CC BY
42ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА ВЫПАДЕНИЕ НАКИПИ В ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ
Корюкин Сергей Станиславович, Вологодский государственный университет, г. Вологда
E-mail: sergey-koryukin@yandex.ru
Аннотация. Статья посвящена обзору ультразвуковому методу защиты теплообменников от выпадения накипи, актуальность темы, преимущества данного метода над другими.
Ключевые слова: теплообмен, ультразвук, теплообменники, энергоэффективность, выпадение накипи.
Актуальность проблемы в данной статье крайне высокая. В процессе работы теплотехнического оборудования при использовании жесткой воды на поверхностях нагрева котлов и теплообменных аппаратов образуются твердые отложения, которые принято называть накипью. Накипь обладает высокими механическими свойствами и низкой теплопередающей способностью и поэтому является причиной ряда технических сложностей и дополнительных затрат при эксплуатации теплосилового хозяйства предприятий.
Во-первых, накипь приводит к значительному перерасходу топлива и, соответственно, к снижению коэффициента полезного действия. Так, при наличии накипи толщиной всего 1мм котел перерасходует, в среднем, 2-3 % топлива, 4... 5 мм приводят к потерям топлива до 8.. .10 % и т.д. С ростом потребления топлива увеличивается и количество вредных выбросов в атмосферу.
Во-вторых, по окончании отопительного сезона приходится выполнять трудоемкую и дорогостоящую очистку теплообменной аппаратуры от наслоившейся накипи.
Наиболее распространен кислотный метод очистки, при котором происходит растворение накипи кислотой непосредственно в теплообменном аппарате. После очистки, литры отработанного раствора, содержащего кислоту, сливаются из теплообменной аппаратуры, нанося непоправимый вред окружающей среде. Применяется еще механический метод очистки, при котором накипь высверливается из труб с помощью специальных приспособлений. Но он применим лишь для некоторых типов котлов; кроме того, полностью очистить
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
котел таким способом не удается. При этом в период между очистками накипь образуется вновь, что опять приводит к непроизводительным потерям топлива и увеличению эксплуатационных затрат.
В-третьих, низкая теплопередача накипи приводит к сильному перегреву металла поверхностей нагрева, из-за чего на трубах появляются трещины, вздутия и деформации. Это нередко является причиной аварийных ситуаций, сокращения межремонтных сроков и увеличения затрат на ремонт и обслуживание.
В-четвертых, накипь уменьшает сечение труб, увеличивая их гидросопротивление, а это влечет за собой дополнительные потери электроэнергии в насосном оборудовании на перекачку воды.
В-пятых, перегрев металла, несвоевременная и некачественная очистка неизбежно приводят к сокращению срока службы теплообменного оборудования в 2-3 раза, неоправданным затратам на приобретение и монтаж новых котлов взамен вышедших из строя.
Таким образом, предотвращение накипеобразования - один из важнейших вопросов, связанных с эксплуатацией теплотехнического оборудования.
1. При озвучивании воды ультразвуком достаточной интенсивности, происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов солей жесткости. 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.
2. Ультразвук возбуждает высокочастотные колебания в металлической теплообменной поверхности. Распространяясь по поверхности, противонакипные 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.
3. Под воздействием противонакипных колебаний в толще воды образуется множество кавитационных пузырьков. Вокруг них, как центров кристаллизации, непосредственно в воде начинают образоваться соли жесткости, образуя мелкодисперсный шлам. Колебания поверхности нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Таким образом, частицы труднорастворимых солей практически не оседают на стенках оборудования, а остаются во взвешенном состоянии и удаляются потоком жидкости или продувкой.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Кроме того, противонакипные колебания оказывают разрушающее действие на ранее образовавшуюся НАКИПЬ. Противонакипные колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связи внутри карбонатных отложений, а также между карбонатным отложением и металлом нарушается, и при этом образуются трещины. Вода под действием капиллярных сил проникает через трещины-капилляры к поверхности нагрева, где она мгновенно испаряется, вызывая вспучивание и отслаивание карбонатных отложений. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки карбонатных отложений скапливаются в нижней части теплообменного оборудования и удаляются периодической продувкой.
Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования карбонатных отложений и сохранением за счет этого эффективности теплотехнического оборудования. Противонакипные колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания жидкости на границе двух сред металл-жидкость, что также спосо-бствует увеличению теплопередачи. Явление снижения гидродинамического сопротивления особенно эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внутренних поверхностей труб, где в обычных условиях (без ультразвука) в теплообменном оборудовании сохраняется кислород из воздуха, а при воздействии противонакипных колебаний он легко выходит из этих щелей.
В результате этого исключается один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие противонакипных импульсов на внутреннюю поверхность труб, обладающую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин. Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.
В итоге можно сказать что у метода ультразвуковой очистки теплообменного оборудования огромный потенциал в энергосбережении тепловых ресурсов.
Литература:
1. Новости теплоснабжения. - 2002. - № 10 (26). - С. 44-45
»
42
