파울링

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오염은 고체 표면에 불필요한 물질이 축적되는 것입니다.오염 물질은 생물(바이오 오염) 또는 무생물(유기 또는 유기)으로 구성될 수 있습니다.파울링은 일반적으로 정의되고 유용한 기능을 수행하는 구성요소, 시스템 또는 플랜트의 표면에서 발생하며 파울링 프로세스가 이 기능을 방해하거나 방해한다는 점에서 다른 표면 성장 현상과 구별된다.

오염을 설명하기 위해 문헌에서 사용되는 다른 용어로는 퇴적물 형성, 외피, 파쇄, 퇴적, 스케일링, 비늘 형성, 슬래깅 및 슬러지 형성이 있습니다.마지막 6개의 용어는 반칙보다 더 좁은 의미를 가지며, 이 범위를 벗어난 의미도 있으므로 주의해야 한다.

오염 현상은 선체 오염, 해양 환경 내 자연 표면 오염(해상 오염), 냉각수나 가스에 포함된 성분을 통한 열전달 성분 오염, 심지어 화성의 치아나 태양전지판 퇴적물 등에 플라그나 결석이 생기는 등 흔하고 다양하다.

이 문서는 주로 산업용 열 교환기의 파울링에 대해 다루고 있지만, 일반적으로 다른 종류의 파울링에도 동일한 이론을 적용할 수 있습니다.냉각 기술 및 기타 기술 분야에서는 매크로 파울링과 마이크로 파울링을 구분합니다.둘 중, 마이크로 파울링은 보통 예방하기가 더 어렵고, 따라서 더 중요하다.

오염되기 쉬운 구성 요소

파울링의 영향을 받을 수 있는 구성 요소의 예 및 파울링의 영향:

• 열교환기 표면 – 열효율 감소, 열유속 감소, 고온측 온도 증가, 저온측 온도 감소, 저습지 부식 유발, 냉각수 사용 증가
• 배관, 유로 – 흐름 감소, 압력 강하, 상류 압력 증가, 에너지 소비 증가, 흐름 진동, 2상 흐름의 슬래깅, 캐비테이션 발생, 다른 곳에서 흐름 속도 증가, 진동 유발, 흐름 ^[1]막힘의 원인이 될 수 있습니다.
• 선체 – 추가 항력 발생, 연료 사용량 증가, 최대 ^[2]속도 감소
• 터빈 – 효율성 감소, 고장 가능성 증가
• 태양 전지판 – 발전되는 전력을 감소시킨다.
• 역삼투막 – 압력 강하, 에너지 소비량 증가, 플럭스 감소, 막 기능 상실(심각한 경우)^[3]
• 전기 발열 소자 – 소자의 온도를 높이고 부식을 증가시키며 수명을 단축합니다.
• 화기통 - 챔버 압력 증가, 총구 로더의 로딩 방해
• 가압수형 원자로의 핵연료 – 축방향 오프셋 이상,^[4] 발전소의 등급을 낮출 필요가 있을 수 있다.
• 분사/분사 노즐(예: 용해로에 연료를 분사하는 노즐) – 분사량이 잘못됨, 분사량이 잘못됨, 분사량이 잘못됨, 부품 비효율, 부품 고장;
• 벤추리 튜브, 오리피스 플레이트 – 유량 측정이 부정확하거나 부정확함;
• 비행기의 피토 튜브 – 비행기 속도의 부정확하거나 부정확한 표시
• 차량 내 스파크 플러그 전극 – 엔진 ^[5]오연소;
• 석유 저장고 및 유정의 생산 구역 – 시간에 따른 석유 생산 감소; 막힘; 경우에 따라서는 ^[6]수일 내에 흐름이 완전히 중단됨;
• 치아 – 치아 또는 잇몸 질환을 촉진하고 미관을 저하시킵니다.
• 생물 – 조직에 여분의 미네랄(예: 칼슘, 철분, 구리)이 축적되는 것은 (때로는 논쟁적으로) 노화/노화와 관련이 있다.

매크로 파울링

매크로 오염은 생물학적 또는 무기적 기원의 거친 물질(예: 산업적으로 생산된 폐기물)에 의해 발생합니다.이러한 물질은 외해, 강, 호수 등의 수원에서 냉각수 펌프를 통해 냉각수 회로로 유입된다.냉각 타워와 같은 폐쇄 회로에서는 개방된 운하를 통해 또는 바람에 의해 냉각 타워 분지로 매크로 파울링이 유입될 수 있습니다.냉각탑 내부 일부가 분리되어 냉각수 회로로 운반되는 경우가 있습니다.이러한 물질은 열교환기의 표면을 오염시키고 관련 열전달 계수의 열화를 일으킬 수 있습니다.또, 플로우 막힘이 생기거나, 컴포넌트내의 플로우가 재배포되거나, 플렛팅에 의한 손상이 발생할 수 있습니다.

예

• 인공 폐기물
• 부품의 분리 내부 부품
• 유지보수 후 실수로 방치된 공구 및 기타 "이물질"
• 녹조류
• 홍합
• 잎사귀, 식물의 일부, 몸통 전체까지.

마이크로 파울링

마이크로 파울링의 경우 다음 사이에 ^[7]차이가 있습니다.

• 수용액(예: 탄산칼슘 또는 황산칼슘)의 고체염, 산화물 및 하이드록시드의 결정화와 같은 스케일링 또는 침전 오염
• 입자 오염, 즉 표면에 입자(일반적으로 콜로이드 입자)가 축적됨
• 부식 오염, 즉 탄소강 표면의 자철석 등 부식 퇴적물의 현장 성장
• 가열면의 유기물 분해 또는 중합 등 화학반응 오염
• 응고 오염 - 녹는점이 높은 유체의 구성 요소가 과냉각 표면에서 동결될 때
• 박테리아나 조류의 정착지 같은 생물 오염
• 복합 파울링 - 파울링에 둘 이상의 파울링 또는 파울링 메커니즘이 수반됩니다.

강수 오염

스케일링 또는 침전 오염은 용액에서 나온 고체염, 산화물 및 수산화물의 결정화를 수반한다.이것들은 대부분 수용액이지만 비수성 강수 오염도 알려져 있다.침전 오염은 경수로 작동하는 보일러와 열 교환기에서 매우 일반적인 문제이며 종종 라임스케일이 발생합니다.

온도 변화 또는 용매 증발 또는 탈기화를 통해 염분 농도가 포화도를 초과하여 고체(일반적으로 결정)의 침전을 초래할 수 있습니다.

예를 들어, 자연수에 항상 존재하는 쉽게 용해되는 중탄산칼슘과 잘 용해되지 않는 탄산칼슘 사이의 평형을 다음과 같은 화학식으로 나타낼 수 있다.

$({displaystyle {{ca(HCO3)2}_{(수성)}->{CaCO3(v)}+{CO2}\!(<row>+H2O}}}}$

이 반응을 통해 형성된 탄산칼슘은 침전된다.반응의 온도 의존성 및 온도 증가에 따른 CO의₂ 휘발성 증가로 인해 열교환기의 뜨거운 출구에서 냉각기 입구보다 스케일링이 더 높습니다.

일반적으로 온도 또는 증발 유무에 대한 소금 용해도의 의존성은 종종 강수 오염의 원동력이 됩니다.중요한 차이점은 온도에 대한 용해성의 "정상" 또는 "역행" 의존성을 가진 소금들 사이의 차이입니다."정상" 용해도를 가진 소금은 온도가 상승함에 따라 용해도가 증가하므로 냉각 표면이 오염됩니다."역류" 또는 "역류" 용해도를 가진 소금은 가열 표면을 오염시킵니다.용해성의 온도 의존성의 예를 그림에 나타낸다.황산칼슘은 역행 용해성으로 인해 가열 표면의 일반적인 침전 오염제입니다.

가열 또는 기화가 없는 경우에도 강수 오염이 발생할 수 있습니다.예를 들어 황산칼슘은 압력이 낮아짐에 따라 용해도가 저하된다.이로 인해 유전에 있는 저수지와 유정이 침전 오염되어 시간이 ^[8]지남에 따라 생산성이 저하될 수 있습니다.역삼투 시스템에서 막의 오염은 이온 ^[3]강도가 다른 용액에서 황산바륨의 용해도 차이로 인해 발생할 수 있다.마찬가지로 침전 오염은 액체 섬광, 액체 탈가스, 산화환원 전위 변화 또는 양립할 수 없는 유체 흐름의 혼합과 같은 다른 요인에 의해 유도되는 용해성 변화 때문에 발생할 수 있다.

다음은 산업적으로 일반적인 침전 오염 퇴적물의 몇 가지 단계를 나열한 것이다.

• 탄산칼슘(칼슘산염, 아라고나이트는 보통 t > ~50 °C 또는 드물게 바테라이트)
• 황산칼슘(무수물, 반수화물, 석고)
• 옥살산칼슘(예: 비어스톤)
• 황산바륨(바라이트)
• 수산화마그네슘(브루사이트), 산화마그네슘(페리클레이스)
• 규산염(세르펜틴, 아크마이트, 자이로라이트, 겔렌나이트, 비정질 실리카, 석영, 크리스토발라이트, 펙톨라이트, 조노트라이트)
• 산화 알루미늄 하이드록시드(보암석, 깁사이트, 디아스포어, 코룬덤)
• 알루미늄 규산염(아날카이트, 캔크리네이트, 노셀라이트)
• 구리(금속 구리, 구리, 테너라이트)
• 인산염(히드록시아파타이트)
• 매우 순수한 ^[9]저철수에서 나오는 자철 또는 니켈 페라이트(NiFeO₂₄).

강수량에 의한 퇴적 속도는 종종 다음과 같은 공식으로 설명된다.

전송: ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{d}{}}$ t ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle {}_{}{}_{}{t}_{}}$ ( ${\displaystyle C_{}}$b - ${\displaystyle {}_{}{i}_{}}$) { $displaystyle$\ $frac${ $dm$} { $dt$ } =$k$_ { $t$（ $C$_ { $b$} - $C$_ { $i$} ）

표면결정화: ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{d}{}}$ t ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle k{}_{}{r}_{}}$ ( ${\displaystyle C_{}}$i - ${\displaystyle {}_{}{}^{}{e}_{}}$ )${\displaystyle {{n\mathrm{}}_{}}^{}}$ 1$${ $displaystyle${$frac {dm$} {$dt$} = {$k_{r}$ ($C_{i}-C_{e})^{n_{$1}}

전체: d ${\displaystyle \frac{m}{}}$ ${\displaystyle \frac{d}{}}$ t ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle k_{}}$d ( C${\displaystyle {}_{}{b}_{}}$ - ${\displaystyle C_{}{}^{}}$e )${\displaystyle {{n\mathrm{}}_{}}^{}}$ 2$$( \ $displaystyle$\$frac { dm$ } { $dt$ }$= k$_ { d } ( C$_${ b$$} - C _ { $e$)^ n$_$ {2$}$}

여기서:

${\displaystyle m}${\$displaystyle$ m$}$ - 재료의 질량(단위 표면적당), kg/m²

${\displaystyle t}$ $\$ $displaystyle$t - 시간, s

${\displaystyle C_{}}$b(\$displaystyle C_{$b})$$ - 유체 부피의 물질 농도(kg/m³)

$(\$ - 계면의 물질 농도(kg/m³)

${\displaystyle C_{}}$e \ $displaystyle C_{e}$ - 계면 조건에서의 물질의 평형 농도, kg/m³

${\displaystyle {}_{}}$n 1,${\displaystyle {}_{}{n\mathrm{}}_{}}$2 ({$displaystyle n_{1}, n_{2}})$ - 결정화 반응의 반응 순서와 전체 증착 공정의 무차원

${\displaystyle k_{}}$ t${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle r_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ \$style k_{t}, k_{r}, k_{d}$ - 운반, 표면 반응 및 전체 증착 반응에 대한 운동 속도 상수(${\displaystyle {n\mathrm{}}_{}}$ 1 $=$ ${\displaystyle {n\mathrm{}}_{}}$ 2 ${\displaystyle {}_{}}$ {$display n_{1$} =$n_{1$}$$= 1 )

미립자 오염

물 또는 가스 중에 부유된 입자에 의한 오염은 강수 오염과는 다른 메커니즘에 의해 진행됩니다.이 과정은 보통 콜로이드 입자, 즉 최소 1차원에서 약 1μm보다 작은 입자(그러나 원자 치수보다 훨씬 큰 입자)에 가장 중요하다.입자는 여러 메커니즘에 의해 표면으로 운반되며, 예를 들어 응집 또는 응고에 의해 부착될 수 있습니다.콜로이드 입자의 부착은 일반적으로 전기력을 수반하며, 따라서 입자 거동은 거시적 세계에서의 경험을 방해한다.부착 확률은 "고착 가능성",$$P {$displaystyle$ P$\}$^[7]라고도 $합니다.$

${\displaystyle k_{d}=표시_{t}}$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 k d$$\ $display$ style $k$_ { $d$} $k$ ${\displaystyle k_{}}$t \ $display style$ k $_${ t }는$$ 각각 증착 및 이송의 운동 속도 상수입니다.콜로이드 입자의 P$(\displaystyle$ P$)$ $값$은 표면 화학, 기하학 및 국소 열수 조건의 함수이다.

부착 확률을 사용하는 대안으로 1차 ^[10][11]반응을 가정하여 운동 부착 속도 상수를 사용하는 것이 있습니다.

${\displaystyle\frac {dm}{dt}={k_{a}}C_{i}}$

그런 다음 전달 및 부착 운동 계수가 직렬로 발생하는 두 가지 프로세스로 결합됩니다.

${\displaystyle k_{d}=\leftfrac {1}{k_{a}}+{\frac {1}{k_{t}}\right}^{-1}$

${\displaystyle\frac {dm}{dt}={k_{d}}C_{b}}$

여기서:

• ${\displaystyle \frac{d}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{d}{}}$ t$$\ $displaystyle$\ $frac${$dm$} { $dt$}는$$ 입자별 증착 속도(kg⁻² m s⁻¹ )입니다.
• ${\displaystyle k_{}}$ a${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle k_{}}$ t${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle k_{}}$d {\$style k_{a$},$k_{t$},$k_{$d}는$$ 증착의 운동속도 상수이다.m/s,
• $(\$ C_${i})$ $및$ $(\$는 각각 계면 및 벌크 유체에서의 입자 오염물질 농도(kg⁻³ m)입니다.

기본적으로 표면 화학 현상이기 때문에 이 오염 메커니즘은 콜로이드 안정성에 영향을 미치는 요인(예: 제타 전위)에 매우 민감할 수 있습니다.최대 오염률은 일반적으로 파울링 입자와 기판이 반대 전하를 띠거나 둘 중 하나의 제로 전하의 근방에 있을 때 관찰된다.

콜로이드 치수보다 큰 입자는 침전("침전 파울링") 또는 작은 크기의 개구부에 변형으로 오염될 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 표면 침전물은 집합적으로 "예금 통합" 또는 "노화"라고 불리는 프로세스를 통해 굳어질 수 있습니다.

수성 서스펜션에서 발생하는 일반적인 미립자 오염 퇴적물은 다음과 같습니다.

• 산화철 및 옥시히드록시드 철(아연산염, 헤마이트, 레피도크로사이트, 마그헤마이트, 괴타이트)
• 침전 오염은 침전물 및 기타 비교적 거친 부유물에 의해 발생합니다.

가스 에어로졸의 입자에 의한 오염도 산업적으로 중요합니다.입자는 고체이거나 액체일 수 있다.일반적인 예로는 연도 가스에 의한 오염이나 공기 중의 먼지에 의한 공랭 구성 요소의 오염이 있습니다.그 메커니즘은 에어로졸 증착에 관한 기사에서 논의된다.

부식 오염

기판의 부식에 의해 그 자리에서 부식 퇴적물이 생성된다.그것들은 오염 퇴적물과 구별되며, 오염 퇴적물은 이전 시투에서 유래한 물질과 구별됩니다.부식 퇴적물을 이전 시투 발생 부식 생성물에 의해 형성된 오염 퇴적물과 혼동해서는 안 된다.부식 퇴적물은 일반적으로 기판의 구성과 관련된 구성을 가집니다.또한 금속-산화물 및 산화물-유체 계면의 형상을 통해 부식 퇴적물과 오염 퇴적물을 실질적으로 구별할 수 있습니다.부식오염의 예로는 아래쪽의 탄소강 부식에 의한 산화철 또는 산화수산화물 침전물을 들 수 있다.부식 오염은 오염 부식, 즉 오염으로 인해 유발될 수 있는 부식 유형과 혼동해서는 안 된다.

화학 반응 오염

화학반응은 프로세스 유체의 화학종이 열전달 표면과 접촉하면 발생할 수 있습니다.이 경우 금속 표면이 촉매 역할을 하는 경우가 있습니다.예를 들어, 탄화수소가 미량 함유된 화학 산업의 냉각수에서 부식 및 중합이 발생합니다.석유 가공 시스템은 올레핀의 중합이나 중분율(아스팔텐, 왁스 등)의 퇴적을 일으키기 쉽다.높은 관벽 온도는 유기물의 탄산화로 이어질 수 있습니다.예를 들어 우유 ^[13][14]가공과 같은 식품 ^[12]산업도 화학 반응에 의한 오염 문제를 경험한다.

무기 고체의 진화에 따른 이온 반응을 통한 오염은 일반적으로 침전 오염(화학 반응 오염이 아님)으로 분류된다.

응고 오염

응고 오염은 흐르는 유체의 구성 요소가 고체 오염 퇴적물을 형성하는 표면에 "동결"될 때 발생합니다.예를 들어, 탄화수소 용액에서 추출한 왁스(융점이 높은)나 용해된 재(로 배기가스 안에 운반된)의 열 교환기 표면 고화를 들 수 있습니다.표면 온도가 일정 임계값 미만이어야 하기 때문에 파울런트의 응고점에 대해 과냉각된다고 한다.

바이오폴링

생물 오염 또는 생물학적 오염은 미생물, 조류 및 규조류, 식물 및 동물이 처리되지 않은 물이 있는 배관과 저수지와 같은 표면에 바람직하지 않게 축적되는 것이다.여기에는 미생물학적 영향을 받는 부식(MIC)이 수반될 수 있습니다.

박테리아는 생체막이나 슬라임을 형성할 수 있다.따라서 유기체는 물의 콜로이드 하이드로겔과 세포외 고분자 물질(EPS)을 사용하여 표면에 모일 수 있다.바이오필름 구조는 보통 복잡하다.

세균 오염은 호기성(산소가 물에 용해된 상태) 또는 혐기성(산소가 없는 상태) 조건에서 발생할 수 있습니다.실제로, 유산소 박테리아는 산소와 영양소가 항상 전달되는 개방적인 시스템을 선호합니다. 종종 따뜻하고 햇빛이 비치는 환경에서요.혐기성 오염은 충분한 영양소가 있을 때 폐쇄 시스템에서 더 자주 발생합니다.예를 들어 황산 환원 박테리아(또는 황 환원 박테리아)가 황화물을 생성하며 종종 철 금속(및 기타 합금)의 부식을 일으키는 경우가 있습니다.한편 황화물산화세균(Acidithiobacillus 등)은 황산을 생성해 콘크리트 부식에 관여할 수 있다.

얼룩말 홍합은 북미에서 광범위한 반칙을 야기한 더 큰 동물들의 한 예이다.

복합 파울링

복합 파울링이 일반적입니다.이러한 유형의 파울링에는 여러 파울란트 또는 여러 파울링^[15] 메커니즘이 동시에 작동합니다.여러 파울런트 또는 메커니즘이 서로 상호작용하여 개별 ^[16]구성요소의 단순한 산술적 합계가 아닌 시너지 파울링이 발생할 수 있습니다.

화성에서의 파울링

NASA 화성탐사탐사선(Spirit and Opportunity)^[17]은 화성 대기의 먼지 입자에 의한 태양전지판 비생물적 반칙을 경험했다.몇몇 퇴적물들은 자발적으로 제거되었다.이것은 파울링 현상의 보편성을 보여준다.

파울링의 정량화

균일한 오염을 정량화하는 가장 간단한 방법은 평균 퇴적물 표면 하중, 즉 표면적 m당² 퇴적물 kg을 명시하는 것이다.오염률은 kg/ms² 단위로 표시되며, 퇴적물 표면 하중을 유효 운전 시간으로 나누어 구한다.정규화된 오염률(kg/ms² 단위)은 이전 작업 시 프로세스 유체(kg/kg)의 오염물질 농도를 추가로 고려하며, 서로 다른 시스템 간의 오염률 비교에 유용합니다.파울링 레이트를 파울런트 농도로 나누어 구합니다.오염률 상수(m/s)는 정규화된 오염률을 프로세스 유체의 질량 밀도(kg/m³)로 나누어 구할 수 있다.

오염량을 기술하기 위해 퇴적 두께(μm)와 다공성(%)을 사용하는 경우가 많다.압력 강하에 대한 파울링의 영향이 중요한 경우 배관 직경의 상대적 감소 또는 표면 거칠기의 증가가 특히 관심사가 될 수 있다.

열전달에 대한 파울링의 영향이 주요 관심사인 열전달장치에서 파울링은 파울링('내성'이라고 함)으로 인한 열 흐름에 대한 저항(mK²/W)의 증가 또는 시간 경과에 따른 열전달계수(W²/mK)의 발달로 정량화할 수 있습니다.

퇴적물 부족 또는 틈 부식이 주요 관심사인 경우, 퇴적물 두께의 불균일성(예: 퇴적물 물결), 국부적 오염, 퇴적물이 있는 밀폐 영역의 패킹, 폐색, "균열", "퇴적물 결절"^[18] 또는 진흙 더미의 생성에 유의해야 합니다.이러한 퇴적물 구조는 입자간 공격, 피팅, 응력 부식 균열 또는 국소 폐기물과 같은 기판 재료의 저침적 부식 환경을 조성할 수 있습니다.퇴적물의 다공성 및 투과성은 퇴적물 부식 가능성에 영향을 미칠 수 있습니다.퇴적물 구성도 중요할 수 있습니다. 퇴적물의 사소한 구성 요소라도 때때로 기초 금속의 심각한 부식을 야기할 수 있습니다(예: 고온 부식을 일으키는 연소 보일러 퇴적물의 바나듐).

보증금 허용액에 대한 일반적인 규칙은 없습니다.시스템에 따라 다릅니다.두께가 몇 마이크로미터라도 퇴적물이 되는 경우가 많습니다.두께가 1mm 범위인 침전물은 거의 모든 애플리케이션에서 문제가 됩니다.

시간이 지남에 따라 반칙의 진행

표면에 퇴적물이 항상 시간에 따라 꾸준히 생기는 것은 아니다.시스템의 특성 및 표면의 국소 열수압 조건에 따라 다음과 같은 오염 시나리오를 구분할 수 있습니다.

• 유도 기간 - 표면이 새롭거나 매우 깨끗할 때 닐에 가까운 오염률이 관찰될 수 있습니다.이는 바이오 파울링과 강수 파울링에서 종종 관찰된다."유도 기간"이 지나면 반칙률이 증가합니다.
• "음성" 오염 - 열 전달을 모니터링하여 오염률을 정량화할 때 발생할 수 있습니다.비교적 적은 양의 침전물은 깨끗한 표면에 비해 열 전달을 개선할 수 있으며, "음"의 오염률과 음의 총 오염량을 나타냅니다.음의 오염은 종종 핵 끓는 열전달 조건(기포 핵 형성을 개선하는 퇴적물) 또는 강제 수용(퇴적물이 표면 거칠기를 증가시키고 표면이 더 이상 "수력적으로 매끄럽지 않은" 경우)에서 관찰된다."표면 거칠기 제어"의 초기 기간이 지나면 일반적으로 오염률이 강하게 양성이 된다.
• 선형 파울링 - 파울링 속도는 시간이 지남에 따라 안정될 수 있습니다.이것은 흔한 경우입니다.
• 폴링: 이 시나리오에서는 파울링 레이트는 시간이 지남에 따라 감소하지만 제로로 떨어지지 않습니다.퇴적물 두께가 일정한 값을 달성하지 못했습니다.파울링의 진행은 종종 초기 파울링 레이트(침전 부하 제로 또는 제로 타임 시 파울링 커브에 대한 접선)와 오랜 시간 후 파울링 레이트( 파울링 커브에 대한 비스듬한 점근)의 두 가지 수치로 설명할 수 있다.
• 점근 파울링 - 여기서 파울링 속도는 시간이 지남에 따라 감소하며, 최종적으로 0에 도달합니다.이 때 퇴적물 두께는 시간에 따라 일정하게 유지된다(수평 점근).이는 흐름 속도가 빠른 지역의 비교적 연하거나 접착력이 떨어지는 퇴적물의 경우가 많습니다.점근점은 보통 퇴적률이 퇴적물 제거율과 동일한 퇴적물 부하로 해석됩니다.
• 파울링의 가속화 - 이 시나리오에서는 파울링 레이트가 시간이 지남에 따라 증가하고 퇴적물의 축적 레이트는 시간이 지남에 따라 가속됩니다(아마도 수송이 제한될 때까지).기계적으로 이 시나리오는 파울링이 표면 거칠기를 증가시키거나 퇴적물 표면이 순수한 기초 금속보다 더 높은 화학적 파울 성향을 보일 때 발생할 수 있다.
• 시소 파울링 - 여기서 파울링 하중은 일반적으로 시간이 지남에 따라 증가하지만(종종 선형 또는 하강 속도를 가정함), 좀 더 자세히 살펴보면 파울링 진행이 주기적으로 중단되어 톱니 곡선의 형태를 취합니다.명백한 오염량의 주기적인 급격한 변화는 종종 시스템 셧다운, 시동 또는 기타 과도 작동의 순간에 해당합니다.주기적인 변화는 종종 퇴적물의 일부를 주기적으로 제거하는 것으로 해석됩니다(압박 펄스, 열응력, 산화환원 과도현상으로 인한 박리 등으로 인한 퇴적물 재서스펜션).증기 블랭킷은 부분적으로 틈이 생긴 퇴적물과 열전달 표면 사이에서 발생하는 것으로 가정되어 왔다.그러나 다른 이유가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 정지 중에 표면 침전물 내부에 공기가 갇히거나 과도 상태("온도 스트리밍")^[19] 동안 온도 측정의 부정확함입니다.

파울링 모델링

시스템의 오염은 다음과 같은 여러 단계로 구성된 모델링이 가능합니다.

• 오염을 일으키는 종의 발생 또는 유입("불량 소싱")
• 프로세스 유체의 흐름과 함께 오염 물질 운반(대부분 이류를 통해)
• 프로세스 오일의 다량에서 오염 표면으로 오염 물질을 운반합니다.이러한 수송은 종종 분자 또는 난류-에디 확산에 의해 이루어지지만 관성 타력/충돌, 표면에 의한 입자 가로채기(유한 크기의 입자의 경우), 전기영동, 열영동, 확산영동, 스테판 흐름(응축 및 증발), 침전, 마그누스 힘(회전하는 입자에 작용), t에도 발생할 수 있다.헤르모전 ^[20][21]효과와 다른 메커니즘이 있습니다.
• 유도 기간, 즉 파울링^[22] 초기 기간의 거의 닐 파울링 속도(일부 파울링 메커니즘에 대해서만 관찰됨)
• 표면의 오염성 결정화(또는 콜로이드 입자의 부착, 화학 반응 또는 세균 증식)
• 오염 퇴적물로 인한 표면 조건 변화로 인한 결정화/부착률 감소(또는 잠재적으로 강화)와 같은 오염 자동 조정
• 퇴적물 용해(또는 느슨하게 부착된 입자의 재진입)
• 표면의 퇴적물 응고(예: 오스발트 숙성 또는 온도 구배에서의 차등 용해도를 통해) 또는 석출물의 다공성을 잃고 시간이 지남에 따라 더욱 끈기 있게 되는 석출물 응고
• 침전물 스플링, 침식 마모 또는 박리.

증착은 표면으로의 운반과 후속 부착으로 구성됩니다.퇴적물 제거는 퇴적물 용해, 입자 재진입 또는 퇴적물 파쇄, 부식 마모 또는 박리 중 하나를 통해 이루어집니다.반칙 발생, 반칙 퇴적, 침전물 제거 및 침전물 응고에 의해 반칙이 발생합니다.

동시 퇴적물 재엔트먼트 및 ^[23]통합을 수반하는 최신 파울링 모델의 경우 파울링 프로세스는 다음과 같은 방법으로 나타낼 수 있다.

[예금적립률] = [예금율] - [연결되지 않은 예금의 재감가율]

[연결불예금 누계율] = [예금율] - [연결불예금 재보전율] - [연결불예금 연결율]

위의 방식에 따라 기본적인 파울링 방정식은 다음과 같이 작성할 수 있습니다(유동이 있는 정상 상태 조건의 경우, 농도가 시간에 따라 일정하게 유지되는 경우).

${\displaystyle {begin{cases}{dm/dt}=k_{r}m_{r}(t)\{dm_{d}=k_{d}C_{m}\rho -\cda _{r}m_{r}\cda\cda}_cda_cd_cda_c}_cda_cd_cd_c$

여기서:

• m은 지표면(kg/m²)의 퇴적물(고정 및 비고정)의 질량 하중이다.
• t는 시간(s)입니다.
• k는_d 퇴적 속도 상수(m/s)이다.
• θ는 유체 밀도(kg³/m)이다.
• C_m - 유체 내 파울란트 질량 비율(kg/kg)
• θ는 재감응 속도 상수(1/s)이다_r.
• m은_r 표면 퇴적물(kg/m²)의 분리 가능한(즉, 비고결) 부분의 질량 하중이다.
• θ는 통합 환율 상수(1/s)입니다_c.

이 방정식 시스템은 다음과 같은 형태로 통합될 수 있습니다(t = 0에서 m = 0 및_r m = 0을 취함).

${\displaystyle m(t)=blashk_{m}\rho}\over {\blashda}\left(1-e^{-\blashda t}\right}\left(1-e^{-\blashda t}\left)\right$

여기서 = = λ + λ_rc 。

이 모델은 k, θ_r 및 θ의_c 상대값에 따라 선형, 하강 또는 점근 파울링을 재현합니다.이 모델의 기본적인 물리적 그림은 통합 내부 계층과 느슨한 비통합 외부 계층으로 구성된 2층 퇴적물의 그림입니다.이러한 이중층 퇴적물은 실제로 종종 관찰된다.위 모델은 δ_c=0일 때 (통합을 무시한) 이전 동시 증착 및^[24] 재엔터테인먼트의 모델로 쉽게 단순화된다.통합이 없는 경우, 점근 파울링은 항상 이 오래된 모델에 의해 예측되며 파울링 진행은 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

${\displaystyle m(t)=m^{*}\left(1-e^{-\contextda_{r}t}\오른쪽)}$

여기서^* m은 표면의 퇴적물의 최대 질량 하중(kg/m²)이다.

파울링의 경제적 및 환경적 중요성

오염은 어디에나 존재하며 부식과는 달리 엄청난 운영 손실을 일으킵니다.예를 들어 선진국의 열교환기 오염으로 인한 손실은 GDP의 ^[25]약 0.25%에 달하고, 또 다른^[26] 분석에서는 중국 전력의 보일러 및 터빈 오염으로 인한 경제적 손실은 46억 8천만 달러로 추정되며, 이는 국가 GDP의 약 0.169%에 해당한다.

피해는 처음에 손상된 열 전달, 부식 손상(특정 under-deposit과crevice 부식에), 증가된 압력 강하는 흐름 막힘, 구성 요소 안에 흐름 재분배, 흐름 청의, 유도의 진동(아마 다른 문제들로 연결하는 예를 들어, fatigue[27]), 전기 heati의fretting, 조기 실패를 야기한다.쇼핑 e렌트, 그리고 종종 예상치 못한 많은 다른 문제들.또한 생태학적 비용도 고려해야 한다(일반적으로 고려되지 않음).생태학적 비용은 생물 오염 방지를 위한 생물화물 사용, 오염으로 인한 생산량 감소를 보상하기 위한 연료 투입량 증가, 일회성 냉각 시스템의 냉각수 사용 증가에서 발생한다.

예를 들어 통상적으로 연소되는 500MW(순전력) 발전소 유닛에서의 "정상적인" 파울링은 5MW 이상의 증기 터빈의 출력 손실을 설명한다.1,300 MW 원자력 발전소에서 일반적인 손실은 20 MW 이상이 될 수 있다(오염으로 인한 부품 열화로 인해 발전소가 폐쇄되는 경우 최대 100%).해수 담수화 플랜트에서는 오염으로 인해 얻어진 생산 비율이 두 자리 수로 감소할 수 있습니다(얻어진 생산 비율은 프로세스에 사용된 증기와 비교하여 생성된 증류액의 질량을 계산하는 것과 같습니다).압축기 작동식 냉각기의 추가 전력 소비량도 두 자리 수 영역에 불과합니다.열교환기는 파울링으로 인한 열전달 손실을 보상하기 위해 더 큰 크기로 설계되어야 하기 때문에 운영 비용 외에 자본 비용도 증가합니다.상기 출력 손실에 컴포넌트의 검사, 청소, 수리에 필요한 다운타임 비용(일반 발전소의 수익 손실로 인한 셧다운으로 하루에 수백만달러)과 실제로 이 유지보수를 실시하기 위한 비용을 더해야 합니다.마지막으로 오염은 컴포넌트 또는 플랜트 전체의 수명을 제한할 수 있는 심각한 열화 문제의 근본 원인이 되는 경우가 많습니다.

파울링 컨트롤

오염을 제어하는 가장 근본적이고 일반적으로 선호되는 방법은 오염종이 냉각수 회로로 유입되는 것을 방지하는 것입니다.증기 발전소 및 기타 주요 수기술 산업 시설에서는 사전 여과 및 냉각수 잔해 필터를 통해 매크로 오염을 방지한다.일부 발전소는 (유지관리 중 도구를 잊어버리는 등 불필요한 물질의 현저한 도입 가능성을 제거하기 위해) 이물 배제 프로그램을 사용한다.분리된 부품에 의한 플렛을 감시하기 위해 음향 감시를 사용하는 경우가 있습니다.미세오염의 경우 광범위한 수처리, 미세여과, 막기술(역삼투, 전극화) 또는 이온교환수지로 정수할 수 있다.수도 배관 시스템의 부식 생성물 생성은 프로세스 유체의 pH(일반적으로 암모니아, 모르포린, 에탄올아민 또는 인산나트륨에 의한 알칼린화), 물에 용해된 산소의 제어(예: 히드라진 첨가) 또는 부식 억제제의 추가를 통해 종종 최소화됩니다.

비교적 낮은 온도의 물 시스템의 경우, 적용된 생물화물은 무기 염소 및 브롬화합물, 염소 및 브롬화물 클리버, 오존 및 산소 클리버, 산화되지 않는 생물화물로 분류할 수 있다.가장 중요한 비산화성 바이오시드 중 하나는 클로로메틸-이소티아졸리논과 메틸-이소티아졸리논의 혼합물이다.디브롬 니트릴로프로피온아미드 및 4급 암모늄 화합물도 도포된다.수중 선체의 경우 바닥 페인트가 도포됩니다.

화학 오염 억제제는^[28] 주로 오염 과정의 결정화, 부착 또는 강화 단계를 방해함으로써 많은 시스템에서 오염을 줄일 수 있습니다.물 시스템에 대한 예로는:키일 레이트 요원들 예를 들어 분자량을 주로 사용, 단량체 지방족 아민 화합물이나 폴리아민들(예를 들어, octadecylamine, helamin, 그리고 다른"film-forming"신경 작용성 아민), 유기phosphonic 산(예를 들어,etidronic 산성을 위해), 또는 고분자 전해질(, 폴리 아크릴 acid,[29]polymethacrylic 산성(예를 들어, EDTA을) 있다.lo10000을 넘습니다).연소 보일러의 경우 알루미늄 또는 마그네슘 첨가제는 재의 융점을 낮추고 제거가 용이한 퇴적물 생성을 촉진할 수 있습니다.'공정 화학물질'도 참조하십시오.

자성수처리는 1950년대부터 오염방지 효과에 대해 논란의 대상이 되어 왔다.그것은 단순히 "실패하지 않는다"^[30]는 의견이 지배적이다.그럼에도 불구하고 일부 연구에서는 탄산칼슘 ^[31]침전물의 축적을 줄이는 것이 일부 조건에서 효과적일 수 있다는 것을 시사한다.

구성 요소 설계 수준에서 오염은 종종 (항상 그렇지는 않지만) 구성 요소 전체에 걸쳐 비교적 높은 (예를 들어 2m/s) 유체 속도를 유지함으로써 최소화할 수 있다.정체된 지역을 없애야 한다.구성 요소는 일반적으로 청소 사이에 예상되는 반칙을 수용하기 위해 과도하게 설계됩니다.그러나 속도 감소로 인한 파울링이 증가할 수 있기 때문에 설계상의 오류가 발생할 수 있습니다.정기적인 온라인 압력 펄스 또는 역류 기능은 설계 시 신중하게 통합될 경우 효과적일 수 있습니다.블로 다운 기능은 항상 증기 발생기 또는 증발기에 통합되어 오염을 유발하거나 악화시키는 비휘발성 불순물의 축적을 제어합니다.저공해 표면(예를 들어 매우 매끄러운 표면, 이온 주입 또는 Teflon과 같은 저공해 표면 에너지)은 일부 애플리케이션에서 선택될 수 있습니다.최신 컴포넌트는 일반적으로 내부 검사와 정기적인 청소가 용이하도록 설계되어야 합니다.온라인 오염 모니터링 시스템은 일부 용도에 맞게 설계되어 있어 예기치 않은 셧다운이 필요하거나 손상이 발생하기 전에 송풍 또는 세척을 적용할 수 있습니다.

오염이 시스템 성능에 영향을 미치거나 오염으로 인한 열화가 현저하게 시작되는 지점(예: 부식에 의한)에 도달할 경우 침전물 및 비늘 제거를 위한 화학적 또는 기계적 세척 프로세스가 권장된다.이러한 프로세스에는 산과 복합제를 사용한 산세척, 고속 워터제트("워터 랜")로 청소, 금속, 스폰지 또는 기타 볼로 재순환("블라스트")하거나 오프라인으로 기계식 "밸릿형" 튜브 클리너를 추진하는 것이 포함됩니다.화학 청소는 화학 물질의 취급, 도포, 보관 및 폐기를 통해 환경 문제를 일으키는 반면, 세척 볼을 순환시키거나 오프라인 "총알형" 청소를 통해 기계적인 청소를 하는 것은 환경 친화적인 대안이 될 수 있습니다.일부 열 전달 애플리케이션에서는 동적 스크래핑 표면 열 교환기를 통한 기계적 완화를 선택할 수 있습니다.또한 초음파 또는 연마 세척 방법은 많은 특정 용도에 사용할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크

• 원유 오염 연구
• [1]