Использование магнитного преобразователя накипи для повышения эффективности работы котлоагрегатов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 661.172.2

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАКИПИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КОТЛОАГРЕГАТОВ

© 2014 г. И.Л. Верховинский, Н.Д. Наракидзе, Е.А. Кривобок

Верховинский Иван Леонидович - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел (86352) 55-2-71. E-mail: verkhovinskij @list.ru

Наракидзе Нури Дазмирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Информационные и измерительные системы и технологии», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.

Кривобок Елена Александровна - студент, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.

Verkhovinskij Ivan Leonidovich - post-graduate student, department «Thermal power stations and thermal engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 55-2-71. E-mail: [email protected]

Narakidze Nuri Dazmirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Information and Measuring Systems and Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).

Krivobok Elena Alexandrovna - student, department «Thermal power stations and thermal engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).

Рассмотрен способ удаления накипи и умягчения воды при помощи магнитного преобразователя. Приведены преимущества данного способа по сравнению с традиционными химическими способами умягчения воды. Доказана высокая экономичность магнитного преобразователя накипи.

Ключевые слова: жесткая вода; магнитный преобразователь; умягчение воды; способы удаления накипи; взвешенная кристаллизация; магнитное поле; толщина накипи.

This article discusses a method of removing scum and water softener with a magnetic transducer. The advantages of this method compared to conventional chemical methods of water softening. Proved high efficiency magnetic transducer scale.

Keywords: hard water; magnetic transducer; water softening; descaling methods; weighted crystallization; magnetic field; thickness scale.

Котельная установка в процессе своей работы засоряется. Причиной засорения является жесткая вода. Она отличается высоким содержанием солей кальция и магния, а иногда и других примесей. Все это негативно влияет на качество пара или воды, которые используются в работе котельных.

В котельной установке под воздействием температуры жесткая вода нагревается, соли жесткости вместе с другими примесями окисляются. В результате на стенках котла и внутри труб наблюдается скопление накипи.

Самая большая опасность для котлов - это накипь, полученная в результате выпадения в осадок солей кальция и магния. Удаление накипи и есть одна из самых больших проблем и источник затрат в работе котельных установок. Избавить в большей степени котельную установку от образования накипи сможет только умягчение воды.

Из всех известных на сегодня способов защиты от накипи и коррозии (химических и физических) магнитный способ обработки воды является наиболее перспективным. Согласно СНиП 11-35-76 «Котельные установки», магнитную обработку воды для водогрейных котлов целесообразно проводить, если содержа-

ние в воде железа не превышает 0,3 мг/л, кислорода -3 мг/л, хлоридов и сульфатов - 50 мг/л, ее карбонатная жесткость - не выше 9 мг-экв/л, а температура нагрева не должна превышать 95 °С. Для питания паровых котлов - стальных, допускающих внутрикот-ловую обработку воды, и чугунных секционных -использование магнитной технологии возможно, если карбонатная жесткость воды не превышает 10 мг-экв/л, содержание железа - 0,3 мг/л.

Отложение солей в виде накипи ведет к ряду негативных последствий для теплового оборудования, в том числе и для котельных установок [1]. Повреждение металлических поверхностей выражается в разрыве труб, появлении в них свищей, и все из-за того, что накипь плохо проводит тепло. Трубы буквально раскаляются и начинают разрываться или стираться, а вода теряет свое тепло. Слой накипи внутри парового котла ДКВР толщиной всего 0,3 - 0,4 мм чрезвычайно опасен. Если толщина накипи достигла размеров 0,5 мм, то эксплуатация такого котла должна быть немедленно прекращена. Кроме того, происходит нарушение гидродинамики. Циркулирующая жидкость не в состоянии нормально проходить через все этапы греющей части котла. Всего один миллиметр

накипи увеличивает перерасход топлива от 3 до 15 %. Поэтому, как только толщина накипи превышает отметку в 0,2 мм, необходима очистка от накипи котлов и труб.

Борьба с накипью может осуществляться в двух направлениях - предотвращение накипи и удаление накипи. В данной статье мы рассмотрим такое устройство, как магнитный преобразователь накипи, его плюсы и минусы.

В последние годы в качестве защиты от накипи стали все чаще использовать магнитный преобразователь накипи. По сравнению с химическим умягчением, магнитный умягчитель воды имеет очевидные преимущества. Нет сменных элементов, дополнительных веществ для восстановления, техническое обслуживание сведено к минимуму. В табл. 1 представлены основные параметры редкоземельных постоянных магнитов, используемых для магнитного преобразователя накипи [2].

Конструктивно магнитные преобразователи состоят из постоянных магнитов, ориентированных определенным образом, располагающихся соосно внутри цилиндрического корпуса магнитного элемента, изготовленного из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, на концах которого находятся снабженные центрирующими элементами конусные наконечники, соединенные аргонно-дуговой сваркой. Основным элементом магнитного преобразователя (магнит-нодинамичейской ячейки) является многополюсный магнит цилиндрической формы, создающий симметричное магнитное поле, аксиальная и радиальная составляющие которого при переходе от полюса к полюсу магнита меняют направление на противоположное. Применяются постоянные магниты на основе порошкообразных носителей магнитофоров, ферромагнетиков из феррита бария и редкоземельных магнитных материалов из сплавов редкоземельных металлов неодима (№), самария (Бт) с цирконием (2г), железом (Ре), медью (Си), титаном (Т1), кобальтом (Со) и бором (В) [3].

Действующая сила магнитного преобразователя накипи - магнитное поле. Вода очищается не только от солей жесткости, но и от других примесей. Главная сфера влияния магнитного преобразователя накипи -защищать теплообменное оборудование от накипи.

За счет соответствующего расположения магнитов, создающих высокоградиентные поперечные магнитные поля по отношению к водяному потоку, достигается максимальная эффективность воздействия магнитного поля на растворенные в воде ионы наки-

пеобразующих солей. В результате кристаллизация накипеобразующих солей происходит не на стенках теплообменников, а в объеме жидкости в виде мелкодисперсной взвеси, которая удаляется потоком воды при продувке системы в специальные отстойники или грязевики, устанавливаемые в любой системе отопления, горячего водоснабжения, а также в технологических системах различного назначения.

Магнитный преобразователь накипи применяется чаще всего в таком оборудовании, где важно не столько умягчить воду, сколько удалить старую накипь, а уж потом предотвратить появление новой. Сферы применения такого умягчителя - котельные, бойлеры, пластинчатые теплообменники, охладители, конденсаторы, градирни.

Есть два варианта влияния магнитного преобразователя накипи, рассмотрим каждый отдельно.

Первый вариант влияния - взвешенная кристаллизация. Это означает, что рост и зарождение кристаллов происходит не на поверхности нагрева, а внутри всего объёма воды. Гидратные оболочки ионов всевозможных примесей разрушаются под воздействием магнитного поля. Происходит одновременное образование устойчивых молекул и коагуляция микрочастиц, которые расположились в воде. После этих процессов в воде зарождаются энергетически выгодные центры кристаллизации. Когда воду нагревают, на этих центрах скапливаются соли кальция и магния, затем они начинают расти, меняя при этом свою структуру. Низкая адгезионная способность таких кристаллов гарантирует отсутствие осадка на нагревательных элементах любого бытового прибора. Этот легко выводимый осадок быстро вымывается водой

[4].

Второй вариант - под воздействием магнитного поля соли жесткости трансформируются не в кальцит, а в арагонит. Это тонкая и острая структура, которая очень плохо крепится на стенках оборудования и при этом создает микротрещины. Структура старой накипи также изменяется. Из кальцита она превращается в арагонит и постепенно отслаивается, причем происходит это абсолютно безопасно для поверхностей нагревательного элемента.

Несмотря на все достоинства аппаратов магнитной обработки воды, на практике эффект магнитного поля зачастую проявляется только в первый период эксплуатации, затем эффект постепенно снижается. Это явление потери магнитных свойств воды называется релаксацией. Поэтому в тепловых сетях кроме омагничивания подпиточной воды часто необходимо

Таблица 1

Основные параметры редкоземельных постоянных магнитов

Параметры магнитов Остаточная индукция, Тл Намагниченность, кА/м Магнитная энергия, кДж/м3

Бт^г-Ре-Со-Си 1,0 - 1,1 1500 - 2400 180 - 220

Ш-Ре-Со-ТьСи-В 1,2 - 1,3 1500 - 2400 280 - 320

обрабатывать воду, циркулирующую в системе, путем создания так называемого антирелаксационного контура, в котором обрабатывается вся вода, циркулирующая в системе.

Снижение КПД котельной мощностью 20 Гкал (23278 кВт) на 1 % обойдется потребителю около 259 тыс. руб. за отопительный сезон.

Анализ эксплуатации оборудования показал следующие нерациональные затраты:

- нарушение режимов работы вследствие износа оборудования 5 10 %;

- нарушение режимов работы при неправильной эксплуатации 5 15 %;

- потери от загрязнения внутренних поверхностей нагрева 5 30 %.

Согласно приведенным исследованиям ухудшение теплоотдачи от толщины накипи подчиняется зависимости, представленной на рис. 1. Зависимость перерасхода топлива от толщины слоя накипи представлена на рис. 2 [5].

80 г

5S

О

§ *

Е я

u Я

h и

Я ^

^ 2

о я

н ^ о С

60

40

20

^13

7

""3

8

10

12 14

Толщина отложения солей жидкости, мм

Рис. 1. Зависимость энергетических потерь от толщины слоя минеральных отложений

40

30 20 10

а.

¡и С

—

Ориентировочная годовая экономия топлива составит: Шэк = 0,12 • 5,33 106 = 640000 м3.

Годовая экономия в денежном эквиваленте: Dэк = 640000 • 4 = 2560 тыс. руб.

Таблица 2

Характеристики и режим работы котлоагрегата КВГМ 20-150

Производительность котла*, Гкал/ч 20

Теплотворная способность газа**, Ккал/м3 8100

Стоимость газа***, руб./м3 4,00

Количество рабочих часов в сутках, ч 24

Средняя загрузка оборудования за сезон, % 50

Продолжительность отопительного сезона, сут 180

Расход воды, т/ч 247

1 2 3 4 5 Толщина слоя накипи, мм

Рис. 2. Зависимость перерасхода топлива от толщины слоя накипи: 1 - минимальные значения;

2 - максимальные значения

В табл. 2 представлены характеристики и режим работы котлоагрегата КВГМ 20-150.

Рассчитываем необходимое количество тепловой энергии за отопительный сезон, выработанное котлом КВГМ 20-150[6]: Q = 20 • 0,5 • 180 • 24 = 43200 Гкал.

Определяем необходимую годовую потребность газа: Ш = 43200 • 106 / 8 100 = 5,33-106 м3/год.

Согласно графику на рис. 1 и данным табл. 2, при минимально возможной толщине накипи 1,5 мм потери составляют ориентировочно 12 - 15 %.

Примечание. * - паспортные данные; ** - по данным газоснабжающей организации; *** - взята средняя стоимость газа для теплогенерирующих предприятий.

Таким образом, магнитная обработка воды является перспективным, динамично развивающимся направлением в водоподготовке, вызывающем множество сопутствующих физико-химических эффектов, физическую природу и область применения которых еще только начинают изучать. Неоспоримыми достоинствами магнитной обработки в отличие от традиционных схем умягчения воды с помощью ионного обмена и обратного осмоса является простота технологической схемы, экологическая безопасность и экономичность.

Исследования проведены в рамках работ ЦКП «Диагностика и энергоэффективное электрооборудование» ЮРГПУ(НПИ).

Литература

1. Стукалов П.С., Васильев Е.В., Глебов Н.А. Магнитная обработка воды. Л., 1969. 176 с.

2. Банников В.В. Электромагнитная обработка воды // Экология производства. 2004. № 4.

3. Федорова Н.В., Щеглов Ю.В. Энергетика химических реакций взаимодействия золошлаковых материалов ТЭС с различными реагентами // Энергосбережение и водо-подготовка. 2011. № 6 (74). С. 54 - 55.

4. Домышев А.Ю. Магнитная обработка воды на паровых и водогрейных котлах предприятий Сибири и Дальнего Востока // Опыт прохождения осенне-зимнего отопительного периода 2002 - 2003 гг. и задачи перед энергослужбами Приморского края. Владивосток, 2003. С.91 - 95.

5. Гульков А.Н., Заславский Ю.А., Ступаченко П.П. Применение магнитной обработки воды на предприятиях Дальнего Востока. Владивосток, 1990. 134 с.

6. Верховинский И.Л., Наракидзе Н.Д. Энергоаудит и внедрение энергосберегающих мероприятий в ЮРГПУ (НПИ) // Вестн. энергоэффективности 2013. № 3(03). С. 18 - 23.

Поступила в редакцию

20 мая 2014 г.