Способы предотвращения отложений на теплообменных поверхностях

Любая поверхность, контактирующая с нагретой до высокой температуры водой, через какое-то время оказывается покрытой накипью. Такой процесс вызывается тем, что даже в пресной воде изначально содержится большое количество растворов солей кальция и магния. Но если для бытовых приборов накипь особой опасности не представляет, то для промышленных теплообменников, нагревательных котлов защита от накипи - один из главных факторов снижения энергетической эффективности нагревательного оборудования. Кроме этого, накипь уменьшает полезное сечение труб, повышая тем самым гидравлическое сопротивление труб теплообменника. Все вместе это влечет за собой перерасход топлива, причем по экспертным данным слой накипи толщиной до 0,2 мм увеличивает расход топлива на 3%, а слой в 1 мм на 7%. Именно поэтому промывка теплообменников оказывается столь важным мероприятием. Она позволяет обезопасить теплообменники от повреждений и оставить эксплуатационные параметры теплообменника на уровне паспортных характеристик, сохранив при этом гарантированный изготовителем срок службы.
Считается, что проще предупредить, чем потом устранять последствия. Отчасти это можно отнести и к работе теплообменников. Иногда защита от накипи оказывается выгоднее последующей ликвидации накипи на стенках устройств, работающих на горячей воде. Методов такой защиты предлагается достаточно много, однако реализуются в основном следующие способы:

• химическая водоподготовка и предварительное умягчение воды;
• электромагнитная защита от накипи;
• ультразвуковая защита

Однако защита от накипи помогает не всегда, кроме этого нередко оказывается дешевле производить периодическую очистку теплообменников, чем устанавливать специальное оборудование и приобретать химикаты или специальные фильтры для умягчителей. Такая работа как промывка имеет целью удалить накипь и другие загрязнения со стенок агрегатов, имеющих постоянное соприкосновение с водой.
Следует помнить, что изменение режимов течения может привести к застоям рабочего тела и как следствие образованию отложений в теплообменнике. Поэтому также необходимо конструкционно исключить возможность образования мертвых зон и предусмотреть возможность очистки теплообменной поверхности.
В последние годы значительно возрос интерес к исследованию возможности снижения солеотложений на поверхностях теплообмена с помощью искусственной турбулизации. Весьма эффективными оказались трубы с кольцевыми турбулизаторами, что подтверждено специально проведенными экспериментами при обтекании водой повышенной жесткости наружной и внутренней поверхностей труб с различными параметрами турбулизаторов. Скорость воды изменялась в пределах 0.1-1.5 м/с, температура 50-90°С, длительность эксперимента до 360 ч. В результате этих опытов были получены зависимости термического сопротивления слоя солеотложений, снаружи и внутри труб от параметров турбулизаторов, скорости воды, времени.
Проведенные эксперименты показали, что поскольку солеотложения снаружи и внутри труб с турбулизаторами значительно меньшие, чем в гладких, это позволяет при использовании таких труб обеспечить устойчивую работу теплообменных аппаратов без специальных мероприятий по очистке поверхностей.


1 Способы предотвращения отложений на теплообменных поверхностях

1. 1 Химическая водоподготовка

Существуют различные способы водоподготовки, подбираемые в зависимости от производительности и характеристик исходной воды. Среди наиболее популярных и используемых выделяется метод умягчения воды, или иначе ионный обмен, в ходе которого «вредоносные» ионы, то есть ионы кальция и магния, заменяются ионами натрия. Применяется метод, как правило, на небольших установках или в случаях, когда велики объемы возвращаемого конденсата. Обмен осуществляется на поверхности гранул из синтетической смолы, заполняющих ионообменный аппарат.
При использовании установок с большим количеством добавочной воды или в связи с появлением необходимости получить котловую воду с низкой электропроводимостью находит свое применение более дорогой метод – обратный осмос, основывающийся на использовании полупроницаемых мембран. Производительность установки обратного осмоса может быть различной. Исходя их этого показателя необходимо предварительное или последующее умягчение воды. В первом случае, когда имеет место предварительное умягчение, применяются специальные ионообменные фильтры. Заметим, что при необходимости пропустить через обратноосмотическую установку значительное количество воды, то, как правило, делается следующий шаг: перед установкой осуществляется ввод реагента, который предотвращает зарастание мембран солями жесткости.
После проведения умягчения и обессоливания производится термическая дегазация воды. Предназначен этот шаг для уменьшения содержания кислорода и углекислого газа в воде. Данная технология основывается на следующем факте – растворимость газов в жидкостях с повышенной температурой снижается, а при кипении и вообще становится нулевой. В установках небольшой мощности, а также характеризующихся большим количеством возвращаемого конденсата, часто применяют системы частичной дегазации. Они позволяют несколько уменьшить капитальные затраты для подобного оборудования. Работают такие системы в узком диапазоне температур – от 85˚ до 90˚С. Газы, растворенные в воде, при нагреве покидают систему в виде смеси газа с паром, или иначе – выпара. В названном выше диапазоне температур этот процесс происходит не полностью, вследствие чего в воде остаются небольшие концентрации углекислого газа и кислорода. По этой причине требуется дополнительная химическая обработка воды.
Если же используемая установка более крупная, или возврат конденсата невелик, применяются деаэрационные установки атмосферного или вакуумного типа. Остаточные концентрации кислорода и углекислого газа в этом случае настолько малы, что ими можно пренебречь. Можно переходить к следующему этапу водоподготовки, который подразумевает лишь ввод небольшого количества реагента, связывающего названные выше вещества. Передозировка реагентов, применяемых для связывания оставшихся солей жесткости и кислорода, а также для повышения рН, к сожалению, не является редкостью. Ее причинами в значительной мере выступают отсутствие непрерывного контроля и эмпирическое назначение доз. Такой подход неэффективен не только из-за большого расходования реагентов, но и энергетической точки зрения. В случаях, когда происходит передозировка химикатов, часто повышается электропроводимость воды, выпадает шлам. Названные явления, в свою очередь, ведут к энергетическим потерям. Есть возможность и возникновения проблем из0-за того, что котловая вода вспенивается. Следствием этого является остановка котла, так как уровень воды понижается или повышается. Унос воды влияет на качество пара, снижая его. Кроме того, появляется возможность возникновения гидравлических ударов и повреждений в системах потребителей.
Естественно, что требуемое качество воды не будет достигнуто без постоянных или хотя бы периодических замеров ее параметров. Характеризуется вода паровых котлов и водогрейных установок значениями рН, электропроводимости, щелочности, жесткости и содержания кислорода. Частота и объем подобных измерений, как правило, определяются производителями котельного оборудования, а также организацией, ведущей его эксплуатацию и соответствующими органами надзора. На данный момент это, в большинстве случаев, делается вручную и характеризуется большими затратами времени и сил. Исключение может составлять только измерение электропроводимости, которое можно осуществлять непрерывно с помощью специального электрода. Производятся необходимые анализы воды ежедневно, если же установка оснащена оборудованием, дающим возможность работы без постоянного персонала, то раз в три дня. Для проведения подобных работ предусмотрены специальные участки отбора проб. С помощью специальных охлаждающих устройств, которыми оборудуются эти точки, отбор воды можно сделать правильно и безопасно. Для определения общей жесткости, а так же значения щелочности, применяют метод титрования или фотометрический метод. Разумеется, при этом используются соответствующие приборы. Метод титрования, если описывать кратко, заключается в том, что в воду, взятую для анализа, вводят растворы реактивов и наблюдают за изменением цвета воды. Как только окрашивание произойдет, по объему затраченного раствора определяется щелочность и общая жесткость воды. Работа фотометрического метода аналогична рассмотренному.

1.2 Магнитный (электромагнитный) способ

Обработка воды магнитным способом заключается в воздействии магнитных полей на поток воды. При прохождении воды в межполюсном пространстве магнитного аппарата при наличии ферромагнетиков (например, частиц железа – прим. ред.) в пересыщенном по накипеобразователю растворе (воде) образуются зародыши центров кристаллизации, которые начинают расти, вызывая объемную кристаллизацию солей жидкости. В результате вместо накипи образуется тонкодисперсная взвесь, частицы которой, достигнув определенного размера, образуют шлам.
Источниками магнитного поля в аппаратах магнитной обработки воды могут быть как постоянные магниты, так и электромагниты. Собственно аппараты подразделяются на две группы:

• с постоянными магнитами - для обработки подпиточной воды паровых котлов низкого и среднего давления;
• с электромагнитами на постоянном и переменном токе - для обработки воды водогрейных котлов, теплосетей, систем оборотного охлаждения.

Противонакипной эффект, получаемый при наложении магнитного поля, определяется как параметрами аппарата (магнитная индукция, скорость потока обрабатываемой воды, время воздействия и т.п.), так и во многом показателями качества обрабатываемой воды.
Метод магнитной обработки воды и предотвращения образования накипи на поверхностях нагрева теплообменных аппаратов получил свое продолжение в методе магнитоимпульсной очистки реализованный в электромагнитных пульсаторах ПЭ (ТУ РБ 99009425.001-99) разработанных Пронским Г.К. Суть метода состоит в воздействии на очищаемые поверхности переменного магнитного поля определенных оптимальных параметров по амплитуде, частоте, скорости нарастания и убывания, закона изменения во времени. Электронный блок формирует импульсный ток, поступающий на электромагнитные преобразователи. Переменное магнитное поле, создаваемое преобразователями, вызывает на поверхностях нагрева магнитострикционные колебания сдвига на межатомном уровне, приводящие к отслоению отложений. В результате происходит отслаивание, дробление, частичное превращение в сметанообразную массу солей накипи и частичное растворение ее намагниченной водой, что позволяет удалять ее из теплообменного оборудования в процессе продувок и дренирования.
Система защиты от отложений на базе ПЭ устанавливается на работающем оборудовании на весь период эксплуатации и предназначены для магнитной обработки воды с целью разрыхления накипи и шлама и препятствия в дальнейшем ее образования на поверхностях нагрева теплоэнергетического и теплообменного оборудования (водогрейные и паровые котлы, теплообменники и др.).
Напряжение питания – 36 В. Максимальная мощность – 15 Вт. Напряженность магнитного поля не более – 150 Эрстед. Применяя несколько электромагнитных пульсаторов ПЭ можно защитить все теплообменное и теплоэнергетическое оборудование одной котельной, ЦТП и т.п. По результатам актов испытаний в промышленных условиях начало разрушения и отслаивания отложений от стенок теплообменного и теплоэнергетического оборудования начинает наблюдаться после десяти суток работы электромагнитных пульсаторов ПЭ. В дальнейшем накипь опадает или превращается в сметанообразную массу, смываемую проточной водой.
Эффективность разрушения и отслаивания накипи на поверхностях нагрева теплообменного и теплоэнергетического оборудования с малым теплонапряжением - до 95% за первый месяц работы.
Применение электромагнитных пульсаторов ПЭ позволяет эксплуатировать теплообменное и теплоэнергетическое оборудование с поддержанием его технико-экономических показателей в нормативных пределах.
магнитная обработка обладает следующими преимуществами:

• простое и удобное обслуживание магнитных аппаратов;
• небольшие габаритные размеры установки;
• практически исключается загрязнение окружающей среды, за счет исключения использования химических реагентов;
• накипеобразование не только предотвращается, но и удаляется старая накипь;
• за счет образования тонкого слоя магнетита снижается скорость коррозии металла.

1.3 Ультразвуковой способ

Данный метод основан на исследованиях, проводившихся в СССР с конца 30-х годов. При воздействии на воду слабых ультразвуковых колебаний образуется множество постоянно смещающихся центров кристаллизации, что затрудняет рост и осаждение кристаллов накипи на теплообменных поверхностях оборудования. Ультразвуковые колебания способствуют интенсивному образованию новых центров кристаллизации в объеме воды и происходит образование шлама в массе жидкости. В результате воздействия ультразвуковых колебаний наблюдается либо прекращение образования отложений, за счет нарушения условий кристаллизации, либо разрыхление образующейся накипи. В слое накипи под воздействием ультразвуковых колебаний образуются микротрещины, которые, накапливаясь, приводят к разрушению имевшихся отложений и к очистке оборудования. Шлам удаляется с током воды или продувкой. Следует учесть, что данный метод физический и действует на все виды солей и органических отложений независимо от их химического состава. Желательно, после теплообменного агрегата, который защищен ультразвуковыми установками, установить устройство, задерживающее взвесь коагулированной накипи, чтобы не засорять потребителей. Для этих целей нами разработан ряд (по расходу воды) инерционно-гравитационных грязевиков, полностью справляющихся с этой задачей и имеющих при этом минимальное гидравлическое сопротивление.
Данный метод является наиболее эффективным и универсальным из безреагентных физических методов, экономичен, экологически чист, безопасен для оборудования и персонала. Может сочетаться с вводом комплексонов и химводоподготовкой воды.
Широкое внедрение УЗ-технологий началось в 50-60-х годах, но только в последние годы удалось разработать аппаратуру, сочетающую высокую эффективность и надежность с умеренной стоимостью.
ИЛ-1М - ультразвуковая импульсная установка, сочетающая в одном корпусе генератор с магнитострикционным излучателем. Установка предназначена для предотвращения образования отложений. Максимально допустимая температура торца магнитострикционного преобразователя 115° С, потребляемая электрическая мощность 30 Вт.
Специальная реализация электронного генератора позволяет ИЛ-1М устойчиво работать при столь тяжелых температурных условиях. Гарантия наработки на отказ 10000 часов непрерывной работы. Данный тип установки выпускается с 1988 года. За это время было выпущено и реализовано более 4000 установок ИЛ-1М.
ИЛ-1МХ - ультразвуковая импульсная установка, состоящая из отдельных генератора и излучателя, соединенных между собой кабелем в металлорукаве. Установка предназначена для предотвращения образования отложений. В данной установке излучатель может быть установлен на более горячие, чем предыдущая установка, поверхности. Повышена потребляемая и соответственно выходная мощность, генератор физически может находиться в более комфортных условиях, чем излучатель.
ИЛ-2 - ультразвуковая импульсная установка в приборном исполнении. Установка двухканальная, повышенной выходной мощности, предназначена как для предотвращения образования отложений, так и для удаления старых отложений. Два излучателя соединены с генератором гибким кабелем в металлорукаве. Длина кабеля позволяет размещать излучатели на теплообменном оборудовании в любом необходимом месте.
Монтаж ультразвуковых излучателей на теплообменное оборудование предельно прост. Излучатели привариваются к защищаемым агрегатам снаружи, не нарушая и не мешая процессам теплообмена. В зависимости от типа, теплообменное оборудование оснащается различным количеством ультразвуковых импульсных установок.

2 Очистка теплообменных поверхностей

Сегодня разделяют два основных метода очистки теплообменников различных как по принципу действия так и по степени эффективности — разборная механическая очистка и безразборная гидрохимическая очистка теплообменников. Обычно разборную очистку теплообменников относят к крайним мерам, необходимость в которых возникает только в самых запущенных случаях, в то время как безразборная гидрохимическая очистка теплообменников считается мерой, подходящей для регулярного сервисного обслуживания любых теплообменников.
Под разборной очисткой теплообменников обычно подразумевается механическая очистка, которой необходим разбор и извлечение из теплообменника загрязненных элементов. В этом случае очистка теплообменника предполагает промывку блоков или пластин теплообменника струей воды под высоким давлением. При необходимости может быть добавлена такая мера, как химическая очистка теплообменников, при которой загрязненные детали помещаются в емкость с чистящим средством на определенный промежуток времени.
После завершения химической промывки теплообменника извлеченные детали промываются водой и помещаются в систему. Преимуществом разборной химической очистки теплообменника является ее высокая эффективность — подобным методом возможно удалить практически все скопившиеся загрязнители любого характера. Основным же минусом этого метода очистки теплообменников является его большая стоимость в сравнении с безразборной химической очисткой теплообменников.
Поэтому в настоящее время используются преимущественно химические методы - химические промывки. В частности, практически на всех котельных широкое применение для очистки поверхностей нагрева получил метод кислотной химической очистки ингибированной соляной кислотой с последующим щелочением. Но при этом необходимо учитывать, что соляная кислота хорошо и быстро растворяет только карбонатные отложения. Если в отложениях присутствуют сульфатные и силикатные соли, которые фактически не растворимы соляной кислотой, то для проведения химочистки в соляную кислоту необходимо добавлять фтористые соединения ( NH 4 F , NaF , HF ). Как известно, фтористые соединения токсичны и, следовательно, возникают проблемы со сточными водами.
Кроме того, образование накипных отложений по периметру труб не равномерно. Обычно с "огневой" стороны их толщина в 2-3 раза больше. Следовательно, при проведении химической очистки кислотой часть поверхности труб очистится раньше и кислота будет реагировать с чистым металлом, подвергая его коррозии. Коррозионные процессы протекают более активно в заклёпочных соединениях (в клёпанных барабанах), вальцованных соединениях, сварных швах и т.д.
Иногда в экранных трубах конвективного пучка возникают, так называемые, "глухие пробки" из накипи длинною от 200 мм и более. При кислотной очистке наличие таких пробок приводит к необходимости замены труб.
Необходимо помнить, что проведение химических очисток теплоэнергетического оборудования требует строгого соблюдения техники безопасности, т.к. все применяемые реагенты в той или иной степени ядовиты, при работе могут вызвать химические ожоги, а при подогреве раствора - дополнительные тепловые. Необходимо также помнить, что при взаимодействии моющих растворов с отложениями и металлом оборудования выделяется водород, который в смеси с кислородом воздуха может привести к образованию легковоспламеняющейся и взрывоопасной "гремучей" смеси.
Около 30 лет назад был предложен способ борьбы с отложениями с помощью комплексонов, содержащих фосфоновые группировки - РО(ОН)2 и коплексонатов, производных от комплексонов. Данный химически метод основан на образовании прочных комплексных соединений с кальцием, магнием, железом и некоторыми другими соединениями в результате постоянного ввода в теплоноситель комплексона. При нагревании до определенной температуры эти комплексы остаются в растворенном состоянии и поэтому соединения кальция и магния не откладываются на поверхностях нагрева в виде накипи. Но необходимо учитывать, что в жесткой воде при температуре 120-125 °С комплексы распадаются.
Таким образом, несмотря на столь широкое распространение методов химических очисток теплообменных поверхностей, нельзя не отметить присущих им серьезных недостатков:
• необходимость останова оборудования, сбора специальных промывочных схем с трубопроводами, арматурой, насосами и емкостями;
• расход дорогостоящих реагентов и воды для собственно промывок и последующих отмывок поверхностей нагрева;
• невозможность эффективной очистки оборудования из-за неравномерного распределения накипи по поверхности нагрева, как следствие - неполное удаление накипи;
• необходимость пассивации металлических поверхностей после химочистки;
• износ металла вследствие коррозионных процессов после трех-четырех химочисток;
• образование большого объема сточных вод, зачастую содержащих токсичные вещества.
Кроме того, с первого же дня эксплуатации оборудования после химической очистки накипь начинает образовываться снова.

В настоящее время существует множество различных способов предотвращения, а также удаления уже появившихся отложений. Некоторые способы являются дорогостоящими, другие представляют угрозу оборудованию и здоровью обслуживающего персонала.
Таким образом, образование отложений является острой проблемой и оставляет открытым вопрос о развитии и нахождении более эффективных методов защиты теплообменных поверхностей.

ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.