ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ МЕТОДОВ ОГРАНИЧЕНИЯ КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ПРЯМОТОЧНЫХ И ОБОРОТНЫХ СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Кандидат технических наук ведущий инженер В.Ф.ОЧКОВ, инженер А.А.ГУЗЕЕВА, кандидат технических наук ведущий инженер В.И.КАШИНСКИЙ

В [1] была предложена математическая зависимость для оценки противонакипной эффективности при использовании в прямоточных трубчатых подогревателях таких методов, как ввод в питательную воду кристаллической затравки, магнитная обработка и др. Между тем противонакипные магнитные аппараты в основном используются в оборотных схемах водоснабжения [2]. В работе [3] приведены результаты экспериментов по изучению механизма противонакипной магнитной обработки, которые доказали обоснованность аналогии между магнитным способом борьбы с накипью и технологией, основанной на вводе кристаллической затравки извне.

Для оценки противонакипной эффективности магнитной обработки в оборотных системах рассмотрим материальный баланс затравочных кристаллов в сети горячего водоснабжения с открытым водоразбором, схема которой представлена на рис.1. Нагретая вода в количестве Д_ц, м³/ч, из расходного бака 3 сетевым насосом 4 подается потребителю 5. Потребитель из сети забирает Д_пр, м³/ч, воды, а остаток (Д_ц – Д_пр) возвращает в бак 3 через подогреватель 2. В замкнутых системах водоснабжения роль потребителя воды играют различного рода утечки. Потери воды из сети выполняются подпиткой Д_под, м³/ч. При постоянном уровне воды в расходном баке 3 (V=const) Д_пр=Д_под.

Рис.1 Схема оборотной системы водоснабжения.

Перед подогревателем 2 установлен противонакипный магнитный аппарат 1, который генерирует затравочные кристаллы накипеобразователя за счет перевода некоторой n-ой доли карбонатной жесткости воды Ж_к, мг-экв/кг, в твердое состояние [3]. Вводимые в сеть затравочные кристаллы расходуются на увеличение концентрации затравки в контуре С_т, кг/кг, и частично выводятся из контура с продувкой (утечками), т.е.

(1)

где V – объем контура, м³; τ – время, прошедшее с начала магнитного воздействия, ч.

С учетом граничных условий (С_т = 0 при τ = 0) решение уравнения 1 имеет вид

(2)

где С_тmax – максимальное значение концентрации затравки в оборотном контуре при τ→∞, причем

(3)

В табл. 1 приводятся результаты расчета С_т по уравнению 3 и эффективности противонакипной обработки η_max по методике [1]. Расчет выполнен для системы открытого горячего водоснабжения пос. Обухово Московской области, характеризуемый следующими параметрами: Ж_к = 4 мг-экв/кг; Д_ц = 25 м³/ч; длина трубок подогревателя 6 м; диаметр трубок подогревателя 14 мм; средний эффективный диаметр затравочных кристаллов 0.5 мкм; скорость воды в трубках подогревателя 0.5 м/c.

Таблица 1

Зависимость максимальных значений концентрации затравочных кристаллов и эффективности магнитной обработки от n и Д_пр.

Доля карбонатной жесткости воды, переводимая в магнитном зазоре в кристаллическое состояние	Дпр, м^3/ч
	0.25		2.5		12.5
	Стmax, мг/кг	ηmax %	Cтmax, мг/кг	ηmax %	Стmax, мг/кг	ηmax %
0.01 0.05 0.10	200 1000 2000	31.4 84.8 97.7	20 100 200	3.7 17.2 31.4	4 20 40	0.8 3.7 7.3

Максимальные значения концентрации затравочных кристаллов и противонакипного эффекта магнитной обработки в контуре не зависят от объема оборотной системы V. Объем оборотной системы в значительной степени влияет на длительность переходного периода, к концу которого концентрация затравки С_т достигает своего максимального значения С_тmax. Период времени от начала магнитного воздействия до момента достижения значения концентрации затравки в контуре, равной половине максимального значения τ_0.5, ч, можно вычислить из выражения

(4)

В табл. 2 представлены значения τ_0.5 в зависимости от объема контура водоснабжения и величины продувки.

Таблица 2.

Значения параметра τ_0.5 в зависимости от объема системы и величины продувки

Дпр, м^3/ч	τ0.5
	Объем системы водоснабжения, м^3
	2500	500	100
0.25 2.5 12.5	6930 693 139	1386 139 28	277 28 6

Анализ работы магнитных аппаратов в оборотных схемах водоснабжения показывает, что противонакипная эффективность магнитной обработки воды не является постоянной во времени величиной. Увеличение эффективности магнитной обработки во времени связано с двумя факторами: накоплением ферромагнитных примесей в зазоре магнитного аппарата, на поверхности которых растут затравочные кристаллы накипеобразователей [3], и накоплением затравочных кристаллов накипеобразователя в оборотном контуре. Данная особенность противонакипной магнитной обработки воды отмечена в промышленной практике [2].

Пренебрегая составляющей времени переходного периода, связанной с накоплением в магнитном зазоре ферромагнитных примесей, так эта составляющая, по данным [3], примерно в десять раз меньше значений, представленных в табл. 2, можно записать следующую зависимость эффективности магнитной обработки от ряда переменных параметров оборотной системы:

(5)

где Re – число Рейнольдса для трубок подогревателя; Pr_д – диффузионное число Прандтля для растворенного накипеобразователя; ρ, ρ_т – плотности воды и затравочных кристаллов, кг/м³; l – длина трубок подогревателя, м; d_т – средний эффективный диаметр затравочных кристаллов, м. В прямоточной системе водоснабжения, где Д_ц = Д_пр и V = τ Д_пр, выражение (5) преобразуется к виду:

(6)

Выражение (6), заимствованное из [1], было использовано для вывода (5). В табл. 3 представлены подсчитанные по уравнению (5) значения противонакипной эффективности магнитной обработки в системе открытого горячего водоснабжения пос. Обухово Московской области для различных значений τ, V, и Д_пр при n = 0.05.

Таблица 3

Расчетные значения противонакипной эффективности магнитной обработки в системе открытого горячего водоснабжения

Продолжительность магнитного воздействия, ч	Объем контура, м^3	η, %
		Дпр, м^3/ч
		0.25	2.5	12.5
24	100 500 2500	10.4 2.2 0.5	8.1 2.1 0.5	3.5 1.7 0.4
240	100 500 2500	57.8 19.2 4.4	17.2 12.3 3.9	3.7 3.7 2.6
2400	100 500 2500	84.7 73.2 33.1	17.2 17.2 15.7	3.7 3.7 3.7

Из данных табл. 3 видно, что существенного противонакипного эффекта можно достичь только в оборотных системах при незначительном отборе воды из контура, когда наблюдается заметное концентрирование затравочных кристаллов (см. уравнение 3). При этом в системах со значительным объемом воды (например, система водоснабжения с расходным баком, прудом-охладителем и т. д.) эффективность магнитной обработки может достичь необходимой для практики величины только после длительной непрерывной работы магнитного аппарата.

Данный вывод согласуется с опытом применения противонакипных магнитных аппаратов в промышленных теплообменных устройствах. Инструкции по эксплуатации серийных аппаратов типа ЭМА, АМО, ПМУ (СССР), Сепи (Бельгия), Поляр (Норвегия) и др. предписывают использовать эти аппараты в оборотных схемах (водяное охлаждение трансформаторов, компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, закрытые системы горячего водоснабжения с водогрейными котлами или паровыми бойлерами и т. п.) [4].

Другим важным фактором, определяющим большую эффективность обработки в оборотных системах по сравнению с прямоточными является высокое содержание ферромагнитных примесей в циркуляционной воде, поступающей в магнитный аппарат. Это связано с тем, что ферромагнитными примесями вода в основном обогащается за счет коррозии стальных элементов контура, особенно на высокотемпературном участке тракта. Соединения железа природных исходных вод, как правило, не обладают ферромагнитными свойствами. Так, артезианская вода, идущая на подпитку рассматриваемой системы горячего водоснабжения, содержит соединения железа до 10-20 мг/кг. Подземная вода содержит железо в ионной форме, а при сбросе давления на поверхности, увеличения значения pH за счет удаления СО₂ оно переходит в гидроокисную, неферромагнитную форму.

Изложенный анализ работы противонакипных аппаратов показывает, что применение противонакипной магнитной обработки, воды в прямоточных системах, в оборотных системах со значительным водоразбором (Д_пр = 0.5 – 0.8Д_ц) и в оборотных системах с большим объемом контура малоэффективно. Противонакипный эффект магнитной обработки в оборотных контурах может достигать существенной величины (до 80-90%) даже в тех случаях, когда наблюдаемые изменения качества воды в зоне магнитного воздействия (снижение карбонатной жесткости, увеличение концентрации затравочных кристаллов СаСО₃ и т. п.) лежат на пределе чувствительности используемых методов анализа. Исходя из этого, не следует оценивать возможную эффективность магнитной обработки только по изменению качества воды до и после магнитного аппарата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Расчет противонакипной эффективности ввода затравочных кристаллов в теплоэнергетических установках /Мартынова О.И., Копылов А.С., Кашинский В.И., Очков В.Ф. – Теплоэнергетика, 1979, №9, с. 21-25.

2. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. – М.: Энергия, 1977. – 184 с.

3. К механизму влияния магнитной обработки воды на процессы накипеобразования и коррозии /Мартынова О.И., Копылов А.С., Тебенихин Е.Ф., Очков В.Ф. – Теплоэнергетика, 1979, №6, с. 67-69.

4. Классен В.И. Омагничивание водных систем. – М.: Химия, 1978. – 240 с.