3.1. Термические сопротивления теплообменных поверхностей нагрева котлов модульных котельных систем децентрализованного теплоснабжения
Модульные котельные малой теплопроизводительности при всех их достоинствах имеют и существенный недостаток: отсутствие надежной химводоочистки. В основном применяется магнитная обработка воды, умягчение комплексонами.
В первом случае соли жесткости находятся в "связанном" виде, и через некоторое время их агрессивность по отношению к поверхностям нагрева восстанавливается. Второй способ умягчения очень дорогостоящий и не достаточно изучен, чтобы судить об его надежности /20/.В зависимости от состава сетевой воды и примененной химводоочистки различают следующие виды отложений на поверхностях нагрева:
силикатная, с повышенным содержанием в своей структуре кремния, труднорастворимая плотная накипь;
сульфатная, с содержанием сернокислого кальция более 50%, рыхлая, легко удаляемая;
карбонатная, состоящая из углекислого кальция и магния, которая легко удаляется;
смешанная, объединяющая выше перечисленные отложения.
В водогрейных котлах температура воды не очень высока, поэтому выпадение солей жесткости в осадок происходит медленнее из-за понижения
растворимости солей с повышением температуры по сравнению с паровыми котлами.
Следует отметить, что при остаточной карбонатной жесткости Жк<2 мг-
экв/л накипь не образуется, при 2 мг-экв/л <ЖК<4 мг-экв/л - на поверхностях теплообмена образуется пленка отложений, а при 4 мг- экв/л <ЖК< 7 мг-экв/л наблюдаются наибольшие отложения солей жесткости.
Даже при наличии остаточных солей жесткости (Жк<0,3 мг-экв/л) в водогрейных котлах малой теплопроизводительности наблюдается накипный режиму работы теплообменных поверхностей, на которых откладываются отложения. Их удаление с внутренних стенок котлов связано с большими трудностями, так как в газотрубных и жаротрубных котлах малой теплопроизводительности, которые получили наибольшее внедрение в системах децентрализованного теплоснабжения, ограничен доступ в кольцевые плоские каналы, представляющие собой теплообменные поверхности.
Прогнозирование роста отложений на теплообменных поверхностях нагрева котлов позволит контролировать режимы работы и своевременно проводить их химическую очистку /5, 18, 21, 35/.
Анализ отложений показывает, что наиболее существенными отложениями являются карбонат кальция, а также бикарбонаты кальция и магния.
Термические сопротивления слоя отложений на теплообменных поверхностях нагрева котлов асимптотически растут до предельных значений.
Наиболее пригодной зависимостью для аппроксимации роста термических сопротивлений R чистых труб до асимптотических значений R является зависимость Керна /35/:
где В-эмпирический коэффициент, t-время.
Раскрывая условие (1) с учетом теплофизических параметров сред и отложений и учитывая асимптотический переход, получим в результате несложных преобразований уравнение относительно R :
а
Приближенный корень уравнения (3.2) равен:
(чистые трубы), на входе и выходе из трубы, стенки в начальный момент, G- массовый расход, кг/с, Ср- теплоемкость жидкости, кДж/(кг К), F-площадь внутренней поверхности трубы
Раскрывая зависимость (3.3), при условии асимптотического роста термических сопротивлений стенок, включая и отложения на теплообменных поверхностях, получим:
где t- время, В - эмпирический коэффициент, зависящий от структуры отложений и способа умягчения воды.
В работе /84/ показано, что для отложений солей карбонатной жесткости и скорости воды в трубах V< 1 м/с при наличии химводоочистки (ХВО)
эмпирический коэффициент 5=13,21*10 6. В модульных котельных, как правило, отсутствует ХВО, а применяется очистка воды в результате магнитной обработки или с помощью комплексонов. При магнитной обработке воды соли жесткости только "связываются" при наличии магнитного поля, а при нагреве, когда действие магнитного поля ослабевает, могут откладываться на стенках в виде отложений. При использовании комплексонов химические реактивы уносятся вместе с сетевой водой, теряются через неплотности сетевых трубопроводов.
Поэтому, необходимо их добавлять вместе с подпиточной водой, что увеличивает себестоимость вырабатываемой тепловой энергии. Кроме того, не достаточно изучено последействие комплексонов, их эффективность, так как сведения о них крайне скудны.В результате экспериментов был уточнен коэффициент В, который в опытах
составил - В=1,29.10"6. Зависимость (3.5) позволяет определить асимптотическое термическое сопротивление как функцию времени, расхода сетевой воды, ее скорости и температур в котлах модульных котельных. Полученное уравнение с учетом опытного коэффициента В позволяет проводить
прогнозные оценки по определению времени, при достижении которого необходимо останавливать котел для очистки поверхностей нагрева от отложений.
Толщина отложений определялась замером толщины стенки трубы в различных сечениях, а данные усреднялись. Данные представлены в табл.3.1.
Таблица 3.1.
Определение погрешности измерений и количества измерений Номер опыта Выборка (ХВО-катионирование) Выборка (ХВО-магнитная обработка) Д ,мм (д-аУ д,мм (А-Д)2 1 1,96 0,000034 5,950 0,000396 2 1,75 0,000718 5,845 0,007242 3 2,14 0,000149 5,789 0,01991 4 2,23 0,000449 5,911 0,0003648 5 1,86 0,000250 5,807 0,01515 6 1,82 0,000392 5,835 0,009044 7 1,97 0,000023 5,788 0,020192 8 2,17 0,000408 6,075 0,020996 9 2,22 0,000408 5,886 0,001945 10 2,34 0,001037 5,918 0,0001464 11 2,15 0,000174 6,106 0,03094 12 2,07 0,000027 6,079 0,02217 13 2,01 0,000001 5,790 0,01963 14 1,99 0,000008 5,828 0,010424 15 1,89 0,000164 6,205 0,07557 16 2,04 0,000005 5,871 0,003493 17 2,11 0,000085 6,207 0,07667 18 2,02 0,0000005 6,095 0,027192 19 1,84 0,000317 5,764 0,02759 20 1,78 0,000566 5,853 0,005944 20
5>= 40,430 20
1(А-Д)2/= 0,507405 20
2*=
м
118,602 го
0,3988284 Д =2,0215 Л =5,9301
Методика осреднения следующая /76/. Определялся геометрический размер внутреннего диаметра трубы или толщины плоской стенки по периметру при фиксированном времени работы котла. Одна выборка экспериментальных данных включала 20 замеров.
Исследовались 10 сечений, то есть 10 выборок. Стандартное отклонение определялось по формулегде N=20* 10 - количество опытов, Aj - измеренная толщина отложений, равная разности диаметров трубы до и после опытов, либо разности толщин плоской стенки, Д - средняя толщина отложений. Стандартное отклонение (5* =0,145 мм — для отложений с ХВО, и S =0,163мм — магнитная обработка воды.
Средняя ошибка наблюдений определялась по формуле:
Для условий опыта д = 0,0364 - магнитная обработка воды, S =0,0324 - ХВО-катионирование.
Точность опытов рассчитывается по формуле
P=60/a/N: (3.8)
Точность замеров лежит в пределах доверительного интервала 0,95.
Расчеты и опытные наблюдения за поверхностями нагрева котла "Хопер- 100Э" теплопроизводительностью 100 кВт, работающему по графику 95/70°С при расходе сетевой воды G=3,5 т/ч, показали, что за 1 год (4776 ч) его работы отложения на поверхностях нагрева составили 2,0 мм при остаточной жесткости воды 0,15 мг-экв/л, а при магнитной обработке воды (жесткость 6,5 мг-экв/л - 5,7 мм) толщина отложений равна 5-6 мм.
На рис. 3.1 представлена зависимость роста отложений на поверхностях нагрева котла "Хопер-ЮОЭ " от времени эксплуатации котла /35/. Котел работал два отопительного сезона (1 отопительный сезон: 1 год t=4776 ч - для г. Воронежа),
Рис.3.1. Зависимость толщины отложений на поверхностях нагрева котла "Хопер-100Э от времени его работы; Д- при магнитной обработке воды; х - при умягчении воды ХВО-катионирование
Из опытов следует, что для водогрейных котлов малой теплопроизводительности для модульных котельных магнитная обработка воды мало эффективна
при остаточной карбонатной жесткости воды Жк>5 мг-экв/л, так как за 2 отопительных сезона толщина отложений составила около 6 мм.
Можно сделать вывод, что через 0,5 отопительного сезона (время работы около 2700 часов) котлы предпочтительно очищать от отложений при повышенной карбонатной жесткости. При наличии ХВО-катионировании, либо при применении комплексонов для умягчения воды достаточно очищать стенки от отложений в межсезонье отопительных периодов во время проведения ремонтных работ.Коэффициент теплопроводности накипных отложений на стенках равен 1,75 Вт/(м«К). Коэффициент теплопроводности отложений в 20 раз меньше, нежели для стенок труб.
Таким образом, в результате проведенных исследований получено, что теплообменные поверхности котлов нуждаются в очистке.
При транспорте сетевой воды в трубопроводах на них также откладываются соли жесткости, влияющие положительно на теплопотери в сетях, которые необходимо учитывать при определении термических сопротивлений стенок. В сетевых подогревателях отрицательное влияние на теплообмен в сетевых подогревателях оказывают отложения. Поэтому необходимо также прогнозировать рост их толщины на стенках труб, чтобы осуществлять их очистку.
С этой целью разработана математическая модель, позволяющая получить расчетные зависимости для определения теплопотерь в тепловых сетях, а также прогнозировать их асимптотический рост от времени.
Кроме влияния на теплообмен, отложения в сильной степени способствуют коррозионному их разрушению.