Определение интенсивности накипеобразования

Отложения, образующиеся на поверхностях нагрева водогрейного оборудования, относятся к классу низкотемпературных. Основным компонентом таких отложений является карбонат кальция. В зависимости от химического состава исходной воды и конкретных условий работы оборудования в отложениях могут присутствовать окислы железа, сульфат кальция, силикаты и другие компоненты.

При нагревании воды с повышенным содержанием сульфатов и кальция, особенно при возникновении такого нарушения в работе котла, как появление пристенного кипения, образуются высокотемпературные сульфатно-кальциевые или карбонатно-сульфатные накипи. Отложения, содержащие сульфат и силикат кальция, характеризуются большой твердостью и плотностью и крепко пристают к стенкам поверхности нагрева.

Наличие отложений снижает коэффициент теплопередачи, увеличивает сопротивление тракта и уменьшает экономичность и надежность работы теплоэнергетического оборудования. Вследствие образования накипи увеличивается расход топлива. Его величина изменяется в зависимости от ее толщины. Так, при увеличении толщины накипи с 0,3-0,4 до 6-7 мм расход топлива возрастает с 1-3 до 8-10%.

В практике эксплуатации водогрейного оборудования важно иметь данные не только о возможности появления твердой фазы, но и о скорости роста слоя накипи, а также оценивать толщину слоя отложений.

Надежным количественным критерием процесса накипеобразования и оценки накипеобразующих свойств нагреваемой воды может служить только конкретное значение интенсивности образования отложений в реальных условиях эксплуатации каждого вида водогрейного оборудования.

а) Основными факторами, непосредственно определяющими интенсивность карбонатного накипеобразования при нагревании воды в трубчатых теплообменниках, являются химический состав и температура нагреваемой воды. Тепловая нагрузка, характерная для поверхностей нагрева теплообменника, непосредственно не влияет на интенсивность накипеобразования. Косвенное ее влияние проявляется только, когда увеличение теплонапряженности поверхности сопровождается ростом ее температуры настолько, что происходит повышение температуры нагреваемой воды, а это вызывает увеличение разложения карбоната кальция – процесс, лежащий в основе карбонатного накипеобразования. Для условий нагрева воды в сетевых подогревателях (продолжительность нагрева 1-3 секунды) при расчете интенсивности карбонатного накипеобразования ( ) в граммах на квадратный метр в час может быть использована следующая формула:

,

где Ж_к – карбонатная жесткость воды, мг-экв/дм³; t – температура воды, °С.

б) Нормальная эксплуатация водогрейных котлов во многом определяется топочным режимом, при этом интенсивность накипеобразования в обогреваемых участках труб котла оказывается на один или два порядка выше, чем в необогреваемых. Однако при прочих равных условиях интенсивность образования карбонатных отложений определяется средней температурой среды и временем пребывания воды на обогреваемом участке. Интенсивность отложений карбоната кальция зависит также от карбонатной жесткости воды.

1) Для условий работы водогрейных котлов (продолжительность нагрева 40-60 секунд) интенсивность образования отложений в граммах на квадратный метр в час может быть определена по формуле:

Соединения магния не участвуют в процессе накипеобразования при нагревании однофазной среды.

2) Повышение концентрации ионов кальция вследствие некарбонатной жесткости воды приводит к интенсификации процесса выделения из растворов карбоната кальция. В случае, когда в подпиточной воде тепловых сетей некарбонатная жесткость превышает 1,5 мг-экв/л, интенсивность карбонатного накипеобразования в водогрейных котлах можно оценивать по формуле:

,

где Ж_Са – кальциевая жесткость воды, мг-экв/дм³.

3) Для практических расчетов удобнее пользоваться зависимостью интенсивности образования карбонатных отложений в котлах от суммарной (карбонатной и некарбонатной) кальциевой жесткости воды при заданной температуре:

,

, ,

,

В целях предотвращения образования карбонатной накипи рекомендуется ограничивать значение карбонатной жесткости нагреваемой воды, особенно концентрацию ионов кальция.

Предотвращение образования отложений в водогрейных котлах достигается с помощью правильной водоподготовки, противонакипной и противокоррозионной обработки подпиточной воды.

в) Определяющим показателем при эксплуатации водогрейного оборудования является предельно допустимая интенсивность карбонатных отложений. Предельно допустимую интенсивность накипеобразования ( )в граммах на квадратный метр в час можно определить по формуле:

,

где ρ_отл. – плотность отложений, г/м³; _отл. – теплопроводность отложений, Вт/(м ^. ˚С); τ –продолжительность работы оборудования, ч; Dt_{доп. –} разность между допустимой температурой стенки трубы и температурой воды, °С; q – плотность теплового потока поверхности нагрева, Вт/м²; – толщина стенки трубы, м; _ст. – теплопроводность материала трубы, Вт/(м ^. °С); α – коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде, Вт/(м^{2 .} °С).

Необходимые для расчета теплофизические характеристики теплофикационного оборудования приведены в таблице 5.

Таблица 5

Параметр	Сетевые подогреватели	Водогрейные котлы (пиковый режим)	Водогрейные котлы (основной режим)
q, Вт/м2
Dtдоп., °С
α ,Вт/(м2 . °С)
ст., Вт/(м . °С)	81*/23
отл., Вт/(м . °С)	0,86	0,86	0,86
, м	1∙10-3	3∙10-3	3∙10-3
ρотл , г/м3	2∙106	2∙106	2∙106
τ, ч

* - теплопроводность латунной трубы.

г) Сравнивая полученную расчетом интенсивность образования отложений с предельно допустимой величиной , делают вывод о соответствии качества воды (для обеспечения оптимального водного режима).

> или ≤

В целях предотвращения образования карбонатной накипи рекомендуется ограничить значения карбонатной и кальциевой жесткости воды в подпиточной и сетевой воде тепловых сетей. Предельно допустимые значения карбонатной жесткости и концентрации ионов кальция получают, подставляя предельно допустимую величину интенсивности образования отложений в расчетные формулы (см. а, б)

Расчетное значение загрязненности поверхностей нагрева (Q) в граммах на квадратный метр за отопительный период определяют умножением интенсивности образования отложений на продолжительность эксплуатации оборудования:

Q = V_отл.∙ τ

По величине расчетной загрязненности можно ориентировочно определить толщину отложений и прогнозировать необходимость химической очистки. Химическая очистка водогрейных котлов требуется при загрязненности внутренних поверхностей нагрева равной 1000 г/м². Толщину слоя отложений в миллиметрах рассчитывают по формуле:

= Q ^. 10 ³ / ρ_отл .