ООО «Кольцо-энерго», г. Москва
Тел.  +7 (495) 765-4313, 999-1740,
факс  +7 (499) 185-8640
www.beznakipi.com
koltso-energo@yandex.ru
info@beznakipi.com

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.

Скалываниие накипи

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.

Каким же образом создаются ультразвуковые колебания в металлической поверхности нагрева и в нагреваемой воде? 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. В устройствах «Акустик-Т» используется один из лучших магнитострикционных материалов – пермендюр, состоящий из сплава кобальта с железом, с добавлением ванадия. Сердечник из пермендюра припаян к стальному наконечнику, выполненному под сварку, которым излучатель приваривается к защищаемому оборудованию.

Преобразователь ПМСИ-3

Магнитострикционные преобразователи – излучатели ультразвука

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.      

 АПУАПУПр13 преобразователь и генератор

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.

 Монтаж на пластинчатых теплообменникахАкустик-Т2 на теплообменнике ГВС

Излучатель ультразвука на пластинчатом теплообменнике. Ультразвук подаётся в воду.

Акустические противонакипные устройства «Акустик-Т» 24 часа в сутки и 365 дней в году защищают теплообменную поверхность, причём не только от карбоната кальция и гипса, но и твёрдых отложений любой природы, кроме ржавчины. Чистая поверхность нагрева  –  интенсивный теплообмен. Интенсивный теплообмен – уменьшение удельного расхода топлива в котлах и удельного расхода теплоносителя в теплообменниках, экономия газа, воды  и электроэнергии.

Что представляет собой акустическое противонакипное устройство? «Акустик-Т» состоит из генератора и магнитострикционных преобразователей (излучателей ультразвука). Конструктивно генератор выполнен в виде настенного блока с габаритами небольших габаритов, соединенного кабелями с преобразователями. Генератор работает от сети 220 В и формирует импульсы тока специальной частоты и формы, которые преобразуются в вынужденные механические колебания в излучателях ультразвука, приваренных к поверхности теплоагрегата. Частота ультразвуковых колебаний составляет 20 – 25 кГц и выбрана по результатам многочисленных исследований, как оптимальная для предотвращения образования отложений и не оказывающая влияния на сварные и вальцованные соединения. 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. В пластинчатых теплообменниках, излучатели снабжаются специальным наконечником и врезаются в патрубки на вход и выход нагреваемой воды.

 установка 1 установка 2

Слева генератор, справа излучатель ультразвука, приваренный к коллектору котла.

 установка уз1 установка уз

                  Монтаж УЗ преобразователей на пластинчатом и пароводяном теплообменниках

Важнейшее следствие применения АПУ – это интенсификация теплообмена, что влечет за собой уменьшение расхода теплоносителя. А это – уменьшение тепловых и гидравлических потерь, экономия энергоносителя и электроэнергии.  Кроме того, внедрение АПУ позволяет:  

  • Применять высокоэффективные пластинчатые теплообменники на жесткой воде
  • Снизить температуру обратной сетевой воды в среднем на 5°С
  • Обеспечить безнакипный режим работы котлов

Увеличение срока работы теплообменного оборудования между его вынужденными остановками является показательным, но не единственным преимуществом применения акустических противонакипных устройств. Наши данные позволяют утверждать, что 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.

Упрощенная модель влияния образующегося слоя накипи на эффективность работы теплообменников выглядит следующим образом. Нарастающий в теплообменной поверхности слой накипи из-за своей низкой теплопроводности препятствует передаче тепла нагреваемой воде. Для удержания температуры нагреваемой воды на заданном уровне, увеличивается расход теплоносителя, что приводит к повышению средней температуры теплообменной поверхности, и к более интенсивному, в том числе и по длине теплообменника, образованию накипи. Увеличение удельного расхода теплоносителя  также приводит к росту его температуры на выходе из теплообменника. При этом количество тепла, передаваемого нагреваемой воде, не изменяется.  Увеличивается лишь количество тепла, транспортированного теплоносителем через теплообменник.

Применение акустических противонакипных устройств позволяет избежать увеличения удельного расхода теплоносителя в течении длительного времени. Получение количественных данных, позволяющих оценить эффективность работы теплообменников и экономический эффект применения противонакипных устройств требует регулярной регистрации параметров работы теплообменников. Такой учет проводится на всех ЦТП Предприятия №1 ГУП «Мостеплоэнерго», большая часть кожухотрубных теплообменников ГВС которого оснащены противонакипными устройствами серии «Акустик-Т» производства ООО «Кольцо-энерго». Для получения обобщенной картины рассмотрим динамику изменения усредненных за летний период (май – сентябрь) удельных расходов теплоносителя в ВВП ГВС за последние четыре года в РТС «Строгино». Удельный расход теплоносителя и разница его температур являются обратно пропорциональными величинами и служат легко регистрируемыми параметрами оценки эффективности работы теплообменников.

На следующем рисунке показано изменение удельных расходов теплоносителя для трех кожухотрубных теплообменников в 2000 – 2003 годах, 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.

удельный расход

                       2000              2001              2002               2003

Изменение средних за летний период удельных расходов теплоносителя в кожухотрубных теплообменниках,
два из которых оснащены АПУ, третий (красная гистограмма) – не оснащён.

Количественной величиной, характеризующей эффективность работы конкретного теплообменника,  служит коэффициент теплопередачи. Для определения значения коэффициента теплопередачи недостаточно имеющегося в тепловых пунктах аппаратурного обеспечения, но в каждом тепловом пункте регистрируются значения параметров, наблюдение за изменением которых позволяет провести качественную оценку эффективности работы теплообменника.

Сравнение эффективности работы различных теплообменников корректно лишь при выполнении ряда условий, основными из которых являются равенства их присоединенных нагрузок, площадей теплообменной поверхности, температур сетевой воды на входе в ТП и выходных температур нагреваемой воды. Такая оценка эффективности работы теплообменников системы ГВС возможна, естественно, лишь в летний период, при отключении системы отопления, так как регистрация расходов и температур сетевой воды проводится по всему тепловому пункту.

Все эти требования были выполнены специалистами ООО «Кольцо-энерго» и «Мосгортепло» при проведении работы по оснащению акустическими противонакипными устройствами пластинчатых нагревателей ГВС в г. Москве. Тепловые  пункты  в разное  время были оборудованы электромагнитными счетчиками количества тепла и оснащены АПУ «Акустик-Т2». На рис. 7 приведены значения удельных расходов теплоносителя в трех тепловых пунктах, один из которых оснащен акустическим противонакипным устройством серии «Акустик-Т»   (ТП  по  адресу  ул. Зорге,  6).   Необходимо отметить, что включение и выключение системы отопления проводилось соответственно в апреле и октябре месяцах и что потребляемое количество тепла в системах отопления намного больше потребляемого количества тепла в системах ГВС. Тепловые нагрузки отопления в этих ТП, в отличие от ГВС, различны. Аналогичные результаты получены методом сравнения и для остальных тепловых пунктов. Во всех нагревателях ГВС с применением АПУ удельный расход теплоносителя на 10 – 30% ниже, чем в контрольных, не оборудованных противонакипными устройствами.

Средненедельный расход

Средненедельный расход 2

Ряд 1 – Зорге, 6     ряд 2 – Зорге, 16     ряд 3 – Зорге, 20

Средненедельный удельный расход теплоносителя.

 Значительный разброс значений удельного расхода теплоносителя в контрольных ТП для однотипных нагревателей с одинаковыми площадями теплообменных поверхностей и присоединенными нагрузками как раз и свидетельствует о различной степени их загрязнения. Перепад давлений нагреваемой воды так же служит параметром определения степени загрязнения теплообменников, однако, из-за невысоких точностей применяемых средств измерений, регистрируемое изменение перепада давлений свидетельствует лишь о том, что нагреватель уже загрязнен и требует очистки.

Таким образом экспериментально показано, что в данных, 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.

Полученные результаты проведенных исследований свидетельствуют о повышении эффективности работы кожухотрубных и пластинчатых теплообменников системы ГВС при оснащении их акустическими противонакипными устройствами, увеличении срока их безостановочной работы и экономии средств, затрачиваемых на эксплуатацию. 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 4-7°С.

На рынке ультразвуковых противонакипных устройств сегодня представлены несколько их типов, значительно отличающихся по характеристикам и эффективности применения. Все приведенные результаты относятся только к акустическим противонакипным устройствам «Акустик-Т» производства ООО «Кольцо».

Ультразвуковая технология предотвращения образования накипи является рекомендованной технологией РД 153-34.1-37.410-00. [3] и при грамотном применении позволяет достигнуть экономического эффекта меньше, чем через год после установки противонакипных устройств. Наибольший экономический эффект получен на многосекционных кожухотрубных теплообменниках системы ГВС  за  счет поддержания на расчётном уровне эффективности их работы  и предотвращения роста тепловых потерь. Применение противонакипных устройств на пластинчатых теплообменниках позволяет получить экономию электроэнергии, потребляемой насосами для перекачки повышенных объемов теплоносителя,  необходимых для поддержания температуры нагреваемой воды на выходе из загрязненных теплообменников на заданном уровне. А экономия средств на очистку теплообменных поверхностей, дополняет экономический эффект применения акустических противонакипных устройств на  теплообменном оборудовании. 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.

Переход потребителей на учет и оплату  фактически потребляемого количества тепла превращает коэффициент теплопередачи теплообменного оборудования в экономический показатель, а активное внедрение энергосберегающих технологий – в гарантию успешной работы предприятий, производящих и отпускающих тепловую энергию.

Несколько лет назад мы провели сравнительные испытания 11-ти типов акустических (ультразвуковых) противонакипных устройств, в т.ч. и те которые присутствуют на рынке на сегодняшний день: ИЛ2 (Петербург), USP-1000 и УЗУ-1 (Чебоксары), Волна (Пенза), и др. Испытания проводились по нашей методике в лабораторных условиях.

Было выявлено, что выпускаемые нами акустические противонакипные устройства (АПУ) «Акустик-Т» значительно превосходят другие устройства по уровню ультразвуковой энергии, подаваемой в металл. Например, амплитуда колебаний нагруженного торца излучателя «Акустик-Т» в 10 раз выше, чем у  ИЛ и USP. Интегральная энергетическая характеристика, т.н. «обобщённый параметр воздействия» составляет: 1,0 –  для «Акустик-Т»,  0,23 –  для ИЛ, 0,06 – для USP и т.д.

Ещё одним преимуществом АПУ «Акустик-Т», кроме мощного и надёжного ультразвукового генератора,  является то, что магнитострикционный излучатель ультразвука изготовлен из пермендюра – сплава кобальта (49%) с железом, с добавлением 2% ванадия. Этот материал обладает лучшими магнитострикционными свойствами по сравнению с другими магнитострикционными материалами – никелевыми сплавами и т.н. алферами (железо с добавлением до 15% алюминия), к числу которых относится и дифераль, применяемый во многих других ультразвуковых устройствах, в частности USP.

Литература.

1.   Левин Б.И., Шубин Е.П.  Теплообменные аппараты систем теплоснабжения. М., Л. Энергия, 1965.- 256 с.

2.  Методические указания по безреагентным способам очистки теплообменного оборудования от отложений. Руководящий документ для тепловых станций и котельных. РД 153-34.1-37.410-00. Москва, 2000 г. стр.6

ООО «Кольцо-энерго», г. Москва
Тел.  +7 (495) 765-4313, 999-1740,
факс  +7 (499) 185-8640
www.beznakipi.com
koltso-energo@yandex.ru
info@beznakipi.com