Акустические противонакипные устройства «Акустик-Т»

В большинстве регионов России вода жёсткая, и потери от отложений солей в тысячах разнообразных теплообменников российской добывающей промышленности не поддаются никакому исчислению. Если бы теплообменники оснащали акустическими противонакипными устройствами, чистить их приходилось бы очень редко, а при жёсткости нагреваемой воды не выше 4 ед., необходимость в чистке отпала бы вообще.

Ультразвуковой генератор «Акустик-Т4» (серый справа внизу) на подогревателе нефти
Ультразвуковой генератор «Акустик-Т4» (серый справа внизу) на подогревателе нефти

Но как проектные организации, так и те, кто занимается эксплуатацией теплообменного оборудования, склонны игнорировать проблему накипи, год за годом тратя деньги и время на остановку и промывку теплообменников кислотой.

А ведь польза от противонакипных устройств не только в экономии на промывке теплообменников. Чистая теплообменная поверхность — это эффективный теплообмен.

Эффективный теплообмен — это снижение расхода теплоносителя. Снижение расхода теплоносителя — экономия топлива и электроэнергии на его перекачку.

Согласно литературе (Коричева С. Р. «О фактических коэффициентах теплопередачи»), для кожухотрубных теплообменников, толщина слоя накипи в 1 мм приводит к увеличению расхода теплоносителя в 3 раза! Что касается пластинчатых теплообменников, то, по нашим данным, даже на хорошей московской воде за три года эксплуатации у пластинчатых теплообменников ГВС происходит увеличение удельного расхода теплоносителя на 25% и уменьшение разницы
температур теплоносителя на 5-7 °С. Рост же удельного расхода теплоносителя у теплообменника, оборудованного АПУ, составляет за этот срок всего 6%. А представьте, какое количество кислоты сливается в канализацию (или просто на рельеф) после промывки тысяч российских теплообменников, хотя современная техника позволяет легко обеспечить чистоту теплообменника с помощью нежного неосязаемого ультразвука.

Физические принципы ультразвуковой защиты от накипи

Существует несколько физических методов, уменьшающих скорость образования накипи. Все они способствуют кристаллизации солей жёсткости 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.

Ультразвуковые преобразователи, приваренные к жаровой трубе.
Ультразвуковые преобразователи, приваренные к жаровой трубе.

Во-первых, при воздействии на воду ультразвука достаточной интенсивности происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов солей жёсткости. При контакте твёрдого тела с жидкостью на нём образуется накипь. Это может быть или теплообменная поверхность, или взвешенные в воде частицы, являющиеся центрами кристаллизации растворённых 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, где под действием ультразвука появляется большое количество зародышей кристаллов, которые растут и раскалываются.

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 счёт различной механической жёсткости 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 её ростом. Если слой образовавшейся ранее накипи достаточно толстый, 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 в некоторых тяжёлых случаях применение противонакипных устройств не избавляет от накипи навсегда, но скорость её оседания уменьшается в несколько раз. При воде с карбонатной жёсткостью 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. В устройствах «Акустик-Т» используется 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.

Средненедельный удельный расход теплоносителя
Средненедельный удельный расход теплоносителя

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.

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 возбуждает колебания и в пластинах и не позволяет накипи оседать на них.

Что представляет собой акустическое противонакипное устройство? Расскажем на примере оборудования «Акустик-Т». Оно состоит из генератора и магнитострикционных преобразователей (излучателей ультразвука). Конструктивно генератор выполнен в виде настенного блока небольших габаритов, соединённого 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 коллекторы боковых и заднего экранов. В пластинчатых теплообменниках излучатели снабжаются специальным наконечником и врезаются в патрубки на вход и выход нагреваемой воды.

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

Упрощённая 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.

На рисунке показано изменение удельных расходов теплоносителя для трёх кожухотрубных теплообменников, первые два из которых оснащены акустическими противонакипными устройствами, а третий (красная гистограмма) — нет. Аналогичные расчёты проведены и для других теплообменников, и представленные результаты являются характерными. Присоединённые 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 объёмов теплоносителя.

Экспериментально было показано, что в необорудованных противонакипными устройствами тепловых пунктах, на каждую произведённую 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 оснащённых АПУ теплообменников свидетельствуют не только о существенном снижении расхода теплоносителя, но и об увеличении разницы температур греющей воды на входе/выходе на 4-7 °С. А экономия средств на очистку теплообменных поверхностей дополняет экономический эффект применения акустических противонакипных устройств на теплообменном оборудовании.

Текст: А. Г. Андреев, главный инженер; П. А. Панфиль, директор ООО «Кольцо-энерго»

Понравился материал? Подпишитесь
на отраслевой дайджест и получайте подборку статей каждый месяц
.

Статья опубликована в журнале Добывающая промышленность №4, 2017
Союз горных инженеров

Подпишитесь
на ежемесячный дайджест актуальных тем
для специалистов отрасли.

Исключительно отраслевая тематика. Никакого спама 100%.