Falsificare - Fouling

Schimbător de căldură într-o centrală cu abur , murdărit de macro-fouling

Tub condensator cu reziduuri de bioincrustare (tăiat)

Tub condensator cu scalare de carbonat de calciu (tăiat)

Tub de alamă cu urme de coroziune (tăiat)

Relațiile de cost între tipurile individuale de fouling

Mizeria este acumularea de materiale nedorite pe suprafețe solide. Materialele murdare pot fi formate fie din organisme vii ( bioincrustare ), fie dintr-o substanță non-vie (anorganică sau organică). Mizeria se distinge de obicei de alte fenomene de creștere a suprafeței prin faptul că are loc pe o suprafață a unei componente, a unui sistem sau a unei plante care îndeplinește o funcție definită și utilă și că procesul de murdărie împiedică sau interferează cu această funcție.

Alți termeni utilizați în literatură pentru a descrie murdărirea includ formarea depozitului, încrustarea, încrustarea, depunerea, scalarea, formarea solzilor, zgură și formarea nămolului. Ultimii șase termeni au o semnificație mai restrânsă decât fouling în sfera științei și tehnologiei fouling și au, de asemenea, semnificații în afara acestui scop; prin urmare, acestea trebuie utilizate cu precauție.

Fenomenele de murdărire sunt frecvente și diverse, variind de la murdărirea corpurilor navei, suprafețele naturale din mediul marin ( murdăriile marine ), murdărirea componentelor de transfer de căldură prin ingrediente conținute în apa de răcire sau gaze și chiar dezvoltarea plăcii sau a calculului pe dinți sau depozite pe panouri solare pe Marte, printre alte exemple.

Acest articol este dedicat în principal murdăririi schimbătoarelor de căldură industriale, deși aceeași teorie se aplică în general altor varietăți de murdărire. În tehnologia de răcire și în alte domenii tehnice, se face distincția între macro-fouling și micro-fouling. Dintre cele două, micro-murdărirea este cea care este de obicei mai dificil de prevenit și, prin urmare, mai importantă.

Componente supuse murdăriei

Exemple de componente care pot fi supuse incalcarii si efectelor corespunzatoare ale incalcarii:

• Suprafețe schimbătoare de căldură - reduce eficiența termică, scade fluxul de căldură, crește temperatura pe partea fierbinte, scade temperatura pe partea rece, induce coroziunea sub depozit, crește utilizarea apei de răcire;
• Conducte, canale de curgere - reduce debitul, crește căderea de presiune, crește presiunea în amonte, crește cheltuielile de energie, poate provoca oscilații de curgere, slugging în fluxul bifazic, cavitație; poate crește viteza de curgere în altă parte, poate induce vibrații, poate provoca blocarea fluxului;
• Corpuri de navă - creează rezistență suplimentară , crește consumul de combustibil, reduce viteza maximă;
• Turbine - reduce eficiența, crește probabilitatea de avarie;
• Panouri solare - scade puterea electrică generată;
• Membrane cu osmoză inversă - mărește căderea de presiune, crește consumul de energie, reduce fluxul, defecțiunea membranei (în cazuri severe);
• Elemente de încălzire electrice - crește temperatura elementului, crește coroziunea, reduce durata de viață;
• Butoaie pentru arme de foc - mărește presiunea camerei; încărcare pentru coșuri muzzleloaders
• Combustibilul nuclear din reactoarele cu apă sub presiune - anomalie compensată axial, poate fi necesar să devalorizeze centrala electrică;
• Duze de injectare / pulverizare (de exemplu, o duză care pulverizează un combustibil într-un cuptor) - cantitate incorectă injectată, jet malformat, ineficiență a componentelor, defecțiune a componentelor;
• Tuburi Venturi , plăci orificiale - măsurare incorectă sau incorectă a debitului;
• Tuburi Pitot în avioane - indicație incorectă sau incorectă a vitezei avionului;
• Electrozi bujie în mașini - defectarea motorului;
• Zona de producție a rezervoarelor de petrol și a puțurilor de petrol - scăderea producției de petrol cu timpul; conectare; în unele cazuri oprirea completă a fluxului în câteva zile;
• Dinții - favorizează afecțiunile dinților sau ale gingiilor, scade estetica;
• Organisme vii - depunerea excesului de minerale (de exemplu, calciu, fier, cupru) în țesuturi este (uneori controversată) legată de îmbătrânire / senescență .

Macro-fouling

Ancrasarea Macro este cauzată de grosier chestiune , fie de origine biologică sau anorganică, de exemplu , produse industrial gunoiului . O astfel de materie intră în circuitul apei de răcire prin pompele de apă de răcire din surse precum marea liberă , râuri sau lacuri . În circuitele închise, cum ar fi turnurile de răcire , pătrunderea macro-ului în bazinul turnului de răcire este posibilă prin canale deschise sau de vânt. Uneori, părți din interiorul turnului de răcire se detașează și sunt transportate în circuitul de apă de răcire. Astfel de substanțe pot murdări suprafețele schimbătoarelor de căldură și pot provoca deteriorarea coeficientului relevant de transfer de căldură . De asemenea, pot crea blocaje ale fluxului, redistribuie fluxul în interiorul componentelor sau pot provoca daune provocate de frecare .

Exemple

• Deșeuri făcute de om;
• Părți interne detașate ale componentelor;
• Unelte și alte „obiecte străine” lăsate accidental după întreținere;
• Alge ;
• Midii ;
• Frunze , părți de plante până la trunchiuri întregi .

Micro-fouling

În ceea ce privește micro fouling-ul, se fac distincții între:

• Scalarea sau murdărirea precipitațiilor, ca cristalizare a sărurilor solide , oxizilor și hidroxizilor din soluțiile de apă (de exemplu, carbonat de calciu sau sulfat de calciu)
• Dezincrustarea particulelor , adică acumularea de particule, de obicei particule coloidale , pe o suprafață
• Curățarea prin coroziune, adică creșterea in situ a depozitelor de coroziune , de exemplu, magnetitul pe suprafețele din oțel carbon
• Curățarea reacțiilor chimice, de exemplu, descompunerea sau polimerizarea materiei organice pe suprafețele de încălzire
• Încurcarea solidificării - atunci când componentele fluidului care curge cu un punct de topire ridicat îngheață pe o suprafață subrăcită
• Biofouling , precum așezările de bacterii și alge
• Faultingul compozit, prin care foulingul implică mai mult de un faultant sau mecanism de fouling

Curățarea precipitațiilor

Acumularea de calcar în interiorul unei țevi reduce atât fluxul de lichid prin conductă, cât și reduce conductiunea termică de la lichid la învelișul exterior al țevii. Ambele efecte vor reduce eficiența termică generală a țevii atunci când sunt utilizate ca schimbător de căldură .

Acumulare extrem de scară a țevii cazanului

Dependența de temperatură a solubilității sulfatului de calciu (3 faze) în apă pură. Apa este presurizată astfel încât să poată fi menținută în stare lichidă la temperaturi ridicate.

Scalarea sau murdărirea prin precipitare implică cristalizarea sărurilor solide , oxizilor și hidroxizilor din soluții . Acestea sunt cel mai adesea soluții de apă, dar este cunoscut și murdărirea neapoasă a precipitațiilor. Dezincrustarea precipitațiilor este o problemă foarte frecventă la cazanele și schimbătoarele de căldură care funcționează cu apă tare și de multe ori duce la calcar .

Prin modificări de temperatură sau evaporarea sau degazificarea solventului , concentrația sărurilor poate depăși saturația , ducând la o precipitare a solidelor (de obicei cristale).

De exemplu, echilibrul dintre bicarbonatul de calciu ușor solubil - predominant întotdeauna în apa naturală - și carbonatul de calciu slab solubil , se poate scrie următoarea ecuație chimică:

${\ displaystyle {\ ce {\ mathsf {{Ca (HCO3) 2} _ {(apoasă)} -> {CaCO3 (v)} + {CO2} \! {\ uparrow} + H2O}}}}$

Carbonatul de calciu care se formează prin această reacție precipită. Datorită dependenței de temperatură a reacției și a volatilității crescânde a CO ₂ odată cu creșterea temperaturii, scalarea este mai mare la ieșirea mai fierbinte a schimbătorului de căldură decât la intrarea mai rece.

În general, dependența solubilității sării de temperatură sau prezența evaporării va fi adesea forța motrice a murdăriei precipitațiilor. Distincția importantă este între sărurile cu dependență "normală" sau "retrogradă" a solubilității de temperatură. Sărurile cu solubilitatea „normală” își măresc solubilitatea odată cu creșterea temperaturii și astfel vor murdări suprafețele de răcire. Sărurile cu solubilitate „inversă” sau „retrogradă” vor murdări suprafețele de încălzire. Un exemplu al dependenței de temperatură a solubilității este prezentat în figură. Sulfatul de calciu este un lichid de precipitare obișnuit al suprafețelor de încălzire datorită solubilității sale retrograde.

Deșeurile de precipitații pot apărea și în absența încălzirii sau vaporizării. De exemplu, sulfatul de calciu își scade solubilitatea odată cu scăderea presiunii. Acest lucru poate duce la murdărirea precipitațiilor din rezervoare și puțuri din câmpurile petroliere, scăzând productivitatea acestora în timp. Înfundarea membranelor în sistemele de osmoză inversă poate apărea datorită solubilității diferențiale a sulfatului de bariu în soluții cu putere ionică diferită . În mod similar, murdărirea prin precipitații poate apărea din cauza modificărilor de solubilitate induse de alți factori, de exemplu, fulgerarea lichidului, degazarea lichidului, modificările potențiale redox sau amestecarea fluxurilor de fluid incompatibile.

Următoarele enumeră câteva dintre fazele comune din punct de vedere industrial al depunerilor de murdărie de precipitații observate în practică pentru a se forma din soluții apoase:

• Carbonat de calciu ( calcit , aragonit de obicei la t> ~ 50 ° C, sau rar vaterit );
• Sulfat de calciu ( anhidrit , hemihidrat , gips );
• Oxalat de calciu (de exemplu, piatră de piatră);
• Sulfat de bariu ( barită );
• Hidroxid de magneziu ( brucită ); oxid de magneziu ( periclază );
• Silicați ( serpentină , acmit , girolit , gehlenit , silice amorf , cuarț , cristobalit , pectolit , xonotlit );
• Hidroxizi oxid de aluminiu ( boehmit , gibbsite , diaspor , corindon );
• Aluminosilicați ( analcite , cancrinite , noselite );
• Cupru (metalic de cupru , cuprita , tenorita );
• Fosfați ( hidroxiapatită );
• Magnetită sau ferită de nichel (NiFe ₂ O ₄ ) din apă extrem de pură, cu un nivel scăzut de fier.

Rata de depunere prin precipitații este adesea descrisă prin următoarele ecuații:

Transport: ${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = k_ {t} (C_ {b} -C_ {i})}$

Cristalizarea suprafeței: ${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {r}} (C_ {i} -C_ {e}) ^ {n1}}$

Per total: ${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = k_ {d} (C_ {b} -C_ {e}) ^ {n2}}$

Unde:

m - masa materialului (pe unitate de suprafață), kg / m ²

ora t, s

C _b - concentrația substanței în masa fluidului, kg / m ³

C _i - concentrația substanței la interfață, kg / m ³

C _e - concentrația de echilibru a substanței în condițiile interfeței, kg / m ³

n1, n2 - ordinea reacției pentru reacția de cristalizare și, respectiv, procesul global de depunere, adimensional

k _t , k _r , k _d - constante de viteză cinetică pentru transport, reacția de suprafață și, respectiv, reacția de depunere generală; cu dimensiunea m / s (când n1 și n2 = 1)

Înclinarea particulelor

Mizeria de particule suspendate în apă („ crud ”) sau în gaz progresează printr-un mecanism diferit de murdăria precipitațiilor. Acest proces este de obicei cel mai important pentru particulele coloidale , adică particule mai mici de aproximativ 1 μm în cel puțin o dimensiune (dar care sunt mult mai mari decât dimensiunile atomice). Particulele sunt transportate la suprafață printr-o serie de mecanisme și acolo se pot atașa singure, de exemplu, prin floculare sau coagulare . Rețineți că atașarea particulelor coloidale implică de obicei forțe electrice și, astfel, comportamentul particulelor sfidează experiența din lumea macroscopică. Probabilitatea de atașare este uneori denumită „ probabilitate de lipire ”, P:

${\ displaystyle k_ {d} = Pk_ {t}}$

unde k _d și k _t sunt constantele de viteză cinetică pentru depunere și, respectiv, pentru transport. Valoarea lui P pentru particulele coloidale este o funcție atât a chimiei suprafeței, a geometriei, cât și a condițiilor termo-hidraulice locale .

O alternativă la utilizarea probabilității de lipire este utilizarea unei constante a vitezei de atașare cinetică, presupunând reacția de primul ordin:

${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {a}} C_ {i}}$

și apoi coeficienții cinetici de transport și atașare sunt combinați ca două procese care apar în serie:

${\ displaystyle k_ {d} = \ left ({\ frac {1} {k_ {a}}} + {\ frac {1} {k_ {t}}} \ right) ^ {- 1}}$

${\ displaystyle {\ frac {dm} {dt}} = {k_ {d}} C_ {b}}$

Unde:

• dm / dt este rata depunerii de particule, kg m ⁻² s ⁻¹ ,
• k _a , k _t și k _d sunt constantele de viteză cinetică pentru depunere, m / s,
• C _i și C _b sunt concentrația fluidului de particule la interfață și, respectiv, în fluidul în vrac; kg m ⁻³ .

Fiind în esență un fenomen de chimie a suprafeței , acest mecanism de murdărire poate fi foarte sensibil la factorii care afectează stabilitatea coloidală, de exemplu, potențialul zeta . O rată maximă de murdărire este de obicei observată atunci când particulele de murdărire și substratul prezintă sarcină electrică opusă sau aproape de punctul de încărcare zero a uneia dintre ele.

Particulele mai mari decât cele cu dimensiuni coloidale pot fi, de asemenea, murdare, de exemplu, prin sedimentare („sedimentare murdară”) sau strecurarea în deschideri de dimensiuni mici.

Cu timpul, depozitul de suprafață rezultat se poate întări prin procese cunoscute în mod colectiv sub numele de „consolidare a depozitului” sau, în mod colocvial, „îmbătrânire”.

Depozitele obișnuite de murdărire a particulelor formate din suspensii apoase includ:

• oxizi de fier și oxihidroxizii de fier ( magnetită , hematita , lepidocrocite , maghemite , goethit );
• Curățarea de sedimentare prin nămol și alte materii suspendate relativ grosiere.

Deșeurile de particule de la aerosoli gazoși au , de asemenea, o semnificație industrială. Particulele pot fi fie solide, fie lichide. Exemplele obișnuite pot fi murdărirea de gaze de ardere sau murdărirea componentelor răcite cu aer de praf în aer. Mecanismele sunt discutate în articolul despre depunerea de aerosoli .

Curățarea prin coroziune

Depozitele de coroziune sunt create in situ de coroziunea substratului . Se disting de depozitele murdare, care se formează dintr-un material originar ex-situ. Depozitele de coroziune nu trebuie confundate cu depunerile de murdărie formate din produse de coroziune generate ex-situ. Depozitele de coroziune vor avea în mod normal o compoziție legată de compoziția substratului. De asemenea, geometria interfețelor metal-oxid și oxid-fluid poate permite distincția practică între depozitele de coroziune și depunerile. Un exemplu de murdărie de coroziune poate fi formarea unui depozit de oxid de fier sau de oxihidroxid din coroziunea oțelului carbon de dedesubt. Coroziunea murdară nu trebuie confundată cu coroziunea murdară, adică oricare dintre tipurile de coroziune care pot fi induse de murdărire.

Reacții chimice murdare

Reacțiile chimice pot apărea la contactul speciilor chimice din fluidul procesului cu suprafețele de transfer de căldură. În astfel de cazuri, suprafața metalică acționează uneori ca un catalizator . De exemplu, coroziunea și polimerizarea au loc în apa de răcire pentru industria chimică care are un conținut minor de hidrocarburi. Sistemele de prelucrare a petrolului sunt predispuse la polimerizarea olefinelor sau la depunerea fracțiunilor grele ( asfaltene , ceruri etc.). Temperaturile ridicate ale pereților tuburilor pot duce la carbonizarea materiei organice. Industria alimentară, de exemplu prelucrarea laptelui, are de asemenea probleme cu reacții chimice.

Funcționarea printr-o reacție ionică cu evoluția unui solid anorganic este clasificată în mod obișnuit ca murdărie de precipitații (nu murdărie de reacție chimică).

Solidificarea murdăriei

Dezincrustarea solidificării are loc atunci când o componentă a fluidului care curge „îngheață” pe o suprafață formând un depozit de decolorare solidă. Exemplele pot include solidificarea cerii (cu un punct de topire ridicat) dintr-o soluție de hidrocarbură sau a cenușii topite (transportate într-un gaz de evacuare a cuptorului) pe o suprafață a schimbătorului de căldură. Suprafața trebuie să aibă o temperatură sub un anumit prag; prin urmare, se spune că este subrăcit în ceea ce privește punctul de solidificare al agentului murdar.

Biofouling

Un fragment de încuietoare de canal din nordul Franței, acoperit cu midii zebra

Biofoulingul sau murdărirea biologică este acumularea nedorită de microorganisme, alge și diatomee , plante și animale pe suprafețe, de exemplu corpurile navelor, sau conducte și rezervoare cu apă netratată. Acest lucru poate fi însoțit de coroziune influențată microbiologic (MIC).

Bacteriile pot forma biofilme sau nămoluri. Astfel, organismele se pot agrega pe suprafețe folosind hidrogeluri coloidale de apă și substanțe polimerice extracelulare (EPS) ( polizaharide , lipide, acizi nucleici etc.). Structura biofilmului este de obicei complexă.

Dezincrustarea bacteriană poate apărea în condiții aerobe (cu oxigen dizolvat în apă) sau anaerobe (fără oxigen). În practică, bacteriile aerobe preferă sistemele deschise, când atât oxigenul, cât și substanțele nutritive sunt livrate în mod constant, adesea în medii calde și însorite. Curățarea anaerobă apare mai des în sistemele închise atunci când sunt prezenți suficienți nutrienți. Exemplele pot include bacteriile care reduc sulfatul (sau bacteriile care reduc sulf ), care produc sulfură și adesea provoacă coroziunea metalelor feroase (și a altor aliaje). Bacteriile oxidante cu sulfuri (de exemplu, Acidithiobacillus ), pe de altă parte, pot produce acid sulfuric și pot fi implicate în coroziunea betonului.

Midiile zebră servesc ca exemplu de animale mai mari care au provocat murdări pe scară largă în America de Nord.

Miză compozită

Înclinarea compozită este frecventă. Acest tip de fouling implică mai multe mecanisme de fouling sau mai multe mecanisme de fouling care funcționează simultan. Multiple murdări sau mecanisme pot interacționa unul cu celălalt, rezultând o murdărie sinergică care nu este o simplă sumă aritmetică a componentelor individuale.

Atingerea pe Marte

NASA Mars Exploration Rovers ( Spirit and Opportunity ) a experimentat (probabil) murdărirea abiotică a panourilor solare de particulele de praf din atmosfera marțiană. Unele dintre depozite au fost curățate ulterior spontan . Aceasta ilustrează natura universală a fenomenelor de murdărire.

Cuantificarea murdăriei

Cea mai simplă modalitate de a cuantifica murdăriile destul de uniforme este prin declararea încărcării medii a suprafeței de depunere, adică a kg de depozit pe m ² de suprafață. Rata de murdărire va fi apoi exprimată în kg / m ² s și se obține împărțind încărcarea suprafeței de depunere la timpul efectiv de funcționare. Rata normală de murdărire (de asemenea, în kg / m ² s) va explica suplimentar concentrația agentului murdar în fluidul procesului (kg / kg) în timpul operațiilor anterioare și este utilă pentru compararea ratelor de murdărire între diferite sisteme. Se obține prin împărțirea ratei de fouling la concentrația de foulant. Constanta ratei de murdărire (m / s) poate fi obținută prin împărțirea ratei de murdărire normalizată la densitatea de masă a fluidului de proces (kg / m ³ ).

Grosimea depozitului (μm) și porozitatea (%) sunt, de asemenea, adesea utilizate pentru descrierea cantității de murdărie. Reducerea relativă a diametrului conductelor sau creșterea rugozității suprafeței poate fi de un interes deosebit atunci când este interesant impactul murdăriei asupra căderii de presiune.

În echipamentele de transfer de căldură, unde preocuparea principală este adesea efectul murdăririi asupra transferului de căldură, murdărirea poate fi cuantificată prin creșterea rezistenței la fluxul de căldură (m ² K / W) datorită murdării (denumită „ rezistență la murdărire ”) ), sau prin dezvoltarea coeficientului de transfer de căldură (W / m ² K) în timp.

Dacă subdepunerea sau coroziunea fisurilor sunt de primă preocupare, este important să rețineți neuniformitatea grosimii depozitului (de exemplu, ondularea depozitului ), murdărirea localizată, împachetarea regiunilor limitate cu depuneri, crearea de ocluzii, „fisuri”, „depozit tuberculi ", sau grămezi de nămol. Astfel de structuri de depozitare pot crea mediul pentru coroziunea subdepozită a materialului substratului, de exemplu, atac intergranular , pitting , cracare prin coroziune la tensiune sau risipă localizată. Porozitatea și permeabilitatea depozitelor vor influența probabil probabilitatea de coroziune subdepozitată. Compoziția depozitului poate fi, de asemenea, importantă - chiar și componentele minore ale depozitelor pot provoca uneori coroziune severă a metalului subiacent (de exemplu, vanadiu în depozitele cazanelor arse provocând coroziune la cald ).

Nu există o regulă generală cu privire la cât de mult depozit poate fi tolerat, depinde de sistem. În multe cazuri, un depozit chiar și cu câțiva micrometri gros poate fi deranjant. Un depozit într-o grosime de milimetri va fi îngrijorător în aproape orice aplicație.

Progresul faunării cu timpul

Depunerea pe o suprafață nu se dezvoltă întotdeauna constant în timp. Următoarele scenarii de murdărire pot fi distinse, în funcție de natura sistemului și de condițiile termo-hidraulice locale la suprafață:

• Perioada de inducție . Uneori, se observă o rată de murdărire aproape nulă atunci când suprafața este nouă sau foarte curată. Acest lucru este adesea observat în biofouling și precipitarea murdăriei. După „perioada de inducție”, rata de fouling crește.
• Faulting "negativ". Acest lucru poate apărea atunci când rata de murdărire este cuantificată prin monitorizarea transferului de căldură. Cantități relativ mici de depozit pot îmbunătăți transferul de căldură, în raport cu suprafața curată, și pot da o aparență a ratei de „murdare” negative și a cantității totale negative de murdărie. Dezincrustarea negativă este adesea observată în condiții de transfer de căldură cu fierbere nucleate (depunerea îmbunătățește nucleația cu bule) sau convecție forțată (dacă depozitul mărește rugozitatea suprafeței și suprafața nu mai este „netedă hidraulic”). După perioada inițială de "control al rugozității suprafeței", rata de murdărire devine de obicei puternic pozitivă.
• Înclinarea liniară. Rata de fouling poate fi constantă în timp. Acesta este un caz obișnuit.
• Falling falling. În acest scenariu, rata de fouling scade în timp, dar nu scade niciodată la zero. Grosimea depozitului nu atinge o valoare constantă. Progresul fouling-ului poate fi adesea descris prin două numere: rata inițială de fouling (o tangentă la curba de fouling la încărcarea zero a depozitului sau timpul zero) și rata de fouling după o perioadă lungă de timp (o asimptotă oblică la curba de fouling) .
• Imputere asimptotică. Aici, rata de fouling scade cu timpul, până când ajunge în cele din urmă la zero. În acest moment, grosimea depozitului rămâne constantă în timp (o asimptotă orizontală ). Acesta este adesea cazul depozitelor relativ moi sau slab aderente în zonele cu flux rapid. Asimptota este de obicei interpretată ca încărcarea depozitului la care rata de depunere este egală cu rata de eliminare a depozitului.
• Accelerarea fouling-ului. În acest scenariu, rata de fouling crește cu timpul; rata acumulării depozitelor se accelerează cu timpul (poate până când devine limitat la transport). Mecanic, acest scenariu se poate dezvolta atunci când murdărirea crește rugozitatea suprafeței sau când suprafața depozitului prezintă o înclinație chimică mai mare la murdărire decât metalul pur subiacent.
• Zgâlțâit . Aici, încărcarea murdăriei crește în general cu timpul (presupunând adesea o rată în general liniară sau de scădere), dar, atunci când este privită mai detaliat, progresul murdăriei este întrerupt periodic și ia forma unei curbe din dinte de fierăstrău . Variațiile periodice accentuate ale cantității aparente de murdărie corespund adesea momentelor de oprire a sistemului, porniri sau alți tranzitori în funcțiune. Variațiile periodice sunt adesea interpretate ca îndepărtarea periodică a unora dintre depozite (probabil resuspendarea depunerii datorită impulsurilor de presiune, scindarea datorită tensiunilor termice sau exfoliere datorată tranzitorilor redox). S-a postulat că acoperirea cu abur apare între depozitele parțial scindate și suprafața de transfer de căldură. Cu toate acestea, sunt posibile și alte motive, de exemplu, prinderea aerului în interiorul depunerilor de suprafață în timpul opririlor sau inexactitatea măsurătorilor de temperatură în timpul tranzitorilor ("fluxul de temperatură").

Modelarea înșelătoare

Scheme ale procesului de murdărire constând în depunerea simultană a depozitelor și îndepărtarea depozitului.

Funcționarea unui sistem poate fi modelată ca fiind formată din mai mulți pași:

• Generarea sau pătrunderea speciei care provoacă murdărire („sursă de murdărie”);
• Transportul lichidului cu fluxul fluidului de proces (cel mai adesea prin advecție );
• Transportul murdar de la cea mai mare parte a fluidului de proces la suprafața de murdărire. Acest transport se realizează adesea prin difuzie moleculară sau turbulentă , dar poate apărea, de asemenea, prin rotație / impactare inerțială, interceptarea particulelor de la suprafață (pentru particule cu dimensiuni finite), electroforeză , termoforeză , difuzoforeză , flux Stefan (în condensare și evaporare), sedimentare , forța Magnus (care acționează asupra particulelor rotative), efect termoelectric și alte mecanisme.
• Perioada de inducție, adică o rată de murdărie aproape nulă în perioada inițială de incalcare (observată numai pentru unele mecanisme de incalcare);
• Cristalizarea lichidului pe suprafață (sau atașarea particulei coloidale, sau reacție chimică sau creștere bacteriană);
• Uneori, întârzierea autoretardării, adică reducerea (sau potențialul de îmbunătățire) a ratei de cristalizare / atașare datorită modificărilor condițiilor de suprafață cauzate de depunerea de murdărie;
• Dizolvarea depozitului (sau reîncadrarea particulelor slab atașate);
• Consolidarea depozitelor la suprafață (de exemplu, prin coacerea Ostwald sau solubilitatea diferențială în gradientul de temperatură) sau cimentarea , care determină depunerea pierzându-și porozitatea și devenind mai tenace cu timpul;
• Depuneți spalling , uzură de eroziune sau exfoliere .

Depunerea constă în transportul la suprafață și atașarea ulterioară. Îndepărtarea depozitului se realizează fie prin dizolvarea depozitului, reîncadrarea particulelor, fie prin depășirea depozitului, uzură erozivă sau exfoliere. Rezultatele murdăriei rezultate din generarea murdăriilor, depunerea murdăriilor, îndepărtarea depozitului și consolidarea depozitului.

Pentru modelul modern de murdărire care implică depunere cu reîncadrare și consolidare simultană a depozitului, procesul de murdărire poate fi reprezentat de următoarea schemă:

      [rata acumulării depozitului] = [rata depunerii] - [rata reîncadrării depozitului neconsolidat]

      [rata acumulării depozitului neconsolidat] = [rata depunerii] - [rata reîncadrării depozitului neconsolidat] - [rata consolidării depozitului neconsolidat]

Urmând schema de mai sus, ecuațiile de bază ale fouling-ului pot fi scrise după cum urmează (pentru condiții de echilibru cu debit, când concentrația rămâne constantă în timp):

${\ displaystyle {\ begin {cases} {dm / dt} = k_ {d} C_ {m} \ rho - \ lambda _ {r} m_ {r} (t) \\ {dm_ {r} / dt} = k_ {d} C_ {m} \ rho - \ lambda _ {r} m_ {r} (t) - \ lambda _ {c} \ cdot m_ {r} (t) \ end {cases}}}$

Unde:

• m este încărcarea în masă a depozitului (consolidat și neconsolidat) la suprafață (kg / m ² );
• t este timpul (timpul);
• k _d este constanta ratei de depunere (m / s);
• ρ este densitatea fluidului (kg / m ³ );
• C _m - fracția de masă a agentului murdar din fluid (kg / kg);
• λ _r este constanta ratei de reîncadrare (1 / s);
• m _r este încărcarea în masă a fracției amovibile (adică neconsolidate) a depozitului de suprafață (kg / m ² ); și
• λ _c este constanta ratei de consolidare (1 / s).

Acest sistem de ecuații poate fi integrat (luând m = 0 și m _r = 0 la t = 0) la forma:

${\ displaystyle m (t) = {{k_ {d} C_ {m} \ rho} \ over {\ lambda}} \ left (t \ lambda _ {c} + {{\ lambda _ {r}} \ over {\ lambda}} \ left (1-e ^ {- \ lambda t} \ right) \ right)}$

unde λ = λ _r + λ _c .

Acest model reproduce fie căderea liniară, căderea sau asimptotica, în funcție de valorile relative ale k, λ _r și λ _c . Imaginea fizică care stă la baza acestui model este aceea a unui depozit în două straturi format din strat interior consolidat și strat exterior neconsolidat. Un astfel de depozit cu două straturi este adesea observat în practică. Modelul de mai sus se simplifică cu ușurință la modelul mai vechi de depunere simultană și reîncadrare (care neglijează consolidarea) atunci când λ _c = 0. În absența consolidării, incalcarea asimptotică este întotdeauna anticipată de acest model mai vechi, iar progresul incalcării poate fi descris ca:

${\ displaystyle m (t) = m ^ {*} \ left (1-e ^ {- \ lambda _ {r} t} \ right)}$

unde m ^* este sarcina maximă (asimptotică) a depozitului la suprafață (kg / m ² ).

Uzun și colab. (2019) oferă o abordare simplificată pentru estimarea creșterii biofoulingului dependent de timp și a efectului său asupra rezistenței și alimentării navelor.

Importanța economică și de mediu a murdăriei

Mizeria este omniprezentă și generează pierderi operaționale enorme, nu spre deosebire de coroziune. De exemplu, o estimare estimează că pierderile cauzate de murdărirea schimbătorilor de căldură din țările industrializate sunt de aproximativ 0,25% din PIB - ul lor . O altă analiză a estimat (pentru 2006) pierderea economică cauzată de murdărirea cazanelor și a turbinei în utilitățile din China la 4,68 miliarde de dolari, ceea ce reprezintă aproximativ 0,169% din PIB-ul țării.

Pierderile rezultă inițial din cauza transferului de căldură afectat, a deteriorării coroziunii (în special a coroziunii sub depozitare și a crăpăturilor ), a căderii de presiune crescute, a blocajelor de debit, a redistribuirii debitului în interiorul componentelor, a instabilităților de curgere, a vibrațiilor induse (posibil ducând la alte probleme, de exemplu, oboseală ) , frecare , defectarea prematură a elementelor de încălzire electrice și un număr mare de alte probleme adesea neprevăzute. În plus, costurile ecologice ar trebui luate în considerare (dar de obicei nu sunt luate în considerare). Costurile ecologice provin din utilizarea biocidelor pentru evitarea bioincrustării, din aportul crescut de combustibil pentru a compensa producția redusă cauzată de murdărire și o utilizare crescută a apei de răcire în sistemele de răcire unice.

De exemplu, „normal“ agățare la un mod convențional pe bază de 500 MW (net de energie electrică) centralei electrice conturi unitare pentru pierderile de ieșire ale turbinei cu abur de 5 MW și mai mult. Într-o centrală nucleară de 1.300 MW , pierderile tipice ar putea fi de 20 MW sau mai mult (până la 100% dacă stația se oprește din cauza degradării componentelor induse de murdărie). În instalațiile de desalinizare a apei de mare , murdărirea poate reduce raportul de producție câștigat cu procente de două cifre (raportul de producție câștigat este un echivalent care pune masa distilatului generat în raport cu aburul utilizat în proces). Consumul electric suplimentar în răcitoarele cu compresor este, de asemenea, ușor în zona cu două cifre. În plus față de costurile operaționale, crește și costul capitalului, deoarece schimbătoarele de căldură trebuie să fie proiectate în dimensiuni mai mari pentru a compensa pierderile din transferul de căldură din cauza murdăriei. La pierderile de ieșire enumerate mai sus, trebuie adăugat costul timpului de nefuncționare necesar pentru inspectarea, curățarea și repararea componentelor (milioane de dolari pe zi de închidere a veniturilor pierdute într-o centrală electrică tipică) și costul efectiv făcând această întreținere. În cele din urmă, murdărirea este adesea cauza principală a unor probleme grave de degradare care pot limita durata de viață a componentelor sau a plantelor întregi.

Controlul murdariei

Cea mai fundamentală și de obicei preferată metodă de control al murdăriei este de a preveni pătrunderea speciei de murdărire în circuitul de apă de răcire. În centrele electrice cu abur și alte instalații industriale majore de tehnologie a apei , macrocomanda este evitată prin filtrele de pre- filtrare și răcire a deșeurilor de apă . Unele fabrici folosesc un program de excludere a obiectelor străine (pentru a elimina posibilitatea introducerii evidente a materialelor nedorite, de exemplu, uitarea instrumentelor în timpul întreținerii). Monitorizarea acustică este uneori folosită pentru a monitoriza deteriorarea componentelor detașate. În cazul micro-murdăririi, purificarea apei se realizează cu metode extinse de tratare a apei, microfiltrare , tehnologie de membrană ( osmoză inversă , electrodeionizare ) sau rășini schimbătoare de ioni . Generarea produselor de coroziune în sistemele de conducte de apă este adesea minimizată prin controlul pH - ului fluidului procesului (de obicei alcalinizarea cu amoniac , morfolină , etanolamină sau fosfat de sodiu ), controlul oxigenului dizolvat în apă (de exemplu, prin adăugarea de hidrazină ), sau adăugarea de inhibitori de coroziune .

Pentru sistemele de apă la temperaturi relativ scăzute, biocidele aplicate pot fi clasificate după cum urmează: compuși anorganici ai clorului și bromurii , clivele de clor și bromură , clivele de ozon și oxigen , biocidele neoxidabile . Unul dintre cele mai importante biocide neoxidabile este un amestec de clorometil-izotiazolinonă și metil- izotiazolinonă. De asemenea, se aplică nitrilopropionamida dibrom și compușii cuaternari de amoniu . Pentru corpurile navei subacvatice se aplică vopsele de fund .

Inhibitorii chimici de murdărire pot reduce murdărirea în multe sisteme, în principal prin interferarea cu etapele de cristalizare, atașare sau consolidare ale procesului de murdărire. Exemple pentru sistemele de apă sunt: agenți chelatori (de exemplu, EDTA ), amine sau poliamine alifatice cu lanț lung (de exemplu, octadecilamină , helamină și alte amine „formatoare de film”), acizi fosfonici organici (de exemplu, acid etidronic ) , sau polielectroliti (de exemplu, acid poliacrilic , acid polimetacrilic, de obicei cu o greutate moleculară mai mică de 10000). Pentru cazanele arse, aditivii din aluminiu sau magneziu pot reduce punctul de topire al cenușii și pot promova crearea de depozite mai ușor de îndepărtat. A se vedea, de asemenea , produse chimice de proces .

Tratamentul magnetic al apei a fost un subiect de controversă cu privire la eficacitatea sa pentru controlul murdăriei încă din anii 1950. Opinia predominantă este că pur și simplu „nu funcționează”. Cu toate acestea, unele studii sugerează că poate fi eficient în anumite condiții reducerea acumulării depozitelor de carbonat de calciu.

La nivel de proiectare a componentelor, murdărirea poate fi adesea (dar nu întotdeauna) minimizată prin menținerea unei viteze relativ ridicate (de exemplu, 2 m / s) și uniformă a fluidului pe întregul component. Regiunile stagnante trebuie eliminate. Componentele sunt în mod normal supra-proiectate pentru a se potrivi murdăriei anticipate între curățări. Cu toate acestea, o supra-proiectare semnificativă poate fi o eroare de proiectare, deoarece poate duce la creșterea murdăriei datorită vitezei reduse. Impulsurile periodice de presiune on-line sau fluxul invers pot fi eficiente dacă capacitatea este încorporată cu atenție la momentul proiectării. Capacitatea de scurgere este întotdeauna încorporată în generatoarele de abur sau evaporatoare pentru a controla acumularea de impurități nevolatile care provoacă sau agravează murdărirea. Suprafețele cu murdărie redusă (de exemplu, foarte netede, implantate cu ioni sau cu o energie de suprafață redusă, cum ar fi teflonul ) sunt o opțiune pentru unele aplicații. Componentele moderne sunt de obicei necesare pentru a fi proiectate pentru a facilita inspecția internelor și curățarea periodică. Sistemele de monitorizare a murdăriei on-line sunt proiectate pentru anumite aplicații, astfel încât suflarea sau curățarea să poată fi aplicate înainte ca oprirea imprevizibilă să fie necesară sau să apară daune.

Procesele de curățare chimică sau mecanică pentru îndepărtarea depunerilor și a solzilor sunt recomandate atunci când murdărirea atinge punctul de a afecta performanța sistemului sau un debut de degradare semnificativă indusă de murdărire (de exemplu, prin coroziune). Aceste procese cuprind decaparea cu acizi și agenți de complexare , curățarea cu jeturi de apă de mare viteză („lance de apă”), recircularea („sablarea”) cu metal, burete sau alte bile sau propulsarea unor curățătoare de tuburi mecanice „tip glonț” offline. În timp ce curățarea chimică cauzează probleme de mediu prin manipularea, aplicarea, depozitarea și eliminarea substanțelor chimice, curățarea mecanică prin circularea bilelor de curățare sau curățarea offline „tip glonț” poate fi o alternativă mai ecologică . În unele aplicații cu transfer de căldură, opțiunea este atenuarea mecanică cu schimbătoare de căldură din suprafață răzuite dinamic . De asemenea , sunt disponibile metode de curățare cu ultrasunete sau abrazive pentru multe aplicații specifice.

Vezi si

Referințe

linkuri externe

• Cercetări privind depășirea țițeiului
• [1]