Загрязнение

редактировать
Теплообменник в паровой электростанции, загрязнен макрозагрязнением
Конденсатор трубка с остатками биообрастания ()
Трубка конденсатора с карбонатом кальция накипью (разрезана)
Латунная трубка с коррозией следы (вскрытие)
Соотношение между отдельными типами загрязнения

Загрязнение - это накопление нежелательного материала на твердых поверхностях в функциональности. 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.

Другие термины, используемая в литературе для описания засорения, включая образование отложений, образование, примеси, осаждение, образование окалины, образование накипи, шлакование и образование осадка. Последние шесть терминов имеют более узкое значение, чем загрязнение, в рамках этой науки и техники по обрастанию, а также значения за пределами области; поэтому их следует использовать с осторожностью.

Явления обрастания являются обычными и разнообразными, начиная с обрастания корпусов судов естественных поверхностей в морской среде (обрастание морской среды ), загрязнения теплопередающими компонентами через ингредиенты, содержащиеся в охлаждающей воды или газах, и даже образование налета или зубного камня на зубах или отложений 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 микроорганизмов обычно труднее предотвратить и поэтому более важно.

Содержание

  • 1 Компоненты, подверженные загрязнению
  • 2 Макрообрастание
  • 3 Микрообрастание
    • 3.1 Загрязнение осадками
    • 3.2 Зарастание частицами
    • 3.3 Коррозионное загрязнение
    • 3.4 Загрязнение химической реакцией
    • 3.5 Отверждение обрастания
    • 3.6 Биообрастание
    • 3.7 Комплексное обрастание
    • 3.8 Обрастание на Марсе
  • 4 Количественная оценка загрязнения
  • 5 Развитие обрастания со временем
  • 6 Моделирование обрастания
  • 7 Экономическая и экологическая последовательность загрязнения
  • 8 Контроль загрязнения
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки

Компоненты, подверженные загрязнению

Примеры компонентов, которые могут быть подвержены загрязнению и соответствующим эффектам загрязнения:

  • Поверхности теплообменника - снижение температуры КПД, снижает температуру на холодной стороне, увеличивает использование охлаждающей воды;
  • Трубопровод, проточные каналы - уменьшает расход, увеличивает давление, увеличивает давление на входе, увеличивает затраты энергии, может вызвать колебания потока, закупорку двухфазного потока, кавитацию; может увеличить скорость потока в другом месте, может вызвать вибрацию, может вызвать блокировку потока;
  • Корпуса судов - создает дополнительное лобовое сопротивление, увеличивает расход топлива, снижает максимальную скорость;
  • Турбины - снижает, увеличивает вероятность отказа;
  • солнечные панели - снижает вырабатываемую электроэнергию;
  • мембраны обратного осмоса - увеличивает перепад давления, уменьшает расход энергии, снижает поток, отказ мембраны (в тяжелых случаях);
  • электрические нагревательные элементы - увеличить температуру элемента, службы коррозию, сокращает срок;
  • Ядерное топливо в реакторах с водой под давлением - осевое отклонение от нормы, может потребоваться снижение номинальной мощности силовой установки;
  • Форсунки для впрыска / распыления (например, форсунка, распыляющая топливо в печи) - впрыск неправильное количество, неправильная струи, неэффективность компонентов, отказ компонентов;
  • Трубки Вентури, диафрагмы - неточное или неправильное измерение расхода;
  • трубки Пито в самолеты - неточная или неправильная индикация скорости самолета;
  • свечи зажигания электроды в автомобилех - пропуски зажигания двигателя;
  • зона добычи нефтяных пластов и нефтяных скважин - уменьшилась добыча нефти со временем; засорение; в некоторых случаях полное прекращение кровотока в течение нескольких дней;
  • Зубы - вызывают заболевание зубов или десен, ухудшают эстетику;
  • Живые организмы - отложение избыточных минералов (например, кальция, железа, медь) в тканях (иногда спорно) связана с старение / старение.

Макро обрастание

Макро обрастание вызывается грубой значение либо биологического или неорганического происхождения, например промышленно произведенные отходы. 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 ветром. Иногда части внутренних устройств градирни отсоединяются и попадают в контур охлаждающей воды. Такие могут загрязнять поверхность теплообменников и ухудшение качества коэффициента теплопередачи. Они могут также создавать блокировку потока, перераспределять поток внутри компонентов или вызывать раздражение.

Примеры
  • Искусственный мусор;
  • Отделенные внутренние части компоненты;
  • Инструменты и другие «посторонние предметы», случайно оставленные после технического обслуживания;
  • Водоросли ;
  • Мидии ;
  • Листья, части вплоть до целых стволов.

Микрообрастание

образование

Что касается микрообрастания, различают:

  • накипи или осаждение, как и кристаллизация твердые солей, оксидов и гидроксидов из водных растворов (например, карбоната кальция или сульфата кальция)
  • Загрязнение твердыми частями, то есть скопление частиц, обычно коллоидных частиц, на поверхности
  • Коррозионное загрязнение, т.е. рост коррозионных отложений на месте, например, магнетит на углеродистой стали поверхностях
  • Загрязнение химической реакцией, например, разложение или полимеризация органических веществ на поверхностях вызывает
  • Загрязнение затвердеванием - когда компоненты текучей среды жидкость с высокой температурой плавления или не на переохлажденную поверхность
  • Биообрастание, например, поселения бактерий и водорослей
  • Составное загрязнение, при котором обрастание включает более одного загрязняющего вещества или механизма загрязнения

Осадочное образование

Накипь внутри трубы снижает поток жидкости через трубу, а также снижает теплопроводность от жидкости к внешней оболочке трубы. Оба эффекта увеличат тепловая КПД трубы при использовании в качестве теплообменника . Экстремальное образование накипи в трубе котла Температурная зависимость растворимости сульфата кальция (3 фазы) в чистой воде. Вода находится под давлением, поэтому ее можно поддерживать в жидком состоянии при повышенных температурах.

Образование накипи или осаждения 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 или испарения растворителя или дегазация, солей может быть насыщение, что приводит к осаждению твердых веществ (обычно кристаллов).

В качестве примера написания равновесия между легкорастворимым бикарбонатом кальция - всегда преобладающим в природной воде - и малорастворимым карбонатом кальция может быть следующее химическое уравнение:

Ca ( HCO 3) 2 (водный) ⟶ CaCO 3 ↓ + CO 2 ↑ + H 2 O {\ displaystyle {\ ce {\ mathsf {{Ca (HCO3) 2} _ {(водный)} ->{CaCO3 (v)} + {CO2} \! {\ Uparrow} + H2O}}}}{\displaystyle {\ce {\mathsf {{Ca(HCO3)2}_{(aqueous)}->{CaCO3 (v)} + {CO2} \! {\ Uparrow} + H2O}}}}

Карбонат кальция, который образует из-за температурной зависимости и возрастания летучести CO 2 с повышением температуры, образование накипи выше на более горячем выходе из теплообменника, чем на более холодном входе.

Как зависимость, растворимости соли от температуры или наличия испарения будет определяться сила обрастания атмосферными осадками. Важное различие заключается между солями с «нормальной» или «ретроградной» зависимостью растворимости от температуры. Соли с «обратной» или «ретроградной» растворимостью будут загрязнять поверхность формы. ульфат кальция является обычным загрязняющим элементом при выпадении осадков на поверхностях, вызванных из-за его ретроградной растворимости.

Загрязнение осадками также может происходить в отсутствие сообщения или испарения. Например, сульфат кальция снижает свою растворимость при понижении давления. Это может к загрязнению пластов и скважин нефтяных месторождений атмосферными осадками, что со временем к снижению их продуктивности. Загрязнение мембран в системе обратного осмоса может происходить из-за разной растворимости сульфата бария в растворах с разной ионной силой. Точно так же осаждение может происходить из-за изменений растворимости, вызванных другими факторами, например, жидким миганием, дегазированием жидкости, изменениями окислительно-восстановительного потенциала или смешиванием несовместимых потоков текучей среды.

Вот некоторые из общепринятых в промышленности фаз осадочных отложений:

Скорость осаждения путем осаждения часто описывается уравнениями:

Транспорт: dmdt = kt (C b - C i) {\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = k_ {t} (C_ {b} -C_ {i})}{\ frac { dm} {dt}} = k_ {t} (C_ {b} -C_ {i})
Кристаллизация поверхности: dmdt = kr (C i - C e) n 1 {\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {r} } (C_ {i} -C_ {e}) ^ {n1}}{\ frac {dm} {dt}} = {k_ {r}} (C_ {i} -C _ {e}) ^ {{n1}}
Всего: dmdt = kd (C b - C e) n 2 {\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = k_ {d} (C_ {b} -C_ {e}) ^ {n2}}{\ frac {dm} {dt}} = k_ {d} (C_ {b} -C_ {e}) ^ {{n2}}

где:

m - масса материала (на единицу площади поверхности), кг / м
t - время, с
Cb- вещество вещества в объеме раздела, кг / м
Ci- вещество вещества на границе раздела, кг / м
Ce- вещество вещества в условиях границы раздела, кг / м
n1, n2 - порядок реакций для кристаллизации и всего процесса осаждения, соответственно, безразмерный
kt, k r, k d - кинетические константы скорости переноса, поверхностной реакции и общей осаждения соответственно; с размером м / с (когда n1 и n2 = 1)

Загрязнение твердыми частями

Загрязнение частицами, взвешенными в воде («crud ») или в газе, происходит по механизму отличается от обрастания атмосферными осадками. Этот процесс обычно наиболее важен для коллоидных частиц размером менее 1 мкм по меньшей мере в одном измерении (но которые намного больше атомных размеров). Частицы переносятся на поверхность с помощью ряда механизмов, и там они могут прикрепляться, например, посредством флокуляции или коагуляции. Обратите внимание, что прикрепление коллоидных частиц обычно связано с электрическими частицами, таким образом, поведение частиц не соответствует опыту макроскопического мира. Вероятность прикрепления иногда упоминается как «вероятность прилипания », P:

kd = P kt {\ displaystyle k_ {d} = Pk_ {t}}k_ {d} = Pk_ {t}

где k d и k t - кинетические константы скорости осаждения и переноса соответственно. Значение P для коллоидных частиц является функцией химического состава поверхности, ее геометрии, так и местных теплогидравлических условий.

Альтернативное использование вероятности прилипания использование кинетической константы скорости прикрепления, предполагающей реакцию первого порядка:

dmdt = ka C i {\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {a}} C_ {i}}{\ frac {dm} {dt}} = {k_ {a}} C_ {i}

, а затем кинетические коэффициенты переноса и прикрепления объединяются в виде двух процессов, происходящих последовательно:

kd = (1 ka + 1 kt) - 1 {\ displaystyle k_ {d} = \ left ( {\ frac {1} {k_ {a}}} + {\ frac {1} {k_ {t}}} \ right) ^ {- 1}}k_ {d} = \ влево ({\ frac 1 {k_ {a}}} + {\ frac 1 {k_ {t}}} \ right) ^ {{- 1}}
dmdt = kd C b {\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {d}} C_ {b}}{\ frac { dm} {dt}} = {k_ {d}} C_ {b}

где:

  • dm / dt - скорость осаждения частицами, кг мс,
  • ka, k t и k d - кинетические константы скорости осаждения, м / с,
  • Ciи C b - загрязняющего вещества. на границе раздела и в объеме жидкости соответственно; кг м.

Являясь по существу явлением химии поверхности, этот механизм загрязнения может быть очень чувствительным к факторам, которые действуют на коллоидную стабильность, например, дзета-потенциал. Максимальная скорость загрязнения обычно наблюдается, когда частицы загрязнения и подложка 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 отверстий через небольшого размера.

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

Обычные твердые отложения обрастания, образованные из водных суспензий, включают:

Загрязнение частицами из газовых аэрозолей <Распространенными примерами могут быть загрязнение дымовыми газами или загрязнение компонентов воздушным охлаждением пылью в воздухе. Обсуждаются механизмы в статье о осаждении аэрозоля.

Коррозионное загрязнение

Коррозионные отложения на месте в результате коррозии подложки отличаются от отложений загрязнения, которые образуются из материала образуются вне места., образующимися вне места. Коррозионные отложения обычно имеют c состав зависит от состава субстрата. Кроме того, геометрия раздела металл-оксид и оксид-жидкость может использовать практическое различие между отложениями коррозии и загрязнения. Примером коррозионного загрязнения может быть образование отложений оксида или оксигидроксида железа в результате коррозии углерода под ним. Коррозионное загрязнение не следует путать с коррозией обрастания, то есть с любыми видами загрязнения, которые могут быть вызваны загрязнением.

Загрязнение химических реакций

Химические реакции могут происходить при контакте химических веществ в технологической жидкости с поверхностями теплопередачи. В такой металлической поверхности иногда действует как катализатор. Например, коррозия и полимеризация происходит в охлаждающей воде для химической промышленности, имеющей незначительное содержание углеводородов. Системы переработки склонны к полимеризации олефинов или отложению нефти тяжелой фракции (асфальтенов, восков и т. Д.). Высокие температуры стенки могут привести к карбонизации проверить вещества. Пищевая промышленность, например переработка молока, также возникает проблема загрязнения из-за химически сталкивается.

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

Загрязнение при затвердевании

Загрязнение из-за затвердевания 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

Фрагмент шлюзового канала в Северной Франции, покрытый мидиями зебры

Биообрастание или биологическим обрастанием, представляет собой нежелательное скопление микро- организмы, водоросли и диатомовые водоросли, растения и животные на поверхностях, например, на корпусах судов или в трубах и резервуарах с неочищенной водой. Это может сопровождаться коррозией, вызванной микробиологией (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 как в аэробных (кислород, растворенный в воде), так и 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.

Зебровые мидии служат примером более крупных животных, которые стали причиной массового загрязнения в Северной Америке.

Композитное загрязнение

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

Загрязнение Марса

NASA Марсоходы Mars Exploration (Spirit и Opportunity ) испытали (предположительно) абиотическое загрязнениесолнечными панели с частицами пыли из марсианской атмосферы. Некоторые из отложений воздействия спонтанно смылись. Это иллюстрирует универсальный характер явления засорения.

Количественная оценка загрязнения

Самый простой способ количественной оценки достаточно однородного загрязнения - это определение средней нагрузки на поверхности поверхности. Скорость загрязнения будет выражаться в кг / мс, и она будет получена путем деления нагрузки на поверхности отложений на эффективное время работы. Нормализованная скорость загрязнения (также в кг / мс) будет включать в себя концентрацию загрязняющего вещества в технологической жидкости (кг / кг) во время предыдущих операций и полезна для сравнения скоростей загрязнения между различными системами. Его получают путем деления скорости загрязнения на концентрацию загрязнения вещества. Константу скорости загрязнения (м / с) можно получить, разделив нормированную скорость загрязнения на массовую плотность технологической жидкости (кг / м).

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 на падение давления.

В теплообменном оборудовании, где основная проблема является влиянием загрязнения на теплопередачу, загрязнение можно количественно увеличить сопротивление потоку тепла (мК / Вт) из-за загрязнения (так называемого «загрязнением »), Или повреждение коэффициент теплопередачи (Вт / мК) со временем.

Если недоотложение или щелевая коррозия отметить наибольшую нагрузку, важно неравномерность толщины отложений (например, осадок волнистость ), локализованное засорение, набивка замкнутыми отложениями, создание окклюзий, «Щелей», «бугорков отложений» или иловых куч. Такие структуры отложений могут создать для коррозии материала подложки, например, межкристаллитного воздействия, точечной коррозии, коррозионного растрескивания под напряжением или локальных потерь. Пористость и проницаемость отложений, вероятно, будут влиять на вероятность коррозии недоотложения. Составлений также может быть значение - даже незначительные отложительные отложений могут иногда вызывать сильные коррозию основного металла (например, ванадий в отложениях топочных котлов, вызывая горячую коррозию ).

Нет общих правил относительно допустимой суммы депозита, это зависит от системы. Во многих случаях вызывает проблемы с толщиной даже в несколько микрометров. Отложения толщиной в миллиметр будут проблемой практически в любом приложении.

Развитие обрастания со временем

Отложения на поверхности не всегда развиваются устойчиво со временем. В зависимости от характера системы и местных теплогидравлических условий на поверхности могут быть следующие сценарии загрязнения:

  • Индукционный период. Иногда наблюдается практически нулевой уровень загрязнения, когда поверхность новый или очень чистый. Это часто наблюдается при биообрастании и осадках. После «индукционного периода» скорость загрязнения увеличивается.
  • «Отрицательное» загрязнение. Это может происходить, когда скорость определяется посредством количественного мониторинга теплопередачи. Относительно небольших отрицательных показателей по сравнению с чистой поверхностью и созданием видимости «отрицательной» скорости загрязнения и отрицательной общей степени загрязнения. Отрицательное загрязнение часто наблюдается в условиях теплопередачи с пузырьковым кипением (отложение улучшает зарождение пузырьков) или принудительной конвекции (отложение увеличивает шероховатость поверхности и поверхность больше «гидравлически не гладкой»). После начального периода «контроля шероховатости поверхности» скорость загрязнения обычно становится сильно положительной.
  • Линейное загрязнение. Скорость загрязнения может быть стабильной со временем. Это обычный случай.
  • Падающее загрязнение. В этой сценарии скорость обрастания уменьшается со временем, 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 загрязнения при нулевой загрузке или нулевое время) и скорость обрастания после длительного периода времени (наклонная асимптота к кривой загрязнения).
  • Асимптотическое загрязнение. Здесь скорость загрязнения уменьшается со временем, пока, наконец, не достигнет нуля. В этот момент толщины отложений постоянной во время (горизонтальная асимптота ). Это случается с относительно мягкими или плохо сцепляющимися с низкими потоками. Асимптота обычно интерпретируется как загрузка отложений, при которой скорость отменяется скорости удаления отложений.
  • Ускорение загрязнения. В этой сценарии скорость увеличивается со временем; скорость накопления ускоряется со временем (возможно, до тех пор, пока они не ограничены транспортом). Механически этот сценарий может развиваться, когда загрязнение увеличивает шероховатость поверхности или когда поверхность вызывает более высокую химическую склонность к загрязнению, чем чистый подстилающий металл.
  • Загрязнение качелями . Здесь нагрузка засорения обычно увеличивается со временем (часто предполагаемая, в целом, линейная скорость или скорость падения), но при более подробном рассмотрении прогресс засорения периодически прерывается и принимает пилообразной кривой. Периодические резкие колебания видимого количества загрязнения часто соответствуют моменту остановки системы, запуску или другим переходным процессам в работе. Периодические изменения часто интерпретируются как периодическое удаление части отложений (возможно, повторное взвешивание 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 во время остановов или неточность измерений температуры во время переходных процессов («температурный поток»).

Моделирование загрязнения

Схематическое изображение процесса загрязнения, состоящего из одновременного образования осадка. отложение и удаление отложений.

Загрязнение системы можно смоделировать как состоящее из нескольких этапов:

  • Образование или проникновение вещества, вызывающее загрязнение («источник загрязнения»);
  • Перенос загрязняющих веществ с потоком технологической жидкости (чаще всего за счет адвекции );
  • переносящих загрязняющих веществ из основной части технологической жидкости к поверхности загрязнения.) Этот перенос часто осуществляется за счет молекулярной или турбулентно-вихревой диффузии, но также может происходить инерционным движением / столкновением, захватом частиц поверхности (для частиц конечных размеров), электрофорезом, термофорезом, диффузиофорезом, поток Стефана (при конденсации и испарении), с эдиментацией, сила Магнуса (действующая на вращающиеся частицы), термоэлектрический эффект и другие механизмы.
  • Период индукции, то есть скорость загрязнения, близкая к нулю в начальный период обрастания (наблюдается только при некоторых механизмах обрастания);
  • Кристаллизация грязи на поверхности (или прикрепление коллоидной частицы, или химическая реакция, или рост б актерий);
  • Иногда автозамедление засорения, т. е. снижение (или потенциальное увеличение) скорости кристаллизации / прикрепления из-за изменений условий поверхности, вызванных отложениями засорения;
  • Растворение отложений (или повторный унос слабо прикрепленных частиц);
  • Уплотнение отложений на поверхности (например, из-за созревания Оствальда или разной растворимости в температурном градиенте) или цементация, которые объясняют, что отложения теряют свою пористость и становятся более прочными со временем;
  • Отложение растрескивание, эрозионный износ или расслоение.

Нанесение из транспортировки на поверхность и последующего крепления. Удаление отложений происходит либо путем отслаивания, либо путем отслаивания отложений, эрозионного износа или отслаивания. Загрязнение в результате образования загрязняющих веществ, их отложений, удаления отложений и их консолидации.

Для современной модели загрязнения, включающей отложение с одновременным повторным уносом и консолидацией отложений, обрастания может быть представлен процесс следующей схемой:

[скорость накопления отложений] = [скорость депонирования] - [скорость повторного уноса неконсолидированного депозита]

[скорость накопления неконсолидированного депозита] = [скорость депонирования] - [скорость повторного уноса неконсолидированного депозита] - [скорость консолидации неконсолидированного отложения]

Следуя приведенной выше схеме, основные уравнения загрязнения быть записаны следующим образом (для стационарных условий с потоком, когда используется постоянная во времени):

{dm / dt = kd C м ρ - λ rmr (t) dmr / dt = кд C m ρ - λ rmr (t) - λ с ⋅ г-н (T) {\ Displaystyle {\ begin {cases} {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 {ases}}}{\ displaystyle {\ begin {cases} {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}}}

где:

  • m - массовая загрузка позит (уплотненный и неконсолидированный) на поверхности (кг / м);
  • t - время (с);
  • kd- константа скорости осаждения (м / с);
  • ρ - плотность жидкости (кг / м);
  • Cm- массовая доля загрязнителя в жидкости (кг / кг);
  • λr- константа скорости повторного уноса (1 / с);
  • mr- массовая загрузка удаляемая (т.е. неконсолидированная) фракция поверхностного осадка (кг / м); и
  • λc- константа скорости консолидации (1 / с).

Эта система систем может быть интегрирована (, что m = 0 и m r = 0 при t = 0) к форме:

м (т) знак равно кд С ​​м ρ λ (T λ с + λ р λ (1 - е - λ т)) {\ Displaystyle м (т) = {{к_ {d} C_ {m} \ rho} \ над {\ lambda}} \ left (т \ lambda _ {c} + {{\ lambda _ {r}} \ over {\ lambda}} \ left (1-e ^ {- \ lambda t} \ right) \ right)}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 загрязнение, 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 внешнего внутреннего слоя и рыхлого неконсолидированного слоя. Такой двухслойный осадок часто встречается на практике. Вышеупомянутая модель легко упрощается до более старой модели одновременного осаждения и повторного уноса (которая не учитывает консолидацию), когда λ c = 0. В отсутствие консолидации асимптотическое засорение всегда предполагает эту старую модель, и прогресс засорения можно описать как:

m (t) знак равно m ∗ (1 - e - λ rt) {\ displaystyle m (t) = m ^ {*} \ left (1-e ^ {- \ lambda _ {r} t} \ right)}m (t) = m ^ {*} \ left (1-e ^ {{- \ lambda _ {r} t}} \ right)

где m - максимальная (асимптотическая) массовая нагрузка отложения на поверхность (кг / м).

Узун и др. (2019) предлагают упрощенный подход для оценки зависящего от времени роста биообрастания и его влияния на сопротивление судна и мощность.

Экономическое и экологическое значение загрязнения

Обрастание повсеместно и приводит к огромным эксплуатационным потерям, мало чем отличается от коррозии. Например, согласно одной оценке, потери из-за загрязнения теплообменников в промышленно развитых странах составляют около 0,25% от их ВВП. Другой анализ 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.

Первоначально потери возникают из-за нарушения теплопередачи, коррозии повреждения (в частности, подотложения и щелевой коррозии ), увеличения перепада давления, закупорки потока, перераспределения потока внутри компоненты, нестабильность потока, индуцированные вибрации (возможно, приводящие к другим проблемам, например, усталость ), истирание, преждевременный выход из строя электрических нагревательных элементов и большое количество других часто непредвиденных проблем. Кроме того, следует учитывать экологические затраты (но обычно не учитываются). Экологические издержки возникают из-за использования биоцидов для предотвращения биообрастания, из-за увеличения расхода топлива для компенсации снижения производительности, вызванного загрязнением, и более широкого использования охлаждающей воды в прямоточные системы охлаждения.

Например, «нормальное» загрязнение на агрегате мощностью 500 МВт (полезная электрическая мощность) электростанции с обычным сжиганием учитывает потери на выходе паровой турбины . 5 МВт и более. На АЭС мощностью 1300 МВт типичные потери могут составлять 20 МВт и выше (до 100%, если станция останавливается из-за разрушения компонентов, вызванного загрязнением). На установках по опреснению морской воды засорение может снизить коэффициент увеличения производительности на двузначные проценты (коэффициент увеличения выхода является эквивалентом, который соотносит массу образовавшегося дистиллята с паром, используемым в процессе). Дополнительное потребление электроэнергии в охладителях, работающих с компрессором , также легко попадает в Двузначная область. В дополнение к эксплуатационным расходам также увеличиваются капитальные затраты, поскольку теплообменники должны быть спроектированы в больших размерах, чтобы компенсировать потери теплопередачи из-за загрязнения. К потерям на выходе, перечисленным выше, необходима стоимость времени простоя, необходимого для проверки, очистки и ремонта компонентов (миллионы в день простоя в виде упущенной выгоды на типичной электростанции), а также фактическая стоимость делает это обслуживание. Наконец, обрастание часто является основной причиной серьезных проблем деградации, которые могут ограничивать срок службы компонентов или всего оборудования.

Контроль загрязнения

Наиболее фундаментальным и обычно предпочтительным методом контроля загрязнения является предотвращение попадания загрязняющих веществ в контур охлаждающей воды. На паровых электростанциях и других крупных промышленных установках, использующих водную , предотвращается макрообрастание за счет предварительной фильтрации и охлаждающей воды. фильтры для мусора. На некоторых предприятиях применяется программа исключения посторонних предметов, нежелательных материалов, например, забыть инструменты во время обслуживания. Акустический мониторинг иногда используется для истирания отдельными частями. В микрообрастании очистка воды достигается с помощью обширных методов очистки воды, микрофильтрации, мембранной технологии (обратного осмоса, электроионизации ) или ионообменные смолы. Образование продуктов коррозии в системах водяных трубопроводов часто сводится к минимуму, контролируемому pH технологической жидкости (обычно подщелачивание аммиаком, морфолином, этаноламин или фосфат натрия ), контроль кислорода, раствор в воде (например, путем добавления гидразина ) или добавление ингибиторов коррозии.

Для водных систем при относительно низких температурах применяемые биоциды можно классифицировать следующим образом: неорганические хлорные и бромидные соединения, хлор и бромид расщепители, озоновые и кислородные расщепители, неокисляемые биоциды. Одним из наиболее важных неокисляемых биоцидов является смесь хлорметилизотиазолинона и метил -изотиазолинона. Применяются также дибромнитрилопропионамид и четвертичные аммониевые соединения. Для корпусов подводных кораблей наносятся краски днища.

может уменьшить загрязнение во многих системах, главным образом, препятствуя этапам кристаллизации, или консолидации процесса загрязнения. Примеры водных систем: хелатирующие агенты (например, EDTA ), длинноцепочечные алифатические амины или полиамины (например, геламин и другие «пленкообразующие» амины), органические фосфоновые кислоты (например, этидроновая кислота ) или полиэлектролиты (например, полиакриловая кислота, полиметакриловая кислота, обычно с молекулярной массой ниже 10000). В топочных котлах добавки алюминия или магния могут снизить температуру плавления и зарождения, которые легче удалить. См. Также технологические химикаты.

Магнитная очистка воды с 1950-х годов была предметом споров относительно ее эффективности для контроля загрязнения. Преобладает мнение, что это просто «не работает». Некоторые исследования показывают, что при определенных условиях это может быть эффективным для уменьшения накопления карбоната кальция.

На уровне проектирования компонентов загрязнение часто (но не всегда) можно минимизировать, поддерживая относительно высокий (например, 2 м / с) и равномерной скоростью жидкости по всему компоненту. Необходимо устранить застойные регионы. Компоненты обычно имеют избыточную конструкцию, чтобы избежать загрязнения, ожидаемого между чистками. Однако чрезмерное превышение конструкции может быть ошибкой, поскольку может привести к усилению загрязнения из-за пониженных скоростей. Периодические импульсы давления на линии или обратный поток могут быть эффективными, если возможности учтены во время проектирования. Продувка всегда находится в парогенераторах или испарителях для контроля накопления нелетучих примесей, которые вызывают или усугубляют загрязнения. Слабообрастающие поверхности (например, очень гладкие, имплантированные ионами или с низкой поверхностной энергией, такие как тефлон ) имеют оказанные для некоторых применений. Современные компоненты, как правило, должны быть спроектированы таким образом, чтобы упростить проверку внутренних устройств и периодическую очистку. Системы мониторинга разработки разработаны для некоторых применений, так что продувка или очистка может быть применены до того, как возникнет необходимость в непредсказуемой остановке или вызове системы.

Процессы химической или механической очистки для удаления отложений и накипи рекомендуются, когда загрязнение достигает точки, влияющей на характеристики системы, когда начинается самое ухудшение характеристик, вызванное загрязнением (например, из-за коррозии). Эти процессы включают травление кислот и комплексообразователями, очистку высокоскоростными водяными струями («водная струя»), рециркуляция («струйная очистка») металлическими, губчатыми или другими шариками, или использование автономных механических очистителей. труб "пулевого типа". В то время как химическая очистка вызывает экологические проблемы из-за обращения с химическими веществами, их применения, хранения и утилизации, механическая очистка с помощью циркулирующих чистящих шариков или автономной очистки «пулевого типа» может быть экологически чистой альтернативой. В некоторых приложениях теплопередачи механическое смягчение с помощью динамических скребковых теплообменников является опцией. Также для многих применений доступны ультразвуковые или абразивные методы очистки.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-20 12:36:08
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте