Акустические противонакипные устройства

В большинстве регионов России вода жёсткая, и потери от отложений солей в теплообменниках ГВС не поддаются никакому исчислению. Если бы теплообменники ГВС оснащались акустическими противонакипными устройствами чистить их приходилось бы очень редко, или, если жёсткость нагреваемой воды не превышает 4 ед., необходимость в чистке отпала бы вообще.

Физические принципы ультразвуковой защиты от накипи Существует несколько физических методов, уменьшающих скорость образования накипи. Все они способствуют кристаллизации солей жесткости в толще воды и препятствуют достижению кристаллами размеров, необходимых для образования осадка. Ультразвуковая технология выделяется в этом ряду тем, что воздействует на образование и оседание накипи несколькими различными способами одновременно.

Во-первых, при озвучивании воды ультразвуком достаточной интенсивности, происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов солей жесткости. При контакте твердого тела с жидкостью накипь образуется на твердом теле. Это может быть или теплообменная поверхность или взвешенные в воде частицы, являющиеся центрами кристаллизации растворенных в воде солей. В обычных условиях общая площадь поверхности взвешенных в воде частиц меньше площади теплообменной поверхности оборудования и именно на ней и происходит образование накипи. Но под воздействием ультразвука происходит раскалывание кристаллов карбоната кальция, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности. Под действием ультразвука в воде резко (примерно в 1000 раз) возрастает количество центров кристаллизации. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в жидкость, в толщу воды, к кристаллизации солей непосредственно в водной массе, что связано с появлением под действием ультразвука большого количества зародышей кристаллов, к постоянному возникновению, росту и раскалыванию кристаллов солей.

Во-вторых, ультразвук возбуждает высокочастотные колебания в металлической теплообменной поверхности. Распространяясь по поверхности, ультразвуковые колебания препятствуют формированию на ней накипных отложений, замедляя осаждение образующихся кристаллов солей. За счет различной механической жесткости металла и слоя накипных отложений изгибные колебания теплообменной поверхности разрушают формирующийся слой накипи. А если на теплообменной поверхности уже был слой накипи, то ультразвук разрушает его, что сопровождается отслоением и откалыванием кусочков накипи. Размеры этих кусочков зависят от толщины слоя накипи и увеличиваются с ее ростом. При значительной толщине слоя образованной ранее накипи, существует опасность засорения и закупорки каналов. Поэтому одним из основных требований успешного применения ультразвуковой технологии является предварительная очистка, насколько это возможно, от старого слоя накипных отложений.

Следует иметь в виду, что некоторых тяжёлых случаях применение противонакипных устройств не избавляет от накипи навсегда, но скорость оседания накипи уменьшается в несколько раз. При воде с карбонатной жесткостью более чем 10 мг-экв/литр, срок службы нагревателя между чисткой или заменой трубного пучка увеличивается не менее, чем в четыре раза. При жёсткости воды менее 8 мг-экв/литр, срок службы между чистками увеличивается в 4.5 раз. А для котлов и теплообменников, в которых за год образуется не более 2 мм отложений, о проблемах с накипью можно забыть.

Метод создания ультразвуковых колебаний в теплообменном оборудовании Как известно, ультразвук быстро затухает в воздухе, но беспрепятственно распространяется в металле и воде. «Закачка» ультразвука в котлы и теплообменнике происходит следующим образом. К агрегату привариваются ультразвуковые преобразователи — излучатели ультразвука. Внутри излучателя находится сердечник из магнитострикционного материала — это специальный сплав, обладающий способностью менять свои размеры под действием электрического тока, проходящего по обмотке сердечника, пермендюр, состоящий из сплава кобальта с железом, с добавлением ванадия.

Акустическое противонакипное устройство «Акустик-Т4» во взрывозащищённом (слева) и обычном исполнении Излучатели соединены кабелем с ультразвуковым генератором и непрерывно получают от генератора электрические импульсы специальной формы с несущей ультразвуковой частотой от 18 до 25 кГц. Этот электрический сигнал преобразуется магнитострикционным сердечником в механические колебания той же частоты. А поскольку излучатель приварен к защищаемому агрегату и представляет с ним единое целое, ультразвуковые колебания возбуждаются во всей конструкции теплообменника или котла и распространяются как во всей теплообменной поверхности, так и переизлучаются в воду от поверхности. Таким образом, мы создали в металле и воде непрерывные микроколебания с амплитудой в несколько микрон, которые безопасны для сварки и вальцовки, но разрушительны для карбоната кальция и других твёрдых отложений.

Излучатели ультразвука, приваренные к подогревателю ГВС и к коллектору парового котла. Слева от излучателя ультразвуковой генератор

А как быть с пластинчатыми теплообменниками? Как подать ультразвук в каждую пластину, если они отделены друг от друга резиновыми прокладками? Эта проблема решается следующим образом — в пластинчатых теплообменниках ультразвук подаётся непосредственно в воду. Для этого излучатель ультразвука снабжается специальным наконечником для излучения в воду и врезается в патрубки нагреваемой воды. А ультразвуковое поле, возбуждённое в воде возбуждает колебания и в пластинах и не позволяет накипи оседать на них.

Излучатель ультразвука на пластинчатом теплообменнике. Ультразвук подаётся в воду Для кожухотрубных теплообменников, излучатели навариваются на ободок трубной доски, в результате чего ультразвуковые колебания распространяются по трубной доске, передаваясь на трубный пучок. При монтаже на паровые или водогрейные котлы, излучатели навариваются на барабаны и коллектора боковых и заднего экранов.

Монтаж УЗ преобразователей на пластинчатом (слева) и пароводяном теплообменниках накипь ультразвуковой колебание теплообменный.

Экономический эффект резкого снижения скорости образования накипи достигается не только за счет уменьшения затрат на чистку. Покажем, что применение АПУ даёт экономический эффект и в процессе эксплуатации теплообменника за счет поддержания его паспортных параметров на исходном уровне. А в ряде случаев, и за счет уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

На рисунке ниже показано изменение удельных расходов теплоносителя для трех кожухотрубных теплообменников, первые два из которых оснащены акустическими противонакипными устройствами, а третий (красная гистограмма) — нет. Аналогичные расчеты проведены и для других теплообменников, и представленные результаты являются характерными. Присоединенные нагрузки и площади теплообменных поверхностей этих теплообменников различны, отличаются поэтому и значения удельных расходов теплоносителя, однако динамика их изменения имеет ярко выраженный характер. Значения удельных расходов теплоносителя для теплообменников, оснащенных АПУ, изменяются незначительно, колебания происходят около некого среднего значения и имеют тенденцию к снижению. Значения удельного расхода для неоснащенного АПУ теплообменника уверенно увеличиваются от года к году. За время наблюдения рост удельного расхода теплоносителя составил более 20%. Пропорционально увеличился и расход электроэнергии, потребляемой насосами для перекачки повышенных объемов теплоносителя.

Изменение средних за летний период удельных расходов теплоносителя в кожухотрубных теплообменниках, два из которых оснащены АПУ, третий (красная гистограмма) — не оснащён Ниже приведены значения удельных расходов теплоносителя в трех тепловых пунктах, один из которых оснащен акустическим противонакипным устройством. Во всех нагревателях ГВС с применением АПУ удельный расход теплоносителя на 10 — 30% ниже, чем в контрольных, не оборудованных противонакипными устройствами.

Таким образом, экспериментально было показано, что в не оборудованных противонакипными устройствами тепловых пунктах, на каждую произведенную в системе ГВС Гкал количества тепла перерасход теплоносителя составляет от 2,5 до 8 тонн. Тепловые потери и потери электроэнергии пропорциональны этому перерасходу.

Параметры работы оснащенных АПУ теплообменников свидетельствуют не только о существенном снижении расхода теплоносителя, но и об увеличении разницы температур греющей воды на входе/выходе ЦТП на 4−7С Специалистами ОАО «Теплопрогресс-М» г. Москва, было проведено определение эффективности работы пластинчатых теплообменников, которое показало, что коэффициент теплопередачи теплообменников, оснащенных противонакипными устройствами серии «Акустик-Т» производства ООО «Кольцо-энерго», на 10 — 27% выше коэффициентов теплопередачи наиболее близких по паспортным данным и присоединенным нагрузкам контрольных теплообменников.