Об использовании магнитного поля для снижения накипеобразования при нагреве высокоминерализованной воды

(Труды МЭИ, выпуск 309, 1976 г., с. 55-60)

Канд. Техн. наук доц. А. С. Копылов, канд. хим. наук доц. Е.Ф. Тебенихин, асп. В.Ф. Очков.

Проблема минимизации накипеобразования при нагреве высокоминерализованных вод приобретает все больше остроту по мере расширения применения термических опреснителей, выпарных аппаратов и т.п. Внедрение новых способов опреснения ( электродиализ, обратный осмос, экстракция и проч. ) не снимает этой проблемы полностью, т.к. многие из них требуют предварительного нагрева исходной высокоминерализованной воды.

Значительный практический интерес представляют физические методы снижения накипеобразования, к которым относится магнитный, не требующие больших капитальных вложений и высококвалифицированного обслуживания.

Применение магнитного поля для снижения накипеобразования в подогревателях высокоминерализованной воды использовалось в МЭИ и на ряде судовых испарителей [1, 2].

Основные предпосылки эффективности магнитного поля в применении к нагревателям высокоминерализованной воды те же, что и для пресной. И в том и в другом случае эффект определяется образованием центров кристаллизации в пересыщенном растворе [3]. В [4] указывается на существование некоторой оптимальной концентрации соединений железа в воде, которая определяет наибольший противонакипной эффект применения магнитного поля. Увеличение концентрации железа может привести к обратному эффекту вследствие коагуляции центров кристаллизации гидроокисью железа. Высокоминерализованная вода обладает специфическими особенностями, так как представляет концентрированный раствор солей, главным образом хлоридов и сульфатов натрия, магния и кальция. Наличие сильных электролитов, таких, как хлориды магния и натрия, повышает растворимость карбоната и сульфата кальция в высокоминерализованной воде за счет образования ионных пар, связанных в комплексы [5].

Для выяснения влияния магнитного поля и наличия искусственно вводимых соединений железа в подогреваемой воде на накипеобразование была создана экспериментальная установка, принципиальная схема которой показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Имитат океанской воды приготовлялся по методу С.П.Бруевича и хранился в баке 1 емкостью 40 литров. Из бака имитат забирался центробежным насосом 2, проходил через змеевики системы термостатов 3, где нагревался до температуры 60 +/-1С, пересекал поле электромагнитного аппарата 4 и поступал в подогреватель 5. Подогреватель представлял однопоточный восьми ходовой бойлер. Наиболее нагретая восьмая трубка состояла из четырех участков (1; 2; 3 и 4), соединенных между собой сальниковыми соединениями. Обогрев бойлера велся отборным паром ТЭЦ МЭИ. Температура имитата на выходе из подогревателя 80 +/- 1С регулировалась положением иглы парового вентиля. Конденсат и паро-воздушная смесь из подогревателя отсасывалась водоструйным эжектором 8. По выходу из подогревателя имитат охлаждался в змеевиках системы термостатов 3, холодильнике 6 и возвращался в бак 1. До начала опыта в приготовленный имитат океанской воды вводили соединение железа в концентрации до 0,8 мг/ кг пропуском через ячейку анодного растворения 7. Электромагнитный аппарат представлял собой магнитопровод из стального стержня диаметром 50 мм, на котором были насажены катушки медного провода. В разрыве магнитопровода помещались четыре последовательно соединенные медные трубки диаметром 10/8 мм, через которые протекал исходный раствор. Напряженность поля в зазоре контролировалась с помощью прибора ИМИ-3.

Все узлы тракта стенда были изготовлены из стали марки 1X18H9T и соединялись резиновыми шлангами. Трубки подогревателя диаметром 10/ 8 мм, общей длиной 8 метров выполнены из латуни. Скорость воды в трубках составляла 1м/с, тепловой поток 4,2´10⁴ Вт /м².

С имитатом океанской воды на установке было проведено 9 режимов работы продолжительностью по 6 часов каждый. Накипеобразование контролировалось весовым методом, для чего контрольные участки восьмой наиболее нагретой трубки подогревателя взвешивались на аналитических весах до и после опыта.

С двух контрольных участков трубки после каждого опыта накипь смывалась кислотной промывкой и в последущем опыте фиксировался рост накипи на чистой трубке. На двух других участках трубки накипь не смывалась и фиксировался прирост на начальном слое накипи. Во время опыта велся контроль за концентрацией железа, значением pH, щелочностью питательной воды подогревателя.

Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице 1.

Номер контрольного участка трубки по ходу воды	Напряженность поля в зазоре электромагнита, А/м
	0	0	0	1,6 10^5	2,4 10^5	2,4 10^5
	Начальная концентрация железа в имитате, мг/л
	0,0	0,4	0,8	0,0	0,0	0,8
1	50,4	40,2	145,2	107,6	27,2	56,0
2	124,2 101,5	187,2	176,1 223,0*	106,9	96,2	185,7*
3	884,2* 108,4	231,6*	187,3* 64,7	143,6*	191,1*	112,0
4	476,0* 72,5	252,6*	242,6* 334,1	23,9*	177,6*	183,7*

Анализ данных, полученных в серии опытов с имитатом океанской воды по замкнутой схеме питания, показывает следующее:

1. средняя скорость накипеобразования на участках трубок с начальным слоем накипи в 4-6 раз выше, чем на предварительно отмытых от накипи участках;

2. противонакипный эффект (до 50%) при использовании магнитного поля напряженностью 2,4´10⁵ А/м наблюдался только на участках трубок с начальным слоем накипи. Это говорит о том, что полностью ликвидировать накипеобразование при использовании магнитного поля тока не представляется возможным;

3. во время работы установки наблюдалось снижение концентрации железа в имитате до 50% исходной за 4 часа. В этой серии опытов изменение скорости накипеобразования при дополнительном вводе соединений железа обнаружено не было.

На данной установке была проведена серия опытов с использованием природной морской воды с концентрацией железа 0,23 мг/кг по разомкнутой схеме питания. Продолжительность каждого режима составляла 100 часов. Морская вода в трубках подогревателя имела скорость 1,3 м/с и нагревалась с 50 до 80 ⁰С. Ячейка анодного растворения была включена в контур морской воды перед термостатами. В этой серии опытов фиксировалась средняя скорость накипеобразования во всех восьми трубках подогревателя путем демонтажа, кислотной промывке трубок и анализа промывочного раствора.

Использование магнитного поля (1,6-2,4)´10⁵ А/м позволило снизить накипеобразование на всех восьми трубках подогревателя в среднем на 80%. Повышение концентрации железа электрохимическим растворением стального анода в питательной воде до 0,8 мг/кг в сочетании с использованием магнитного поля 2,4´10⁵ А/м дало противонакипный эффект на уровне 50%.

Литература:

1. Голубцов В.А., Тебенихин Е.Ф., Клевайчук К.А. Использование магнитного поля для предотвращения накипи в испарителях, работающих на высокоминерализованных водах. «Теплоэнергетика», 1971, N 5, с.57-59.

2. Дыхно Ю.А. Использование морской воды на тепловых электростанциях. М.,1974, «Энергия», с.269.

3. Тебенихин Е.Ф., Кишневский В.А. Влияние окислов железа на процессы кристаллизации дигидрата сульфата кальция под воздействием магнитного поля. «Труды МЭИ», 1975, вып. 238, с. 89-94.

4. Тебенихин Е.Ф., Кишневский В.А. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. Новочеркасский политехнический институт. 1975, Новочеркасск, с.166-168.

5. Мартынова О.И., Васина Л.Г., Позднякова С.А., Колбасова Э.С. Методика расчета состава соленых вод. «Труды МЭИ», 1972, вып. 128, с.121-129.