Полезная тряска
Ещё в конце сороковых годов прошлого века было экспериментально установлено, что стенки теплообменника, находящиеся под воздействием акустических колебаний, иногда не покрываются накипью.
В середине 1960-х в Акустическом институте имени академика Н. Н. Андреева по инициативе профессора Л. Д. Розенберга (одного из крупнейших учёных-акустиков нашей страны, возглавлявшего направление ультразвуковой техники) было принято решение о проведении научно-исследовательских работ по борьбе с накипью. Группа сотрудников Акустического института под руководством В. И. Фомина в течение ряда лет проводила разносторонние исследования всех аспектов, которые влияли на процессы образования накипи в теплоагрегатах.
В результате были теоретически и экспериментально определены амплитуда и форма оптимального акустического сигнала, а также требуемое количество излучателей на один теплообменник. В 1969 г. появилась на свет первая Инструкция по установке акустических противонакипных устройств на теплообменники.
На научной базе
По результатам проведённых работ был получен ряд авторских свидетельств СССР (1022748, 1058408, 1075508, 1189136, 1205383), относящихся непосредственно к очистке теплообменника, и авторские свидетельства на отдельные узлы и элементы устройства. В 1983 г. получены патент Великобритании (2109656) и патент США (4545042).
Наконец, в 1981 г. комиссия Министерства энергетики и электрификации СССР подписала акт приёмочных испытаний ультразвукового аппарата «Акустик», рекомендовав наладить его промышленное производство на Чебоксарском заводе «Электрозапчасть». С 1983 г. по 1985 г. этот завод выпустил около 2000 комплектов «Акустика».
Годовой экономический эффект от использования одного аппарата составил около 30 тыс. советских рублей за счёт экономии топлива и увеличения периода между профилактическими чистками энергооборудования. Разработчики устройства были представлены к званию «Лауреат Государственной премии СССР», получили Золотые медали ВДНХ (1983 г.) и премии Министерства судостроения СССР.
В 1992 г. специалисты фирмы «Инвак», созданной на базе Акустического института, коренным образом усовершенствовали «Акустик», существенно повысив характеристики аппарата.
Сегодня эта замечательная разработка, к сожалению, имеет лишь нишевое применение.
Волны против частиц
Твёрдые отложения (накипь) на стенках трубок теплообменного оборудования появляются в результате кристаллизации растворённых в подогреваемой воде солей, в основном солей жёсткости.
Работа акустических противонакипных устройств (АПУ) основана на возбуждении в воде, заполняющей теплоагрегат, и в его металлоконструкции ультразвуковых акустических колебаний. Под их действием начинается ускоренная кристаллизация солей в толще воды на некотором расстоянии от стенок труб, колеблющихся с той же частотой. Кристаллы солей, которые осели на стенках и образовали тонкий слой накипи, под действием изгибных колебаний стенки также изгибаются. При этом при толщине слоя накипи примерно 0,1-0,2 мм возникающие механические напряжения нарушают его целостность. Появляются трещины. Горячая вода попадает в эти трещины, увеличивая их ширину. В результате накипь откалывается в виде чешуек, уносимых потоком воды. Далее на чистом месте снова начинает откладываться новый слой накипи, который также откалывается.
В системе устанавливается динамическое равновесие. Для вывода образующегося взвешенного в воде шлама необходимы регулярные продувки агрегата через дренажные отверстия в нижней его части, а в случаях, когда это по каким-либо причинам невозможно, требуется установить на выходе агрегата шламоуловитель и обеспечить его регулярную очистку.
Скромные волшебники
Сегодняшние поставщики АПУ (например, ООО «Кольцо-энерго», производитель приборов «Акустик-Т») позиционируют свою продукцию как недорогое дополнительное средство, которое помогает продлить интервалы между ремонтами и/или чистками небольших теплообменных аппаратов и котлов в промышленности и ЖКХ, а также поддерживать высокую эффективность их работы.
На крупных энергообъектах АПУ не применяются, видимо, по причине жёстких требований регуляторов к качеству воды, которые заставляют электростанции и крупные котельные применять сложные системы химводоочистки.
Два элемента
Конструктивно акустические противонакипные устройства представляют собой излучатели ультразвука (каждый размером с бутылку), соединённые кабелями с генератором сигнала, который выдаёт электрические импульсы специальной формы с несущей частотой от 12 до 25 кГц. В излучателях используется явление магнитострикции: импульсы проходят через катушку и преобразуются её магнитострикционным сердечником в механические колебания той же частоты.
В сердечниках чаще всего используется пермендюр (сплав кобальта с железом, легированный ванадием) - один из лучших магнитострикционных материалов. В генераторе, питаемом от обычной сети 220 В, размещаются выпрямитель напряжения, накопительные конденсаторы, набор тиристоров, плата управления, фильтр питания и разъёмы для подключения кабелей от ультразвуковых излучателей.
Установка
В случае кожухотрубных теплообменников излучатели навариваются на ободок трубной доски (решётки), через которую ультразвуковые колебания распространяются на трубный пучок. В пластинчатых теплообменниках ультразвук подаётся непосредственно в воду. Для этого излучатель со специальным наконечником врезается в патрубок нагреваемой воды. При монтаже на паровые и водогрейные котлы излучатели навариваются на барабаны и коллектора боковых и заднего экранов.
Некоторые современные теплообменные аппараты имеют специальные профили поверхностей, создающие завихрения потока ради повышения эффективности. Информации о том, можно и имеет ли смысл устанавливать АПУ на такие аппараты, нет.
Перед монтажом АПУ на существующий котёл или теплообменник необходима его очистка от накопленного слоя солевых отложений. Иначе, как предупреждают разработчики, возникает опасность засорения и закупорки каналов отделившимися солями.
Подстелить соломку?
Как показывает практика, основные потребители АПУ - это организации, эксплуатирующие теплообменники ГВС и котлы, на которых системы водоподготовки нет вообще или она не очень хорошо отлажена.
В таких случаях противонакипные устройства вполне эффективны. Например, по данным ООО «Кольцо-энерго», АПУ «Акустик-Т» было установлено в кожухотрубных теплообменниках системы ГВС с артезианской водой, карбонатная жёсткость которой составляет 5-7 мг-экв/л. Температура воды на выходе системы - примерно 80 °С. Работающий в таком режиме теплообменник раньше приходилось останавливать для очистки ежемесячно (когда образовывалась накипь толщиной 3-4 мм), а после монтажа АПУ его отключили через 2,5 месяца (для инспекции), не доводя до состояния вынужденной остановки.
На наш взгляд, технология акустической очистки теплообменных аппаратов и котлов незаслуженно забыта энергетиками.
Читайте другие наши материалы
