9.4. Методы борьбы с отложениями в энергетическом оборудовании

Для борьбы с отложениями и для снижения скорости их образования в теплообменном оборудовании используют различные средства: химические, физические и механические.

Способы борьбы с отложениями структурно можно разделить на следующие виды:

Химические	Физические	Механические
обработка воды: - неорганические: смещение растворимости; - органические: стабилизация взвеси; -биологические: подавление микроорганизмов.	- магнитные; - ультразвуковые; - ультрафиолетовые; - электромагнитные; - электростатистические.	- щетки; - шарикоочистка; - гидромеханические; - термический стресс; - механические колебания; - водо-воздушная эмульсия; - использование газовоз-душной эмульсии или газированной воды.

Эффективность способов определяется по снижению скорости образования отложений:

_б.в.

где _б.в. – скорость образования отложений без воздействия, _с.в. – скорость образования отложений с воздействием.

9.4.1. Химические способы борьбы. Химические способы борьбы сводятся к обработке воды и поверхности, покрытию поверхности.

Обработка воды предполагает предотвращение отложений за счет ее очистки или химической обработки.

Очистка воды предполагает:

• получение дистиллята и заполнение им трубопроводов и оборудования;

• использование ионообменных фильтров для очистки воды от анионов и катионов, образующихся в ней при гидротации солей.

Эти способы являются достаточно дорогими и чаще всего неприемлемыми в системах с большим расходом охлаждающей воды, к которым, в частности, относятся:

• системы технического водоснабжения, охлаждающие, в том числе и конденсаторы турбин;

• системы ответственных потребителей – более чистая система техводы с брызгающими бассейнами.

Вода в этих системах непосредственно контактирует с внешней средой, поэтому в них обрабатывать воду химическими веществами недопустимо.

Поскольку СаСО₃ и MgCO₃ находятся в охлаждающей технической воде в насыщенном состоянии, то при нагревании выпадают на теплообменные поверхности. Для того чтобы избежать выпадения солей жесткости, воду в системе подкисляют либо HCl, либо H₂SO₄. В результате этого соли жесткости переходят в хорошо растворимые соединения CaCl₂ и CaSO₄. Их растворимость в 10 - 100 раз выше, чем первоначальная. Расход кислот в закрытых циркуляционных системах составляет более одной тонны в сутки.

Кроме обработки неорганическими веществами, в последнее время получила широкое распространение обработка органическими соединениями. Их называют ингибиторами накипеобразования.

Для этих целей обычно используют:

• поверхностно-активные вещества (ПАВ). Активность молекул этих веществ блокирует поверхности, они могут даже разрывать крупные дисперсные частицы и тем самым предотвращать коагуляцию этих частиц и микрокристаллов, а также их осаждение на теплообменную поверхность;

• органические полимерные комплексоны на основе фосфора (фосфаты, фосфонаты). Для получения значительного эффекта достаточно небольших концентраций этих веществ. Хороший эффект достигается в испарительных установках на морской воде. Разработка этих комплексонов носит коммерческий характер и формулы их, как правило, засекречены. Например, при концентрации 50 - 70 мг/л снижение скорости образования отложений может составлять до 30 %. Некоторые высокомолекулярные органические соединения с низкими концентрациями (в приделах по ПДК) могут вводиться в открытые охлаждающие системы (пруды охладители и др.), не нарушая экологии водоема.

Кроме предотвращения осаждения солевых отложений и дисперсных частиц, в оборудовании существует проблема загрязнения теплообменных поверхностей микроорганизмами (водоросли, рачки и др.).Для предотвращения их осаждения используют ряд металлов-отравителей по степени активности (ртуть, свинец, медь), а также их соли (медный купорос, хлорокись меди, марганцевый кислый калий).

Обработка поверхности проводится с целью снижения скорости образования отложений. При этом теплообменная поверхность обрабатывается или покрывается следующими органическими соединениями жидкими либо твердыми:

- жидкие –ПАВ, которые слоем в одну молекулу покрывают поверхность (5 - 10 мкм) и таким образом предотвращают осаждение на ней частиц, а также образование кристаллов;

- твердые органические покрытия наполненных полимеров, таких, например, как фторопласт, поливинилхлорид ПВХ и др.

Основным недостатком этих способов является то, что они оказывают существенное влияние на теплообмен.

Коэффициент теплопередачи при наличии слоя покрытия будет зависеть от толщины и теплопроводности слоя, т.е. необходимо, чтобы слой был как можно тоньше и имел как можно больший коэффициент теплопроводности:

.

Однако обычный фторопласт имеет коэффициент теплопроводности _фт  0,04 Вт/(мК),что является недопустимо низким значением.

Оптимизационными расчетами установлено, что эффект от покрытия будет лишь тогда, когда теплопроводность его материала будет _сл  2,0 Вт/ (мК), а толщина менее 300 мкм.

Для увеличения коэффициента теплопроводности полимеры наполняют мелкодисперсными включениями, имеющими высокую теплопроводность, такими как углерод, алюминий, медь и др, объемным содержанием 5 - 30 %.

Однако в настоящее время для ПВХ при контролируемой толщине 300 мкм теплопроводность достигнута на уровне 0,7 Вт/(мК), а для наполненного фторопласта при толщине до 90 мкм, =0,35 Вт/(м К).

Металлические покрытия предполагают основной металл теплообменной трубки покрывать тонким слоем другого металла, отложения на котором не образуются. Например, нагревательный элемент в чайнике TEFAL.

Если отложения уже образовались, иногда их очищают химическим путем, путем кислотной отмывки. Для этих целей используют 5% раствор HCl, в который добавляют до 0,5 % ингибиторов коррозии.

Несмотря на то , что системы содержащие сплавы цветных металлов не допускается подвергать кислотной обработке, на некоторых станциях, например, на Ровенской АЭС, это считается единственным способом очистки конденсаторов турбин от отложений. С периодичностью 6 - 10 месяцев каждый конденсатор турбины подвергается кислотной промывке.

9.4.2. Физические способы. Физические способы основаны на использовании различных физических полей, таких, как магнитные, электростатические, ультразвуковые и др., которые воздействуют на:

- растворимость солей жесткости в воле;

- взаимодействие взвешенных в воде частиц между собой и кристаллами солей;

- формирование кристаллической структуры отложений.

Магнитная обработка заключается в прокачке воды через магнитное поле высокой напряженности. Высокая напряженность магнитного поля достигается за счет прокачивания воды через малые зазоры - щели, (рис.9.10,а);

- через плотную упаковку постоянных магнитов (рис.9.10,б);

- в зазорах парамагнитной металлической стружки, которая намагничивается за счет воздействия на нее внешнего электромагнитного поля (рис.9.10,в).

Опытные установки в системах технического водоснабжения работали на Ровенской АЭС и в системе Ростовэнерго. Недостаток систем - их высокое гидродинамическое сопротивление. Эффективность обработки в разных системах колеблется от 15 до 30 %.

Электростатическая обработка заключается в наведении на поток воды постоянного электростатического поля. Эффективна эта обработка для осветления воды. Однако при обработке наблюдается и эффект понижения накипеобразования.

Рис.9.10. Схемы магнитной обработки воды: а- через узкую щель; б- постоянными магнитами; в- в насадке, намагниченном внешним электромагнитным полем; 1- электромагниты; 2- постоянные магниты; 3- парамагнитный насадок; 4- корпус

Эффективность снижения скорости образования отложений на постоянном токе составляет 30 - 35 %, а на переменном токе - до 20 %.

Ультрафиолетовое воздействие является одним из способов очистки воды от биологических включений. Замечено также воздействие ультрафиолета на смещение карбонатной растворимости: после обработки в воде появляется взвесь в виде рыхлого шлама.

Ультразвук может воздействовать на дисперсные частицы в потоке воды, как препятствуя их коагуляции, так и разрушая отложения. Однако последнее требует значительной мощности излучения и на практике трудно реализуемо. По различным источникам установлены два диапазона частот, эффективно воздействующие на процесс: 14 - 20 кГц ; 55 -60 кГц.

В отечественной практике известны установки типа «Акустик» и «Волна», которые представляют собой ультразвуковой генератор, вырабатывающий импульсы модулированной частоты. В качестве излучателей, преобразующих электромагнитные колебания в механические, в них используются магнитострикционные устройства, колебательными элементами непосредственно связанные с трубными досками теплообменников и конденсаторов турбин. Технические характеристики этих ультразвуковых установок представлены в табл.9.3.

Таблица 9.3