Поверхностных конденсационных

22 С Ql,Q2-nJIOTHOCra ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

14 С ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ НА ГРАНЯХ

Физический смысл хемомеханического эффекта можно интерпретировать следующим образом. Современные представления о механизме растворения твердого кристаллического тела (например, анодного растворения металла) основаны на положении о первоначальном образовании моноатомного углубления — двумерного зародыша растворения и последующего стравливания слоя атомов вдоль кристаллографической плоскости путем перемещения моноатомной ступеньки с последовательным повторением процесса послойного растворения. Если учесть, что моноатомные поверхностные ступеньки могут служить источниками новых дислокаций [33, 116], то можно придти к заключению, что появление дополнительного потока дислокаций в результате растворения поверхностных атомов током коррозии (хемомеханический эффект) обусловлено гетерогенным зарождением и работой новых поверхностных источников дислокаций, возникших вследствие гетерогенного растворения поверхности с образованием моноатомных ступенек [117].

Поскольку JVa представляет собой объем тела, растворяю-\ щийся с единицы поверхности за единицу времени, а коэффициент а == 1/и где v — активационный объем дислокаций при пла-. I стическом течении, по существу численно может быть охарактери-j зован как максимально возможная «динамическая» плотность ; дислокаций (т. е. плотность их в момент течения), то выражение (211) формально можно интерпретировать следующим образом. Дополнительный поток дислокаций при хемомеханическом эффекте образуется в результате насыщения дислокациями поверхностного слоя до максимально возможной «динамической» плотности, а затем стравливания этого слоя со скоростью химического растворения. Насыщение дислокациями растворяющегося слоя возможно ввиду несравнимых величин скоростей размножения и движения дислокаций, с одной стороны, и растворения тела с другой стороны. Так, при обычных значениях скоростей коррозии стравливание одного моноатомного слоя занимает секунды и более секунды, а дислокационные процессы совершаются с околозвуковыми скоростями. Образование поверхностных источников дислокаций в процессе реализации хемомеханического эффекта приводит к быстрому насыщению поверхностного слоя дислокациями, что создает условия для множественного скольжения (в том числе поперечного скольжения дислокаций) и, следовательно, для разрушения ранее сформировавшихся плоских скоплений, т. е. для релаксации микронапряжений и разупрочнения.

Поверхностные-упрочненные слои, содержащие отрезки (debris) дислокаций, также могут являться экранирующими барьерами для выхода дислокаций [125]. Повышенная склонность поверхностных слоев к деформационному упрочнению отмечалась М. В. Классен—Неклюдовой в 1936 г. Основываясь на явлении поверхностного упрочнения при деформировании металла И. Крамер предполагает, что стравливание упрочненного debris-слоя снижает сопротивление пластическому течению за счет запуска заблокированных поверхностных источников дислокаций. Однако противоречие состоит в том, что растворение поверхностного слоя уничтожает эти ранее существовавшие поверхностные источники, например источники типа Фишера. Между тем, еще в 1924 г. Эвальд и Поляни выдвинули общее представ1ление1_об_удалМии «поверхностных препятствий» скольжению при объяснении повышения пластичности в среде растворителя. Хотя предложенное ими [126] обозначение этого эффекта как «механизм Эвальда— Поляни» не является вполне удачным, поскольку его сущность не могла быть в то время расшифрована из-за более позднего появления дислокационных представлений о механизме пластической деформации, это общее представление охватывает любые виды экранирующих поверхностных барьеров и 'для краткости может быть названо барьерным механизмом.

В СССР для теплового и горячего водоснабжения населения и промышленных объектов через тепловые сети используют воду хозяйственно-питьевого назначения, качество которой регламентируют ГОСТ 2874—82 и ГОСТ 17.1.3.02-77. Правила выбора и оценка качества источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения предписывают использовать воду подземных источников, и только в крайних случаях раз-.решается применять воду из поверхностных источников.

Кинетика пластического течения на начальной стадии деформирования и природа поверхностных источников сдвигообразо-вания широко изучались в 30—40-х годах. В результате этих исследований было установлено, что начальные акты пластического течения, как правило, связаны с поверхностными слоями кристалла [55, 56]. Позднее также на основании рентгенографических исследований аналогичный вывод был сделан в работе [57]. В дальнейшем гипотеза о преимущественном пластическом течении в приповерхностных слоях кристалла на начальных стадиях деформирования получила подтверждение электронографическими, поляризационно-оптическими, металлографическими и другими методами исследования. Наиболее сильно влияние поверхностных слоев на общий процесс макроскопической деформации проявляется на монокристаллах металлов и химических соединений в специфических условиях внешней среды (газовой, жидкой, в присутствии поверхностных пленок и т. д.) [54]. Однако аномальное-

Сухой остаток вод подземного происхождения отличается высокой стабильностью в течение года. В водах поверхностных источников напротив наблюдается довольно значительные его годовые и сезонные изменения.

Опыт авторов подтверждает пригодность данной формулы для приближенной оценки стабильности воды поверхностных водоисточников. Теплообменные аппараты в прямоточной системе с охлаждающей водой поверхностных источников, как правило, не страдают от образования карбонатных отложений.

Грунтовая вода, находящаяся длительное время в пределах нейтральной' зоны земля, наоборот, сохраняет довольно постоянную температуру, приближающуюся к средней годовой температуре воздуха в данной местности. Поэтому температура подобных грунтозых вод летом значительно ниже, а зимой выше температуры воды поверхностных источников.

Абсолютное содержание (насыщение) минеральных наносов, т. е. влекомых водой ча•• етиц в водах поверхностных источников наиболее удобно выражать в граммах на 1 м" воды. Однако, вследствие относительной сложности непосредственного определения коли чества взвешенных веществ, содержащихся в воде, применяют методы косвенной характеристики их содержания по прозрачности и мутности воды. Оба способа основаны на зрительном впечатлении. Удобнее характеризовать воду по второму способу, сравнивая с определенным стандартом мутности. Определенная таким способом мутность пропорциональна (но не равна) содержанию в воде взвешенных веществ.

чески целесообразными конденсационные поверхностные теплообменники, которые обеспечивают глубокое охлаждение продуктов сгорания природного газа ниже точки росы. Это направление получило значительное развитие за рубежом при создании конструкций отопительных котлов малой мощности, начинает разворачиваться оно и в СССР. В связи с этим следует проанализировать и сопоставить преимущества и недостатки контактных и поверхностных конденсационных теплообменников, определить наиболее рациональные области применения каждого из указанных типов.

Если исходить из того, что в нормально эксплуатируемом котле коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания природного газа составляет около 1,2—1,3, то точка росы таких газов близка к 53—55 °С. Из этого следует, что для работы котла в режиме конденсации всей его конвективной части требуется, чтобы температура нагрева воды в конвективном пакете не превышала 50 °С. В топках водогрейных котлов малой производительности обычно передается не менее 60 % теплоты, воспринимаемой котлом. Следовательно, перепад температур в отопительной системе при температуре обратной воды 20 °С должен быть (50 — 20)/(1,0 — 0,6) =75 °С, т. е. температура нагретой воды 20 + 75 = 95 °С. При температуре обратной воды 30 °С температура воды на выходе из котла должна быть (50 —30)/(1,0 —0,6)+30 = 80 °С. Аналогичным образом, при температуре обратной воды 40 °С температура ее на выходе из котла должна быть не более (50 — 40)/(1,0 — 0,6)+40 = 65 °С. Отсюда следует, что применение поверхностных конденсационных водогрейных котлов и экономайзеров для обычного перепада в системе отопления 95/70 °С неприемлемо, поскольку конденсация части водяных паров была бы возможна лишь в наиболее теплое время отопительного сезона, когда температура обратной воды ниже 40—50 °С.

Применение поверхностных конденсационных котлов и экономайзеров для отопления целесообразно, таким образом, при условии снижения температуры обратной воды отопительной системы. Соответственно снижаются и средняя температура воды и, как было показано выше, температура прямой воды, поступающей в систему. Поэтому применение поверхностных конденсационных котлов и экономайзеров для нагрева воды систем отопления неизбежно связано с определенным перерасходом металла на сооружение систем отопления. Тем не менее за рубежом конденсационные котлы и экономайзеры используют в основном именно для систем отопления.

В зарубежных периодических изданиях опубликовано немало данных о теплотехнических показателях поверхностных конденсационных теплообменников разных моди- ftj фикаций и типов. Как #/ показано на рис. Х-1, Х-2, в первую очередь представляются данные о

В США начаты освоение и выпуск поверхностных конденсационных экономайзеров для паровых котлов. В котельной фирмы «Тимкен» (Timken) испытан поверхностный экономайзер, установленный за котлом паропроизводительностью 20 т/ч. Температура газов на входе в экономайзер 200, на выходе из него 45 °С. Вода в экономайзере (22 т/ч) нагревается с 17 до 46 °С. Теплопроизводительность теплообменника (экономайзера) более 1,1 Гкал/ч. Несмотря на весьма высокую стоимость его установки (242 тыс. дол), срок окупаемости затрат около 1,5 лет. Нагретая вода используется после обработки для питания котлов, а также для других производственных нужд. Установка подобных экономайзеров повышает к.и.т. на 9—13 %

Следует подчеркнуть, что широкое распространение конденсационных поверхностных котлов и конденсационных блоков-приставок (экономайзеров) к традиционным котлам объясняется соображениями не только энергосбережения, но и экологическими, поскольку определенное количество вредных оксидов углерода, азота и серы (если она содержится в топливе) растворяется в конденсате. Именно благодаря этому и снижается рН конденсата. Таким образом, в конденсационных поверхностных аппаратах наряду со снижением удельного расхода топлива уменьшаются и вредные выбросы в атмосферу, правда, добавляется проблема нейтрализации конденсата перед его сбросом в канализацию, за исключением котлов теплопроизводитель-ностью менее 0,045 Гкал/ч. Снижение вредных выбросов в поверхностных конденсационных котлах в определенной степени достигается также и за счет уменьшения расхода топлива, а не только за счет растворения газов в конденсатной пленке. В тех случаях, когда концентрация вредных выбросов в конденсационных котлах превышает нормативную, требуется установка устройств для мокрой очистки газов типа скрубберной, поскольку для более полного улавливания вредных выбросов необходима, как и для тепло- и массообмена, большая поверхность контакта и другие условия орошения, аналогичные тем, которые достигаются в контактных экономайзерах и котлах. Отсюда нетрудно сделать вывод о том, что, во всяком случае с точки зрения экологической, последние имеют несомненные преимущества перед конденсационными поверхностными теплообменниками и котлами.

Проведенное нами приближенное сопоставление показало, что по металлоемкости конденсационный поверхностный теплообменник, изготовленный из сребренных труб, почти не уступает чисто контактному, а может быть, даже выгоднее. Контактно-поверхностные теплообменники по металлоемкости уступают лучшим поверхностным. Аэродинамическое сопротивление контактных и конденсационных поверхностных теплообменников примерно одинаковое. Определенные преимущества контактных теплообменников — весьма простые технология и материал изготовления (листовая сталь). Для поверхностных конденсационных агрегатов серьезной технологической операцией служит оребрение гладких труб, а применение более дефицитных труб — несомненным недостатком.

1. По интенсивности теплообмена, аэродинамическому сопротивлению и компактности (в случае применения в конденсационных поверхностных теплообменниках высокоэффективных ребристых биметаллических труб) оба типа теплообменников (поверхностный и контактный) примерно равноценны и каких-либо ощутимых преимуществ друг перед другом не имеют.

4. Крупнейшим недостатком поверхностных конденсационных теплообменников является выпадение неразбавляемого водой конденсата с рН = 4-=-5, что требует применения кислотостойкой стали для изготовления «мокрой части» котла и теплообменника (являющейся в СССР весьма дефицитной), а в установках производительностью более 100—200 Мкал/ч — сооружения устройств для нейтрализации кислоты перед сбросом ее в канализацию и персонала, умеющего грамотно провести эту операцию. На данном этапе эти обстоятельства сдерживают применение поверхностных конденсационных теплообменников в установках высокопроизводительных. В контактных теплообменниках выпадающий из газов конденсат разбавляется водой, нагреваемой в тешюобменике, и поэтому его нейтрализации не требуется, поскольку рН>6,6-=-6,8.

5. Еще одним существенным отличием и недостатком конденсационных поверхностных котлов, нагревающих воду систем отопления, является необходимость обязательного поддержания стабильного коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания на минимально возможном уровне.

Итак, экономические показатели контактных и контактно-поверхностных конденсационных утилизаторов весьма высоки, что доказано многолетней практикой в СССР. Выше было показано, что поверхностные конденсационные теплоутилизационные теплообменники и котлы (судя по зарубежной практике последних 10 лет) по своим технико-экономическим данным, видимо, близки к контактным и контактно-поверхностным установкам. Помимо высоких экономических показателей и наличия проверенных технических решений, т. е. эффективных конструкций и схем их установки, при решении вопроса о широком внедрении оборудования для глубокого охлаждения продуктов сгорания природного газа нельзя не учитывать ограниченность запасов газа. Проблема экономного расходования газа актуальна для всего мирового сообщества. Именно этим и объясняется быстрое развитие техники глубокого охлаждения дымовых газов, начатое более 30 лет назад в СССР, а затем спустя 10—15 лет в странах Западной Европы и США. В этой связи нельзя не согласиться с Р. Кремером о том, что «коэффициент использования высшей теплоты сгорания топлива (т. е. его скрытой теплоты) является показателем уровня техники» [199].