Dla określenia wpływu poszczególnych czynników na temperaturę ścian­ki t₂ posłużymy się metodą graficzną. W tym celu przyjmiemy naj­pierw ustalone wartości temperatur t₁, i t₂ oraz oporów cieplnych
,
,
jako wartości wyjściowe, określimy temperaturę ścianki t_s2 i zbadamy jakim podlega ona zmianom gdy zmienia się t₂, t₁ − t₂ i q. Wy­kres na rysunku 6 przedstawia gra­ficzną metodę określania temperatur ścianki t_sl i t_s2, gdy dane są temperatury obu czynników oraz war­tości oporów cieplnych. Rozpatrzmy najpierw wpływ zmiany temperatury wrzenia t₂ dla q = const i t₁ − t₂ = const (rysunek 7).

Rys.7 Wpływ zmiany temperatury wrzenia na temperatury ścianki.

Przy wzroście temperatury z t₂ na t₂', a więc i wzroście ciśnienia w wyparowniku współczynnik przejmowania ciepła α₂ zmienia się według przybliżonej zależności:

gdzie p' i p oznaczają ciśnienie nasycenia odpowiadające rozpatry­wanym dwom temperaturom wrzenia roztworu t₂' i t₂. Wartość oporu cieplnego przy temperaturze t₂' bę­dzie zatem nieco mniejsza aniżeli opór cieplny przy temperaturze t₂.

Opór cieplny
pozostaje bez zmiany, natomiast opór cieplny od strony czynnika grzewczego musi zo­stać zwiększony o ile chcemy utrzy­mać stałe wartości q i t₁ −t₂.Uzy­skać to można zmniejszając natężenie przepływu wody grzewczej. Nowa war­tość oporu cieplnego
określa nam temperaturę ścianki t_2s, która jak widać z rysunku 7 jest większa od temperatury t_s2. Oznacza to, że Rys.8 Wpływ zmiany temperatury czynnika grzewczego na temperatury ścianki.

wzrost ciśnienia w wyparowniku przy zachowaniu q = const i t₁ − t₂ = const pociąga za sobą zawsze wzrost temperatury ścianki, a więc wzrost ilości powstających osadów. Jeżeli zmienia się tylko temperatura czynnika grzewczego t₁, natomiast t₂ i q pozostaje bez zmiany, wówczas temperatura ścianki t_s2 nie ulega zmia­nie, co uwidacznia rysunek 8 pod warunkiem, że nie zmienia się wartość gęstości strumienia ciepła q.

Spełnienie tego wa­runku wymaga odpowiedniej zmia­ny współczynnika przejmowania ciepła α₁, w zależności od zmiany temperatury t₁. Wzrost temperatury t₁ pociąga za so­bą konieczność zmniejszenia współczynnika α₁, jej spadek natomiast - zwiększenia α₁. Z warunku stałej gęstości strumienia ciepła q wynika, że zmiana różnicy temperatur musi być pro­porcjonalna do zmiany całkowitego oporu cieplnego, a zatem punkt określający temperaturę t₁' będzie leżeć na prostej wyznaczonej temperaturami t₁ i t₂. Zwiększenie gęstości strumienia ciepła z q na q' przy zachowaniu stałej temperatury t₂ i różnicy temperatur t₁ - t₂ powoduje wzrost wartości współczynnika α₂ w przybliżeniu

według zależności :

Wartość oporu cieplnego
nie zmienia się, natomiast całkowity opór cieplny
zmniejszy się, dzięki czemu uzyska się zwiększoną gęstość strumienia cieplnego q . Jak wynika z rysunku 9 obrazu­jącego ten przypadek, przy wzroście gęstości strumienia cieplnego i zachowaniu stałej temperatury t₂ i różnicy temperatur t₁ - t₂ temperatura ścianki t_s2 maleje.

Rys.9 Wpływ zmiany gęstości strumienia cieplnego na temperatury ścianki.

W warunkach rzeczywistej eksploatacji instalacji wyparownikowych wyżej omówione zmiany trzech czynników wpływających na temperaturę ścianki nie występują oddzielnie lecz wspólnie. Tak np. obniżenie temperatury wrzenia łączy się zawsze ze wzrostem różnicy temperatur t₁ - t₂ na skutek stałej temperatury czynnika grzewczego dopływają­cego do wymiennika. Wzrasta wtedy również i gęstość strumienia ciepła, ponieważ natężenie przepływu wo­dy grzewczej nie ulega zmianie. Określenie w takim złożonym przypad­ku czy nowe warunki pracy instala­cji są mniej czy bardziej korzystne od poprzednich z punktu widzenia tworzenia się osadów jest nader pro­blematyczne, tym bardziej gdy wiado­mym jest, że nie są to jedyne czyn­niki wpływające na powstawanie osa­dów. Przy rozpatrywaniu czynników wpływających na powstawanie osadów trzeba uwzględniać jeszcze jedną, istotną w eksploatacji wielkość, którą stanowi ilość produkowanej pary wtórnej, czyli wydajność wyparownika. Jest bowiem rzeczą oczywistą, że korzystniejszymi w eksploatacji parametrami będą takie parametry pracy urządzenia przy których ilość osadów przypadająca na jednostkę wyprodukowanej wody słodkiej będzie najmniejsza. Przy wzroście gęstości strumienia ciepła ilość pary będzie wzrastać proporcjonalnie do strumienia ciepła, a zatem ilość osadów przypadających na jednostkę wyprodukowanej wody powinna być mniejsza. Tak jednak nie jest, ponieważ wzrost stężenia odparo­wywanego roztworu spowoduje wzmożenie powstawania osadów zmniejsza­jące korzyści wynikające z niższej temperatury ścianki. Utrzymanie stężenia na stałym poziomie wymaga natomiast zwiększenia ilości wody zasilającej i odprowadzanej z wyparownika, co powoduje spadek wydaj­ności i wzrost temperatury ścianki na skutek zmniejszenia współczyn­nika przejmowania ciepła α₂. Jeśli chodzi o wpływ stężenia to można stwierdzić, że wzrost zasolenia odparowywanego roztworu uzy­skiwany bądź przez zmniejszenie współczynnika szumowania, bądź też w wyniku zasilania wyparownika bardziej zasoloną wodą morską jest zawsze czynnikiem sprzyjającym powstawaniu osadów.

3.1 Metody zapobiegania powstawania osadów.

Podczas procesu odparowywania wody morskiej w wyparownikach wrzących na jego elementach grzewczych (pęki rurek, płyty) osiadają rozmaite osady, co wpływa na obniżenie współczynnika przenikania ciepła i zmniejsza w konsekwencji wydajność wyparownika. Osady te tworzą różne związki chemiczne i w zależności od ich składu różne jest znaczenie osadów dla przebiegu pracy wyparownika.

Najtwardsze i najbardziej trudno usuwalne osady, jednocześnie o małym stopniu przewodności cieplnej, tworzy osadzający się na powierzchniach wymiany ciepła siarczan wapnia (CaSO₄). Dodatkowo tego rodzaju osady mają zdolność wiązania przez siarczan wapnia innych soli w po­staci również bardzo twardych osadów.

Łatwo rozpuszczalne w wodzie morskiej sole, takie jak chlorek sodu NaCl lub siarczan sodu Na2SO₄ nie uczestniczą prawie wcale w procesie two­rzenia osadów, mimo ich dużego procentowego udziału w zasoleniu wody morskiej. Tłumaczy to duża rozpuszczalność NaCl w wodzie wzrastająca wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego tak ważne jest ograniczenie powstawania osadów z tych soli.

Siarczan wapnia CaSO₄ ma znacznie niższą rozpuszczalność w wodzie. Zależy ona od temperatury wody i koncentracji w wodzie innych soli. Wraz ze wzrostem temperatury roztworu i stopnia jego zasolenia maleje rozpuszczalność CaSO₄ w wodzie. Przy podgrzaniu wody morskiej do 50°C rozpuszczalność CaSO₄ spad­nie do ~1,0 g/1, a więc z każdego litra wody wydzieli się 1,5 —1,0= ~0.5 g CaSO₄. Dalsze podgrzewanie wody powoduje zwiększenie wydzielania CaSO₄ z roztworu. I tak przy podgrzaniu do 110°C (w wy-parowniku nadciśnieniowym) z roztworu wydzieli się dodatkowo ~0,82 g/1 CaSO₄, ponieważ rozpuszczalność siarczanu wapnia w wodzie spadnie do ~0,2 g/l. Podczas odparowywania części wody w wyparowniku rośnie stopień zasolenia wody morskiej, czyli tzw. solanki. Powoduje to dodatkowe wy­dzielanie się CaSO₄ w stałej temperaturze podgrzania, ponieważ przy wzroście zasolenia maleje rozpuszczalność CaSO₄ w wodzie.

Zjawisko wydzielania się CaSO₄ z odparowywanej wody morskiej wy­stępuje szczególnie intensywnie w wyparownikach wrzących typu nad-ciśnieniowego, w których temperatura podgrzania wody t > 100°C. Mimo że część wydzielonego z wody siarczanu wapnia zostaje wskutek powolnej jego krystalizacji usunięta z wyparownika wraz z solanką, osad na elementach grzejnych wyparownika może mieć do 50^:% twardego i trudno rozpuszczalnego anhydrytu lub gipsu.

Skład osadu występującego podczas odparowywania wody morskiej w wyparowniku zależny jest od temperatury nasycenia (a więc i od ciśnienia panującego w wyparowniku) i różnicy temperatur między czyn­nikiem grzewczym a ogrzewaną wodą morską oraz od stopnia zasolenia roztworu.

Na rysunku 10 przedstawiono udział procentowy składników w osa­dach występujących na powierzchniach ogrzewalnych wyparownika, v za­leżności od stopnia podgrzania wody.

Rys.10 Składniki osadów w wyparownikach powierzchniowych.

Linia − − − Δt = 12°C, linia ___ Δt = 44°C.

Linie ciągłe dotyczą różnicy temperatur Δt = 44°C, a przerywane Δt=12°C. Jak wynika z wykresu na rysunku 10 w. pierwszej fazie pod­grzewania głównym składnikiem osadu jest węglan wapnia CaCO₃, łatwo usuwalny z powierzchni ogrzewalnej. Przy przekroczeniu temperatury rzędu 75 do 85°C zawartość CaCO₃ w osadach gwałtownie maleje, nato­miast rośnie równie szybko procentowy udział wodorotlenku magnezu Mg(OH)₂.

Przy małej różnicy temperatur Δt=12°C zawartość procentowa CaSO₄ pozostaje przez cały czas na stałym poziomie w granicach ~1,5%, nato­miast przy dużej różnicy temperatury (Δt = 44°C), zawartość procentowa CaSO₄ gwałtownie rośnie po przekroczeniu temperatury 85°C. Równocze­śnie spada (po gwałtownym wzroście w temperaturze około 50°C) zawar­tość wodorotlenku magnezu.

W siłowniach spalinowych stosowane są obecnie wyłącznie wyparowniki wodne, wykorzystujące ciepło odpadowe wody chłodzącej silnik główny. Temperatury nasycenia możliwe do osiągnięcia wynoszą około 36 do 44°C (odpowiada to próżni 0,06 do 0,09 kG/cm²). W tych temperaturach wydzielanie się CaSO₄ jest stosunkowo niewielkie, bez względu na wielkość stosowanej różnicy temperatur między czynnikiem grzewczym a tempe­raturą nasycenia.

Drugim czynnikiem zmniejszającym wydzielanie się CaSO₄ jest utrzymywanie małego stopnia zasolenia wody w wyparowniku. Wiąże się to jednak z usuwaniem znacznej ilości podgrzanej solanki, a więc z więk­szymi stratami energetycznymi. W takim przypadku dodatkowe konieczne zwiększenie wydajności pompy zasilającej wyparownik pociąga za sobą wydzielanie się znacznie większych ilości węglanu wapnia CaCO₃, który co prawda jest łatwo usuwalny, jednakże osiadając na rurkach powierzchni wymiany ciepła w wyparowniku zmniejsza w bardzo krótkim czasie współczynnik przenikania ciepła, w wyniku czego wydajność wyparownika ostatecznie maleje.

Stosowanie wyparowników ekspansyjnych eliminuje niebezpieczeństwo pojawienia się osadów w samym wyparowniku, ponieważ nie ma on po­wierzchni wymiany ciepła, jednakże osady pojawiają się wówczas na podgrzewaczach wody morskiej, gdzie następuje podgrzanie jej do wy­maganej temperatury 40 do 45°C. W wyparownikach ekspansyjnych typu przepływowego nie spotyka się zwiększonego wydzielania CaSO₄ wraz ze zwiększaniem się zasolenia występującego przy procesie odparowania, po­nieważ solanka nie kontaktuje się z powierzchnią ogrzewalną. Zachodzą tu natomiast znaczne straty energii cieplnej unoszonej wraz z usuwaną solanką

4.Wpływ różnych czynników eksploatacyjnych na wydajność wyparownika ogrzewanego wodą [3,4,5]

Wydajność próżniowej instalacji wyparownikowej ogrzewanej wodą chłodzącą silnik główny zależy od trzech zasadniczych czynników, a mianowicie natężenia przepływu wody grzewczej, wielkości ciśnienia w wyparowniku i stanu zanieczyszczenia powierzchni wymiany ciepła. Aby poznać jaki jest wpływ wyżej wymienionych czynników, zostaną one rozpatrzone oddzielnie przy założeniu, że zmianie podlega tylko jedna z tych wielkości, natomiast pozostałe parametry pracy pozostają bez zmiany. Założenie takie jest słuszne tylko częściowo. W warun­kach rzeczywistej eksploatacji wpływy te zależnie od warunków nakła­dają się wzajemnie i aktualna w danym momencie wydajność instalacji jest wynikiem ich wspólnego oddziaływania. Zachodzące przy tym zja­wiska mają tak skomplikowany charakter, że ich teoretyczne rozpa­trzenie okazuje się niemożliwe.

4.1 Wpływ natężenia przepływu wody grzewczej.

Wzrost natężenia przepływu wody grzewczej przy stałej temperatu­rze dolotowej tej wody i ciśnieniu w wyparowniku powoduje zwiększe­nie strumienia ciepła i tym samym wzrost wydajności wyparownika. Za­chodząca zmiana strumienia ciepła spowodowana jest przede wszystkim zwiększeniem współczynnika przejmowania ciepła od strony wody grzew­czej α₁ skutkiem wzrostu prędkości wody oraz współczynnika α₂ od strony wrzącego roztworu, który rośnie ze wzrostem gęstości stru­mienia ciepła. Również średnia różnica temperatur pomiędzy czynni­kiem grzewczym a roztworem nieznacznie wzrasta, co dla stałej tem­peratury dolotowej oznacza wzrost temperatury wylotowej wody

grzewczej. Zmniejszenie spadku temperatury tej wody przy zwiększaniu natężenia przepływu powoduje, że wzrost wydajności wyparownika jest mniejszy niż przyrost natężenia przepływu. Przykładowo zwiększenie przepływu o 40% powoduje wzrost wydajności wyparownika o około 20%.

Wpływ zmiany natężenia przepływu wody grzewczej na wielkość stru­mienia cieplnego jest w eksploatacji wykorzystywany do regulacji wy­dajności. Regulację ilości wody grzewczej należy przeprowadzać na zaworze wody odlotowej, aby zapewnić przy każdym natężeniu przepływu całkowite wypełnienie, wymiennika wodą grzewczą. Układ należy wyregu­lować w ten sposób, aby osiągnąć wymaganą wydajność instalacji przy możliwie dużym spadku temperatur wody grzewczej, która powinna za­wierać się w granicach 5 ÷ 15 C, zależnie od temperatury wody dolo­towej.

Takie parametry pracy urządzenia zmniejszają bowiem niebezpieczeństwo powstawania osadów. Przy obniżonej temperaturze wody grzewczej należy oczywiście zwiększyć natężenie przepływu wody. Je­żeli wyparownik osiąga wydajność .przekraczającą wydajność nominalną, należy zmniejszyć przepływ wody grzewczej, ponieważ jego przeciąże­nie prowadzi do przyspieszonego powstawania osadów.

Rys.11 Wykres zależności ilości wody grzewczej doprowadzonej od

jego wydajności dobowej.

Pierwsza liczba − wartość temperatury wlotu wody; druga temperatura wylotu wody.

4.2 Wpływ ciśnienia w wyparowniku

Przy stałej temperaturze i natężeniu przepływu wody grzewczej oraz niezmiennym stanie zanieczyszczenia powierzchni wymiany ciepła wydajność wyparownika zależy od wielkości ciśnienia, przy którym następuje odparowanie. Wzrost ciśnienia, a więc pogorszenie się próż­ni, pociąga za sobą zmniejszenie się różnicy temperatur czynnika grzewczego i odparowywanego roztworu, a więc i zmniejszenie się wiel­kości strumienia cieplnego zgodnie z równaniem:

Q = k·F·Δt_m

gdzie:

Q - strumień cieplny w [kW],

k - współczynnik przenikania ciepła [kW/m²K],

F - powierzchnia wymiany ciepła w [m²] ,

18

25

---