Бытует мнение, что чем больше диаметр трубы, применяемой в изготовлении поверхностей нагрева котла, тем больше срок ее эксплуатации, и тем меньше эти самые поверхности нагрева подвержены негативному влиянию отложений накипи на стенках труб. И поэтому они осознано идут на приобретение более металлоемких, больших по габаритным размерам, дорогих и менее эффективных по теплообмену котлов, рассчитывая тем самым сэкономить на водоподготовительном оборудовании, считая, что затраты на покупку и эксплуатацию водоподготовительного оборудования выше затрат на топливо.
Очевидно, что напряженность работы поверхностей нагрева котла, следовательно, и их срок службы, зависит от толщины отложений накипи и от скорости их образования, и никак не зависит от остаточного проходного сечения трубы (многие считают, чем больше диаметр трубы, тем дольше она зарастает накипью, при этом сохраняя достаточный проход для протока воды). Даже небольшое отложение накипи ухудшает теплообмен, приводит к напряженной работе металла труб и чревато возможным выходом из строя котла.
Накипь на стенках труб это выпавший при кипении воды твердый осадок кальциевых соединений. Причиной отложения накипи на стенках труб служит пристеночное кипение воды в трубах, которое возможно, как и застойных зонах, так и при движении воды в трубах.
Давайте начнем рассмотрение механизма образования отложений накипи с бытового примера. Многие из нас сталкивались с отложением накипи на поверхности нагрева чайника либо кипятильника при использовании обычной водопроводной воды, и интенсивным отложением накипи при использовании воды с высокой жесткостью. Это пример может рассматриваться как аналог образования накипи в застойных зонах. Но также отложение накипи может происходить и при движении воды. Что бы понять причины данного процесса и оценить технические решения по снижению интенсивности образования накипи безреагентным способом (невозможно полностью исключить возможность образования накипи безреагентным способом), реализованные в разных конструкциях котлов, рассмотрим режимы течения жидкости.
Для каждой конкретной установки существует некоторый диапазон "критических" значений числа Re, при которых происходит переход от одного режима к другому (переходная область). Нижний предел критического числа Re для трубы круглого сечения составляет около 2300. Верхний предел числа Re зависит от условий входа в трубу, состояния поверхности стенок и т. д.
При движении реальной (вязкой) жидкости слой, непосредственно прилегающий к твердой поверхности, прилипает к ней. Вблизи твердой поверхности устанавливается переменная по сечению скорость, возрастающая от нуля на этой поверхности до скорости w невозмущенного потока.
Эту область переменной по сечению скорости называют пограничным, или пристеночным слоем.
При движении потока в прямых трубах различают начальный участок течения и участок стабилизированного течения.
Начальный участок - участок трубы, в котором равномерный профиль скорости, соответствующий сечению на входе через плавный коллектор, постепенно переходит в нормальный профиль стабилизированного течения.
При ламинарном режиме стабилизированный профиль скорости устанавливается по параболическому закону, а при турбулентном режиме - приближенно по логарифмическому или степенному закону (Идельчик И. Е. "Справочник по гидравлическим сопротивлениям").
При турбулентном режиме область с пониженными скоростями меньше чем при ламинарном режиме. Следовательно, вероятность пристеночного кипения меньше, число Re прямо - пропорционально скорости жидкости и внутреннему диаметру трубы. Следовательно, чтобы добиться турбулентного режима движения жидкости в трубе большего диаметра с сохранением скорости движения, необходимо увеличить расход жидкости.
Рассмотрим варианты конструкторских решений по созданию турбулентного режима движения воды в экранной поверхности нагрева котла одной мощности (одинаковый расход воды через котел). При условии, что размер экранной поверхности уже определен, необходимо выбрать гидравлическую схему потока воды: определить диаметр труб, число труб, число ходов воды в поверхности. Для достижения одного и того же значения числа Re при заданном расходе воды, при наборе экранной поверхности из труб большого диаметра придется увеличивать число последовательных ходов, перебросов между ходами, с меньшим числом труб в одном ходе - это увеличит общую длину водяного тракта и число местных сопротивлений, и в итоге приведет к увеличению гидравлического сопротивления. Напротив же, применение трубы меньшего диаметра позволит, увеличив число параллельных труб в одном ходе, сократить число последовательных ходов, перебросов между ходами, суммарную длину водяного тракта и позволит уменьшить гидравлическое сопротивление.
При расходе воды через панель 32м3/ч (расход воды через котел мощностью 0,8 Гкал/ч) для обеспечения скорости порядка 1 м/с в трубах (скорость обеспечивающая минимальное накипеобразование), в панели рассчитаем количество труб и ходов и определим гидравлическое сопротивление, используя, при этом следующие формулы:
Диаметр труб определяется по условиям:
- размер панели;
- минимальное сопротивление при скорости воды в трубах близкой к оптимальной по условиям защиты от образования накипи и сохранения гидравлического сопротивления в пределах заданного нормативными документами (ТУ на данный вид продукции) и приемлемым по условиям эксплуатации.
Шаг труб межосевое расстояние между трубами в панели, задается из условий:
- размеры панели – ширина панели 1,5 м;
- расстояние между кромками труб по условиям возможности наложения сварного шва и ослабления стенки коллектора продольным рядом отверстий под установку труб.
Число ходов и труб в ходе определяется из условий:
- размеры панели ширина панели 1,5 м;
- скорость в трубе близкая 1 м/с, по условиям защиты от образования накипи и сохранения гидравлического сопротивления в пределах заданного нормативными документами (ТУ на данный вид продукции) и приемлемым по условиям эксплуатации;
- шаг труб.
Гидравлическое сопротивление: Ги, Па, где: плотность воды, кг/м3 скорость движения воды в трубе, м/с - коэффициент сопротивления.
Для показательности мы включили в пример трубу Ø159x5. По данным таблицы 1. видно, что такая панель обладает наименьшим сопротивлением, но при этом скорость критически мала. В панели такого типа будет наблюдаться пристеночное кипение, и как следствие будет интенсивно образовываться накипь.
Подводя итог, можно смело сказать, что применение труб меньшего диаметра более оправдано с точки зрения интенсивности теплообмена и механизма образования отложений накипи, с попутным сокращением затрат на металл и эксплуатационных затрат на преодоление гидравлического сопротивления котла, и как следствие сокращение затрат на электроэнергию.
При отсутствии водоподготовки, можно снизить интенсивность образования накипи, увеличивая скорость движения воды по поверхностям нагрева, увеличивая расход воды через котел. Это предусматривается конструктивными характеристиками котла при проектировании, но определяющее значение имеет насосное оборудование, обеспечивающее номинальный расход воды через котел во время его эксплуатации. Соответствие расхода воды через котел его паспортным характеристикам обеспечивает отсутствие застойных зон и минимизирует отложение накипи. Наличие грязевого фильтра и частые продувки через дренажные и воздушные штуцера также позволяет снизить интенсивность образования накипи.
Взвешенный шлам, грязь и пузырьки воздуха являются концентраторами накипеобразования, так как при контакте их с поверхностью труб снижается интенсивность теплообмена и увеличивается температура стенки, а при дальнейшем их движении и освобождении занятого участка трубы приводит к интенсивному нагреву воды с возможным вскипанием. К мероприятиям по снижению интенсивности коррозии поверхностей нагрева котлов можно отнести и предварительный подогрев воды с последующим деаэрированием (удалением воздуха). Так как при нагреве воды выделяется растворенный кислород. Следует помнить, что все перечисленные мероприятия и способы позволяют снизить интенсивность образования накипи, но не исключают на 100%, и при высокой жесткости воды являются малодейственными. Не стоит экономить на качестве воды, так как водоподготовка позволит вам увеличить срок службы котла и тепловых сетей, сохраняя на протяжении всего срока высокий КПД и позволяя экономить топливо.
