УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАКИПЕОБРАЗОВАНИЯ

Полезная модель относится к устройствам для исследования процесса накипеобразования, в которых нагретую поверхность металла подвергают воздействию потока жидкости, содержащей вещества, приводящие к образованию на поверхности металла осадка накипи. Устройство обеспечивает получение данных, необходимых для прогнозирования влияния накипеообразования на теплообмен в элементах энергетических установок, в частности, судовых энергетических установок, работающих на морской воде.
Известно устройство для испытания жидкостей на накипеобразование, описанное в патенте Франции №2493523, опубл. 1982.05.07, включающее систему теплообмена, предназначенную для испытаний и содержащую нагреватель с тепловыделяющим элементом, систему трубопроводов со средствами подачи и вывода жидкости, а также средства для измерения температуры жидкости, температуры стенки тепловыделяющего элемента, средство для измерения скорости потока жидкости через средство подачи жидкости и средство для регулирования количества электроэнергии, подаваемого в тепловыделяющий элемент. Недостатком известного устройства является недостаточно высокий нагрев испытуемой жидкости, не обеспечивающий ее кипения и парообразования, что не позволяет исследовать накипеобразование в более жестких условиях, приближенных к существующим в целом ряде промышленных установок.
Известна установка для исследования накипеобразования в испарителях морской воды (а.с. СССР №389989, опубл. 1973.07.11), содержащая паровой котел с электронагревателями, последовательно соединенными с кипящим испарителем, с греющими батареями и со струйным конденсатором-эжектором, а также расходные баки с мешалками, дозерно-питательный и эжекторный насосы, конденсатор пробы вторичного пара и пробоотборники дистиллата и рассола, при этом паровое пространство парового котла первичного пара соединено с внутренним пространством сменных греющих батарей, смонтированных в кипящем испарителе и омываемых рассолом исследуемой воды, трубопроводы вторичного пара и рассола кипящего испарителя соединены соответственно с конденсатором пробы пара и пробоотборником рассола. Известная установка не обеспечивает получения данных по интенсивности накипеообразования и его влиянию на эффективность работы теплообменных поверхностей в режиме вынужденного движения морской воды.
Наиболее близкой к заявляемой является выполненная в виде испарительной камеры установка для исследования накипеобразования (пат. РФ №2306560, опубл. 2007.09.20), которая включает установленную с возможностью замены систему теплообмена в виде горизонтальных трубок с размещенными внутри электронагревательными элементами, на поверхности которой происходит образование осадка. накипи, систему подачи рабочей (накипеобразующей) жидкости в испарительную камеру, средство для конденсации пара, связанное с испарительной камерой отводной магистралью пара, снабжена средством регулировки давления в испарительной камере, размещенным в отводной магистрали пара, и системой вывода рабочей (накипеобразующей) жидкости из испарительной камеры.
Известная установка не обеспечивает возможности изучения влияния накипеобразования на эффективность работы теплообменных поверхностей.
Задачей полезной модели является создание установки для исследования накипеобразования в режиме вынужденного движения накипеобразующей жидкости, в частности, морской воды.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении возможности оценки теплообмена через поверхность нагрева и его изменения в зависимости от накипеообразования в режиме вынужденного движения накипеобразующей жидкости.
Указанный результат достигается установкой для исследования накипеобразования, включающей систему теплообмена, магистраль подачи и магистраль отвода рабочей жидкости, в которой, в отличие от известной, система теплообмена выполнена в виде двух коаксиальных труб, причем внутренняя, на поверхности, которой происходит образование накипи, связана с магистралью греющего пара, внешняя связана с магистралью подачи рабочей жидкости, которая снабжена датчиком температуры, магистраль отвода рабочей жидкости снабжена расходомером и датчиком температуры, при этом установка дополнительно включает трубопровод пароводяной смеси, сепаратор пароводяной смеси, охладитель конденсата, охладитель пара и конденсатосборник, причем сепаратор пароводяной смеси с одной стороны связан трубопроводом пароводяной смеси с внутренней трубой системы теплообмена, а с другой - с конденсатосборником через охладитель конденсата и охладитель пара с установленными на выходе каждого датчиком температуры и расходомером.
Предлагаемая установка наглядно представлена на чертеже.
Установка включает систему теплообмена, выполненную в виде двух коаксиальных труб, при этом внутренняя труба 1 связана с магистралью 2 греющего пара, снабженной на входе в систему теплообмена датчиком температуры 3, а с другой стороны посредством трубопровода 4 пароводяной смеси, снабженного на выходе из внутренней трубы 1 датчиком температуры 5, она связана с сепаратором 6 пароводяной смеси. Сепаратор 6 через охладитель пара 7, снабженный датчиком температуры 8, установленным на входе (в трубопроводе, подающем охлаждающую рабочую жидкость), расходомером 9 и датчиком температуры 10 на выходе, а также через охладитель конденсата 11, снабженный установленным на входе (в трубопроводе, подающем охлаждающую рабочую жидкость) датчиком температуры 12, датчиком температуры 13 и расходомером 14 на выходе, связан с конденсатосборником 15. Внешняя труба 16 системы теплообмена, коаксиально размещенная относительно внутренней трубы 1, с одной стороны связана с магистралью 16 подачи рабочей (накипеобразующей) жидкости, преимущественно морской воды, которая снабжена датчиком температуры 17, а с другой стороны с магистралью 18 отвода рабочей жидкости, также снабженной датчиком температуры 19 и расходомером 20.
Установка работает следующим образом.
Во внутреннюю трубу 1 теплообменной системы по магистрали 2 подают греющий пар (давление пара до 1,7 МПа, расход пара составляет около 3 т/ч). Температуру пара контролируют датчиком 3. С помощью насоса 21 во внешнюю трубу 16 теплообменной системы противотоком подают охлаждающую рабочую жидкость, например, забортную морскую воду в случае судовой установки.
Одновременно упомянутую охлаждающую рабочую жидкость подают по трубопроводу к охладителю пара 7 и охладителю конденсата 11. Подача рабочей жидкости может быть осуществлена как по контуру, общему с теплообменной системой, так с помощью отдельного насоса по самостоятельному контуру (как показано на чертеже).
Во внутренней трубе 1 теплообменной системы греющий пар, отдав тепло охлаждающей рабочей жидкости, частично конденсируется, после чего образовавшаяся пароводяная смесь по трубопроводу 4 поступает в сепаратор 6, где происходит отделение пара от конденсата. Не сконденсировавшийся пар из сепаратора 6 поступает в охладитель пара 7, где образует первичный конденсат, а перегретый конденсат (вторичный) подается в охладитель конденсата 11. Затем первичный и вторичный конденсаты сбрасываются в общий трубопровод конденсата и собираются в конденсатосборнике 15.
В процессе работы установки на поверхности внутренней трубы 1 (греющей поверхности) системы теплообмена образуется осадок накипи, по мере роста которого средняя плотность теплового потока через упомянутую поверхность уменьшается. В результате энергия греющего пара в меньшей мере передается рабочей жидкости, а в большей уносится с пароводяной смесью. Таким образом, накипеобразование приводит к тому, что теплообменная система со временем перестает выполнять свою функцию.
рж
Количество тепла Q, израсходованного на нагревание рабочей жидкости, например, морской воды, в теплообменной системе, может быть подсчитано по следующей формуле
,
рж
1
2
где с - удельная теплоемкость рабочей жидкости,  - массовый расход рабочей жидкости, прокачанной через теплообменную систему, определяемый с помощью расходомера 20, t - температура в магистрали 16 подачи рабочей жидкости, фиксируемая с помощью датчика температуры 17, t - температура в магистрали 18 отвода рабочей жидкости, фиксируемая с помощью датчика температуры 19.
пв
1п
Количество тепла Q, уносимое пароводяной смесью, складывается из Q, рассчитываемого по формуле:
,
рж
3
4
где с - удельная теплоемкость рабочей жидкости,  - массовый расход рабочей жидкости, определяемый расходомером 9, установленным на выходе охладителя пара, t - температура рабочей охлаждающей жидкости, фиксируемая с помощью датчика температуры 8, t - температура отводимой рабочей жидкости, получившей тепло от пара (фиксируется датчиком температуры 10),
1к
и Q, рассчитываемого по формуле:
,
рж
3
5
где с - удельная теплоемкость рабочей жидкости,  - массовый расход рабочей жидкости, определяемый расходомером 14, установленным на выходе охладителя конденсата 11, t - температура рабочей охлаждающей жидкости (датчик температуры 12), t - температура нагретой рабочей жидкости на выходе охладителя конденсата 11 (датчик температуры 13).
Практически показания датчиков температуры 8 и 12 совпадают.
п
рж
1п
1к
Если пренебречь потерями тепла в трубопроводах, то общее количество тепла Q, сообщаемое греющим паром теплообменной системе, равно сумме Q, Q и Q.
рж
1п
1к
Изучение соотношения между Q и суммой Q и Q и его изменения в зависимости от времени работы установки позволяет сделать прогноз относительно влияния накипеобразования на теплообмен в промышленных теплообменных устройствах с вынужденной циркуляцией рабочей (охлаждающей) жидкости и на основании полученного прогноза разработать мероприятия по предотвращению накипеобразования, наиболее приемлемые для данного режима.
2
В частности, проведенными испытаниями установлено, что за 50 часов работы судовой энергетической установки с вынужденным движением охлаждающей морской воды тепловой поток через греющую поверхность (составлявший в начальный момент времени 600 КВт/м) уменьшился в 2 раза. Полученный результат свидетельствует о том, что работа таких установок является практически невозможной без должных мер по управлению процессами накипеообразования.