СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОРБЦИИ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ABSORPTION MONITORING METHOD OF SURFACE ACTIVE SUBSTANCES IN HEAT SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области защиты систем теплоснабжения от коррозии и накопления отложений. Изобретение может быть использовано при обработке системы теплоснабжения поверхностно-активным веществом для определения момента прекращения его дозирования в систему.
Под системой теплоснабжения в данной заявке подразумевается система для снабжения потребителей теплом путем подачи нагретого теплоносителя в тепловые приборы, например радиаторы отопления. Система теплоснабжения может включать два и более контура теплоносителя, теплообмен между которыми происходит в теплообменных аппаратах. Тепловые приборы и теплообменные аппараты содержат элементы, через которые осуществляется теплообмен (трубы в кожухотрубном теплообменнике и радиаторе отопления, пластины в пластинчатом теплообменнике и т.п.), обозначаемые в дальнейшем как элементы системы теплоснабжения. Теплообменной поверхностью элемента системы теплоснабжения (или теплообменной поверхностью) в контексте данной заявки называется такая его поверхность, которая контактирует с теплоносителем и через которую осуществляется теплообмен. В данной заявке рассматриваются элементы системы теплоснабжения, изготовленные из латуни ЛO68, нержавеющей стали 12Х18Н10Т и углеродистой стали Ст20 с шероховатостью теплообменных поверхностей не более 10 мкм.
Для защиты теплообменных поверхностей элементов систем теплоснабжения от коррозии и накопления отложений производят модификацию указанных поверхностей путем нанесения на них поверхностно-активных веществ из группы алифатических аминов, в частности октадециламина (далее - ОДА). Защитный эффект обеспечивается за счет создания на теплообменных поверхностях адсорбционной пленки ОДА, предохраняющей металл от воздействия кислорода, углекислоты, других примесей, тем самым существенно снижая скорость коррозионных процессов и накопления отложений.
С целью осуществления такой модификации теплообменных поверхностей ОДА, находящегося в виде эмульсии, раствора или расплава, дозируют в систему теплоснабжения. При этом происходит сорбция ОДА на теплообменных и других внутренних поверхностях системы теплоснабжения, сопровождающаяся снижением его концентрации в теплоносителе. Известным из уровня техники критерием окончания процесса сорбции является относительная стабилизация концентрации ОДА в теплоносителе, замер которой осуществляют между этапами дозирования. Такой способ контроля сорбции ОДА изложен в источнике «Методические указания по консервации теплоэнергетического оборудования с применением пленкообразующих аминов» (дополнение к РД34.20.591-97), подготовлено МЭИ, ВНИИАМ, ЗАО «Наука». - Москва, 1998, и принят в качестве ближайшего аналога.
Однако известный способ является косвенным и не всегда достоверным. Процесс сорбции ОДА на теплообменных поверхностях элементов системы теплоснабжения зависит от множества факторов: конкретного металла, шероховатости поверхности, температуры, скорости течения и качества теплоносителя. Замедление изменения концентрации ОДА в теплоносителе может быть ошибочно принято за стабилизацию концентрации, на основании чего дозирование будет прекращено. При этом сорбция на теплообменных поверхностях отдельных элементов окажется недостаточной для защиты их от коррозии и накопления отложений. Существенным недостатком аналога является также значительное время, требуемое на анализ. Поскольку анализируемым параметром является изменение концентрации, то необходимы как минимум два ее измерения, разнесенные во времени.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего достоверно подтвердить наличие сформированной пленки ОДА на теплообменных поверхностях элементов системы теплоснабжения.
Для решения этой задачи согласно способу контроля уровня сорбции ОДА на теплообменной поверхности элемента системы теплоснабжения в контуре системы теплоснабжения, содержащем теплообменную поверхность элемента теплоснабжения, размещают контрольный образец, имеющий шероховатость поверхности не более 10 мкм и выполненный из такого же материала, что и элемент системы теплоснабжения. После дозирования ОДА в систему извлекают образец и устанавливают его под углом к горизонтали. О достижении достаточного уровня сорбции ОДА на теплообменной поверхности элемента системы теплоснабжения судят по факту скатывания подаваемой на образец капли воды массой 1 г, причем указанный угол составляет 10 градусов для образца из латуни ЛO68, 16 градусов для образца из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и 19 градусов для образца из углеродистой стали Ст20.
Техническими результатами, достигаемыми использованием изобретения, являются:
- повышение достоверности при определении достаточного уровня сорбции ОДА на теплообменных поверхностях системы теплоснабжения;
- сокращение времени на проведение анализа уровня сорбции.
Описание осуществления изобретения будет пояснено ссылкой на фигуру с изображением графика зависимости угла скатывания капли воды от исходной шероховатости поверхности.
Исследования показали, что защитная пленка, сформированная на металлической поверхности в результате сорбции ОДА, придает поверхности гидрофобные свойства. Следовательно, приобретение металлической поверхностью определенного уровня гидрофобности при дозировании в систему ОДА свидетельствует о достижении определенного уровня сорбции ОДА и формировании на поверхности защитной пленки.
Таким образом, задачу по достоверному подтверждению наличия сформированной пленки ОДА на теплообменных поверхностях элементов системы теплоснабжения при дозировании ОДА в систему можно свести к установлению заранее определенного требуемого уровня гидрофобности теплообменных поверхностей.
Определить уровень гидрофобности теплообменной поверхности элемента системы теплоснабжения напрямую не представляется возможным. Однако о нем можно судить на основании уровня гидрофобности поверхности образца, размещенного в системе теплоснабжения, если поверхность образца идентична указанной теплообменной поверхности.
Идентичность поверхностей образца и элемента системы теплоснабжения определяется исходя из следующего. Динамика сорбции на металлической поверхности без учета влияния теплоносителя зависит от свойств поверхности, а именно от металла, из которого изготовлена поверхность, и шероховатости поверхности.
Таким образом, для установления достижения теплообменной поверхностью заранее определенного требуемого уровня гидрофобности, соответствующего достаточному для формирования защитной пленки уровню сорбции октадециламина, достаточно установить достижение такого уровня гидрофобности поверхностью размещенного в системе теплоснабжения образца, изготовленного из того же металла и имеющего такую же шероховатость поверхности, что и элемент системы теплоснабжения.
Согласно изобретению достижение поверхностью образца заранее определенного требуемого уровня гидрофобности определяется следующим образом.
Если поместить каплю воды на исходную поверхность образца, то капля приобретет форму, характеризуемую определенными значениями краевого угла и площади пятна контакта. При изменении угла наклона поверхности образца к горизонту капля будет какое-то время удерживаться на поверхности, однако при достижении определенного значения указанного угла, называемого углом скатывания, скатится вниз.
Капля воды при попадании на гидрофобную поверхность сохраняет форму, близкую к сферической, т.е. уменьшается краевой угол и площадь пятна контакта капли относительно значений этих величин на исходной поверхности, что является следствием уменьшения ее адгезии к поверхности. Это обстоятельство приводит к уменьшению угла скатывания капли на гидрофобной поверхности относительно угла ее скатывания на поверхности в исходном состоянии, что подтверждается представленным графиком. Следовательно, по углу скатывания капли можно судить об уровне гидрофобности поверхности.
Как следует из представленного графика, для каждого исследованного материала угол скатывания капли на гидрофобной поверхности при шероховатости исходной поверхности не более 10 мкм не зависит от шероховатости.
Таким образом, для установления достижения поверхностью образца, а значит и теплообменной поверхностью, заранее определенного требуемого уровня гидрофобности, соответствующего достаточному для формирования защитной пленки уровню сорбции октадециламина, достаточно установить образец под заранее определенным углом к горизонтали, подать на образец каплю воды и судить об указанном достижении по факту скатывания капли.
2
В результате исследований установлено, что достаточный уровень сорбции ОДА, при котором защитную пленку можно считать сформированной, составляет 1 мкг/см. Такой уровень сорбции можно считать достигнутым при угле скатывания капли воды массой 1 г, составляющем 10 градусов для образца из латуни ЛО68, 16 градусов для образца из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и 19 градусов для образца из углеродистой стали Ст20.
В частном случае изобретение может быть реализовано следующим образом.
В контуре системы теплоснабжения, содержащем подлежащие модификации теплообменные поверхности элементов системы теплоснабжения, монтируют байпасную линию. Байпасная линия включает емкость для размещения образцов. Образцы изготавливают из того же материала, что и элементы системы теплоснабжения, при этом шероховатость поверхности образцов не превышает 10 мкм. Через некоторое время после начала дозирования ОДА в систему теплоснабжения образцы извлекают, высушивают и устанавливают их под заранее определенными углами к горизонтали, соответствующими требуемой гидрофобности теплообменных поверхностей, а значит требуемой сорбции ОДА, необходимой для формирования защитной пленки. Подают по капле воды массой 1 г на каждый образец и по факту скатывания капель судят о сформированной защитной пленке на теплообменных поверхностях.