Безреагентная водоподготовка. Методы, технологии, продукция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Безреагентная водоподготовка. Методы, технологии, продукция

Образование накипных отложений на теплообменных поверхностях является одной из главных проблем теплоэнергетики на протяжении всей истории ее развития. Накипеобразованию подвержены теплообменники различных типов и назначения: конденсаторы, деаэраторы, пароохладители, инжекторы, котлы и испарители, все виды нагревателей, в том числе пластинчатые и скоростные. Отложения солей карбонатной жесткости на теплообменном оборудовании вызывает уменьшение эффективности его работы. За счет различных значений коэффициентов теплопроводности металла и образующегося слоя накипи, увеличение толщины слоя отложений приводит к снижению температуры нагреваемой воды. В зависимости от карбонатной жесткости нагреваемой воды и ее температуры, время увеличения слоя накипи до толщины в несколько миллиметров составляет от трех недель до трех лет. И каждая вновь образующаяся доля миллиметра слоя накипи приводит к ухудшению процесса теплопередачи, к увеличению удельного расхода количества тепла, энергоносителей, электроэнергии. С течением времени энергетические потери, вследствие образования накипи, могут составлять до 60%.

Образование слоя накипи, толщина которого составляет 1 мм, ухудшает процесс теплообмена в котлах, по данным различных источников, на 5-20% в зависимости от состава накипи и типа котла. А при даже непродолжительной работе котлов на химически неподготовленной воде толщина слоя накипи может достигнуть 50 мм. Зависимость величины потерь тепловой энергии от толщины накипи на теплообменных элементах показана на рис. 1 (по данным ВТИ им. Дзержинского, Россия).

Загрязнение теплообменных поверхностей нагревателя накипными отложениями не только снижает эффективность его работы и требует периодической остановки для проведения очистки, но и, что самое важное, вызывает цепочку экономических потерь при производстве, транспортировке и потреблении тепла.

В тепловых пунктах - это увеличение потребления электроэнергии насосами, перекачивающими повышенный объем теплоносителя, дополнительные гидравлические и тепловые потери в нагревателях, необходимость их разборки и чистки теплообменных поверхностей.

Проблемы, связанные с образованием накипи, решаются с использованием как химических (реагентных), так и физических (безреагентных) методов.

При химическом умягчении воды используют принцип ионного обмена. В этом случае ионы кальция и магния в воде замещаются ионами натрия или водорода. Недостаток данного метода - изменение химическогосостава исходной воды. Вода с повышенным содержанием натрия опасна для здоровья людей, которые имеют заболевания сердца и проблемы с давлением. Дефицит ионов кальция в воде приходится ликвидировать искусственным путем. Кроме этого, ионообменная смола нуждается в периодическом восстановлении своих свойств - регенерации. При регенерации используются поваренная соль либо кислоты.

Кроме расходов, связанных с покупкой и доставкой реагентов, необходимы расходы для утилизации отходов. Это обусловлено тем, что вода, используемая для промывки, имеет высокую концентрацию токсичных веществ. Также недостатком данного метода является сравнительно высокая стоимость оборудования, монтажа и расходных материалов.

Из физических методов практическое применение получили магнитный, электромагнитный и радиочастотный методы обработки воды.

В последние десятилетия как в Украине, так и за рубежом для борьбы с образованием накипи стали применять магнитную и радиочастотную обработку воды. Данные методы широко используют в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления, в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах. В сравнении с распространенными методами умягчения воды магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплуатационные расходы.

Сравнение магнитной обработки воды с химическим способом умягчения воды приведено в табл. 1.

В настоящей статье мы рассмотрим особенности магнитного и радиочастотного метода обработки воды.

Магнитная обработка воды

Впервые широко начали применять магнитную обработку воды для предотвращения накипеобразования около 50 лет назад в Бельгии. В 1936 году бельгийский инженер T.И.C. Вермейрен обнаружил, что при нагревании воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на теплообменной поверхности не образуется накипь. Первый в мире патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан T.И.C. Вермейрену 01.10.1946 г. АО EPURO (г. Антверпен, Бельгия) к 1980 г. продало около 130 000 таких устройств. В настоящее время приемником этой фирмы является Cepi-CO Ltd. Аппараты системыCEPI с успехом использовались в котельных, в пивоварении, в производстве сахара, в опреснителях морской воды на морском транспорте и так далее. В 80-е годы фирма EPURO для обработки воды выпускала аппараты производительностью от 0,03 до 32 тыс. м3/ч и продавала до 5000 шт. в год во все страны мира.

В СССР состоялись 4 научно-практические конференции по использованию этого метода в различных отраслях народного хозяйства, причем не только для предотвращения накипи. До перестроечного периода Московским заводом им. Войкова выпущено более 500 000 аппаратов для магнитной обработки воды. За последние 10-15 лет использование этого метода существенно сократилось из-за отсутствия финансирования у потребителей, закрытия Московского завода им. Войкова по экологическим причинам. Однако за последние 2-3 года началось оживление в этом направлении, связанное с ростом производства в стране, существенным повышением цен на химические реагенты, которые используются для умягчения воды, созданием высокоэнергетических магнитов, на порядок превосходящих по своим свойствам ранее применявшиеся для этих целей.

Принцип работы устройства магнитной обработки воды

Принцип работы устройства магнитной обработки воды заключается в следующем. Любая вода, кроме специально очищенной, содержит железо. Под воздействием магнитного поля происходит дробление агрегатов окислов и гидроокислов железа, которые находятся в жидкости. Агрегаты железа представляют собой образования, которые состоят из стержнеобразных кристаллов длиной менее одного микрона, и эти микрокристаллы, как маленькие магниты, «слипаются» в агрегаты достаточно больших размеров, в которых находятся сотни и тысячи частиц.

Приложенное внешнее магнитное поле заставляет микрокристаллы приобрести ориентацию относительно магнитных силовых линий. Следовательно, появляются силы отталкивания, которые заставляют частицы удаляться друг от друга. При правильно подобранном внешнем поле количество «элементарных» микрокристаллов увеличивается в тысячи раз.

В зависимости от условий, химического состава жидкости, скорости потока жидкости в зазоре между магнитами и т.п. процесс разрушения агрегатов коллоидных частиц, как было установлено экспериментально, происходит за короткие интервалы времени (0,01…0,5 мкс).

По сути, в толще воды происходят тысячи «микровзрывов». Следовательно, возникают области низкого и высокого давления. В результате этого образуются микропузырьки газов, которые обладают высокой адсорбционной активностью по отношению к органическим и минеральным отложениям. Сталкиваясь с металлическими поверхностями, пузырьки уносят на своей поверхности частицы выпадающих в кристаллическую фазу солей в пересыщенных растворах.

Каждый пузырек является центром кристаллизации в толще воды. Поэтому отложение накипи будет происходить внутри потока воды, а не на стенках труб и поверхностях нагревательных элементов. Эффекты флотационного выноса и «растворения» обуславливают предотвращение и удаление накипи после магнитной обработки воды (см. рис. 2).

Типы установок для магнитной обработки воды

В настоящее время выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды - с постоянными магнитами и электромагнитами.

Устройство магнитной обработки воды состоит из нескольких пар постоянных магнитов или электромагнитов, между полюсами которых протекает вода. Отличия между устройствами магнитной обработки воды на постоянных магнитах и электромагнитах не так заметны, но они существуют.

Первый тип устройств конструктивно проще, дешевле в эксплуатации (избавляет от затрат на электропитание), может применяться во взрывоопасных местах. Электромагниты используются главным образом для больших протоков, их основное преимущество - в возможности работы при высоких температурах.

Аппараты с постоянными магнитами

Для магнитных аппаратов применяются постоянные магниты из различных магнитожестких материалов:

Магнитофоры Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- смесь полимерных или минеральных вяжущих (каучук, смолы, цемент) и порошкообразных магнитных наполнителей. Из этой смеси формуются изделия необходимой формы, размеров и потом намагничиваются.

Ферромагнетики. Широкое применение для изготовления магнитов нашел феррит бария. К сожалению, этот материал имеет ряд недостатков. При нагреве выше определенного предела оРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

н начинаeт быстро терять свои магнитные свойства.

Теряeт он свои свойства и со временем - через 4-5 лет наступает потеря 30-40% магнитных свойств.

Магниты на основе редкоземельных металлов (РЗМ)

Наиболее «сильными» являются магниты на основе системы неодим-железо-бор. Они не теряют своих свойств при нагреве до 135°С. Во времени, потеря магнитных свойств составляет всего 2-3% за 100 лет. То есть, эти приборы, как минимум, «пожизненные» (почти вечные) - стальные трубы и те приходится заменять через 25-30 лет эксплуатации. Запад преимущества магнитов такого типа понял очень быстро и применил их на практике. У нас их применение для устройств магнитной обработки только началось.

Каждый из перечисленных выше магнитных материалов обладает своим уровнем коэрцетивной силы. Следовательно, для того, чтобы создать магнитное поле одной и той же величины сами магниты будут иметь разные размеры. Разные размеры будут иметь и устройства, созданные на их основе.

Аппараты с электромагнитами

В аппаратах этого типа электромагниты могут быть расположены как внутри корпуса прибора, так и вне его (последнее предпочтительнее). Как правило, электромагниты питаются постоянным током (в основном используется безопасное напряжения), а выпрямитель для регулирования напряженности магнитного поля снабжается специальным устройством. Сами электромагнитные катушки защищают от воды диамагнитной рубашкой.

Сравнение магнитного и электромагнитного метода обработки воды

Если сравнивать устройства для электромагнитной обработки воды с устройствами на постоянных магнитах, то следует отметить, что электромагнитные сложнее в изготовлении и по стоимости выше. Необходимость увеличения силы электромагнитного поля, как правило, приводит к резкому увеличению габаритов устройства и энергопотребления.

При одинаковых габаритах магнитное поле в электромагнитных устройствах ниже, чем в устройствах на постоянных магнитах на основе редкоземельных металлов. При увеличении напряженности электромагнитного поля резко увеличиваются габариты устройства и энергопотребление.

Устройства на электромагнитах более капризны в настройке, а конфигурация создаваемого магнитного поля неустойчива и зависит от воздействия внешних факторов, что приводит к снижению эффективности обработки воды.

Первые конструктивно проще, дешевле в эксплуатации (избавляют от затрат на электропитание), могут применяться во взрывоопасных местах. Применение постоянных магнитов на основе редкоземельных металлов в устройствах магнитной обработки воды позволяет значительно снизить габариты устройства.

Как уже было сказано ранее, электромагниты используются главным образом для больших протоков, их основное преимущество - в возможности работы при высоких температурах. Сравнение магнитной и электромагнитной обработки воды приведено в табл. 2.

Обеспечение и повышение эффективности работы устройств магнитной и электромагнитной обработки воды

Сказав о достоинствах способа магнитной обработки воды, справедливо будет упомянуть и о его недостатках. Так как магнитная и радиочастотная обработка воды не удаляют соли жёсткости, а на время «связывают» их, не давая им откладываться в виде накипи, многие авторитетные учёные считают данные методы экспериментальными и требующими дополнительных научных исследований.

Так, за последние десятилетия в технической литературе накопилось большое число противоречивых мнений об эффективности применения этих устройств. Нельзя не согласиться с автором работы [1], который признает их совершенно обоснованными. В.А. Присяжнюк разделил эти мнения на четыре условные группы:

применение подобных устройств чрезвычайно эффективно и экономически оправдано;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

аппараты в первый период эксплуатации работают хорошо, но со временем противонакипный эффект исчезает;Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

эффект при использовании данных устройств невоспроизводим, результат от их применения то наблюдается, то исчезает;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

подобные аппараты совершенно бесполезная вещь.

Эффективность магнитной обработки зависит главным образом от напряженности и градРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

иента напряженности магнитного поля, скорости течения и состава жидкой фазы водной системы.

Самым главным и тонким моментом для обеспечения эффективной работы противонакипных устройств является их точная настройка и соблюдение следующих условий:

обработка вод кальциево-карбонатного класса (составляют около 8Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

0% вод всех водоемов нашей страны);

подогрев воды должен осуществляться до температуры не выше 95°Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

С;

карбонатная жесткость -Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

не выше 9 мг. экв/л;

содержание растворенного кислорода -Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

не более 3 мг/л, а сумма хлоридов и сульфатов - не более 50 мг/л;

содержание двухвалентного железа в артезианской воде -Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

не более 0,3 мг/л.

Для определения противонакипного эффекта Э используется следующее выражение:

накипный теплоэнергетика реагентный вода

Э = (mн - mм). 100/mн,

где mн и mм - масса накипи, образовавшейся на поверхности нагрева при кипячении в одинаковых условиях одного и того же количества воды с одинаковым исходным химическим составом, соответственно, не обработанной и обработанной магнитным полем.

Вода, обработанная устройством магнитной обработки воды, сохраняет свои свойства от 10 часов до 8 суток (в зависимости от состава воды и условий эксплуатации).

Кроме того, применение устройств магнитной обработки воды позволяет получить положительный эффект при установке на:

1. новые трубопроводы: новые трубопроводы остаются свободными от известкового налета, в результате значительно увеличивается срок их эксплуатации. Устройства магнитной обработки воды снижают риск образования как поверхностной, так и точечной коррозии, формируют защитную пленку на стенках труб;

2. существующие трубопроводы: слой известкового налета становится пористым, разбивается на отдельные фрагменты и вымывается из трубопровода водой в виде суспензии. Ржавчина и другие коррозионные композиты также могут быть растворены и вымыты из трубопровода, если они смешаны с накипью.

Большая часть растворенной извести и компонентов ржавчины обычно выпадает в осадок, например, в водонагревателе, после чего они могут быть легко удалены.

После установки системы магнитной очистки воды рекомендуется еженедельно проводить очистку водонагревателей, фильтров, магнитных фильтров грубой очистки и аэраторов. Такая очистка должна проводиться в течение 2…3 месяцев или более длительного периода времени в зависимости от количества извести и ржавчины. После очищения трубопроводов от всех включений возможно формирование антикоррозийного защитного слоя;

3. новые водонагреватели: при температуре воды до 70°C новые водонагреватели остаются свободными от известкового налета на нагревательных элементах и стенках внутреннего бака. Минимальное количество извести может выпасть в виде осадка. Клапаны и смесители также остаются свободными от известкового налета, что позволяет избегать проблем, связанных с дополнительными регулировками и повышением давления.

При температуре воды выше 70°C объем известкового осадка существенно увеличивается, при этом змеевики и нагревательные элементы, а также стенки внутренних баков остаются чистыми. В результате значительно сберегается энергия и существенно увеличивается срок службы приборов. Осадок же может быть легко удален при технологических чистках;

4. водонагреватели, находящиеся в эксплуатации: существующий известковый слой на нагревательных элементах и змеевиках, стенках внутренних баков становится пористым и облупливается. В результате имеющийся осадок может быть легко удален при помощи фильтрации или простой очисткой внутренней поверхности бака. Учитывая, что известковый налет вызывает эффект изоляции, удаление слоя извести приводит к значительному сбережению энергии и существенно увеличивает срок службы приборов;

5. новые пластинчатые теплообменники: при температуре воды до 70°C новые пластинчатые теплообменники остаются свободными от известкового налета. Применение устройства магнитной обработки воды позволяет увеличить интервалы между обслуживаниями теплообменников в 3…4 раза. Пластины могут быть очищены струей воды под давлением без применения шарошки или кислотной очистки.

При температуре воды выше 70°C начинается образование известкового осадка. В системах без циркуляции или с незначительной циркуляцией воды известковый осадок может скапливаться в нижней части пластин теплообменника. Если он не вымывается, то, в конечном счете, прочно закрепляется на пластинах. Даже в этом случае установка устройств магнитной обработки воды позволяет увеличить интервалы обслуживания теплообменниковв 3…4 раза по сравнению с обычными условиями. Пластины могут быть очищены обычной щеткой и струей воды под давлением вместо кислотной очистки. В пластинчатых теплообменниках с интенсивной циркуляцией известковый осадок вымывается через пластины, а затем может быть высажен в буферных танках, накопительных водонагревателях или фильтрационных установках;

6. пластинчатые теплообменники, находящиеся в эксплуатации: существующий известковый налет становится рыхлым и вымывается с поверхности пластинчатых теплообменников, заблокированной отложениями жесткости, при условии достаточно интенсивной циркуляции воды и температуре не выше 65…75°С. Однако в большинстве случаев рекомендуется очистить теплообменник до установки системы магнитной обработки воды. Это связано со сложностями вымывания известковых и камнеподобных включений через очень маленькие промежутки между пластинами теплообменника.

7. насосы: насосы остаются свободными от накипи, как следствие - увеличивается срок службы насосов (уменьшаются расходы на обслуживание), вследствие уменьшения потерь давления в системе снижается потребление энергии насосом.

Эффективность устройств магнитной обработки воды снижается:

1. При установке на линии обработанной воды циркуляционных насосов. В воде при прохождении через насос возникают явления кавитации и турбулентности. Образованная при магнитной обработке структура микрокристаллов разрушается и вода возвращается к прежнему состоянию. (Рекомендуется установка дополнительного устройства магнитной обработки воды после насоса.)

2. При отклонении скорости потока воды от рекомендованного значения для данного устройства. Рекомендуемый интервал значений потока воды, который подобран исходя из сечения устройства магнитной обработки, указан для каждого устройства. Для достижения максимально возможной эффективности обработки следует подбирать устройство подходящего типоразмера.

Самой распространенной ошибкой является подбор устройства по диаметру трубопровода. Всегда следует подбирать устройство по величине потока воды в трубопроводе.

3. При окислении воды. Окисление воды происходит, как правило, при контакте обработанной воды с окружающим воздухом (в градирнях и охлаждающих башнях). Рекомендуется устанавливать дополнительное устройство магнитной обработки воды на выходе из такой охлаждающей системы.

4. При рабочей температуре воды свыше 70…75°С. В этом случае возможно образование накипи на нагревательных элементах, но в меньшем количестве. При этом накипь будет более рыхлой.

Магнитная обработка воды для борьбы с образованием накипи получила широкое распространение в последнее десятилетие. В сравнении с давно известными методами умягчения воды магнитную обработку отличают простота, безопасность, экологичность и низкие эксплуатационные расходы. Несмотря на все достоинства данного метода, на практике эффект обработки проявляется недолго, затем пропадает вовсе.

Это явление называется релаксацией. Появился даже термин - эффект «привыкания» воды, то есть свои свойства омагниченная вода сохраняет менее суток. Поэтому в тепловых сетях кроме омагничивания подпиточной воды необходимо создание так называемого антирелаксационного контура, при помощи которого обрабатывается вся вода, циркулирующая в системе.

Радиочастотная обработка воды (устройства для электромагнитного воздействия на воду с частотами звукового диапазона)

Существенные преимущества по умягчению воды перед выше перечисленными методами имеют установки для радиочастотной обработки воды. В литературе приводится несколько теорий, обосновывающих работу этих систем, но в данной статье мы не будем рассматривать их подробно. Отметим только, что принцип их работы в целом похож на принцип работы рассмотренных выше приборов для магнитной и электромагнитной обработки воды. Разница состоит в том, что излучатель (именно так в этих приборах принято называть намотанные на трубопровод провода, а не электромагнит) генерируют переменный радиочастотный сигнал в диапазоне от 1 до 10 кГц. И габариты излучателя значительно меньше габаритов электромагнита.

Противонакипный эффект будет увеличиваться (это нужно учитывать при установке устройства):

с повышением температуры обрабатываемой воды вплоть до температуры кипенияРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

при более высоком содержании ионов кальция (Ca2+)Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

и магния (Mg2+)

с понижением содержания в воде углекислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

с повышением щелочности воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

при уменьшении общей минерализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

при увеличении степени турбулентности потока воды.

ПРазмещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

риборы нужно устанавливать как можно ближе к защищаемому оборудованию. При наличии в системе центробежного насоса прибор радиочастотной обработки устанавливается после него.

Преимущества

В отличие от устройств магнитной обработки воды, приборы радиочастотной обработки воды отличают небольшие габариты, простота монтажа (установка монтируется в течение нескольких минут на трубопровод, без нарушения его целостности), экологическая безопасность (исключают применение дорогостоящих и вредных химикатов, загрязняющих окружающую среду).

Приборы не требуют обслуживающего персонала, экономичны в эксплуатации, средний срок службы составляет 15-20 лет (без замены и ремонта). В отличие от устройств магнитной или электромагнитной обработки, приборы для радиочастотной обработки воды устойчиво работают при любом содержании в ней солей жесткости, не требуя постоянного контроля качества воды. Под воздействием работы радиочастотных установок для умягчения воды полностью устраняется эффект «привыкания», который характерен при магнитной обработке. Кроме того, обработанная питьевая вода сохраняет кальций и магний, которые необходимы нашему организму. Таким образом, устройства данного типа можно использовать не только для защиты теплообменного оборудования, систем горячего водоснабжения и пр., но и для систем очистки и коммуникаций питьевой воды. Еще одно преимущество этих аппаратов - разрушение сформировавшихся ранее отложений солей жесткости в течение 1-3 месяцев.

Размещено на Allbest.ru