Ультразвуковые установки для борьбы с отложениями накипи
описание, принципы работы,
технико-экономическое обоснование
Один из основных теплоносителей, применяемых в технике и коммунальном хозяйстве – вода. Вода является самым лучшим, из известных, универсальных растворителей. Следовательно, любая вода, если только она специальным образом не приготовлена и сохранена, содержит в себе различные соли. Как известно, наличие растворенных солей в воде придает воде свойство, называемое жесткостью. Различают жесткость временную и постоянную. Не будем касаться постоянной жесткости, которую определяют соли, растворимые в воде при любых условиях. Нас интересует временная жесткость, жесткость, обусловленная солями, переходящими при определенных условиях из растворимой - в нерастворимую форму. В частности, это соли кальция Ca, магния Mg и др. Один из способов устранения временной жесткости – нагрев воды до температуры кипения, при этом соли временной жесткости переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. Этот осадок называют накипью или твердыми отложениями.
При работе теплообменного оборудования (котлов, теплообменников, испарителей, охладителей и т.п.) на поверхностях нагрева образуются отложения накипи (СаСО3, MgCO3, CaSiO3 , окислы железа и др.). Вследствие этого ухудшается теплопередача - теплопроводность накипи в десятки раз ниже, чем у металла; снижается экономичность и производительность оборудования - при слое накипи в 1 мм пережог топлива составляет 2 ¸ 2,5%, а при 5 мм - до 10 ¸ 15% и т.д. Из-за перегрева металла и коррозии под слоем накипи сокращается срок службы металла труб, происходят аварии металлоконструкций теплообменных агрегатов (свищи, отдулины, разрывы). Также, по окончании отопительного сезона приходится выполнять трудоемкую и дорогостоящую процедуру удаления накипи с поверхности нагрева котлов и теплообменной аппаратуры. И также, накипь уменьшает сечение труб, увеличивая их гидросопротивление, а это влечет за собой дополнительные потери электроэнергии в насосном оборудовании на перекачку воды.
Чтобы исключить возможность аварий и продлить срок службы оборудования между профилактиками, необходимо, каким-либо образом исключить возможность образования на теплообменных поверхностях слоя отложений. Существуют физические и химические способы умягчения воды.
Для химического умягчения используемой воды требуются значительные затраты на сооружение и обслуживание химводоподготовки. Умягчение воды с помощью ионообменных материалов или введения комплексонов в открытых системах теплоснабжения, а также при нагреве воды для горячего водоснабжения, как правило, не экономично и экологически вредно. Кроме того, в большинстве случаев, химические реактивы сами способствуют разрушению металлоконструкций.
Известны безреагентные методы снижения и предотвращения накипеобразования. Наиболее известные из них – магнитная обработка воды, так называемая система «анти-кальций» и ультразвуковые установки очистки и предотвращения отложений.
Магнитная обработка воды основана на прохождение воды через магнитное поле. Предполагается, что магнитное поле изменяет физико-химические свойства воды. В результате этого накипь, либо вообще не должна выпадать, либо отложения накипи должны слабо прикрепляться к стенкам теплообменного оборудования. К сожалению, многолетний опыт применения подобных установок показал низкую эффективность данного метода. В одних случаях получается ожидаемый результат, в других – эффект отсутствует. Результаты применения крайне нестабильны. Чаще встречается отрицательный результат.
Ультразвуковой метод предотвращения накипеобразования основан на исследованиях, проводившихся в СССР с конца 50-х годов. При воздействии на воду ультразвуковых колебаний образуется множество постоянно смещающихся центров кристаллизации, что затрудняет рост и осаждение кристаллов накипи на теплообменных поверхностях оборудования. Ультразвуковые колебания способствуют интенсивному образованию новых центров кристаллизации в объеме воды и происходит образование шлама в массе жидкости. В результате воздействия ультразвуковых колебаний наблюдается либо прекращение образования отложений, за счет нарушения условий кристаллизации, либо разрыхление образующейся накипи. В слое накипи под воздействием ультразвуковых колебаний образуются микротрещины, которые, накапливаясь, приводят к разрушению имевшихся отложений и к очистке оборудования. Шлам удаляется с током воды или продувкой. Следует учесть, что данный метод физический и действует на все виды солей и органических отложений независимо от их химического состава. Желательно, после теплообменного агрегата, который защищен ультразвуковыми установками, установить устройство, задерживающее взвесь коагулированной накипи, чтобы не засорять потребителей. Данный метод является наиболее эффективным и универсальным из безреагентных физических методов, экономичен, экологически чист, безопасен для оборудования и персонала. Может сочетаться с вводом комплексонов и химводоподготовкой воды.
Кроме того, ультразвуковые колебания оказывают разрушающее действие на ранее образовавшуюся накипь. Ультразвуковые колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связи внутри карбонатных отложений, а также между карбонатным отложением и металлом нарушается, и при этом образуются трещины. Вода под действием капиллярных сил проникает через трещины-капилляры к поверхности нагрева, где она мгновенно испаряется, вызывая вспучивание и отслаивание карбонатных отложений. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки карбонатных отложений скапливаются в нижней части тепло-обменного оборудования и удаляются периодической продувкой.
Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования карбонатных отложений и сохранением за счет этого эффективности теплотехнического оборудования. Ультразвуковые колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания жидкости на границе двух сред металл - жидкость, что также способствует увеличению теплопередачи. Явление снижения гидродинамического сопротивления особенно эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внутренних поверхностей труб, где в обычных условиях (без ультразвука) в теплообменном оборудовании сохраняется кислород из воздуха, а при воздействии ультразвуковых колебаний он легко выходит из этих щелей.
В результате этого исключается один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие ультразвуковых импульсов на внутреннюю поверхность труб, обладающую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин. Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.
Приведенные выше факторы взаимосвязаны и в совокупности являются причиной положительного воздействия ультразвука на процессы предотвращения образования карбонатных отложений, снижения коррозии металла и повышения эффективности работы теплообменного оборудования.
Устройство ультразвуковой безреагентной очистки теплооборудования
УУЗ-2 (г. Луганск)
(устройство ультразвуковое 2-х канальное)
Устройство предназначено для альтернативой обработки ультразвуковым методом, который заключается в обработке воды и стенок теплоагрегата механическими колебаниями ультразвуковой частоты. Аппарат состоит из двухканального генератора и 2-х ультразвуковых магнитострикционных преобразователей-излучателей. Преобразователи соединены с генератором металлорукавом. Генератор вырабатывает электрические импульсы заданной частоты, которые преобразуются в преобразователе в импульсы механических колебаний ультразвуковой частоты, которые передаются в теплоагрегат. Конструктивно генератор выполнен в виде настенного блока, соединенного кабелями с преобразователями. К генератору может быть подключено до 4-х преобразователей, по 2 на 1 канал генератора.
Прибор УУЗ-2 имеет следующие технические данные:
Монтаж на объекте заключается в приварке преобразователя к внешней поверхности котла, либо посредством установочного крепежа, допускающего снятие преобразователя. Режим 1 генератора предназначен для предотвращения накипеобразования, режим повышенной мощности 2 – для очистки теплоагрегатов от уже отложившейся накипи. Необходимо помнить, что температура излучателей в режиме 2 может достигать 160Сº. Для предотвращения накипеобразования прибор включается в режим пониженной мощности 1 и работает круглосуточно в течение сезона.
Приварка преобразователя к наружной поверхности теплообменного оборудования не приводит к внутренним повреждениям металла стенки теплообменного оборудования, так как шов приварки преобразователя не является герметизирующим или несущим нагрузку от внутреннего давления.
Генератор устанавливается на горизонтальной или вертикальной поверхности в положении удобном для обслуживания с температурой окружающего воздуха от минус 5° до плюс 50°С. Генератор подключается к однофазной сети переменного тока напряжением 220В, частотой 50 или 60 Гц. Обмотка преобразователя соединяется с генератором кабелем сечением не менее 1,5мм2, а его длина не должна превышать 10м. Ограничение по длине проводов обусловлено увеличением потерь в них при большой длине.
· Для получения наиболее эффективной работы устройства необходимо произвести настройку частоты преобразователя на электромеханический резонанс, т. е. собственная частота системы «преобразователь - теплообменник» должна быть равной частоте электрических импульсов. Для этого производится поканальная подстройка частоты генератора, вращением ручки «подстройка частоты резонанса излучателя», с целью получения максимальной амплитуды колебаний при работе устройства на нагрузку, с использованием для определения частоты акустического резонанса эффекта Виллари (краткие пояснения по использованию этого эффекта в данном приборе здесь). Индикация резонанса осуществляется стрелочными индикаторами, подстройкой частоты необходимо их вывести на максимальные показания.
Комплект ультразвуковой очистки УУЗ-2 (слева):
1) генератор 2-х канальный (вверху)
2) 2 излучателя ПМСИ-3 с кабелем в металлорукаве
Разработчик-изготовитель – лаборатория электроники «SK Sound Eleсtronics»,
e-mail sk@sakevich.ru т. +38 091 308 19 63
Рекомендации по выбору количества приборов в зависимости от вида теплообменного оборудования
П/п |
Теплообменное оборудование |
Количество | |
1 |
Котел Е-1/9 (6 МВт) |
1 шт. | |
2 |
Котел ДКВР 4/6,5 (6 МВт) |
1 шт. | |
3 |
Котел ДКВР 10/13 |
2 шт. | |
4 |
Котел ДЕ 4/6 |
1 шт. | |
5 |
Котел ДЕ 10/1 6 |
2 шт. | |
6 |
Котел ДКВР 20 |
4 шт. | |
7 |
Котел ДЕ 25 |
4-5 шт. | |
8 |
Котел КВГМ-50 |
8-10 шт. | |
9 |
Котел ПТВМ-30 |
6-8 шт. | |
10 |
Котел ТВГ-6,5 |
2 шт. | |
11 |
Котел ТВГ-8 (9,63МВт или 8Гкал) |
2шт. | |
11 |
Котел НР-18 |
1 шт. | |
12 |
Котел КСВА-2,0 «ВК-22» (2МВт) |
1 шт. | |
13 |
Котел КСВА-3,15 «ВК-22» (3.15МВт) |
1 шт, | |
14 |
Котел КСВА-1 ,25 «ВК-32» (1,25МВт) |
1 шт. | |
15 |
Котел КВГ-6,5 (6,5МВт или 5,3Гкал) |
2 шт. | |
16 |
Котел КЕ-10 |
2 шт. | |
17 |
Котел КЕ-25 |
6 шт. | |
18 |
Электрокотлы ЭПЗ-100 |
1 шт. | |
19 |
Паровой котел ДЭ 21 |
1 шт. | |
20 |
Котел КЧМ (чугунный) |
1 шт. |