Моделирование температурных полей при использовании аналогии процессов формирования натрубных отложений и плазменного нанесения покрытий

В соответствии с основными направлениями стратегии энергетической безопасности Российской Федерации [1] на ближайшие два десятилетия запланирован перевод большей части тепловых электрических станций, работающих на мазуте и газе, на использование натурального твердого топлива — угля. В ряду крупных научно-технических проблем, без решения которых такой переход невозможен, стоит проблема формирования натрубных отложений. Следует отметить, что первые публикации по этой тематике появились в научной печати более пятидесяти лет назад [2, 3] но, нет никаких оснований утверждать, что эта проблема полностью решена. Используемые на практике способы борьбы с натрубными отложениями представляют собой только технические решения [3], разработанные на основании анализа и обобщения информации, полученной при испытаниях котельного оборудования с использованием конкретных углей и ряда аэродинамических схем их сжигания.

Работа любого котла сопровождается загрязнением наружных поверхностей нагрева. При высоких температурах в топочных камерах частицы летучей золы могут переходить в расплавленное или размягченное состояние. На экранах и ширмах топки во многих случаях возможны отложения шлака. Зашлаковыванию подвергаются также трубы поверхностей нагрева, расположенные на выходе из топки (ширмы, фестоны, конвективные пучки). В этом случае рост золовых отложений приводит к забиванию проходов между трубами и к частичному или полному перекрытию сечения для прохода газов [4].

Золовые отложения уменьшают тепловосприятие поверхностей нагрева и повышают температуру продуктов горения, что может привести к нарушению нормального гидравлического режима работы котла. Это происходит за счет комплекса взаимосвязанных процессов: роста толщины слоя отложения, увеличения температуры их нагреваемой поверхности за счет повышения’термического сопротивления слоя, снижения интенсивности теплоотвода в водяные экономайзеры, пароперегреватели, воздухоподогреватели и последующее ухудшение условий работы всех систем парогенерирования в целом. Поэтому, при работе любого котельного оборудования предусматривается операция очистки поверхностей нагрева от натрубных отложений. Такая операция необходима при использовании практически всех углей. Но наиболее сложной, трудоёмкой и затратной она является при работе на углях с высокой зольностью (например, Канско-Ачинского бассейна), которые, тем не менее, остаются до настоящего времени весьма перспективными для использования на тепловых электрических станциях. Более того, угли этого бассейна являются для многих ТЭС Сибири наиболее экономически эффективным топливом на несколько ближайших десятилетий при условии отработки технологий борьбы с натрубными отложениями.

Процессы в паровых котлах, определяемые свойствами минеральной части топлива, остаются актуальными для исследований, поскольку на длительную перспективу основу энергетики составляют угольные тепловые электрические станции [5, 6, 7].

Современное состояние проблемы характеризуется, с одной стороны, довольно глубоким проникновением в существо происходящих явлений и пониманием механизма в целом, с другой стороны, утверждением представлений о многообразии факторов, влияющих на загрязнение поверхностей нагрева, а в итоге — о большой сложности процессов [7−19].

Но до настоящего времени не опубликовано результатов математического моделирования температурных полей натрубных отложений с учетом динамики осаждения твердых продуктов сгорания натурального минерального топлива.

Модели формирования и роста золовых отложений необходимы для определения зависимости степени загрязнения для характерных зон котла от времени, которые используются для принятия решенияо возможности использования определенного топлива, максимальной допустимой нагрузке, регламенте работы средств очистки и др. [7]. Так, например, увеличение температуры поверхности слоя отложений на 100 °C приводит к уменьшению величины теплового потока от продуктов сгорания угля в рабочие каналы экономайзеров < и пароперегревателей до 15% [3]. Последнее эквивалентно избыточному сжиганию топлива' на 12−15%. При этом масштабы потерь существенно зависят от состава минеральной части углей, так как теплофизические характеристики «спеченного» шлака (коэффициент теплопроводности, плотность и удельная теплоёмкость) достаточно значимо" зависят от типа месторождения.

Необходимо отметить, что угли каждого месторождения обладают специфическими свойствами. Отличия, например, по составу минеральной части могут быть настолько значительными, что переход с одного* типа месторождения! на другое в некоторых случаях котельного оборудования< просто невозможен. При этом также вероятны достаточно значимые отличия в твердых продуктах сгорания углей даже одного крупного месторождения [12, 13]. Присутствие в минеральной части компонент определенного типа.

4] приводит к изменению условий образования натрубных отложений, их структуры, прочности и теплофизических характеристик.

Совокупность физико-химических процессов, протекающих при формировании в процессе горения угля твёрдых продуктов сгорания, настолько обширна и многогранна, что до последнего времени (по состоянию на время написания диссертации) не было разработано даже общей физической модели формирования, как минеральной части углей, так и непосредственно натрубных отложений. Только в диссертации А. С. Заворина.

5] сформулированы физические основы физико-химических превращений минеральной части Канско-Ачинских углей в процессе горения и осаждения на трубные поверхности.

В связи с этим до настоящего времени не сформулирована и общая или даже частные математические модели, описывающие обсуждаемые физико-химические процессы. Сложность рассматриваемых превращений состоит не только в их многообразии и многогранности. Трудности моделирования обусловлены обилием характеристик, как самой минеральной части, так и процессов, протекающих при формировании отложений. Эти эмпирические постоянные различаются достаточно существенно для разных углей. Например, температуры плавления минеральной части отличаются на 300 -400 К.

Создание компактной^ опирающейся на минимальное количество эмпирических постоянных, модели может позволить существенно сократить затраты на разработку технологий сжигания углей и очистки трубных поверхностей'. Так, например теоретическое варьирование параметров, характеризующих аэродинамику и тепломассоперенос топочного процесса^ может позволить спрогнозировать последствия трансформации минеральной! части в зависимости от изменения* геометрических и гидродинамических характеристик топочного пространства.

Учет реального состояния твердых продуктов сгорания углей и процесса взаимодействия частиц летучей золы с поверхностью отложений может обеспечить получение достоверной информации о температурном поле и толщине слоя шлака. В результате возможно прогнозирование процессов шлакообразования не только в некоторых, отработанных на специальных стендах режимах, но и в широком диапазоне изменения основных эксплуатационных параметров. Создание комплексной модели, учитывающей весь комплекс физико-химических превращений минеральной части от горения до «спекания» в слое отложений, является весьма сложной задачей. Решение её пока в полной постановке невозможно из-за отсутствия необходимых эмпирических постоянных для её реализации. Но и решение задачи о температурном поле слоя отложений с учётом динамики осаждения частиц золы является важным этапом построения общей теории формирования натрубных отложений. Также необходимо отметить, что математическое моделирование рассматриваемых в данной работе процессов создаёт реальные предпосылки для перехода на модели, опирающиеся1 на минимальное число достаточно легко определяемых эмпирических характеристик и постоянных.

Целью работы является создание математической модели, описывающей тепловой режим (температурные поля)"шлаковых отложений, при осаждении* одиночных частиц^ летучей золы на трубных поверхностях. Необходимо • отметить, что процессы аналогичные описанным, протекают и при реализации, другого очень важного технологического процесса. Это процесс нанесения упрочняющих изащитных порошковых покрытийна, поверхности деталей* машин и аппаратов, работающих в условиях интенсивных тепловых, механических, газодинамических и. термохимических воздействий [24−30]. Эта проблема имеет самостоятельное t значение и> её решение может существенно повысить качество прогностическогомоделирования технологических процессов нанесения-порошковых защитных и упрочняющих покрытий. До настоящего времени нет полной замкнутой теории процесса формирования таких покрытий с учетом внедрения частицы в подложку. Поэтому разрабатываемая в диссертации теория тепловых режимов натрубных отложений при осаждении частиц летучей золы была использована также и для описания процессов теплопереноса в системе «частица — подложка» при плазменномнанесении порошковых покрытий.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи.

1. Разработка математической модели теплопереноса в слое натрубных отложений с учетом динамики осаждения частиц летучей золы на нагреваемых поверхностях.

2. Разработка метода решения задачи о температурном поле натрубных отложений в условиях нестационарного осаждения частиц летучей золы.

3. Численное моделирование процесса нестационарной одномерной теплопроводности в слое натрубных отложений при осаждении частиц летучей золы на нагреваемой поверхности.

4. Создание математической модели теплопереноса в системе «частица летучей золы — слой натрубных отложений» в условиях внедрения частицы.

5. Разработка метода решения задачи о температурном поле системы «частица летучей золы — слой отложений».

6. Численное моделирование процесса нестационарной двумерной теплопроводности в системе «частица золы — слой отложений» в условиях внедрения частицы.

7. Создание математической модели теплопереноса в системе «частица металла — подложка» в условиях высокотемпературного нанесения порошковых покрытий на поверхность деталей.

8. Численное моделирование процесса нестационарной двумерной теплопроводности в системе «частица расплавленного металла в оболочке из закристаллизовавшегося материала — подложка» в условиях внедрения частицы в плавящуюся подложку.

3.5. Выводы по главе.

1. Сформулирована математическая модель процесса формирования температурных полей в системе «частица — подложка» при высокотемпературном нанесении порошковых упрочняющих или защитных покрытий.

2. Решена задача о температурном поле системы «частица — подложка» при внедрении частицы в плавящуюся за счет энергии последней подложку:

3. Впервые проведены численные исследования изучаемого процесса и выделены основные закономерности формирования температурных полей в рассматриваемой системе.

4. Показана возможность реализации сформулированного механизма, внедрения частицы в положку (формирования покрытия) в типичных условиях плазменных технологий.

5. На основании результатов выполненных теоретических исследований выработаны рекомендации по совершенствованию технологий высокотемпературного нанесения защитных или упрочняющих покрытий.

6. Показана аналогия между процессами формирования натрубных отложений котельного оборудования и создания упрочняющих или защитных порошковых покрытий в условиях реализации высокотемпературных технологий.

7. Проведены экспериментальные исследования процесса внедрения нагретой до высоких температур частицы в подложку, нагретую до близких к температуре плавления металла, из которого она изготовлена, температур. Обоснована возможность реализации на практике исследуемого в диссертации механизма внедрения «горячих» частиц в относительно «холодные» подложки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

• Впервые сформулирована математическая модель теплопереноса в слое шлаковых отложений с учётом динамики осаждения одиночных частиц на поверхность слоя отложений.

• Впервые решена задача о температурном поле натрубных отложений типичных элементов конструкции котельного оборудованияпароперегревателя и экономайзера с учётом динамики осаждения частиц летучей золы.

• Впервые получены распределения температур по толщине слоя отложения для типичных углей и условий сжигания в рамках одномерной модели с учётом процесса осаждения одиночной частицы.

• Сформулирована физическая модель формирования слоя шлаковых отложений при частичном внедрении одиночной частицы золы в слой отложений.

• Разработана математическая модель, описывающая температурное поле системы «частица золы — слой отложений» при внедрении частицы в шлак.

• Решена задача о температурном поле системы «частица золы — слой шлаковых отложений» при внедрении частицы в шлак.

• Сформулирована физическая модель процесса теплопереноса при внедрении частицы расплавленного металла в поверхностный слой упрочняемой детали.

• Разработана математическая модель процесса теплопереноса в системе «частица металла — подложка» для условий плазменного нанесения порошковых упрочняющих покрытий.

• Решена задача о температурном поле системы «частицаметалла — подложка» при плазменном нанесении упрочняющих покрытий в условиях внедрения частицы в подложку.