К механизму влияния магнитной обработки воды на процессы накипеобразования и коррозии

МАРТЫНОВА О. И., доктор техн. наук, КОПЫЛОВ А. С, канд. техн. наук, ТЕБЕНИХИН Е.Ф., канд. хим. наук, ОЧКОВ В. Ф. (диссертант), инж.

Московский энергетический институт

Промышленная практика показывает, что установка магнитного устройства перед теплообменником может повлиять на процессы накпеобразования и коррозии в нем. Механизм влияния магнитного поля, на характеристики водных систем до сих пор полностью не раскрыт. Однако с 1945 г. в различных странах мира было установлено более 7000 аппаратов бельгийской фирмы «Эпюро» конструкции Т. Вермайрена [Л. 1]; аналогичные аппараты выпускают в Норвегии и Великобритании [Л. 2]. Магнитные аппараты, влияющие на уменьшение накипеобразования, выпускают в США, Чехословакии и других странах. В нашей стране магнитные устройства для борьбы с накипью выпускаются серийно.

Использование многочисленных публикаций для выяснения механизма магнитной обработки воды затруднительно, так как приводимые в них данные противоречивы и часто невоспроизводимы [Л. З]. Попытки лабораторного моделирования условий промышленного использования магнитных аппаратов в большинстве случаев кончались неудачей.

Исследования, проведенные в Московском энергетическом институте, Всесоюзном теплотехническом институте, Московском государственном университете, Харьковском инженерно-экономическом институте и других организациях, показали, что магнитные аппараты при определенных водно-химических и температурных условиях могут генерировать затравочные кристаллы накипеобразователя [Л. 4]. В теплообменнике, расположенном после магнитного аппарата, процесс выделения накипи на этих кристаллах в толще воды будет в этом случае конкурировать с накипеобразованием на теплопередающей поверхности, что увеличит период работы теплообменника между чистками при условии эффективного шламоудаления. Ранее экспериментально было установлено, что необходимыми условиями образования в зазоре магнитного аппарата затравочных кристаллов являются необходимость пересыщения воды по накипеобразователям в магнитном аппарате и наличие в воде примесей с ферромагнитными свойствами [Л. 5, 6]. Но механизм генерации твердой фазы накипеобразователя в зазоре магнитного устройства не изучен и не выяснен [Л. 7].

В данной статье рассматривается один из возможных механизмов влияния магнитных аппаратов на процессы накипеобразования и коррозии, базирующийся на известных физико-химических закономерностях, лабораторных и промышленных экспериментах.

Под влиянием поля в магнитных аппаратах может меняться концентрация ферромагнитных примесей [Л. 8]. «Омагниченная» вода будет отличаться от исходной, прежде всего меньшим содержанием продуктов коррозии сталей в коллоидном и грубодисперсном состояниях, которые в определенных условиях обладают ферромагнитными свойствами. Магнитный аппарат для борьбы с накипью можно рассматривать в этом случае как своеобразный магнитный фильтр, который широко применяется для очистки воды от продуктов коррозии. При установке магнитного аппарата на линии, питающей теплообменник, количество задержанных в зазоре ферромагнитных примесей G будет возрастать и достигнет предельного значения Gпр по истечении определенного промежутка времени tпр. Проведенные нами расчеты и эксперименты с водными системами показали, что длительность переходного процесса в зазоре магнитного аппарата лежит в пределах от нескольких часов до нескольких суток.

Для изучения особенностей поведения ферромагнитных примесей в зазоре лабораторного магнитного устройства и связанных с ними возможных изменений свойств пересыщенных водных растворов при магнитной обработке в зазор магнита вводили ферромагнитную примесь - дробленую металлургическую окалину, на 90- 95% состоящую из магнетита с размером частиц 30-50 мкм. Результаты лабораторных исследований показали, что предельные массы магнетита Gпр, задержанного в зазоре магнита, зависят от скорости воды в зазоре u и напряженности магнитного поля H. Анализ полученных данных показывает, что магнитный аппарат можно характеризовать таким параметром, как предельная скорость воды в зазоре магнита uпр, причем ферромагнитные примеси могут задерживаться в зазоре магнитного аппарата и создавать там взвешенный слой с развитой поверхностью только тогда, когда u < uпр. Значение uпр зависит от многих параметров, и в первую очередь от напряженности магнитного поля H, градиента напряженности магнитного поля grad H, гидродинамики потока, характеристик ферромагнитных примесей, температуры, направления потока относительно силы тяжести. В нашем случае экспериментальные данные хорошо описываются выражением:

(1)

Теоретические положения, основанные на анализе сил,
действующих на ферромагнитные частицы в зазоре магнитного аппарата, дают следующую зависимость:

где da – диаметр зазора магнитного аппарата; l – толщина взвешенного в зазоре слоя ферромагнитных примесей; m – коэффициент, учитывающий гидродинамику взвешенного слоя; ρм – плотность ферромагнитных примесей; f – коэффициент, зависящий от формы ферромагнитных примесей (для шара f =0,33, для эллипсоида вращения f =1); μо – абсолютная магнитная проницаемость вкуума; μ – магнитная проницаемость ферромагнитной примеси;dм – средний диаметр частиц ферромагнитной примеси; (|H| grad H) мин – минимальное отрицательное по направлению потока воды произведение модуля напряженности магнитного поля на его градиент; б – вязкость воды.

На основе тех же теоретических соображении можно получить значение предельной скорости воды:

(3)

Выражения (2) и (3) были выведены при следующих допущениях: градиент напряженности магнитного поля в зазоре магнитного аппарата совпадает по направлению со скоростью воды; на ферромагнитную частицу во взвешенном слое действует стоксовская сила трения.

Для изучения поведения водной системы, пересыщенной по какому-либо компоненту, в зазоре магнита был создан экспериментальный стенд. В качестве исходных растворов брали дистиллированную воду, насыщенную атмосферным воздухом, и раствор бикарбоната кальция, насыщенный по карбонату кальция, для проведения аналогии между процессами выделения газовой и твердой фазы из пересыщенных растворов в зазоре магнитного аппарата.

Опыты по газовыделению проводились следующим образом. Дистиллированная вода термостатировалась при 25°С, насыщалась атмосферным воздухом и пропускалась через теплообменник, в котором нагревалась до температуры 25—70°С. Растворимость основных компонентов воздуха—азота и кислорода—с ростом температуры воды падает, а степень пересыщения воды Пв возрастает: растворимость при начальной температуре растворимость при конечной температуре

При работе установки по водяному тракту выделялись воздушные пузыри, объем которых измерялся с помощью микробюреток. Таким образом, можно было фиксировать интенсивность газовыделения из воды на участке теплообмена и в зазоре магнитного аппарата. Интенсивность газовыделения по водяному тракту стенда фиксировалась при трех режимах работы магнитного аппарата: 1—H==0, G=0; 2—H==260 кA/м, G=0; 3—H=260 кА/м, G=30—40 мг.

При третьем режиме работы магнитного аппарата ферромагнитные примеси вводились в зазор в начале и удерживались полем в продолжение всего опыта.

Результаты экспериментов по газовыделению свидетельствуют о том, что в режимах 1 и 2 размеры воздушных пузырей и интенсивность газовыделения в зазоре магнитного аппарата не различаются. Переход же к режиму 3 в 15—20 раз интенсифицирует газовыделение в зазоре магнитного аппарата при одновременном уменьшении в 5—10 раз диаметра выделяющихся воздушных пузырей. Иными словами, магнитное поле само по себе не влияет на интенсивность газовыделения, а введенные в зазор магнитного аппарата примеси сорбируют растворенный воздух на своей развитой поверхности. Именно в результате этого резко увеличивается интенсивность газовыделения в зазоре магнитного аппарата.

Аналогичные опыты были проведены для качественной оценки поведения раствора, пересыщенного по карбонату кальция, в зазоре магнитного аппарата. При этом визуально и химическим анализом было установлено, что на поверхности частиц магнетита, взвешенных в зазоре, идет интенсивная сорбция карбоната кальция с образованием газовых пузырей (углекислота, азот, кислород).

Проведенное исследование позволяет сформулировать вероятный механизм влияния предвключенных магнитных аппаратов на процессы накипеобразования и коррозии в теплообменных системах: магнитный аппарат задерживает в зазоре ферромагнитные примеси воды, в результате чего через определенный промежуток времени τпр образуется взвешенный слой с хорошо развитой поверхностью;

если поступающая в магнитное устройство водная система нестабильна, т. е. пересыщена по какому-либо компоненту (газовому, солевому), то он будет сорбироваться на поверхности слоя частиц, взвешенных в зазоре магнитного аппарата;

выделяющиеся из пересыщенного раствора вещества могут либо накапливаться в зазоре магнитного аппарата (в практике магнитной обработки аппараты нередко забиваются железонакипными отложениями), либо смываться потоком воды, поступая в теплообменную систему в виде затравочных кристаллов (пересыщение по солевому составу) или свободной газовой фазы при соответствующем пересыщении; при этом устанавливается динамическое равновесие в процессах сорбции и смыва;

ферромагнитные частицы в зазоре магнитного аппарата могут коагулировать, образуя агломераты, покрытые слоем, например карбоната кальция, которые могут также служить центрами кристаллизации.

Процесс противонакипной магнитной обработки минерализованной питательной воды обеспечивает, таким образом, борьбу с накипью в результате контактной стабилизации и ввода зернистой присадки, при этом магнитную обработку следует рассматривать как гетерогенный катализ, ускоряющий процессы фазового превращения в пересыщенных водных системах.

Противонакипную эффективность магнитной обработки в первом приближении можно оценить выражением:

При нашем подходе к явлению магнитной обработки воды этот показатель будет равен:

где Ск – концентрация затравочных кристаллов в воде на выходе из магнитного аппарата; ρ, ρк, ρм – плотность воды, затравочных кристаллов и ферромагнитных частиц; d, da – диаметр трубок теплообменника и зазора магнитного аппарата; dк,dм – средний эффективный диаметр затравочных кристаллов и ферромагнитных частиц, задержанных в зазоре магнитного аппарата; G – масса примесей, задержанных в зазоре магнитного аппарата; I – интенсивность выделения накипи на поверхности задержанных в зазоре магнитного аппарата примесей.

Предложенный механизм позволяет установить следующее.

1. Частое несовпадение результатов промышленного использования магнитных аппаратов с результатами лабораторного моделирования можно объяснить, введя понятие «период активизации магнитного аппарата». Подход к магнитному аппарату как к своеобразному фильтру показывает, что поверхность задержанных примесей в зазоре может быть значительной только по истечении определенного промежутка времени. Следовательно, и значение η [см. выражение (6)] может достигнуть заметного уровня только в конце этого промежутка времени – времени активации магнитного аппарата. Период работы магнитных устройств в реальных промышленных условиях обычно намного превышает период их активации, чего нельзя сказать о многих лабораторных опытах.

2. Заслуживает внимания оценка зависимости η от скорости воды в зазоре магнитного аппарата. Увеличение этой скорости приводит, с одной стороны, к росту интенсивности выделения накипеобразователя на поверхности взвешенного слоя [Л. 9], с другой стороны, уменьшает объем ферромагнитной твердой фазы, на которой происходит эта сорбция [см. выражение (1), (2) и (6)], что определяет экстремальный характер зависимости η от υ:

Где b=0,5 – 2,0. Оптимальное значение υ лежит в пределах (0,4 – 0,6) υпр; υпр=1,8 – 2,5 м/с. Этот вывод полностью согласуется с промышленными и лабораторными экспериментами по противонакипной магнитной обработке [Л. 4, 7].

3. Согласно изложенному механизму магнитной обработки воды напряженность магнитного поля в зазоре аппарата не является единственным и определяющим параметром, следовательно, нельзя однозначно выявить зависимость η от H, сравнивая различные промышленные и лабораторные аппараты, оценивая полученные на них противонакипные эффекты. На эффективность магнитной обработки сильное влияние оказывают такие характеристики, как конфигурация поля, гидродинамика потока, дисперсность и магнитные свойства примесей воды [см. формулы (2) и (6)]. Использование в промышленных магнитных аппаратах многополюсных схем со встречным расположением токовых катушек или постоянных магнитов [Л. 4, 7], позволяющих общий магнитный поток разбивать на отдельные потоки, увеличивает неравномерность магнитного поля по длине зазора и приводит к более эффективной задержке ферромагнитных примесей.

4. Предварительное газовыделение при магнитной обработке позволяет удалять газовую фазу из воды теплообменных аппаратов, что способствует снижение коррозионных процессов в них.