Внедрение ультразвуковых устройств для предотвращения образования отложений на теплообменном оборудовании в нашей стране и за рубежом начато в 60-х годах, после проведения значительного количества исследовательских работ по определению эффективности применения ультразвукового метода в большой  и малой энергетике [1-4]. Были разработаны и серийно изготовлены несколько типов устройств, отличающиеся способом возбуждения ультразвуковых колебаний, мощностью излучения, конструктивными размерами генератора и излучателей ультразвука. В некоторых из этих устройств для возбуждения излучателей ультразвука используются видеоимпульсы тока (УЗГ4, Волна, А7-АУН, УЗУ-6Н, Экоакустик-002, ИЛ-2). Такие приборы, имеющие сравнительно небольшие уровни излучаемой мощности, целесообразно использовать для теплообменников, где карбонатная жесткость нагреваемой воды не превышает 1 мг-экв/л при температуре расходной воды менее 60^ОС. При карбонатной жесткости расходной воды до 5-7 мг-экв/л наиболее эффективны мощные ультразвуковые устройства (УЗУ-1 «Акустик», «Акустик-Т», УЗУ-8Н). Применение в этих условиях маломощных устройств возможно только при значительном увеличении количества излучателей ультразвука на единицу площади теплообменной поверхности. Во время своей работы мы не раз сталкивались с теплообменниками, оснащенными ранее устройствами А7-АУН, со стороны трубной доски похожими на ежа. Отсутствие в прошлое время однозначных, убедительных результатов эффективности применения ультразвуковых противонакипных устройств во многом объясняется  необоснованным использованием недорогих маломощных устройств  на теплообменном оборудовании, в котором карбонатная жесткость и выходная температура нагреваемой воды достигают значительных величин.

Для уточнения рекомендаций по применению ультразвуковых устройств специалистами ООО «Кольцо» были проведены исследования эффективности их работы на пароводяных и водоводяных теплообменниках в АО «Мосэлектрощит», АО«Подольский огнеупор», на ЦТП предприятия №1 МГП «Мостеплоэнерго» и специалистами НПО «АКМА» на ОАО МК «Роса» в г. Смоленске.

В котельной АО «Мосэлектрощит» исследования проводились на четырехходовом односекционном пароводяном подогревателе ГВС типа ПП2-17-7 с целью выбора оптимальной схемы ультразвукового устройства для обеспечения снижения скорости образования накипи при работе подогревателя на артезианской воде. Карбонатная жесткость расходной воды в зависимости от сезона менялась в пределах от 4 до 4,5 мг-экв/л.

Подогреватель содержит 124 латунные теплообменные трубки с внутренним диаметром 14 мм, которые развальцованы между двумя трубными досками. Из-за повреждений при частых механических чистках 38 трубок были заглушены. Каждые 2-2,5 месяца после того, как толщина слоя накипи достигала 3-4 мм, проводилась остановка подогревателя и его чистка механическим способом. Толщина слоя накипи по длине теплообменных трубок распределялась неравномерно - максимум толщины слоя располагался у передней трубной доски, где находился ввод в подогреватель перегретого пара. После чистки подогреватель обеспечивал нагрев расходной воды до температуры 60^ОС при избыточном давлении пара до 0,3 атм. Через 2-2,5 месяца работы подогревателя температура расходной воды уменьшалась до 46^ОС при избыточном давлении пара 2,2 атм. После очередной чистки трубок подогревателя к боковой поверхности передней трубной доски были приварены два излучателя устройства «Акустик-Т2», после чего подогреватель был включен в работу.

Через 3,5 месяца непрерывной работы были произведены остановка и вскрытие подогревателя. Перед вскрытием подогревателя температура расходной воды составляла 59^ОС, избыточное давление пара 0,1 атм. Визуальный осмотр показал, что толщина слоя накипи в теплообменных трубках со стороны передней трубной доски за время работы подогревателя не увеличилась. Часть оставшейся после механической чистки накипи с теплообменной поверхности была удалена, а в трубках обнаружены фрагменты сколотой накипи площадью около одного квадратного сантиметра, не вынесенные расходной водой. Толщина слоя вновь образованной накипи на полностью очищенной поверхности трубок не превышает 0,1 мм. Со стороны задней трубной доски толщина слоя вновь образованной накипи не превышает 0,5 мм. Внешний вид передней трубной доски подогревателя и внутренней поверхности теплообменных трубок до и после установки противонакипного устройства приведены на рис. 1.

 После обследования и чистки теплообменных поверхностей подогреватель был включен в работу при увеличенной в два раза мощности ультразвукового противонакипного устройства «Акустик-Т2», конструкция которого позволяет изменять излучаемую мощность ультразвуковых колебаний, генерируемых излучателями ультразвука. Останов и вскрытие подогревателя проведены через 6 месяцев его непрерывной работы. Со стороны передней трубной доски, на которой установлены излучатели ультразвука, и где ранее находился слой накипи максимальной толщины, накипи не обнаружено. Со стороны задней трубной доски толщина слоя накипи не превышает 1,5 мм.

Анализ результатов испытаний показывает, что применение ультразвукового противонакипного устройства «Акустик-Т2» позволило примерно в пять раза снизить скорость накипеобразования на теплообменной поверхности данного подогревателя, увеличив при этом в три раза время его непрерывной работы между вынужденными остановками для проведения чистки.

В АО «Подольский огнеупор» ультразвуковые противонакипные устройства устанавливались на подогревателе ГВС, состоящем из двух двухходовых бойлеров типа МВН, включенных последовательно. Каждый подогреватель представляет собой U- образный пучок из стальных нержавеющих трубок. Диаметр каждой трубки равен 18 мм. Концы трубок развальцованы в трубной доске толщиной 40 мм.

Артезианская вода с карбонатной жесткостью 7 мг-экв/л подается в межтрубное пространство бойлера №1, нагревается конденсатом, проходящем внутри трубного пучка, и попадает в бойлер №2, где дополнительно нагревается паром, давление пара - 2,8 атм, температура горячей воды - 72^оС. Скорость накипеобразования для обоих бойлеров составляла примерно 5 мм за 4 недели.

Для исследования эффективности ультразвукового метода снижения скорости накипеобразования при различных уровнях излучаемой мощности последовательно были использованы: ультразвуковой импульсный аппарат  А7-АУН, производства Руставского ЭМЗ; ультразвуковая установка УЗУ-6Н, производства Московского радиотехнического завода и акустическое противонакипное устройство «Акустик-Т2», производства ООО «Кольцо» и НПО «АКМА».

На первой стадии экспериментальных исследований на оба бойлера были установлены ультразвуковые импульсные аппараты А7-АУН. Один магнитострикционный излучатель ультразвука был приварен в верхней точке боковой поверхности трубной доски, а второй излучатель был приварен сверху в центре корпуса бойлера. Обследование работы подогревателя показало, что за месяц его непрерывной работы на внешней поверхности трубок образовался равномерный слой накипи толщиной 5 мм.

На второй стадии экспериментальных исследований на корпуса бойлеров, после проведения механической чистки теплообменных поверхностей, были установлены дополнительно излучатели ультразвуковой установки УЗУ-6Н. Излучатели ультразвука были приварены в центре торцевой поверхности корпусов бойлеров. Остановка и демонтаж подогревателя был проведен после одного месяца работы подогревателя. Визуальный осмотр теплообменных поверхностей показал незначительное уменьшение скорости нарастания накипи. Однако, качественный характер накипи изменился. Образовавшаяся за месяц работы накипь имела ярко выраженный чешуйчатый характер, причем новообразования накипи отмечались как на внешней, так и на внутренней поверхности чешуек. Хотя толщина накипи составила 4 мм, ее сцепление с поверхностью было значительно более слабым по сравнению с предыдущим случаем.

На третьей стадии экспериментальных исследований на бойлер №2, после проведения механической чистки трубного пучка, было установлено акустическое противонакипное устройство «Акустик-Т2». Оба излучателя были приварены перпендикулярно к боковой поверхности трубной доски. Бойлер №1 не оснащался ультразвуковыми устройствами и рассматривался как контрольный. После пяти недель непрерывной работы бойлер был остановлен. Фотоснимки трубных пучков обоих бойлеров приведены на рис.2.

Визуальное обследование теплообменных поверхностей бойлера №2 показало, что толщина накипных отложений на трубном пучке составляет от 0 до 0,5 мм. Вся образовавшаяся за пять недель накипь в виде шлама была сосредоточена внизу корпуса бойлера и на горизонтальном экране. По техническим причинам продувок за время проведения эксперимента не проводилось. На контрольном бойлере №1 накипь имела толщину не менее 4 мм и равномерно покрывала поверхность трубного пучка.

Полученные результаты промышленных испытаний показывают, что для пароводяных подогревателей при температуре воды - 72^ОС, расходе - 50 м³/час, карбонатной жесткости - 7 мг-экв/л, уровни ультразвуковой мощности, генерируемые излучателями, которые возбуждаются видеоимпульсами тока, недостаточны для уменьшения скорости образования накипи.

Однако, при увеличении числа излучателей, установленных на одной двухходовой секции, накипь становится более рыхлой. Применение для тех же условий более мощной ультразвуковой аппаратуры позволяет снизить скорость образования накипи. При высокой скорости накипеобразования необходимо так же проведение периодических продувок для удаления из корпуса бойлера сколотой с теплообменной поверхности накипи.

В котельной ОАО МК «Роса» трехсекционный подогреватель МВН 2052-30 ОСТ10 используется в технологическом цикле для подогрева артезианской воды с карбонатной жесткостью 7 - 8 мг-экв/л, температура выходной воды - 75ОС. Механические чистки внутренней поверхности теплообменных трубок всех секций проводились каждые полтора месяца, толщина слоя накипи достигала 4 мм.

При проведении предварительного обследования теплообменника, для снижения скорости накипеобразования была выбрана схема установки на трубных досках секций подогревателя четырех магнитострикционных излучателей ПМСИ-3 ультразвукового противонакипного устройства «Акустик-Т4». Предварительное обследование показало так же, что на стенках всех трубок после механической чистки секций теплообменника остался слой накипных отложений толщиной 0,5 - 0,7 мм. После установки противонакипного устройства температура выходной воды была увеличена до 85 ^ОС. Через три недели непрерывной работы подогреватель был остановлен и вскрыт. Визуальное обследование показало, что в первой секции подогревателя накипные отложения на стенках трубок отсутствовали, во второй секции трубки были покрыты отложениями толщиной до 0,7 мм только на расстоянии 30 см от выходной трубной доски, в третьей секции трубки были занесены накипными отложениями толщиной 1,5 - 2 мм по всей длине. Для снижения скорости накипеобразования было предложено провести химическую очистку внутренней поверхности теплообменных трубок и умягчить расходную воду, что и было проведено специалистами ОАО МК «Роса». После химической очистки, полностью удалившей накипь с теплообменных поверхностей, и умягчения расходной воды  до 5 мг-экв/л подогреватель был включен в работу. Температура расходной воды составляла 85^ОС. Останов подогревателя произведен через два месяца его непрерывной работы, вскрыты все секции с двух сторон. На внутренней поверхности теплообменных трубок накипных отложений не обнаружено. На рис. 3 показаны внутренние поверхности трубок после двух месяцев работы подогревателя, оснащенного ультразвуковым противонакипным устройством «Акустик-Т4».

При высоких температурах расходной воды с большим значением карбонатной жесткости скорость образования накипи велика даже в скоростных теплообменниках, а остаточный после механической чистки слой накипи существенно ухудшает условия работы ультразвуковых устройств, что уменьшает эффективность рассматриваемой технологии. Допустимая толщина остаточного слоя накипи зависит от температуры и карбонатной жесткости расходной воды, изменяясь в пределах от 0,1 до 1 мм. Требование проведения качественной очистки теплообменных поверхностей перед установкой ультразвуковых противонакипных устройств наиболее важно для подогревателей с высокой скоростью накипеобразования.

Проверка эффективности работы ультразвуковых устройств при установке их на теплообменном оборудовании, в котором карбонатная жесткость расходной воды не превышает 1 мг-экв/л, проводилась на ЦТП предприятия №1 ТС и станций МГП «Мостеплоэнерго». При проведении исследований использовались устройства УЗУ-6Н, излучатели которых были установлены на трубных досках оконечных секций водоводяных бойлеров ГВС.

До установки устройств образующаяся накипь равномерным слоем покрывала внутреннюю поверхность трубок. Скорость нарастания накипи составляла 0,5-0,8 мм/год при температуре расходной воды от 55 до 60^ОС. Очистка внутренних поверхностей теплообменных трубок бойлеров от накипи осуществлялась один раз в два года механическим способом, последняя очистка трубок была проведена за пять месяцев до установки ультразвуковых устройств.

Через четыре месяца после установки устройства УЗУ-6Н было проведено обследование теплообменных поверхностей бойлера. Визуальный осмотр показал, что на некоторых участках внутренней поверхности теплообменных трубок лежит слой рыхлой, легко удаляющейся накипи толщиной не более 0,2 мм, а на части поверхности трубок накипи не обнаружено.

После получения положительных предварительных результатов исследования эффективности работы ультразвуковых устройств, ими были оснащены бойлеры ГВС на шестнадцати ЦТП.

Через год непрерывной работы было проведено вскрытие части бойлеров, включая те, которые отработали полтора года. На поверхности теплообменных трубок толщина слоя накипи составляет 0,05 мм (соскобы накипи дали менее 5 мм³ с одного квадратного сантиметра поверхности). Измерение уровней ультразвуковых сигналов, генерируемых излучателями ультразвука, приваренными к трубным доскам, показало неизменность уровня излучаемой мощности за полтора года эксплуатации устройств.  Ультразвуковые противонакипные устройства были установлены так же на одном подогревателе, толщина равномерного слоя накипи на теплообменной поверхности которого составляла 1мм. Обследование подогревателя через год его непрерывной работы показало наличие в теплообменных трубках и калачах сколотой накипи, площадь поверхности отдельных фрагментов которой достигала 0,5 см² , на очищенной поверхности вновь образованной накипи не обнаружено.  В трубках присутствуют фрагменты железистых отложений сферической формы с диаметром до 1 мм, не препятствующие процессу теплообмена.

Результаты испытаний показывают, что для водоводяных подогревателей при температуре воды до 60^ОС, карбонатной жесткости воды менее 1 мг-экв/л, уровень мощности, генерируемый излучателями ультразвуковой установки УЗУ-6Н, достаточен для уменьшения скорости образования накипи. Данные результаты  подтверждают и необходимость предварительной, перед установкой противонакипных устройств, очистки теплообменной поверхности подогревателей от слоя ранее образованной накипи, толщина которого составляет 1 мм и более.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод об эффективности применения ультразвуковых противонакипных устройств на данном типе теплообменного оборудования и о целесообразности их дальнейшего внедрения в малой энергетике. Использование ультразвуковой технологии предотвращения образования накипи позволяет снизить скорость накипеобразования на теплообменных поверхностях, добиться снижения затрат на поддержание непрерывной работоспособности оборудования в течение его срока эксплуатации. Результаты исследований свидетельствуют также о важности правильного выбора типа ультразвуковых устройств для применения их на конкретном теплообменном оборудовании, с учетом излучаемой мощности, скорости накипеобразования, площади защищаемой теплообменной поверхности и других параметров. Например, применение мощных ультразвуковых устройств на оборудовании с малой теплообменной поверхностью, в котором скорость накипеобразования составляет 0,5 - 1 мм/год, экономически нецелесообразно. С другой стороны, обеспечения безнакипного режима работы или снижения скорости накипеобразования на теплообменном оборудовании при значительной карбонатной жесткости нагреваемой воды и высокой выходной температуре невозможно добиться, применяя маломощные ультразвуковые противонакипные устройства.

Литература:

1. Г.Е.Крушель. Образование и предотвращение отложений в системах водяного охлаждения. - М., Госэнергоиздат, 1955 г.

2. А.Н.Гольцман, М.А.Погер. Применение ультразвука для предотвращения образования накипи в теплообменных аппаратах пищевых производств. - М., Труды ВНИЭКИпродмаш, 1969 г.

3. В.И.Фомин. Разработка ультразвукового метода защиты теплоагрегатов от отложений. Автореферат диссертации. - М., 1986 г.

4. Н.М.Зингер, Р.П.Сазонов. Обзор опыта применения безреагентных способов очистки водогрейного оборудования от отложений. - М., ВТИ, 1997 г.