Научные принципы диагностирования и разработка методов снижения интенсивности образования отложений в теплообменном оборудовании тепловых и атомных электростанций

В настоящее время в большинстве стран мира в основу выработки электроэнергии положен принцип паросилового цикла. Так в бывшем СССР, в 80-ые годы на тепловых станциях вырабатывалось до 75% всего количества электроэнергии, а в США до 70−73% [1,2]. Широкое использование тепловой энергетики чаще всего обосновывается географическим положением стран, необходимостью отопления, а также хорошо отработанными технологиями преобразования тепловой энергии в электрическую. До настоящего времени тепловая энергетика (ТЭС и АЭС) позволяют получить наиболее дешевую электроэнергию.

Теплообменные процессы являются неотъемлемой частью технологических процессов тепловой энергетики. Теплопередача в поверхностных теплообменниках часто происходит между средами не только с различными технологическими параметрами, но имеющих различное качество по составу. Как правило, общим холодным источником термодинамического цикла тепловой станции является окружающая среда и активно контактирующие с ней водные объемы: естественные (реки, озера, моря) и искусственные (пруды-охладители, брызгательные бассейны, градирни) (табл.В.1, В.2).

Таблица В.1.

Требования к химическому составу технической воды для энергоблоков с реактором ВВЭР-1000.

Значение РН 6,5 — 8,5.

Жесткость: общая карбонатная 5−7 мг-экв/л карбонатная 1,5 — 2,5 мг-экв/л.

Хлориды, не более 150 мг/л.

Сульфаты, не более 400 мг/л.

Нитраты, не более 10 мг/л.

Фосфаты, не более 2 мг/л.

Окисляемость, не более 20 мг/л.

Взвешенные вещества, не более 50 мг/л.

Общее солесодержание, не более 800 мг/л.

Непосредственный контакт с окружающей средой не позволяет использовать в этих системах воду необходимой чистоты, а с экслсгиче^кой точки зрения невозможно производить химическую обработку этих вод. Поэтому на технологические нужды приходится использовать воду природного качества, содержащую в себе взвешенные вещества, растворенные соли, живые микроорганизмы, способные загрязнять теплообменную поверхность отложениями и тем самым снижать ее эффективность за счет уменьшения коэффициента теплопередачи.

Таблица В.2.

АЭС в Европейской части бывшего СССР.

Название АЭС Река, водоем, система охРайон, город Реактор п/п лаждения.

Россия.

1. Волгодонская АЭС р. Дон, пруд, Цимлянское водохр. г. Волгодонск ВВЭР-1000.

2. Нововоронежская АЭС р. Дон, пруд, градирни г. Нововоронеж ВВЭР-440 ВВЭР-1000.

3. Балаковская АЭС р. Волга, Саратовское водохр г. Балаково ВВЭР-1000.

4. Курская АЭС Р-Дон г. Курчатов РБМК-1000.

5. Смоленская АЭС р. Десна г. Десногорск РБМК-1000.

6. Ленинградская АЭС Балтийское море г. Сосновый бор РБМК-1000.

7. Калининская АЭС оз. Удомля, оз. Песьво г. Удомля ВВЭР-1000.

8. Кольская АЭС р. Имантра п. Полярные зори ВВЭР-440.

9. Белоярская АЭС р. Пышма пос. Заречный БН-600.

Украина.

10. Ровенская АЭС р. Стырь, градирни г. Кузнецовск ВВЭР-1000.

И. Южно-Укранская АЭС р. Днепр г. Константиновка ВВЭР-1000.

12. Запорожская АЭС р. Днепр, Каховское водохр г. Энергодар ВВЭР-1000.

13. Хмельницкая АЭС р. Горынь г. Славута ВВЭР-1000.

Казахстан.

14. Шевченковская АЭС Каспийское море г. Шевченко БН-350.

Литва.

15. Игналинская АЭС оз. Дрисвяты (Друкшаи) г. Снечкус РБМК-1500.

Армения.

16. Армянская АЭС градирни Армения ВВЭР-440.

В сложившихся условиях снижение скорости образования отложений возможно только путем воздействия на процесс их формирования. При этом с экологической точки зрения в воде не должны обнаруживаться существенные физические и химические изменения. Однако, до настоящего времени из-за многообразия процессов формирования отложений, общего механизма не разработано. Поэтому эффективное воздействие на процесс образования отложений и прогнозирование снижения коэффициента теплопередачи оборудования невозможно.

Состояние проблемы, изученность процессов и механизмов образования отложений представлено на рис.В. 1 в виде матрицы Эпстейна [2]. Типы загрязнений.

Процессы Растворение 1 1 i Ш.

Доставка I.

Прикр епление i i i.

Удаление iчХ /Ч/V 3.

Старение.

Рис.В. 1 Матрица Эпстейна: 1-данные о процессе имеются- 2-единичные публикации- 3 — данные отсутствуют.

Отложения на теплообменных поверхностях, даже при небольшой толщине (5=0,2- 1,0мм), приводят к существенному снижению коэффициента теплопередачи (до 30−60%). Это вызвано тем, что они имеют очень малые значения коэффициента теплопроводности (0,2−1,5) Вт/(м К), в сравнении с теплопроводностью материала теплообменных. труб (А, = 20−100 Вт/(м К). Причем, падение до 30% при работе в различных системах технического водоснабжения может происходить, например, на морской воде за первые 1040 часов или, внутри континентальных водоемов, за 60−200 часов. При этом скорость роста отложений из пресной воды может достигать от 0,5 до 3,0 мм/год.

Образование отложений на теплообменных поверхностях конденсаторов турбин влечет за собой снижение КПД, в результате чего в энергетике США имеет место недовыработка электроэнергии на сумму 1,36 млрд дол. в год. Экономический расчет по России в тарифах начала 21-го века показывает, что при средней скорости роста отложений 0,6 мм/год энергоблок электрической мощностью 1 ООО МВт за счет отложений теряет до 4% КПД за год, что составляет потери в виде недовыработанной электроэнергии на сумму 175 млн руб. или 175 руб. на 1 кВт установленной мощности. В целом же по тепловой энергетике страны потери составляют величину около 30 млрд руб. в год.

Несмотря на это, многими специалистами проблема признается не решаемой в комплексе всех процессов. Для каждой системы охлаждения предполагается уникальность процессов загрязнения. Лабораторные исследования часто сводятся к получению частных зависимостей, причем на столько упрощенных, что результаты их не могут быть адекватно использованы в те-плообменном оборудовании промышленного масштаба. В результате, в настоящее время практически отсутствуют какие-либо хотя бы приближенные рекомендации по прогнозированию отложений.

Основные параметры теплообменного оборудования, широко используемого в системах технического водоснабжения, представлены в табл.В.3.

Эффективность методов предотвращения образования отложений, используемых при работе теплообменного оборудования во многих случаях незначительна. Часто это наблюдается из-за неправильного выбора методов или режимов. В результате скорость образования отложений снижается лишь на 10−30%.

Методы очистки теплообменных поверхностей, используемые на практике примитивны, трудоемки и часто сводятся к обычной механической очистке. Для этих целей используют синтетические щетки, высоконапорные установки типа «Хаммельман» и «Вома». Методы шарикоочистки начали внедряться еще в конце 70-х годов (20-го века). Однако из-за плохо отработанных технологий не получили широкого применения.

При существующей безвыходной ситуации службы эксплуатации иногда вынуждены прибегать к наиболее простой, но рискованной операциикислотной отмывке, Однако этот способ очистки (отмывки) за счет коррозии основного металла теплообменной поверхности существенно снижает общий ресурс работы оборудования.

Таблица В.З.

Параметры теплообменников систем техводы.

Матер, т/о ТеплоТрубки т/о Удель. СкороТемпеДав.

Режим поверхвая поверхтепл. сти воды рат.воление.

Аппарат работы ность мощность поток, в трубды на тех. ность, 0×8, мм кВт/м2 ках, м/с выходе, воды,.

МВт °С МПа.

Конденсаторы турбин.

К-10 120 непрер. МНЖ-5 250 028×1,5 24,7 2,26 20,4 0,2.

К-45 600 непрер. МНЖ-5 747 028×1,0 16,4 1,3 28,8 0,2.

К-16 100 непрер. МНЖ-5 375 028×1,0 23,3 1,9 25,5 0,2.

Теплообменники АЭС с В ВЭР-1000.

Теплообменник аварийного расхолаживания.

1 800 прерыв. 08Х18Н10Т 175 25×1,4 186,7 2,29 70,0 0,5.

Охладитель гидропяты ГЦН 0325 непрер. 08Х18Н10Т 2 16×1,0 87,9 1,047 43,2 3,06.

Доохладитель питательном воды ПГ 0325 1 200 непрер. непрер. 08Х18Н10Т 08Х18Н1Т 3 33 16×1,0 18×1,0 148,3 103,6 1,54 2,73 46,6 50,0 2,45 0,6.

Технологический конденсатор 1 800-ТК прерыв. 08Х18Н10Т 93 25×1,4 186,5 2,65 59,5 0,4.

Подогреватель сырой воды непрер. Л0−70 6 19×1,0 30,0 0,6 40,0 1,0.

Для морской воды 1 400−02 1 400−03 непрер. непрер. 08Х18Н10Т 08Х18Н10Т 87 87 25×1,4 25×1,4 89,1 59,4 0,6 1,2 70,0 70,0 0,69 0,69.

При существующей ситуации службы эксплуатации иногда вынуждены прибегать к наиболее простой, но рискованной операции — кислотной отмывке, Однако этот способ очистки (отмывки) за счет коррозии основного металла теплообменной поверхности существенно снижает общий ресурс работы оборудования.

Экономический эффект от внедрения рекомендаций, способов, устройств, способствующих снижению скорости образования отложений в оборудовании систем технической воды на 10, 20, 30%, может составить в целом по тепловой энергетике страны соответственно 3, 6, 9 млрд руб. в год.

Обзорный материал, приведенный выше подчеркивает актуальность научных исследовавший, в результате которых могут быть получены принципиально новые сведения о свойствах отложений, о характере их распределения на теплообменных поверхностях различной формы, о влиянии режимов работы теплообменного оборудования и качества воды на интенсивность образования отложений. Общие представления о механизме и свойствах позволят правильно выбирать методы воздействия на процесс, оптимизировать способы разрушения отложений.

Целью научной работы являетсяповышение эффективности и надежности работы ТЭС и АЭС путем разработки теоретических положений механизма образования отложений, принципов диагностирования и методов борьбы с образованием отложений в теплообменном оборудовании.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

— установить закономерности влияния природных и технологических параметров на механизм образования отложений в различных охлаждающих системах ТЭС и АЭС;

— на основании анализа теоретических и экспериментальных исследований оценить уровень влияния динамики процессов кристаллизации солей на образование дисперсной фазы в потоке охлаждающей воды в оборудовании ТЭС и АЭС;

— установить взаимосвязи между структурными особенностями и теплофизическими свойствами отложений, образованных на различных т. е.

11 плообменных материалах в различных системах технического водоснабжения ТЭС и АЭС;

— на основе регрессионного анализа эксплуатационных и экспериментальных данных разработать эмпирическую модель процесса образования отложений;

— установить взаимосвязи между электростатическими зарядами дисперсных частиц в потоке воды, электродным потенциалом поверхности теплообмена и интенсивностью образования отложений;

— создать математическую модель процесса образования отложений и: подвергнуть ее проверке на адекватность эксплуатационным и экспериментальным результатам;

— на основании анализа существующих методов борьбы с отложениями разработать новые, наиболее эффективные методы снижения скорости образования отложений.

Положения диссертации, выносимые на защиту и их научная новизна: 1. Впервые сформулированы основы теории формирования отложений на различных теплообменных поверхностях оборудования ТЭС и АЭС.

2. Эмпирическая модель процесса загрязнения, построенная на основании регрессивного анализа экспериментальных и эксплуатационных данных, которая в сравнении с существующими является более универсальной.

3. Математическая модель процесса образования отложений не имеющая аналогов.

4. Впервые произведена классификация факторов, влияющих на уровень энергии адгезии отложений к различным теплообменным материалам, используемым в оборудовании ТЭС и АЭС.

5. Закономерности воздействия поверхностных процессов и ионной активности теплообменной поверхности на уровень электродных потенциалов различных теплообменных материалов, на удельное количество отложений и уровень энергии адгезии.

6. Разработана оригинальная методика прогнозирования теплопроводности многокомпонентных структур отложений в оборудовании систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС.

8. Критерии выбора низкотеплопроводных диэлектрических материалов в качестве покрытий теплообменных поверхностей с целью снижения интенсивности процессов загрязнения и оценка степени влияния ряда факторов на формирование определенного уровня теплопроводности наполненных фторопластовых покрытий.

Степень достоверности результатов исследований подтверждается:

— применением современных, как оригинальных, так и стандартных, а также традиционных методов постановки, проведения и обработки результатов исследований;

— корректным использованием математического и экспериментального моделирования процессов;

— положительными результатами практического использования предложений и рекомендаций;

— идентичностью и сходимостью расчетных и экспериментальных данных (расхождение не превышает 20%).

Практическая значимость работы:

— разработаны эмпирическая и математическая модели процесса загрязнения теплообменных трубок оборудования систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС, позволяющие с точностью до 15−20% прогнозировать динамику загрязнения, планировать своевременные очистки с минимумом энергетических и экономических потерь;

— разработаны рекомендации по диагностированию толщины отложений образующихся в процессе эксплуатации оборудования ТЭС и АЭС;

— разработаны рекомендации по предотвращению срыва циркуляции и стремительному зарастанию теплообменных трубок при большом их количестве, включенных параллельно;

— предложены рекомендации по выбору на этапе проектирования материалов теплообменной поверхности, способствующие наименьшей скорости образования отложений;

— обоснована целесообразность использования на теплообменных поверхностях защитных полимерных покрытий, снижающих скорость образования отложений;

— разработаны рекомендации по технологии нанесения и составу наполненного фторопласта из условия наибольшего коэффициента теплопроводности покрытия и наименьшей адгезии отложений;

— предложен способ минимизации образования отложений в оборудовании ТЭС и АЭС, основанный на создании электростатического поля, направленного действия.

Реализация работы:

В период с 1984 по 1987 годы по заказу специализированного конструкторского бюро (СКБ) завода «Атоммаш», в рамках комплексных научно-технических программ Северо-Кавказского научного центра высшей школы «Атоммаш» и «Реактор» были выполнены ряд хоздоговорных работы по обоснованию возможности снижения диаметра теплообменных трубок в оборудовании АЭС, работающего в системе технического водоснабжения с морской водой. Результаты экспериментальных исследований были внедрены в виде рекомендаций по скорости образования отложений в трубах из стали типа 08Х18Н10Т.

В период с 1987 по 1989 годы по заказу ВНИИАМ (г.Москва) на базе Волгодонской ТЭЦ-2 выполнены комплексные исследования влияния конструктивных и технологических факторов на процесс загрязнения теплооб-менного оборудования ТЭС и АЭС. Внедренные рекомендации позволили осуществлять выбор конструктивных и технологических параметров проектируемого оборудования, обеспечивающих минимум образования отложений.

В период 1990 — 1997гг. на Волгодонской ТЭЦ-2 проведены комплексные исследования по оптимизации схемы включения и режимов работы сетевых подогревателей. Предложенные рекомендации повысили надежность работы и тепловые показатели ПСГ.

Результаты научных исследований использованы в учебных курсах для студентов энергетических специальностей по дисциплинам «Моделирование и проектирование энергоустановок», «Испытание и наладка энергоустановок» (указаны в перечне публикаций).

В выполненииотдельных разделов работы принимали участие сотрудники Волгодонского института ЮРГТУ (НПИ), специалисты завода «Атоммаш», Волгодонской ТЭЦ-2, ВФ ВНИИАМ, а так же аспиранты кафедры, руководимые соискателем. По тематике научных исследований защищена кандидатская диссертация.

Апробация работы. Отдельные результаты были защищены в кандидатской диссертации «Исследование процессов загрязнения теплообменных поверхностей в системах технической воды и разработка методов уменьшения термического сопротивления отложений» (г. Москва, ЭНИН, 1990 г.). Основные результаты по отдельным разделам докторской диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Теплоэнергетических технологий и оборудования» и на научно-практических конференциях ВИ ЮРГТУ (НПИ) ежегодно, с 1990 по 2002 гг., на 1 и 2 международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (г. Вологда, 1998, 2000 гг.), на международных научно-технических конференциях.

Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века" (г. Донецк, 1996, 1997,1998 гг.), на IV Сибирском семинаре (г. Новосибирск, 1997 г.), на Всероссийской конференции «Приоритетные направления развития энергетики на пороге XXI века и пути их решения» (г. Новочеркасск, 2000.), на международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Смоленск, 2001 г., г. Ростов-на-Дону, 2003 г.), на межрегиональной конференции (г. Новочеркасск, 2001), на научноно-практической конференции «Проблемы развития атомной энергетики на Дону» (г. Ростов-на-Дону, 2000 г.).

Личное участие автора в получении результатов.

Основные результаты диссертационной работы автором получены самостоятельно. Непосредственно автором выполнено следующее:

1. Разработано и сформировано научное направление (в том числе кафедры теплоэнергетических технологий и оборудования Волгодонского института ЮРГТУ (НПИ)) по изучению процессов накипеобразования, структур отложений и эффективных способов борьбы с ними.

2. Разработаны конструкции экспериментальных стендов по исследованию процессов загрязнения, в том числе полупромышленная установка на Волгодонской ТЭЦ-2.

3. Предложен метод обработки показаний штатных приборов тепловых и атомных станций с целью диагностирования толщины отложений, динамики их образования.

4. На основе собранного лично автором массива эксплуатационных данных по различным тепловым и атомным станциям разработана эмпирическая модель процесса загрязнения.

5. Разработан алгоритм построения математической модели процесса загрязнения. Проведен анализ результатов расчетных исследований.

6. Произведен анализ всех процессов, участвующих в механизме формирования отложений. Разработаны методы воздействия на эти процессы.

7. Организовал и непосредственно участвовал в подготовке и проведении экспериментальных и аналитических исследований представленных в диссертации.

8. Подготовил большинство публикаций по результатам работы, а также доклады и выступления на научно-технических конференциях и семинарах.

ВЫВОДЫ.

1. Из рассмотренных различных способов борьбы с загрязнением теп-лообменного оборудования тепловых и атомных электростанций не один из них не обладают 100% -ой эффективностью подавления образования отложений. У наиболее эффективных физических способов борьбы скорость образования отложений снижается до 30%.

2. Наиболее эффективным способом борьбы традиционно является механическая очистка, в частности широко используемая в настоящее время на АЭС система шарикоочистки. Она обеспечивает очистку оборудования, внутренних поверхностей теплообменных трубок без останова. Общеизвестными являются разработки фирмы Тапроге (Германия), хотя в этом направлении имеют место и отечественные разработки. В частности — опыт работы системы шарикоочистки на Курской АЭС.

3. Разрушение отложений за счет термического стресса, не смотря на кажущуюся простоту и наглядность метода, технологически реализовать не просто. Кроме этого у специалистов остаются сомнения относительно плотности заделки труб в трубные доски после такого рода стресса. Тем более, что в конденсаторах турбин заделка труб, как правило, осуществляется вальцовкой.

4. Обнаруженный и изученный автором на некоторых АЭС эффект самоочистки — является естественным природным процессом и поэтому его использование не требует практически никаких дополнительных затрат. По уровню энергетического воздействия на отложения этот метод значительно превосходит все известные физические методы.

5. При использовании для охлаждения оборотной системы с градирней целесообразным является < подкисление подпиточной воды циркуляционной системы. Доля расхода циркуляционной волы на продувку, потери на испарение и восполняющая их подпитка определяются режимами работы блока, а точнее перепадом температур конденсатора на входе — выходе конденсатора турбины. Стабилизировать баланс карбонатов на определенном уровне, а так же минимизировать количество солевых отложений и коррозию в оборудовании возможно дозированием строго определенного количества серной кислоты.

6. Полимерные защитные покрытия на теплообменных поверхностях за счет диэлектрических свойств, способствуют снижению скорости осаждения, а также формированию энергии адгезии отложений к теплообменной стенке значительно меньшего уровня. Ожидаемое снижение коэффициента теплопередачи зависит от его уровня и при изменении его от 100 до 10 ООО Вт/(м2-К) может’составлять от 2 до 66,7%. Таким образом, использование полимерных покрытий на теплообменных трубах может быть экономически выгодным уже через несколько часов эксплуатации оборудования.

7. Полимерные покрытия, используемые в оборудовании ТЭС и АЭС должны обладать определенными теплофизическими свойствами. Наилучшим покрытием признается фторопластовое покрытие, имеющее в своей структуре высокотеплопроводные наполнители. Однако, размеры и концентрация наполнителя отрицательно сказываются на прочности покрытия, его сцеплений с теплообменной поверхностью (адгезии) и диэлектрических свойствах. В погоне за высоким коэффициентом теплопроводности теряются основные свойства. Эти свойства могут быть оптимизированы, а прочность и теплопроводность покрытия могут быть увеличены за счет использования при осаждении покрытия электрофореза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Изучение структур различных отложений в оборудовании ТЭС и АЭС, эволюции в процессе старения, экспериментальные исследования пористости и теплопроводности этих структур позволяют получить соотношения между этими параметрами. Эти данные становятся ключевыми при диагностировании степени загрязненности теплообменного оборудования, при расчетном определении толщины отложений и уровня их влияния на теплообмен в целом. При низких рабочих температурах, характерных, например, конденсаторам турбин ТЭС и АЭС, а также теплообменному оборудованию, функционирующему в системе технического водоснабжения, соответствуют низкотеплопроводные отложения (А, отл< 1,0 Вт/(м К)) с высокой пористостью (до 25%). Пустоты (поры) в структуре отложений заполнены как пропитывающей их водой, так и выделяющимися из воды газами и водяным паром. Отложения в основе своей являются трехкомпонентной структурой, причем, паро-газовая составляющая (до 3−5% объема) оказывает существенное влияние на общий коэффициент теплопроводности структуры отложений. Расчетные исследования моделей теплопроводности много-компонентных статистических смесей, к которым могут быть отнесены отложения в теплооб-менном оборудовании, показывает, что наилучшее схождение с экспериментальными результатами показывает преобразованная модель Р. Цвиклера, предложенная ранее для котлов СКД.

2. Впервые осуществлено качественное определение уровня энергии сцепления (адгезии) отложений к различным материалам. Установлена взаимосвязь этой энергии с электродным потенциалом поверхности материала. Расчетные значения энергии адгезии кристаллов солей с поверхностью, сопоставленные с уровнем поверхностной энергии установленной ранее Гилма-ном, показывает их совпадение. Это свидетельствует о достоверности результатов, полученных по предложенной в диссертации методике.

3. В результате проделанной научно-исследовательской работы определены критерии для достоверного диагностирования степени загрязненности теплообменного оборудования ТЭС и АЭС. Тепловые и гидродинамические испытания, проведённые на Волгодонской ТЭЦ-2, на ПСГ-2300, показали, что существенную роль на результаты диагностирования толщины отложений оказывает точность измерения давления и перепада давлений. Используя полученную в работе зависимость можно с достаточной точностью прогнозировать толщину образующихся в трубах отложений по значению перепада давления на теплообменном аппарате.

4. Массовая скорость образования отложений не является величиной постоянной. Её уровень зависит в первую очередь от условий эксплуатации (качество воды, режим течения, удельный тепловой поток и т. д.). С течением времени уровень скорости снижается. В теплообменных трубах оборудования ТЭС и АЭС отложения распределяются неравномерно, как по длине, так и на различных теплообменных материалах. В трубах из нержавеющих высоколегированных сталей типа 08Х18Н10Т, а так же в трубах из медноникелее-вых сплавов типа МНЖ после эксплуатации наблюдается наименьший уровень удельного количества загрязнений. В трубах из стали 20 загрязнений в 8−10 раз больше, причём половину из них составляет продукты коррозии.

5. Шероховатость теплообменной поверхности, оказывает влияние на уровень удельного количества отложений. Просматривается практически прямопропорциональная зависимость. Сравнение гладких теплообменных, труб с трубами, имеющими интенсификаторы теплообмена в виде кольцевой накатки и продольной навивки, показало, что интенсификаторы сохраняют свои положительные свойства и не заносятся загрязнениями лишь при определенном отношение шага к диаметру трубы. Снижение этого отношения ниже оптимального приводит к полному заносу впадин интенсификаторов. При этом все усилия по интенсификации теплообмена сводятся к нулю.

6. Удельный тепловой поток, действующий через теплообменную стенку, оказывает существенное влияние на процесс образования отложений. Как установлено, увеличение теплового потока в 1,5−2 раза приводит к увеличению удельного количества отложений в 5−6 раз. Однако, существует уровень теплового потока (менее 10 кВт/м), при котором его влияние практически отсутствует. Как показывают результаты экспериментальных исследований, процесс кристаллизации солей в потоке играет существенную роль в формировании новых дисперсных частиц потока, в образовании отложений, как правило, на выходных участках трубопроводов. При установленной различными способами скорости роста конечные размеры кристаллов и их конгломератов могут достичь 3−4 мкм.

7. Математическую модель процесса загрязнения в строгом теоретическом виде построить невозможно. Задача эта с большой степенью достоверности может быть решена с использованием некоторых допущений. Система уравнений законов сохранения импульса и энергии для частицы в потоке воды с использованием ЭВМ позволяет рассчитать траекторию частицы по длине теплообменной трубы. Задавшись концентрацией дисперсных частиц в воде и рассчитав траекторию движения каждой из них, можно определить количество этих частиц, оставшихся в трубе. В результате проведенных расчетных и экспериментальных исследований получена математическая модель процесса загрязнения оборудования систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС, обладающая достаточной точностью для прогнозирования. Полученные уравнения реализованы в программных средствах, позволяющих оперативно диагностировать находящееся в эксплуатации оборудование, как циркуляционные трубопроводы, так и теплообменники.

8. При некоторых условиях теплообмена i и течения ламинарный слой оказывает существенное влияние на механизм осаждения в пристеночной области, на формирование коллоидных «шаров», определенных структур отложений. При формировании отложений образуется высокопрочные пристеночные связи в структурах до уровня прочности единичного контакта 1000 Н и поверхностные коагуляционные связи коллоидных частиц на уровне Ю" 10 Н. В рассматриваемых режимах течения воды и скорости её в трубах в диапазоне от 0,5 до 1,5 м/с смыву подвержены частицы, имеющие размеры более 10−20 мкм. Дисперсные частицы меньших размеров, как правило, закрепляются на теплообменной поверхности.

9. Из всех сил действующих на дисперсную частицу в потоке, электростатическая обеспечивает равномерное осаждение по поперечному сечению при горизонтальном расположении трубы. Эта сила взаимодействия мицеллы дисперсной частицы в потоке, и заряда поверхности теплообмена, имеющей свой определенный для каждого материала электродный потенциал. Анализ уровня действующих на дисперсную частицу сил показывает, что электростатическая сила вблизи поверхности трубки при отношении её координаты от оси трубки к радиусу трубки равном 0,95, принимает значения на 4−5 порядков больше, чем все остальные силы, т. е. эта сила становится превалирующей.

10. Результаты экспериментально полученного уровня плотности поверхностного заряда имеют удовлетворительное совпадение с результатами расчёта, выполненного на основе теоретических зависимостей. Экспериментальные результаты уточняют теорию и могут иметь практическое применение в расчёте динамики осаждения дисперсных частиц. Механизм действия электродного потенциала на процесс образования отложений теплообменных поверхностей позволяет предположить возможность воздействия на механизм загрязнения путем создания поверхностного электродного потенциала, соответствующего минимуму отложений.

11. Для описания процессов загрязнения предложено использовать безразмерный критерий загрязнения, названный по имени известного теплотехника 3.JI. Миропольского. Он представляет собой отношение массы загрязнений, оседающих на теплообменную стенку, к массе загрязнений содержащихся в потоке воды.

12. Наиболее эффективным способом борьбы традиционно является механическая очистка, в частности, широко используемая в настоящее время на АЭС система шарикоочистки. Она обеспечивает очистку внутренних поверхностей теплообменных трубок без останова оборудования. Общеизвестными являются разработки фирмы Тапроге (Германия), хотя в этом направлении имеют место и отечественные разработки. В частности — опыт работы системы шарикоочистки на Курской АЭС.

13. Обнаруженный и изученный автором на некоторых АЭС эффект самоочистки — является естественным природным процессом и поэтому его использование не требует практически никаких дополнительных затрат. По уровню энергетического воздействия на отложения этот метод значительно превосходит все известные физические методы.

14. Полимерные защитные покрытия за счет диэлектрических свойств способствуют меньшей скорости осаждения, а также формированию энергии адгезии отложений к стенке значительно меньшего уровня. Использование полимерных покрытий на теплообменных трубах может быть экономически выгодным уже через несколько часов эксплуатации оборудования. Однако, целесообразность использования полимерных покрытий может быть обоснована. Полимерные покрытия, используемые в оборудовании ТЭС и АЭС должны обладать определенными теплофизическими свойствами. Наилучшим покрытием признается фторопластовое покрытие, имеющее в своей структуре высокотеплопроводные наполнители. Однако, размеры и концентрация наполнителя отрицательно сказываются на прочности покрытия, его сцепления с теплообменной поверхностью (адгезии) и диэлектрических свойствах. В погоне за высоким коэффициентом теплопроводности теряются механические свойства.

15. На основании экспериментальных исследований, как в лабораторных условиях, так и на натурном оборудовании Волгодонской ТЭЦ-2 установлены факторы, разработаны наиболее эффективные способы, установлены параметры внешних воздействий, указанных ранее, которые позволяют снижать скорость образования отложений на теплообменных поверхностях оборудования ТЭС и АЭС.

Поставленная в диссертационной работе цель и сформулированные для ее решения задачи реализованы в полной мере.