Исследование эффективности ультразвукового метода снижения скорости образования накипи в паяных пластинчатых теплообменниках

Г. М. Волк, канд. техн. наук, научный сотрудник, НПО «АКМА»

В. З. Галутин, канд. техн. наук, главный инженер НПО «АКМА»,

В. П. Мелихова, начальник химической лаборатории, ГУП «Мосгортепло»

В. П. Фролов, генеральный директор, ГУП «Мосгортепло»

С. Н. Щербаков, главный инженер ГУП «Мосгортепло»

Развитие и внедрение энергосберегающих технологий обуславливает интерес к совершенствованию безреагентных методов снижения скорости образования накипных отложения в теплообменниках. Одним из таких методов, рекомендованных руководящим документом ВТИ, является ультразвуковой метод на базе противонакипного устройства «Акустик Т-4» [1].

На практике ультразвуковая технология хорошо отработана для кожухотрубных теплообменников. На основе многочисленных промышленных исследований получены эмпирические соотношения, позволяющие определить (при заданных параметрах процесса теплообмена) конфигурацию размещения точек ввода ультразвуковых колебаний в теплообменник и мощность ультразвуковых колебаний, которая необходима для уменьшения скорости образования отложений в заданное число раз. Проверка эмпирических соотношений при озвучивании конкретных теплообменников показала хорошее совпадение прогнозируемой скорости образования отложений с фактической [2], [3].

Однако конструктивные особенности пластинчатых теплообменников не позволяют непосредственно использовать накопленный опыт. Основными нерешенными вопросами являются: конфигурация размещения точек ввода ультразвуковых колебаний в теплообменник, необходимые мощности ультразвуковых колебаний и эффективность предотвращения отложений накипи данной конфигурацией при различных тепловых нагрузках теплообменника.

Наличие накипи на теплообменных поверхностях существенно снижает эффективность работы пластинчатых теплообменников. Коэффициент теплопередачи через теплообменную поверхность при наличии на ней слоя накипи определяется следующим выражением [4]:

k = 1 / (1/ac + 1/aв + dcт /lcт + dн /lн),

где ac, aв – коэффициенты теплоотдачи сетевой и водопроводной воды;

lcт, lн – коэффициенты теплопроводности;

dcт, dн – толщины, соответственно, стали и накипи.

Увеличение слоя накипи приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи теплообменной поверхности и, как следствие этого, увеличению количества потребляемой греющей воды и росту ее выходной температуры.

В паяных пластинчатых теплообменниках прямое измерение толщины отложений на теплообменной поверхности затруднено, поэтому эффективность работы подогревателя обычно оценивают по измеряемым параметрам процесса теплообмена: разности давлений на входе и выходе теплообменника в контуре нагреваемой воды и среднесуточной температуре обратной сетевой воды. Когда один или оба эти параметра достигают критического значения, эффективность работы теплообменника падает и для его дальнейшей эксплуатации необходима химическая чистка теплообменной поверхности. Несмотря на существенное влияние неконтролируемых текущих изменений тепловой нагрузки на указанные параметры, их среднесуточные значения позволяют судить о степени загрязнения теплообменника.

Применение ультразвукового метода предупреждения образования накипных отложений в несколько раз уменьшает скорость загрязнения теплообменника. Использование той же измерительной базы для оценки эффективности работы теплообменника требует значительного увеличения времени наблюдений. При этом на контролируемые параметры могут оказывать влияние не только толщина отложений, но и другие медленно изменяющиеся процессы, такие как сезонное изменение входной температуры сетевой воды и изменение тепловой нагрузки. Анализ накопленной за два года непрерывных наблюдений базы данных по шести теплообменникам показал, что использование усредненных за неделю значений контролируемых параметров достаточно для оценки эффективности работы теплообменника, который оснащен противонакипным устройством.

Эффективность предотвращения образования накипи на теплообменных поверхностях оценивалась по работе пластинчатых подогревателей, оснащенных ультразвуковыми противонакипными устройствами с одним преобразователем типа ПМСИ-3М. Разработанное согласующее устройство одновременно обеспечивало как возбуждение ультразвуковых колебаний в воде, так и защиту от ультразвука конструкции теплообменника. Точка ввода ультразвука в контур нагреваемой воды выбиралась из условия наибольшей близости к области вероятного появления отложений с учетом конструктивных особенностей конкретного теплообменника. Фотография теплообменника, оснащенного магнитострикционным ультразвуковым преобразователем, показана на рис. 1.

Рисунок 1 Теплообменник, оснащенный ультразвуковым преобразователем

Выбранные для исследования теплообменники ГВС существенно отличались друг от друга тепловыми нагрузками. Теплообменник № 1 со средним расходом греющей воды 120 т/сут. до установки ультразвукового противонакипного устройства эксплуатировался в течение пяти лет. Условия работы теплообменника были таковы, что он быстро засорялся и требовал продувки каждые 1,5 месяца. Теплообменник № 2 со средним расходом греющей воды 80 т/сут. и № 3 со средним расходом греющей воды 30 т/сут. до установки противонакипных устройств эксплуатировались в течение одного года.

Результаты измерений параметров работы теплообменника № 1 в периоды отключения отопления в 2000 (до установки противонакипного устройства), 2001 и 2002 годах приведены на рис. 2. Стрелками отмечены даты проведения чистки теплообменника методом обратной продувки. Приведенные данные, усредненные за неделю, показывают, что в течение года после установки на выход теплообменника ультразвукового устройства с кобальтовым преобразователем скорость засорения снизилась в 3–5 раз. Эффективность работы теплообменника сохранилась на том же уровне и в следующем году.

При установке на входе в теплообменник № 2 ультразвукового устройства с кобальтовым преобразователем температура обратной воды в 2002 году по сравнению с 2001 годом снизилась в среднем за сезон на 1,5°C (рис. 3). При этом разность давлений на входе и выходе теплообменника в контуре нагреваемой воды снизилась с 0,30 атм в 2001 году до 0,18 атм в 2002 году.

	Рисунок 2 (подробнее) Режим работы теплообменника № 1 в 2000, 2001 и 2002 годах. Q – потребленное тепло, V – расход, T2 – выходная температура греющей воды. Данные усреднены за неделю.
	Рисунок 3 (подробнее) Режим работы теплообменника № 2 в 2001 и 2002 годах. Q – потребленное тепло, V – расход, T2 – выходная температура греющей воды. Данные усреднены за неделю.
	Рисунок 4 (подробнее) Режим работы теплообменника № 3. Q – потребленное тепло, V – расход, T2 – выходная температура греющей воды. Данные усреднены за неделю.

Режим работы теплообменника № 3 приведен на рис. 4. Анализ данных показывает, что после установки на входе в теплообменник ультразвукового устройства с никелевым преобразователем температура обратной сетевой воды в 2002 году по сравнению с 2001 годом в среднем снизилась на 4°C.

Комплексный анализ параметров работы исследовавшихся теплообменников (входная и выходная температура греющей воды, выходная температура нагреваемой воды, расход греющей воды, потребляемый тепловой поток и разность давлений на входе и выходе теплообменника по контуру нагреваемой воды) позволяет сделать вывод о повышении эффективности работы всех трех теплообменников. Использование рассчитанной конфигурации точек ввода ультразвуковых колебаний в теплообменник и оптимальный подбор типа ультразвукового преобразователя позволяют снизить скорость образования накипи на теплообменных поверхностях в 3–5 раз и при той же тепловой нагрузке добиться снижения температуры сетевой обратной воды на 3–4°C.

Литература

1. Методические указания по безреагентным способам очистки теплообменного оборудования от отложений. Руководящий документ для тепловых станций и котельных. РД 153-34.1-37.410-00. Москва, 2000. 24 с.

2. Волк Г. М., Галутин В. З. Исследование эффективности применения ультразвуковой технологии предотвращения накипеобразования в деаэраторе атмосферного давления. Энергетик. 1999. № 5. С. 31–32.

3. Волк Г. М., Галутин В. З. Об эффективности ультразвуковой защиты подогревателей МВН от накипи. Энергетик. 1999. № 8. С. 21–22.

4. Зингер Н. М., Тарадай А. М., Бармина Л. С. Пластинчатые теплообменники в системах теплоснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1995.