей летучести CO ₂ с повышением температуры образование накипи выше на более горячем выходе из теплообменника, чем на более холодном входе.

В общем, зависимость растворимости соли от температуры или наличия испарения часто является движущей силой загрязнения осадками. Важное различие заключается между солями с «нормальной» или «ретроградной» зависимостью растворимости от температуры. Соли с «нормальной» растворимостью увеличивают свою растворимость с повышением температуры и, таким образом, загрязняют охлаждающие поверхности. Соли с «обратной» или «ретроградной» растворимостью будут загрязнять поверхности нагрева. Пример температурной зависимости растворимости показан на рисунке. Сульфат кальция является обычным загрязнителем при выпадении осадков на поверхности нагрева из-за его ретроградной растворимости.

Обрастание осадками также может происходить в отсутствие нагрева или испарения. Например, сульфат кальция снижает свою растворимость при понижении давления. Это может привести к загрязнению пластов и скважин нефтяных месторождений атмосферными осадками, что со временем приведет к снижению их продуктивности. ^[7] Загрязнение мембран в системах обратного осмоса может происходить из-за разной растворимости сульфата бария в растворах с разной ионной силой . ^[2] Подобным образом осаждение может происходить из-за изменений растворимости, вызванных другими факторами, например, мгновенным испарением жидкости, дегазированием жидкости, изменениями окислительно-восстановительного потенциала или смешиванием несовместимых потоков жидкости.

Ниже перечислены некоторые из общепринятых в промышленности фаз осадочных отложений, которые на практике образуются из водных растворов:

• Карбонат кальция ( кальцит , арагонит обычно при t> ~ 50 ° C, реже фатерит );
• Сульфат кальция ( ангидрит , полугидрат , гипс );
• Оксалат кальция (например, пивной камень);
• Сульфат бария ( барит );
• Гидроксид магния ( брусит ); оксид магния ( периклаз );
• Силикаты ( серпентин , acmite , гиролит , геленит , аморфный оксид кремний , кварц , кристобалит , пектолит , ксонотлит );
• Гидроксиды алюминия ( бемит , гиббсит , диаспор , корунд );
• Алюмосиликаты ( анальцит , канкринит , нозелит );
• Медь (металлическая медь , куприт , тенорит );
• Фосфаты ( гидроксиапатит );
• Магнетит или феррит никеля (NiFe ₂ O ₄ ) из очень чистой воды с низким содержанием железа. ^[8]

Скорость осаждения за счет атмосферных осадков часто описывается следующими уравнениями:

Транспорт: ${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = k_ {t} (C_ {b} -C_ {i})}$

Кристаллизация поверхности: ${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {r}} (C_ {i} -C_ {e}) ^ {n1}}$

Общий: ${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = k_ {d} (C_ {b} -C_ {e}) ^ {n2}}$

куда:

m - масса материала (на единицу площади), кг / м ²

t - время, с

C _b - концентрация вещества в объеме жидкости, кг / м ³

C _i - концентрация вещества на границе раздела, кг / м ³

C _e - равновесная концентрация вещества в условиях границы раздела фаз, кг / м ³

n1, n2 - порядок реакции для реакции кристаллизации и всего процесса осаждения соответственно, безразмерный

k _t , k _r , k _d - кинетические константы скорости переноса, поверхностной реакции и общей реакции осаждения соответственно; с размерностью м / с (при n1 и n2 = 1)

Загрязнение твердыми частицами [ править ]

Загрязнение частицами, взвешенными в воде (« грязь ») или в газе, происходит по механизму, отличному от обрастания атмосферными осадками. Этот процесс обычно наиболее важен для коллоидных частиц, то есть частиц размером менее 1 мкм, по крайней мере, в одном измерении (но которые намного больше, чем атомные размеры). Частицы переносятся на поверхность с помощью ряда механизмов, и там они могут прикрепляться, например, путем флокуляции или коагуляции . Обратите внимание, что прикрепление коллоидных частиц обычно связано с электрическими силами, и, таким образом, поведение частиц не соответствует опыту макроскопического мира. Вероятность прикрепления иногда называют « вероятностью прилипания », P: ^[6]

${\ displaystyle k_ {d} = Pk_ {t}}$

где k _d и k _t - кинетические константы скорости осаждения и переноса соответственно. Величина P для коллоидных частиц является функцией как химического состава поверхности, ее геометрии, так и местных теплогидравлических условий.

Альтернативой использованию вероятности прилипания является использование кинетической константы скорости прикрепления, предполагающей реакцию первого порядка: ^{[9] [10]}

${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {a}} C_ {i}}$

а затем кинетические коэффициенты переноса и прикрепления объединяются как два последовательно протекающих процесса:

${\ displaystyle k_ {d} = \ left ({\ frac {1} {k_ {a}}} + {\ frac {1} {k_ {t}}} \ right) ^ {- 1}}$

${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {d}} C_ {b}}$

куда:

• dm / dt - скорость осаждения частицами, кг ^· м ^{−2 ·} с ⁻¹ ,
• k _a , k _t и k _d - кинетические константы скорости осаждения, м / с,
• C _i и C _b - концентрация загрязняющих частиц на границе раздела и в объеме жидкости, соответственно; кг м ⁻³ .

Будучи по существу явлением химии поверхности , этот механизм загрязнения может быть очень чувствительным к факторам, влияющим на коллоидную стабильность, например, дзета-потенциалу . Максимальная скорость загрязнения обычно наблюдается, когда частицы загрязнения и субстрат имеют противоположный электрический заряд или около точки нулевого заряда любого из них.

Частицы большего размера, чем частицы коллоидного размера, также могут загрязняться, например, из-за седиментации («седиментационное загрязнение») или просачивания в отверстия небольшого размера.

Со временем образующийся поверхностный отложение может затвердеть в результате процессов, известных под общим названием «уплотнение отложений» или, в просторечии, «старение».

Обычные отложения загрязняющих частиц, образующиеся из водных суспензий, включают:

• оксиды железа и оксигидроксиды железа ( магнетит , гематит , лепидокрокит , маггемит , гетит );
• Осаждение обрастания ила и другой относительно грубой взвеси.

Загрязнение частицами газовых аэрозолей также имеет промышленное значение. Частицы могут быть твердыми или жидкими. Распространенными примерами могут быть загрязнение дымовыми газами или загрязнение компонентов с воздушным охлаждением пылью в воздухе. Механизмы обсуждаются в статье об осаждении аэрозолей .

Коррозионное обрастание [ править ]

Коррозионные отложения образуются на месте в результате коррозии основания . Их отличают от отложений обрастания, которые образуются из материала, происходящего вне помещения. Коррозионные отложения не следует путать с отложениями обрастания, образованными продуктами коррозии, образующимися на месте. Коррозионные отложения обычно имеют состав, связанный с составом основы. Кроме того, геометрия границ раздела металл-оксид и оксид-жидкость позволяет на практике различать коррозионные отложения и отложения загрязнения. Примером коррозионного загрязнения может быть образование отложений оксида или оксигидроксида железа в результате коррозии углеродистой стали под ним. Коррозионное загрязнение не следует путать с коррозией обрастания, т. Е. Любым из типов коррозии, которые могут быть вызваны загрязнением.

Загрязнение химической реакцией [ править ]

Химические реакции могут происходить при контакте химических веществ в технологической жидкости с поверхностями теплопередачи. В таких случаях металлическая поверхность иногда действует как катализатор . Например, коррозия и полимеризация происходят в охлаждающей воде для химической промышленности, которая имеет незначительное содержание углеводородов. Системы нефтепереработки склонны к полимеризации олефинов или отложению тяжелых фракций ( асфальтены , парафины и т. Д.). Высокие температуры стенки трубы могут привести к карбонизации органических веществ. Пищевая промышленность ^[11], например, переработка молока ^{[12] [13],} также сталкивается с проблемами загрязнения из-за химических реакций.

Загрязнение в результате ионной реакции с выделением неорганического твердого вещества обычно классифицируется как осаждение (не химическое обрастание).

Отверждение обрастания [ править ]

Загрязнение при отверждении происходит, когда компонент текущей жидкости «замерзает» на поверхности, образуя твердый осадок. Примеры могут включать отверждение парафина (с высокой температурой плавления) из раствора углеводородов или расплавленной золы (переносимой в отходящем газе печи) на поверхность теплообменника. Поверхность должна иметь температуру ниже определенного порога; поэтому говорят, что он переохлажден по сравнению с точкой затвердевания загрязнителя.

Биообрастание [ править ]

Биообрастание или биологическое обрастание - это нежелательное накопление микроорганизмов, водорослей и диатомовых водорослей , растений и животных на поверхностях, например, на корпусах судов или трубах и резервуарах с неочищенной водой. Это может сопровождаться микробиологической коррозией (MIC).

Бактерии могут образовывать биопленки или слизи. Таким образом, организмы могут агрегировать на поверхностях, используя коллоидные гидрогели воды и внеклеточные полимерные вещества (EPS) ( полисахариды , липиды, нуклеиновые кислоты и т. Д.). Структура биопленки обычно сложная.

Бактериальное обрастание может происходить либо в аэробных (кислород, растворенный в воде), либо в анаэробных (без кислорода) условиях. На практике аэробные бактерии предпочитают открытые системы, когда кислород и питательные вещества постоянно доставляются, часто в теплой и солнечной среде. Анаэробное загрязнение чаще возникает в закрытых системах при наличии достаточного количества питательных веществ. Примеры могут включать сульфатредуцирующие бактерии (или серовосстанавливающие бактерии ), которые производят сульфид и часто вызывают коррозию черных металлов (и других сплавов). С другой стороны, сульфидоокисляющие бактерии (например, Acidithiobacillus ) могут производить серную кислоту и могут участвовать в коррозии бетона.

Мидии-зебры служат примером более крупных животных, ставших причиной массового обрастания в Северной Америке.

Композитное обрастание [ править ]

Комбинированное загрязнение является обычным явлением. Этот тип загрязнения включает более одного загрязнителя или более одного механизма загрязнения ^[14], работающих одновременно. Множественные загрязняющие вещества или механизмы могут взаимодействовать друг с другом, приводя к синергетическому обрастанию, которое не является простой арифметической суммой отдельных компонентов.

Обрастание на Марсе [ править ]

Марсоходы NASA Mars Exploration Rovers ( Spirit и Opportunity ) испытали (предположительно) абиотическое загрязнение солнечных панелей частицами пыли из марсианской атмосферы. ^[15] Некоторые из отложений впоследствии самопроизвольно смылись . Это иллюстрирует универсальный характер явления засорения.

Количественная оценка загрязнения [ править ]

Самый простой способ количественно определить достаточно однородное загрязнение - это указать среднюю нагрузку на поверхность отложений, т. Е. Кг отложений на м ² площади поверхности. Скорость загрязнения тогда будет выражена в кг / м ² с, и она будет получена путем деления нагрузки на поверхность отложений на эффективное время работы. Нормализованная скорость загрязнения (также в кг / м ² с) будет дополнительно учитывать концентрацию загрязняющего вещества в технологической жидкости (кг / кг) во время предыдущих операций и полезна для сравнения скорости загрязнения между различными системами. Его получают путем деления скорости загрязнения на концентрацию загрязняющего вещества. Константу скорости загрязнения (м / с) можно получить, разделив нормированную скорость загрязнения на массовую плотность технологической жидкости (кг / м ³).

Толщина отложений (мкм) и пористость (%) также часто используются для описания степени загрязнения. Относительное уменьшение диаметра трубопровода или увеличение шероховатости поверхности может представлять особый интерес, когда представляет интерес влияние загрязнения на падение давления.

В теплообменном оборудовании, где основной проблемой часто является влияние загрязнения на теплопередачу, загрязнение можно количественно оценить по увеличению сопротивления потоку тепла (м ² К / Вт) из-за загрязнения (так называемое « сопротивление загрязнению »). ), или увеличением коэффициента теплопередачи (Вт / м ² K) со временем.

Если основная проблема заключается в коррозии недоотложения или щелевой коррозии , важно отметить неравномерность толщины отложений (например, волнистость отложений ), локализованное загрязнение, заполнение замкнутых областей отложениями, образование окклюзий, «щелей», «отложений». бугорки », ^[16] или отстойники. Такие депозитные структуры могут создать условия для underdeposit коррозии материала субстрата, например, межкристаллитной коррозии , точечной коррозии , коррозионному растрескиванию под напряжением , или локализованного убыли. Пористость и проницаемостьотложений, вероятно, повлияет на вероятность коррозии недоотложения. Состав отложений также может иметь значение - даже незначительные компоненты отложений могут иногда вызывать сильную коррозию основного металла (например, ванадий в отложениях топочных котлов, вызывая горячую коррозию ).

Нет общего правила о том, сколько депозита можно терпеть, это зависит от системы. Во многих случаях отложение даже толщиной в несколько микрометров может вызвать проблемы. Отложения толщиной в миллиметр будут проблемой практически в любом приложении.

Развитие обрастания со временем [ править ]

Отложения на поверхности не всегда развиваются стабильно со временем. В зависимости от характера системы и местных теплогидравлических условий на поверхности можно выделить следующие сценарии загрязнения:

• Индукционный период . Иногда наблюдается практически нулевой уровень загрязнения, когда поверхность новая или очень чистая. Это часто наблюдается при биообрастании и осадках. После "индукционного периода" степень загрязнения увеличивается.
• «Отрицательное» обрастание. Это может произойти, если степень загрязнения измеряется путем мониторинга теплопередачи. Относительно небольшое количество отложений может улучшить теплопередачу по сравнению с чистой поверхностью и создать видимость «отрицательной» скорости загрязнения и отрицательного общего количества загрязнения. Отрицательное загрязнение часто наблюдается в условиях теплопередачи с пузырьковым кипением (отложения улучшают образование пузырьков) или принудительной конвекции (если отложение увеличивает шероховатость поверхности и поверхность больше не является «гидравлически гладкой»). После начального периода «контроля шероховатости поверхности» степень загрязнения обычно становится сильно положительной.
• Линейное обрастание. Скорость обрастания может быть стабильной со временем. Это частый случай.
• Падающее обрастание. При таком сценарии скорость загрязнения со временем уменьшается, но никогда не падает до нуля. Толщина наплавки не достигает постоянного значения. Развитие обрастания часто можно описать двумя числами: начальная скорость обрастания ( касательная к кривой обрастания при нулевой загрузке отложений или нулевое время) и скорость обрастания после длительного периода времени ( наклонная асимптота к кривой обрастания) .
• Асимптотическое обрастание. Здесь скорость загрязнения снижается со временем, пока, наконец, не достигнет нуля. В этот момент толщина отложений остается постоянной во времени (горизонтальная асимптота ). Это часто случается с относительно мягкими или плохо прилипающими отложениями в областях быстрого потока. Асимптота обычно интерпретируется как загрузка отложений, при которой скорость осаждения равна скорости удаления отложений.
• Ускорение обрастания. Согласно этому сценарию, скорость загрязнения увеличивается со временем; скорость накопления депозитов ускоряется со временем (возможно, до тех пор, пока они не станут ограничены транспортом). Механически этот сценарий может развиваться, когда загрязнение увеличивает шероховатость поверхности или когда поверхность отложений демонстрирует более высокую химическую склонность к загрязнению, чем чистый подстилающий металл.
• Обрастание качелей . Здесь нагрузка загрязнения обычно увеличивается со временем (часто предполагая в целом линейную скорость или скорость падения), но при более подробном рассмотрении процесс загрязнения периодически прерывается и принимает форму пилообразной кривой.. Периодические резкие колебания видимого количества загрязнения часто соответствуют моментам отключения системы, запуску или другим переходным процессам в работе. Периодические изменения часто интерпретируются как периодическое удаление части отложений (возможно, повторное взвешивание отложений из-за импульсов давления, выкрашивание из-за термических напряжений или расслоение из-за переходных процессов окислительно-восстановительного процесса). Постулируется, что паровая завивка возникает между частично отслоившимися отложениями и поверхностью теплопередачи. Однако возможны и другие причины, например, задержка воздуха внутри поверхностных отложений во время остановов или неточность измерений температуры во время переходных процессов («температурный поток»). ^[17]

Моделирование обрастания [ править ]

Обрастание системы можно смоделировать как состоящее из нескольких этапов:

• Образование или проникновение видов, вызывающих обрастание («загрязняющий источник»);
• Перенос загрязнений с потоком технологической жидкости (чаще всего адвекцией );
• Перенос загрязняющих веществ из основной массы технологической жидкости к поверхности загрязнения. Этот перенос часто происходит за счет молекулярной или турбулентно-вихревой диффузии , но может также происходить за счет инерционного движения / столкновения, перехвата частиц поверхностью (для частиц конечных размеров), электрофореза , термофореза , диффузиофореза , потока Стефана (при конденсации и испарении), седиментация , сила Магнуса (действующая на вращающиеся частицы), термоэлектрический эффект , ^{[18] [19]} и другие механизмы.
• Индукционный период, т. Е. Почти нулевая скорость обрастания в начальный период обрастания ^[20] (наблюдается только для некоторых механизмов обрастания);
• Зловонная кристаллизация на поверхности (или прикрепление коллоидной частицы, или химическая реакция, или рост бактерий);
• Иногда автозамедление засорения, то есть снижение (или потенциально повышение) скорости кристаллизации / прикрепления из-за изменений условий поверхности, вызванных отложениями засорения;
• Растворение отложений (или повторный унос плохо прикрепленных частиц);
• Уплотнение отложений на поверхности (например, из-за созревания Оствальда или разной растворимости в температурном градиенте) или цементация , которые объясняют, что осадки теряют свою пористость и со временем становятся более прочными;
• Депозит сколы , абразивный износ , или отслаивание .

Осаждение состоит из транспортировки на поверхность и последующего крепления. Удаление отложений происходит либо путем растворения отложений, повторного уноса частиц, либо путем отслаивания отложений, эрозионного износа или отслаивания. Загрязнение возникает в результате образования загрязняющих веществ, их отложений, удаления отложений и их консолидации.

Для современной модели обрастания, включающего отложение с одновременным повторным уносом и консолидацией отложений ^[21], процесс обрастания можно представить следующей схемой:

      [ставка накопления депозита] = [ставка депонирования] - [скорость повторного увлечения неконсолидированного депозита]

      [скорость накопления неконсолидированного депозита] = [скорость депонирования] - [скорость повторного увлечения неконсолидированного депозита] - [скорость консолидации неконсолидированного депозита]

Следуя приведенной выше схеме, основные уравнения загрязнения можно записать следующим образом (для стационарных условий с потоком, когда концентрация остается постоянной во времени):

${\ displaystyle {\ begin {case} {dm / dt} = k_ {d} C_ {m} \ rho - \ lambda _ {r} m_ {r} (t) \\ {dm_ {r} / dt} = k_ {d} C_ {m} \ rho - \ lambda _ {r} m_ {r} (t) - \ lambda _ {c} \ cdot m_ {r} (t) \ end {case}}}$

куда:

• m - массовая нагрузка отложения (консолидированного и неуплотненного) на поверхность (кг / м ² );
• t - время (с);
• k _d - константа скорости осаждения (м / с);
• ρ - плотность жидкости (кг / м ³ );
• C _m - массовая доля загрязняющего вещества в жидкости (кг / кг);
• λ _r - константа скорости повторного уноса (1 / с);
• m _r - массовая нагрузка удаляемой (т. е. неуплотненной) части поверхностного осадка (кг / м ² ); и
• λ _c - константа скорости консолидации (1 / с).

Эту систему уравнений можно проинтегрировать (принимая, что m = 0 и m _r = 0 при t = 0) к виду:

${\displaystyle m(t)={{k_{d}C_{m}\rho } \over {\lambda }}\left(t\lambda _{c}+{{\lambda _{r}} \over {\lambda }}\left(1-e^{-\lambda t}\right)\right)}$

где λ = λ _r + λ _c .

Эта модель воспроизводит линейное, падающее или асимптотическое обрастание, в зависимости от относительных значений k, λ _r и λ _c . Физическая картина, лежащая в основе этой модели, представляет собой двухслойное месторождение, состоящее из консолидированного внутреннего слоя и рыхлого неконсолидированного внешнего слоя. Такой двухслойный осадок часто наблюдается на практике. Вышеупомянутая модель легко упрощается до более старой модели одновременного осаждения и повторного уноса ^[22] (которая не учитывает консолидацию), когда λ _c = 0. В отсутствие консолидации асимптотическое обрастание всегда ожидается этой старой моделью, и прогресс загрязнения можно описать как:

${\displaystyle m(t)=m^{*}\left(1-e^{-\lambda _{r}t}\right)}$

где m ^* - максимальная (асимптотическая) массовая нагрузка осадка на поверхность (кг / м ² ).

Узун и др. (2019) предлагают упрощенный подход к оценке зависящего от времени роста биообрастания и его влияния на сопротивление и мощность судов. ^[23]

Экономическое и экологическое значение обрастания [ править ]

Обрастание является повсеместным и приводит к огромным эксплуатационным потерям, во многом напоминающим коррозию. Например, по одной из оценок, потери из-за загрязнения теплообменников в промышленно развитых странах составляют около 0,25% их ВВП . ^[24] Другой анализ ^[25] оценил (на 2006 год) экономические потери из-за загрязнения котлов и турбин на коммунальных предприятиях Китая в 4,68 миллиарда долларов, что составляет около 0,169% ВВП страны.

Потери изначально возникают в результате ухудшения теплопередачи, коррозионного повреждения (в частности , коррозии под отложениями и щелевой коррозии ), увеличения перепада давления, закупорки потока, перераспределения потока внутри компонентов, нестабильности потока, индуцированных вибраций (что может привести к другим проблемам, например усталости ^{[ 26]} ), истирание , преждевременный выход из строя электрических нагревательных элементов и множество других часто непредвиденных проблем. Кроме того, следует учитывать (но обычно не учитываются) экологические издержки. Экологические издержки возникают из-за использования биоцидов для предотвращения биообрастания из-за увеличения расхода топлива.вход для компенсации пониженной производительности, вызванной засорением, и повышенным использованием охлаждающей воды в прямоточных системах охлаждения.

Например, «нормальный» обрастания на условно произвело 500 МВт (чистая электроэнергия) мощности станции счет единиц для выходных потерь паровой турбины 5 МВт и более. На атомной электростанции мощностью 1300 МВт типичные потери могут составлять 20 МВт и выше (до 100%, если станция останавливается из-за деградации компонентов из-за загрязнения). На установках по опреснению морской воды засорение может снизить коэффициент полезного выхода на двузначные проценты (коэффициент увеличения выхода является эквивалентом, который соотносит массу образовавшегося дистиллята с паром, используемым в процессе). Дополнительное потребление электроэнергии в компрессоре-управляемые кулеры также легко находятся в двузначной области. В дополнение к эксплуатационным расходам также возрастают капитальные затраты, потому что теплообменники должны быть спроектированы в больших размерах, чтобы компенсировать потери теплопередачи из-за загрязнения. К потерям на выходе, перечисленным выше, необходимо добавить стоимость времени простоя, необходимого для проверки, очистки и ремонта компонентов (миллионы долларов в день простоя в виде упущенной выгоды на типичной электростанции), а также фактическую стоимость делаем это обслуживание. Наконец, обрастание часто является основной причиной серьезных проблем деградации, которые могут ограничивать срок службы компонентов или всего завода.

Контроль загрязнения [ править ]

Наиболее фундаментальный и обычно предпочтительный метод контроля загрязнения - это предотвращение попадания загрязняющих веществ в контур охлаждающей воды. В паровых электростанциях и других крупных промышленных установках воды технологии , макро обрастания избежать путем предварительной фильтрации и охлаждения воды , мусор фильтров . Некоторые заводы используют программу исключения посторонних предметов (чтобы исключить возможность заметного попадания нежелательных материалов, например, забыть инструменты во время обслуживания). Акустический мониторинг иногда используется для отслеживания истирания отдельными частями. В случае микрообрастания очистка воды достигается обширными методами очистки воды, микрофильтрацией ,мембранные технологии ( обратный осмос , электродеионизация ) или ионообменные смолы . Образование продуктов коррозии в системах водяных трубопроводов часто сводится к минимуму, контролируя pH технологической жидкости (обычно подщелачивание аммиаком , морфолином , этаноламином или фосфатом натрия ), контролируя растворенный в воде кислород (например, добавляя гидразин). ) или добавлением ингибиторов коррозии .

Для водных систем при относительно низких температур, что прикладные биоциды могут быть классифицировать следующий образом : неорганический хлор и метила соединения, хлор и метила скалыватель , озон и кислород скалыватель, неокисляемые биоциды . Одним из наиболее важных неокисляемых биоцидов является смесь хлорметилизотиазолинона и метилизотиазолинона . Также применяются дибромнитрилопропионамид и соединения четвертичного аммония . Краски для днища корпусов подводных кораблей наносятся.

Ингибиторы химического загрязнения ^[27] могут уменьшить загрязнение во многих системах, главным образом, препятствуя стадиям кристаллизации, прикрепления или консолидации процесса загрязнения. Примеры водных систем: хелатирующие агенты (например, EDTA ), длинноцепочечные алифатические амины или полиамины (например, октадециламин , геламин и другие «пленкообразующие» амины), органические фосфоновые кислоты (например, этидроновая кислота ). , или полиэлектролиты (например, полиакриловая кислота , ^[28]полиметакриловая кислота, обычно с молекулярной массой ниже 10000). В топочных котлах добавки алюминия или магния могут снизить температуру плавления золы и способствовать образованию отложений, которые легче удалить. См. Также технологические химикаты .

Магнитная очистка воды была предметом споров относительно ее эффективности для контроля загрязнения с 1950-х годов. Преобладает мнение, что это просто «не работает». ^[29] Тем не менее, некоторые исследования показывают, что при определенных условиях он может быть эффективным для уменьшения накопления отложений карбоната кальция. ^[30]

На уровне конструкции компонента засорение часто (но не всегда) можно минимизировать, поддерживая относительно высокую (например, 2 м / с) и равномерную скорость жидкости во всем компоненте. Необходимо устранить застойные регионы. Компоненты обычно имеют избыточную конструкцию, чтобы избежать загрязнения, ожидаемого между чистками. Однако значительное превышение конструкции может быть ошибкой конструкции, поскольку может привести к усилению загрязнения из-за пониженных скоростей. Периодические импульсы давления на линии или обратный поток могут быть эффективными, если возможности тщательно учтены во время проектирования. Возможность продувки всегда предусмотрена в парогенераторах или испарителях для контроля накопления нелетучих примесей, которые вызывают или усугубляют загрязнение. Слабообрастающие поверхности (например, очень гладкие,имплантированные ионами или с низкой поверхностной энергией, такие как тефлон ) являются вариантом для некоторых приложений. Современные компоненты, как правило, должны быть спроектированы таким образом, чтобы упростить проверку внутренних устройств и периодическую очистку. Системы оперативного мониторинга загрязнения разработаны для некоторых применений, так что продувка или очистка могут быть применены до того, как возникнет непредсказуемая остановка или возникнет повреждение.

Процессы химической или механической очистки для удаления отложений и накипи рекомендуются, когда загрязнение достигает точки, влияющей на производительность системы или когда начинается значительное ухудшение качества, вызванное загрязнением (например, из-за коррозии). Эти процессы включают протравливание кислотами и комплексообразователями , очистку струями воды с высокой скоростью («струйная очистка»), рециркуляция («струйная очистка») с помощью металлических, губчатых или других шариков или приведение в движение автономных механических очистителей труб «пулевого типа». В то время как химическая очистка вызывает экологические проблемы из-за обращения, применения, хранения и утилизации химикатов, механическая очистка с помощью циркулирующих чистящих шариков или автономной очистки "пулевого типа" может быть экологически более безопасной.альтернатива. В некоторых приложениях с теплопередачей можно использовать механическое смягчение с помощью динамических скребковых теплообменников . Также для многих конкретных областей применения доступны ультразвуковые или абразивные методы очистки.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Исследование обрастания сырой нефтью