Ультразвуковые установки для борьбы с отложениями накипи

описание, принципы работы,

технико-экономическое обоснование

 

(Внимание! Для описания приборов ультразвуковой очистки, разработанных в лаборатории, создан специальный сайт - http://nakipinet.org.ua . Здесь по этой теме информация дополняться и обновляться более не будет.)

 

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.

 

 Таким образом, процесс удаления накипи и снижения скорости ее нарастания влечет за собой следующие виды расходов:

• затраты, связанные с организацией качественной водоподготовки;
• затраты, идущие на периодическую химическую или механическую очистку теплообменного оборудования;
• затраты, связанные с неплановым ремонтом котлов из-за прогаров трубок в местах интенсивного нарастания накипи, и повреждении трубок теплообменников при механических чистках;
• затраты, связанные с перерасходом топлива из-за зарастания внутренних стенок теплового оборудования;
• затраты на утилизацию отходов химчистки;
• штрафы за загрязнение окружающей среды, либо затраты на дорогие очистные сооружения, что нереально для малых котельных;
• затраты на удовлетворение судебных исков от населения к теплоснабжающим организациям за некачественное отопление;
• неплановые замены котлов до истечения их сроков службы и, связанные с этим, капитальные затраты, возможный срыв сроков начала отопительного сезона.

 

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:

• питание от сети 220 В, 50-60 Гц
• число каналов генератора – 2
• число преобразователей – 2 (возможно подключение 2-х излучателей на 1 канал генератора)
• максимальная потребляемая электрическая мощность - 400 Вт (200Вт)
• число режимов работы - 2
• частота посылок электрических импульсов:
• 1  режим - 5 Гц  (скважность импульсов 1%)
• 2  режим - 12 Гц (скважность импульсов 2,5%)
• тип преобразователей – ПМСИ-3
• амплитуда колебаний торца преобразователя – не менее 6 мкм
• мощность преобразователя в импульсе – 5 кВт
• длительность импульса – 2,5мс
• собственная частота колебаний сердечников преобразователей 18-24 кГц
• размеры излучателей – Ø53 х 293мм, вес – 2 кг
• размеры генератора – 48 х 28 х 12 см, вес – 6 кг
• стоимость – 19700гр

 

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.  

 

     Крепление преобразователей к элементам теплообменного оборудования выполняется электросваркой.  Место установки преобразователей выбирается наиболее приближенным к теплонапряженным точкам, где происходит самое интенсивное образование накипи, и воздействие на которые обеспечит оптимальное распределение ультразвуковой энергии по теплообменной поверхности, давая наибольший эффект. Общий подход при выборе точек приварки преобразователей заключается в том, что преобразователи должны монтироваться на элементах, объединяющих пучки и экраны труб - т.е. барабанах, коллекторах, трубных решетках и т.д. Количество преобразователей следует выбирать с учетом специфики и параметров теплообменного оборудования: конструкции, мощности, схемы циркуляции теплоносителя и жесткости воды. Выполнение сварного соединения - наиболее ответственная операция при монтаже преобразователя. От качества сварки зависит передача механической энергии преобразователя к поверхности теплообменного оборудования и эффективность работы устройства, а также безопасность эксплуатации теплообменного оборудования.

    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»,

http://sakevich.ru 

e-mail sk@sakevich.ru      т. +38 091 308 19 63

 

 

Рекомендации по выбору количества приборов в зависимости от вида теплообменного оборудования