Устройство для предупреждения накипи
Устройство относится к области энергосбережения и предназначено для предупреждения накипи на поверхностях теплопередающих труб теплообменных аппаратов в котельных, в установках огневой регенерации метанола и гликолей и может быть использовано в теплоэнергетике, в нефтегазодобывающей промышленности. Технический результат состоит в повышении эффективности очистки и предупреждения накипи в трубах теплообменных аппаратов путем максимального отбора энергии от источника колебаний и минимального рассеивания энергии в пассивных элементах конструкции излучателя. Устройство для предупреждения накипи включает генератор электромагнитных колебаний, магнитострикционный преобразователь электромагнитных колебаний в акустические колебания ультразвуковой частоты, снабженный концентратором и волноводом. Магнитострикционный преобразователь снабжен радиатором. Концентратор выполнен экспотенциальной формы и равен половине длины волны излучаемых акустических колебаний и посредством резьбового соединения соединяется с волноводом, устанавливаемым на поверхность трубы теплообменника с помощью сварки, при этом акустический контакт концентратора с волноводом осуществляется посредством легкоплавкого металлического сплава, например, сплава Вуда.
Устройство предназначено для очистки и предупреждения накипи и отложений солей жесткости на внутренних поверхностях теплопередающих труб теплообменных аппаратов в котельных, в установках огневой регенерации метанола и гликолей и может быть использовано в теплоэнергетике, в нефтегазодобывающей промышленности.
Эксплуатация теплообменных аппаратов сопровождается интенсивным образованием накипи на теплопередающих поверхностях труб. Одной из важных причин образования накипи является возникновение пересыщенного состояния водного раствора солей, которым представляет собой питательная вода теплообменных аппаратов, и появление зародышей кристаллизации как непосредственно на поверхности теплопередающих элементов, так и в объеме труб. Необходимо учесть, что многие парогенераторы и теплообменники низкого давления питаются неподготовленной водой, зачастую из открытых водоемов, и загрязняются накипью толщиной до 10 мм.
Котельная накипь обладает низкой теплопроводностью: более, чем в 10 раз меньшей теплопроводности стали, из которой изготовлены трубы. Поэтому даже тонкий слой накипи на поверхности нагрева приводит к перерасходу топлива, вызывает прогар экранных и кипятильных труб и увеличивает затраты на ремонт и обслуживание теплоагрегата.
Формирование в стенках труб теплообменных аппаратов высокочастотных механических импульсов приводит к разрушению слоя накипи и к предупреждению новых отложений.
Предупреждение образования накипи на стенках парогенераторов и теплообменных аппаратов под действием ультразвука обусловлено совокупностью различных процессов. Прежде всего действие ультразвука вызывает непрерывное нарушение кинетики кристаллизации в пристеночном слое - в местах выделения кристаллических ядер на поверхности нагрева. Возникающий тонкий слой накипи под действием знакопеременных механических напряжений испытывает в силу незначительной прочности усталостный излом. Это приводит к нарушению связи между накипью и металлом и к образованию трещин в слое накипи. Проникающая в них вода в подслое испаряется, под действием пара происходит отслаивание накипи.
Установлено также, что под влиянием ультразвука из микротрещин труб интенсивно удаляется кислород воздуха, что резко снижает кислородную коррозию труб. Кроме того, обнаружено, что в результате длительного воздействия ультразвука на трубы происходит затягивание микротрещин внутренних поверхностей труб, что также замедляет процесс коррозии.
Приведенные выше факторы ультразвукового воздействия взаимосвязаны и в сумме являются существенным положительным эффектом влияния ультразвука на процессы предотвращения накипи, снижения коррозии металла труб и повышения эффективности работы теплоагрегата в целом, что в конечном итоге приводит к ощутимой экономии трудозатрат и финансовых средств.
Эффективность ввода высокочастотных механических колебаний зависит от ряда условий, которые обеспечивают: максимально возможный отбор энергии от источника колебаний, минимальное рассеяние энергии в пассивных элементах конструкции излучателя, наибольшее использование введенной в обрабатываемую среду колебательной энергии [Агронат Б.А, Башкиров В.И. и др. Ультразвуковая технология, -М: Металлургия, 1974 - 504 с.].
В практике применения ультразвуковой технологии в целях энергосбережения известны различные противонакипные устройства.
Известно, например, устройство [Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. - М: Энергия, 1977 - 182 с.], в котором магнитострикционный преобразователь снабжен волноводом, выполняющим функции концентратора произвольной длины, устанавливаемым на трубу теплообменника посредством сварки.
Данное устройство не обеспечивает эффективной очистки труб теплообменных аппаратов от накипи.
Задачей при создании устройства является повышение КПД теплообменных аппаратов, повышение срока их эксплуатации, снижение аварийных остановок и экономия условного топлива.
Технический результат состоит в повышении эффективности очистки и предупреждения накипи в трубах теплообменных аппаратов путем максимального отбора энергии от источника колебаний и минимального рассеивания энергии в пассивных элементах конструкции излучателя.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для предупреждения накипи, включающем генератор электромагнитных колебаний, магнитострикционный преобразователь электромагнитных колебаний в акустические колебания ультразвуковой частоты, снабженный концентратором и волноводом, магнитострикционный преобразователь снабжен радиатором, а концентратор выполнен экспотенциальной формы и равен половине длины волны излучаемых механических колебаний, который посредством резьбового соединения соединяется с волноводом, устанавливаемым на поверхность трубы теплообменника с помощью сварки, при этом акустический контакт концентратора с волноводом осуществляется посредством легкоплавкого металлического сплава, например, сплава Вуда.
Функциональная схема устройства для предупреждения накипи представлена на фиг.
Устройство для предупреждения накипи содержит генератор электромагнитных колебаний 1, излучатель акустических колебаний 2, включающий магнитострикционный преобразователь 3, снабженный радиатором 4, экспотенциальный концентратор 5, который крепится к преобразователю 3 с помощью серебряного припоя ПСР-40, и волновод 6, который посредством резьбового соединения крепится к концентратору 5 и посредством сварки устанавливается на трубу 7 теплообменника. Акустический контакт между экспотенциальным концентратором 5 и волноводом 6 осуществляется посредством легкоплавкого металлического сплава, например, сплава Вуда. Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. На входную и выходную трубы теплообменного аппарата с помощью сварки устанавливаются волноводы 6 в количестве, пропорциональном диаметрам труб. На волноводы 6 посредством резьбового соединения размещаются экспотенциальные концентраторы 5 излучателей акустических колебаний 2. При этом предварительно в гайку волновода 6 ставится выполненный в виде шайбы толщиной 1-2 мм легкоплавкий металлический сплав, например, сплав Вуда [Краткая химическая энциклопедия, т.2. - М: Советская Энциклопедия, 1967. - 1086 с.]. Применение легкоплавкого металлического сплава обеспечивает наилучший акустический контакт, т.к. при рабочих температурах 70-80°С в теплообменных аппаратах эти сплавы, например, сплав Вуда, плавятся и формируют жидкостный контакт между концентратором и волноводом. Это обеспечивает минимальное рассеивание энергии в пассивных элементах конструкции излучателя.
Использование экспотенциального концентратора 5 длиной, равной половине длины волны излучаемых колебаний, дает возможность реализовать резонансные условия передачи энергии и обеспечивает этим максимально возможный отбор энергии от магнитострикционного преобразователя 3.
Снабжение магнитострикционного преобразователя 3 радиатором 4 позволяет защитить обмотку магнитострикционного преобразователя 3 от перегрева и повысить эксплуатационные параметры излучателя акустических колебаний 2.
Излучатели акустических колебаний 2 подключаются к генератору электромагнитных колебаний 1. Один генератор электромагнитных колебаний может инициировать акустические колебания в 2-х и более излучателях. Акустические колебания, формируемые излучателем акустических колебаний 2, распространяются как в теле трубы теплообменника, так и в накипи с одинаковой частотой, но с разной длиной волны и с разной скоростью [Кухлинг X. Справочник по физике. - М,: Мир, 1985, - 599 с.] Это приводит к тому, что сжатия и разряжения в теле трубы и в слое накипи не только разделены пространственно, но и формируются в разных фазах. Эти различия вызывают отслаивание ранее возникшей накипи [Аксельбанд A.M. Ультразвук предупреждает накипь. - Одесса,: Маяк, 1965, - 60 с.]. Предупреждение формирования накипи при распространении в трубах высокочастотных акустических колебаний обусловлены нарушением кинетики роста ядер накипеобразования.
Предлагаемое устройство может быть использовано как для очистки труб теплообменника от накипи, так и для предупреждения новых отложений, увеличивая процесс теплопередачи и КПД теплоагрегета.
Устройство для предупреждения накипи, включающее генератор электромагнитных колебаний, магнитострикционный преобразователь электромагнитных колебаний в акустические колебания ультразвуковой частоты, снабженный концентратором и волноводом, отличающееся тем, что магнитострикционный преобразователь снабжен радиатором, а концентратор выполнен экспотенциальной формы и равен половине длины волны излучаемых акустических колебаний, который посредством резьбового соединения соединяется с волноводом, устанавливаемым на поверхность трубы теплообменника с помощью сварки, при этом акустический контакт концентратора с волноводом осуществляется посредством легкоплавкого металлического сплава, например, сплава Вуда.
