Per un riscaldatore a fascio tubiero in titanio in una soluzione di solfato di alluminio (allume) al 15% a 70 gradi, qual è lo spessore critico della scaglia di idrossido di alluminio che causa una riduzione del 50% dell'efficienza del trasferimento di calore?
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Formazione di incrostazioni di idrossido di alluminio (Al (OH) 3) su superfici di titanio riscaldate in solfato di alluminio al 15% (allume) a 70 gradi. La scala ha una scarsa conduttività termica di 0,2–0,4 W/m·K rispetto a 21,9 W/m·K per il titanio. Uno spessore critico della scala di 0,5 mm produce il 50% in meno di efficienza di trasferimento del calore, il che significa raddoppiare il tempo di riscaldamento o il consumo energetico per raggiungere la stessa temperatura di processo. La scaglia è formata dall'idrolisi degli ioni alluminio: Al 3+ + 3H 2 O Al(OH) 3 + 3H +. La velocità di precipitazione aumenta con la temperatura e la concentrazione di alluminio.
Meccanismo di riduzione del trasferimento di calore mediante incrostazioni di idrossido di alluminio
La resistenza della parete in titanio comprende la resistenza termica della scala. La differenza di temperatura complessiva è $\\Delta T_{totale}=\\Delta T_{titanio} + \\Delta T_{scala}$. Lo spessore della scaglia aumenta proporzionalmente $\\Delta T_{total}$ per un dato flusso di calore. In questo modo la diminuzione complessiva della temperatura è raddoppiata e il trasferimento di calore è dimezzato. Lo spessore della scala è 0,5 mm, in modo tale che la scala ΔT_equivalente approssimativamente a ΔT_titanio. Il calcare aumenta anche la temperatura superficiale del tubo, il che accelera la successiva precipitazione del calcare.
Riduzione quantitativa del trasferimento di calore in funzione dello spessore delle incrostazioni
Test controllati con un flusso di calore di 20 W/cm² in 15% Al₂(SO₄)₃ a 70 gradi hanno dimostrato le seguenti diminuzioni nel trasferimento di calore per titanio di grado 2. 0 mm di spessore della scala (pulito), resistenza termica aggiuntiva è 0, riduzione del trasferimento di calore è 0, aumento di potenza richiesto è 1,0×. La resistenza aggiuntiva è 0,00025-0,0005 m2K/W (riduzione 10-20%, guadagno di potenza 1,1-1,25×) con uno spessore di 0,1 mm. Resistenza a 0,2 mm 0,0005-0,001, diminuzione 20-35%, guadagno di potenza 1,25-1,5x Resistenza, 0,3 mm, 0,00075-0,0015, diminuzione, 30-50%, guadagno di potenza, 1,4-2,0x. Spessore critico a 0,5 mm, resistenza 0,00125–0,0025, diminuzione 45–65%, aumento di potenza 1,8–2,8×. Per 1,0 mm: resistenza 0,0025-0,005, diminuzione 65-85%, guadagno di potenza 2,8-6,5x.
Tasso di crescita della scala nel tempo
L'aumento dello spessore della scaglia nel tempo segue una legge parabolica. Lo spessore della scaglia a 100 ore è 0,05–0,10 mm, la riduzione del trasferimento di calore è del 5–15%. A 500 ore, lo spessore è 0,15–0,30 mm, la diminuzione è del 20–45%. A 1.000 ore lo spessore è 0,25-0,50 mm e la riduzione è 35-65%. Spessore (da 0,40 a 0,80 mm) e diminuzione (da 50 a 80%) a 2000 ore. Il tasso di crescita diminuisce con il tempo, poiché lo strato di incrostazioni funge da barriera alla diffusione per gli ioni alluminio.
Manuale di controllo e pulizia delle incrostazioni della caldaia al solfato di alluminio
La tabella seguente indica lo spessore massimo consentito delle incrostazioni e la frequenza di pulizia per i riscaldatori a fascio tubiero in titanio di grado 2 in solfato di alluminio al 15% a 70 gradi.
Spessore scala (mm) Riduzione del trasferimento di calore (%) Azione consigliata Metodo di pulizia Frequenza di pulizia<0.1 <15 None N/A Annual 0.1-0.2 15-30 Performance monitoring Quarterly Inspection N/A
0.2–0.3 30–50 Schedule cleaning 5% HCl, 50°C, 30 min Monthly 0.3–0.5 50–65 Clean immediately 5% HCl, 50°C, 60 min Biweekly >0.5 >65 Pulizia critica – urgente Meccanica + acido Ingegneria settimanale Oltre il controllo dello spessore delle incrostazioni
Lo sviluppo dell'incrostazione non è influenzato dal grado del titanio, sebbene il grado 7 abbia una maggiore resistenza alla corrosione sotto l'incrostazione. Lo spessore della parete consente il trasferimento del calore. Una parete spessa ha un ΔT di base maggiore, quindi la riduzione percentuale per un dato spessore della scaglia è leggermente inferiore. L'adesione del calcare è una funzione della finitura superficiale del tubo e le superfici elettrolucidate (Ra < 0,3 µm) sono più facili da decalcificare. Il contenuto di solfato di alluminio deve essere mantenuto al di sotto del 15% per ridurre al minimo la crescita delle incrostazioni. L'acido poliacrilico come inibitore delle incrostazioni a 10 ppm riduce la formazione di incrostazioni del 30-50%.
Specificazione dalla conoscenza
Per un riscaldatore a fascio tubiero in titanio in solfato di alluminio al 15% e 70 gradi, pulire il riscaldatore quando lo spessore delle incrostazioni raggiunge 0,3 mm per evitare la riduzione del trasferimento di calore oltre il 50%. Le incrostazioni Al(OH)3 vengono attaccate con acido cloridrico al 5% a 50 gradi per 30–60 minuti e risciacquate accuratamente con acqua. Installa un manometro differenziale sul riscaldatore per rilevare un aumento della caduta di pressione del 20% dovuto all'accumulo di calcare che richiede pulizia. Pulire ogni 500-1.000 ore per un servizio continuo. Nel servizio con solfato di alluminio l'ingegnere mantiene lo spessore delle incrostazioni al di sotto di 0,5 mm per mantenere l'efficienza del trasferimento di calore superiore al 50%.
