С какой целью осуществляют магнитную обработку воды подаваемой в электрокотлы

Обновлено: 30.06.2024

Образование накипи из-за содержания в воде минеральных солей (преимущественно магния и кальция), а также коррозия инженерного оборудования и коммуникаций относятся к числу наиболее актуальных проблем не только теплоэнергетики, но и большинства отраслей промышленности, жилищнокоммунального комплекса и других областей хозяйственной деятельности. Достаточно сказать, что образование на внутренней поверхности котла слоя накипи толщиной всего 1 мм влечет за собой перерасход 5-8% топлива, а некачественная водоподготовка (или ее отсутствие) может привести к снижению к.п.д. системы на 15-30%. С течением времени энергетические потери могут составлять 60%.
Образование накипных отложений на теплообменных поверхностях является одной из главных проблем теплоэнергетики на протяжении всей истории ее развития. Накипеобразованию подвержены теплообменники различных типов и назначения: Отложения солей карбонатной жесткости на теплообменном оборудовании вызывает уменьшение эффективности его работы. За счет различных значений коэффициентов теплопроводности металла и образующегося слоя накипи, увеличение толщины слоя отложений приводит к снижению температуры нагреваемой воды. В зависимости от карбонатной жесткости нагреваемой воды и ее температуры, время увеличения слоя накипи до толщины в несколько миллиметров составляет от трех недель до трех лет. И каждая вновь образующаяся доля миллиметра слоя накипи приводит к ухудшению процесса теплопередачи, к увеличению удельного расхода количества тепла, энергоносителей, электроэнергии. С течением времени энергетические потери, вследствие образования накипи, могут составлять до 60 %.
Образование слоя накипи, толщина которого составляет 1 мм , ухудшает процесс теплообмена в котлах, по данным различных источников, на 5-20 % в зависимости от состава накипи и типа котла. А при даже непродолжительной работе котлов на химически неподготовленной воде толщина слоя накипи может достигнуть 50 мм . Зависимость величины потерь тепловой энергии от толщины накипи на теплообменных элементах показана на рис. 1 (по данным ВТИ им. Дзержинского, Россия).

Загрязнение теплообменных поверхностей нагревателя накипными отложениями не только снижает эффективность его работы и требует периодической остановки для проведения очистки, но и, что самое важное, вызывает цепочку экономических потерь при производстве, транспортировке и потреблении тепла.
Проблемы, связанные с образованием накипи, решаются с использованием как химических (реагентных), так и физических (безреагентных) методов.
При химическом умягчении воды используют принцип ионного обмена. В этом случае ионы кальция и магния в воде замещаются ионами натрия или водорода. Недостаток данного метода — изменение химическогосостава исходной воды. Вода с повышенным содержанием натрия опасна для здоровья людей, которые имеют заболевания сердца и проблемы с давлением. Дефицит ионов кальция в воде приходится ликвидировать искусственным путем. Кроме этого, ионообменная смола нуждается в периодическом восстановлении своих свойств — регенерации. При регенерации используются поваренная соль либо кислоты.
Кроме расходов, связанных с покупкой и доставкой реагентов, необходимы расходы для утилизации отходов. Это обусловлено тем, что вода, используемая для промывки, имеет высокую концентрацию токсичных веществ. Также недостатком данного метода является сравнительно высокая стоимость оборудования, монтажа и расходных материалов.
Из физических методов практическое применение получили магнитный, электромагнитный и радиочастотный методы обработки воды.

В последние десятилетия как в Украине, так и за рубежом для борьбы с образованием накипи стали применять магнитную и радиочастотную обработку воды. В сравнении с распространенными методами умягчения воды магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплуатационные расходы.
Сравнение магнитной обработки воды с химическим способом умягчения воды приведено в табл. 1.


Магнитная обработка воды

Впервые широко начали применять магнитную обработку воды для предотвращения накипеобразования около 50 лет назад в Бельгии. В 1936 году бельгийский инженер T.И.C. Вермейрен обнаружил, что при нагревании воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на теплообменной поверхности не образуется накипь. Первый в мире патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан T.И.C. Вермейрену 01.10.1946 г. АО EPURO (г. Антверпен, Бельгия) к 1980 г . продало около 130 000 таких устройств. В настоящее время приемником этой фирмы является Cepi-CO Ltd. Аппараты системыCEPI с успехом использовались в котельных, в пивоварении, в производстве сахара, в опреснителях морской воды на морском транспорте и так далее. В 80-е годы фирма EPURO для обработки воды выпускала аппараты производительностью от 0,03 до 32 тыс. м3/ч и продавала до 5000 шт. в год во все страны мира.
В СССР состоялись 4 научно-практические конференции по использованию этого метода в различных отраслях народного хозяйства, причем не только для предотвращения накипи. До перестроечного периода Московским заводом им. Войкова выпущено более 500 000 аппаратов для магнитной обработки воды. За последние 10-15 лет использование этого метода существенно сократилось из-за отсутствия финансирования у потребителей, закрытия Московского завода им. Войкова по экологическим причинам. Однако за последние 2-3 года началось оживление в этом направлении, связанное с ростом производства в стране, существенным повышением цен на химические реагенты, которые используются для умягчения воды, созданием высокоэнергетических магнитов, на порядок превосходящих по своим свойствам ранее применявшиеся для этих целей.

Принцип работы устройства магнитной обработки воды, магнитного фильтра


Далее в качестве примера приведены фотографии двух полей микроскопа с кристаллами солей, выделившихся при кипячении воды до и после магнитной обработки.




Подсчет удельной площади поверхности, на которой встречаются отдельные кристаллы из трех размерных групп, на которые разбит весь спектр величин кристаллов, дает абсолютные значения среднего числа частиц в поле зрения микроскопа.


Установлено, что уменьшение среднего размера кристаллов в 2-3 раза и относительное увеличение их числа подтверждает эффективность магнитной обработки в предотвращении образования пластов накипи на стенках теплообменников.

Типы установок для магнитной обработки воды

В настоящее время выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды — с постоянными магнитами и электромагнитами.

Устройство магнитной обработки воды состоит из нескольких постоянных магнитов или электромагнитов, между полюсами которых протекает вода. Отличия между устройствами магнитной обработки воды на постоянных магнитах и электромагнитах не так заметны, но они существуют.
Первый тип устройств конструктивно проще, дешевле в эксплуатации (избавляет от затрат на электропитание), может применяться во взрывоопасных местах. Электромагниты используются главным образом для больших протоков, их основное преимущество — в возможности работы при высоких температурах.

Аппараты с постоянными магнитами

Для магнитных аппаратов применяются постоянные магниты из различных магнитожестких материалов:
Магнитофоры — смесь полимерных или минеральных вяжущих (каучук, смолы, цемент) и порошкообразных магнитных наполнителей. Из этой смеси формуются изделия необходимой формы, размеров и потом намагничиваются.
Ферромагнетики. Широкое применение для изготовления магнитов нашел феррит бария. К сожалению, этот материал имеет ряд недостатков. При нагреве выше определенного предела он начинаeт быстро терять свои магнитные свойства.
Теряeт он свои свойства и со временем — через 4-5 лет наступает потеря 30-40 % магнитных свойств.

Магниты на основе редкоземельных металлов (РЗМ)

Характеристики магнитов (NdFeB): N38

– магнитная индукция (по измерению в зазоре) Вг, Тл 0,8. 1,2
– магнитная индукция (по измерению на поверхности) Вг,Тл 0,25. 0,35
– коэрцитивная сила по индукции Нbc, кА/м 400. 1300
– коэрцитивная сила по намагниченности Нjc, кА/м 400. 1500
– магнитная энергия ВНmax, кДж/м³ 200. 400
– максимальная рабочая температура Т, °С 100. 150
– температурный коэффициент x, %/°С 0,15
– плотность r, г/см³ 7,4.

Вода, обработанная устройством магнитной обработки воды, сохраняет свои свойства от 10 часов до 8 суток (в зависимости от состава воды и условий эксплуатации).
Кроме того, применение устройств магнитной обработки воды позволяет получить положительный эффект при установке на:
1. новые трубопроводы: новые трубопроводы остаются свободными от известкового налета, в результате значительно увеличивается срок их эксплуатации. Устройства магнитной обработки воды снижают риск образования как поверхностной, так и точечной коррозии, формируют защитную пленку на стенках труб;
2. существующие трубопроводы: слой известкового налета становится пористым, разбивается на отдельные фрагменты и вымывается из трубопровода водой в виде суспензии. Ржавчина и другие коррозионные композиты также могут быть растворены и вымыты из трубопровода, если они смешаны с накипью.
Большая часть растворенной извести и компонентов ржавчины обычно выпадает в осадок, например, в водонагревателе, после чего они могут быть легко удалены.
После установки системы магнитной очистки воды рекомендуется еженедельно проводить очистку водонагревателей, фильтров, магнитных фильтров грубой очистки и аэраторов. Такая очистка должна проводиться в течение 2…3 месяцев или более длительного периода времени в зависимости от количества извести и ржавчины. После очищения трубопроводов от всех включений возможно формирование антикоррозийного защитного слоя;

остаются свободными от известкового налета на нагревательных элементах и стенках внутреннего бака. Минимальное количество извести может выпасть в виде осадка. Клапаны и смесители также остаются свободными от известкового налета, что позволяет избегать проблем, связанных с дополнительными регулировками и повышением давления.
При температуре воды выше 70 °C объем известкового осадка существенно увеличивается, при этом змеевики и нагревательные элементы, а также стенки внутренних баков остаются чистыми. В результате значительно сберегается энергия и существенно увеличивается срок службы приборов. Осадок же может быть легко удален при технологических чистках;
4. водонагреватели, находящиеся в эксплуатации: существующий известковый слой на нагревательных элементах и змеевиках, стенках внутренних баков становится пористым и облупливается. В результате имеющийся осадок может быть легко удален при помощи фильтрации или простой очисткой внутренней поверхности бака. Учитывая, что известковый налет вызывает эффект изоляции, удаление слоя извести приводит к значительному сбережению энергии и существенно увеличивает срок службы приборов;
5. новые пластинчатые теплообменники: при температуре воды до 70°C новые пластинчатые теплообменники остаются свободными от известкового налета. Применение устройства магнитной обработки воды позволяет увеличить интервалы между обслуживаниями теплообменников в 3…4 раза. Пластины могут быть очищены струей воды под давлением без применения шарошки или кислотной очистки.
При температуре воды выше 70 °C начинается образование известкового осадка. В системах без циркуляции или с незначительной циркуляцией воды известковый осадок может скапливаться в нижней части пластин теплообменника. Если он не вымывается, то, в конечном счете, прочно закрепляется на пластинах. Даже в этом случае установка устройств магнитной обработки воды позволяет увеличить интервалы обслуживания теплообменниковв 3…4 раза по сравнению с обычными условиями. Пластины могут быть очищены обычной щеткой и струей воды под давлением вместо кислотной очистки. В пластинчатых теплообменниках с интенсивной циркуляцией известковый осадок вымывается через пластины, а затем может быть высажен в буферных танках, накопительных водонагревателях или фильтрационных установках;
6. пластинчатые теплообменники, находящиеся в эксплуатации: существующий известковый налет становится рыхлым и вымывается с поверхности пластинчатых теплообменников, заблокированной отложениями жесткости, при условии достаточно интенсивной циркуляции воды и температуре не выше 65…75 °С. Однако в большинстве случаев рекомендуется очистить теплообменник до установки системы магнитной обработки воды. Это связано со сложностями вымывания известковых и камнеподобных включений через очень маленькие промежутки между пластинами теплообменника.
7. насосы: насосы остаются свободными от накипи, как следствие — увеличивается срок службы насосов (уменьшаются расходы на обслуживание), вследствие уменьшения потерь давления в системе снижается потребление энергии насосом.
• Снижение затрат на энергоносители на 20 - 25 %.
• Увеличение срока службы оборудования на 40-60 % и теплоотдачи на 25 %.
• Защита от очаговой коррозии, удаление старых отложений накипи.
• Не требует обслуживания и применения химикатов - экологически чистый метод.
• Отсутствие сменных элементов, высокая надёжность и долговечность
В целом, внедрение систем позволяет:
• сократить затраты энергоносителей на подогрев и испарение жидкостей на 5-10 %;
• продлить срок службы оборудования, ввиду отсутствия необходимости в химических и механических чистках оборудования и перегрева металлических частей теплообменного оборудования из-за ухудшения теплопередачи покрытых накипью поверхностей;
• снизить эксплуатационные расходы на содержание и ремонт оборудования;
• избежать длительных межремонтных простоев оборудования для его чистки и восстановления.
Принцип действия основан на использовании внутри прибора постоянных магнитов с определенной напряженностью. В качестве источника магнитного поля используются постоянные магниты из современных материалов на основе сплавов редкоземельных металлов, поэтому работают при температуре до 135 °С. Величина жесткости воды не влияет на эффективность работы магнитов.

Магнитные системы противонакипной водообработки не имеют кинематических узлов и электрических цепей, очень легко монтируются, не нуждаются в постоянном обслуживании, не являются источником опасных излучений, имеют длительный срок эксплуатации без дополнительных денежных затрат. Применяются совместно с другими способами водоподготовки (деаэрацией и химической очисткой

Устройства магнитной обработки воды предназначены для обработки воды полем магнитов для предотвращения образования и ликвидации уже отложившейся накипи на стенках трубопроводов и теплообменных элементов. Устройства магнитной обработки воды могут быть включены в состав любых установок, подверженных образованию накипи в процессе эксплуатации. Метод магнитной обработки воды является экологически чистым методом и не требует химических реагентов или затрат энергии. В результате магнитной обработки воды вместо прикипевшего котельного камня образуется мелкокристаллический легко удаляемый шлам. Обычно вода сохраняет свои свойства от 10 часов до 8 суток после магнитной обработки.

Накипь на тэне

Вода и окружающая среда

Система водоснабжения является неотъемлемой частью окружающей среды. Кислород и углекислый газ поступают в воду из атмосферы. Углекислый газ может вступать во взаимодействие с водой и образовывать угольную кислоту. В местах с плотным растительным покровом происходит активное потребление кислорода находящегося в составе воды. Гниение и распад растений приводят к образованию углекислых газов. В районах, где преобладают известняковые почвы, вода, содержащая угольную кислоту, вступает во взаимодействие с известняком и становится жёсткой. Жёсткая вода настолько массовое явление, что люди, говоря о плохом качестве воды, часто имеют в виду только одну эту проблему. Невидимые взгляду минеральные вещества могут сделать воду настолько жёсткой, что ее использование становится, порой, просто невозможным, или, как минимум вызывает большие сложности.

Жёсткая вода

Жесткая вода является серьёзной проблемой, которую приходится решать повсеместно. В мире существует всего лишь несколько районов, где вода настолько мягка, что не требует какой-либо обработки, очистки и может использоваться для многих нужд в домашнем хозяйстве. Однако, в природе не существует такой воды, которая не обладала бы хотя бы минимальной жесткостью. Жесткость воды - это источник многих наших проблем. Список химических элементов, обладающих высокой степенью жесткости, включает железо, медь и марганец, которые присутствуют воде в обычных или достаточно малых количествах. Кальций и магний обычно присутствуют в воде в гораздо больших количествах. При стирке жесткая вода оставляет следы на ткани. Осадки или мыльные хлопья обесцвечивают краску и придают белому материалу серый или жёлтый оттенок. Мыльная масса оседает на волокнах ткани, воздействует на её основу и уменьшает срок её использования. Кроме того, жёсткая вода требует использования дополнительного количества моющих и чистящих средств и также оставляет следы на поверхности ванн, раковин т.д. Жёсткая вода оставляет также следы на стеклянной и прочей посуде, формирует накипь и постепенно забивает трубы горячей воды, сужая их условный проход. Хлопья и наросты в электрочайниках, это тоже влияние воды с повышенной жёсткостью.

Проблема накипи

Накипь представляет собой одну из самых серьезных проблем, причиной которой является жёсткая вода и содержащиеся в ней минералы. Этот побочный продукт выводит из строя многие бытовые приборы. Накипь образуется в трубах горячей воды и создает в них пробки, заужает сечение труб и серьезно уменьшает эффективность работы систем отопления и водоснабжения. Накипь формируется при нагреве жесткой воды. Это происходит по следующим причинам: происходит разложение бикарбонатов кальция и магния. Бикарбонаты превращаются в карбонаты, но с высокой степенью нерастворимости. Бикарбонаты образуют осадок в воде, растёт их концентрация на внутренних поверхностях. При некоторых условиях осадки создают шлам. И шлам, и накипь приводят к значительному снижению эффективности водонагревательных приборов. Кроме того, поверхности труб и водной арматуры подвергаются точечной коррозии

Некоторые аспекты использования воды и экономии электроэнергии

При проведении исследований, было установлено, что газовые и электрические нагреватели при нагреве жёсткой воды потребляют энергии на 22-30% больше, чем при нагреве мягкой воды. Исследования проводились при одинаковых исходных параметрах. Данные исследования показали, что необязательно нагревать воду до высокой температуры, чтобы вызвать образование накипи. Любое повышение температуры воды, превышающее стандартное значение, способно вызвать образование накипи (котельного камня). Минерал жесткости кальций, довольно необычен, он лучше растворяется в холодной воде, чем в горячей. Использование жесткой воды может вызвать серьезные проблемы на производстве. Твёрдый осадок из минеральных веществ может стать причиной серьёзных проблем в паровых котлах, системах воздушного кондиционирования, системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания.

Действие магнитного поля

Принцип работы устройств для магнитной обработки воды

Молекулу воды можно представить как элементарный диполь - частицу с положительно заряженным и отрицательно заряженным полюсами. Под действием сил взаимного притяжения и отталкивания молекулы воды - диполи образуют так называемые кластеры. Действие сил взаимного притяжения довольно мало, поэтому диполи могут свободно отрываться от кластеров, примыкать к другим кластерам и т.д. Точно также кластеры могут образовываться вокруг примесей присутствующих в воде. При этом, несмотря на то, что молекулы воды могут свободно покидать кластеры и примыкать к соседним кластерам, в целом эта структура вполне стабильна. Таким образом, растворенные в воде соли постоянно окружены молекулами воды. В нашем случае ионы кальция не могут вступить во взаимодействие с другими примесями, чтобы осесть на их поверхности либо образовать иную химическую структуру, которая не выпадала бы в виде накипи. При нагревании кластерная структура становится нестабильной, молекулы воды больше не обволакивают примеси и растворенные соли могут свободно вступать в реакцию с другими солями. Так некоторые соли кальция при нагревании образуют карбонат кальция CaCO3, который и высаживается на нагревательных поверхностях в виде накипи. При магнитной обработке в устройстве на молекулы воды и примеси действует магнитное поле. Диполи попадают в резонанс, и кластерная структура молекул воды разрушается. Примеси освобождаются от опеки водных кластеров и могут вступать во взаимодействие друг с другом. При этом уже в холодной воде ионы кальция начинают осаждаться на поверхности свободных примесей - центрах кристаллизации, образуя так называемые микрокристаллы. Процесс этот лавинообразный - новые ионы кальция прикрепляются к уже высадившемуся кальцию на поверхности микрокристаллов. Таким образом, ионы кальция, уже осевшие на центрах кристаллизации, не выпадают в виде накипи на нагревательных поверхностях. Микрокристаллы остаются в толще воды и выносятся в дренаж. Более того - ионы кальция из уже выпавшей накипи начинают отрываться и присоединяются ко вновь образованным микрокристаллам. Со временем старая накипь разрыхляется и полностью вымывается с поверхности труб и нагревательных элементов. Если же устройство магнитной обработки устанавливается на новое оборудование или на оборудование после очистки, то накипь не выпадает. Кроме того, с течением времени на поверхности труб образуется тонкая оксидная пленка, защищающая оборудование от коррозии. Вода, обработанная устройством магнитной обработки, сохраняет свои свойства в течение некоторого времени - от 10 часов до 8 суток, в зависимости от состава воды и условий эксплуатации. Как правило, этого времени более чем достаточно для получения успешных результатов.

Действие магнитного поля на воду

Когда диполи воды проходят через магнитное поле устройства, на них действует так называемая сила Лоренца. Воздействие Силы Лоренца описывается следующим выражением:

FЛоренца = ± Q (V x B) где: Q - Заряд ионов, V - Скорость потока,
B - Магнитная индукция

Как устройство магнитной обработки воды использует Силу Лоренца

Когда вода течет в устройстве, она проходит через магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами. При этом под действием силы Лоренца молекулы воды начинают совершать колебательные движения. Магниты расположены определенным образом - так, чтобы магнитное поле устройства вызвало резонанс диполей воды. Вызванный таким образом резонанс, приводит к отделению молекул воды от микровключений.

Свойства используемых магнитов

Действие магнитного поля

В устройствах магнитной обработки МПВ MWS (magnetic water systems) применяются очень мощные постоянные магниты на основе редкоземельных металлов. Вследствие этого на молекулы воды действует гораздо большая сила Лоренца по сравнению с устройствами на магнитах из феррита Бария, керамических магнитах или электромагнитах. На рисунке справа показан сравнительный объём постоянных магнитов из различных материалов, создающих одинаковое магнитное поле в некоторой точке пространства.


Общеизвестно, что процессы образования накипи и инкрустаций связаны с наличием в природной воде, в том числе и в пресной, больших количеств растворенных солей кальция и магния. Эти элементы, несомненно, важны для человека, для развития флоры и фауны, но доставляют массу проблем при проектировании и эксплуатации котельного и теплообменного оборудования. Нам всем хорошо знакомы накипь и осадки в нагревательных устройствах, в трубопроводах, в стиральных и посудомоечных машинах, известковые отложения на сантехническом оборудовании, кафеле, а также сухость волос и кожи при мытье водой с высоким содержанием кальция и магния.

О жесткости воды

Природные воды очень разнообразны по химическому составу. Главными примесями речных вод, содержащих 500-600 мг/л растворенных солей, являются ионы кальция, магния, натрия, бикарбонатов, сульфатов и хлоридов. Маломинерализованные речные воды содержат преимущественно ионы кальция и магния.

Солесодержание подземных вод зависит от условий залегания подземного горизонта и меняется от 100-200 мг/л до нескольких граммов на литр. В пресных водах артезианских скважин преобладают ионы Са 2+ и НСО 3 2- . Эти ионы присутствуют во всех минерализованных водах. Источник их появления - природные залежи известняков, гипса и доломитов. В маломинерализованных водах больше всего содержится ионов Са 2+ . Суммарная концентрация катионов кальция и магния, выраженная в мг-экв/л, определяет жесткость воды.

Общую жесткость воды определяют также как сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием солей гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется при кипячении воды. При нагревании воды гидрокарбонаты распадаются с образованием нестойкой угольной кислоты и нерастворимого осадка карбоната кальция и гидроксида магния. Некарбонатная жесткость связана с присутствием в воде кальция и магния в виде солей серной, соляной и азотной кислот. Эта жесткость при кипячении не устраняется [1].

Жесткая вода непригодна для систем оборотного водоснабжения, для питания паровых и водогрейных котлов, а также практически для всех видов теплообменного оборудования. Отложения солей жесткости приводят к значительному увеличению тепловой энергии на нагрев и к эквивалентному увеличению затрат на расход топлива. Также они отрицательно сказываются на теплообменных и гидравлических характеристиках, выводится из строя насосное, запорное и регулировочное оборудование, ускоряются коррозионные процессы.

На рис. 1 приведена зависимость потерь тепловой энергии в зависимости от толщины слоя отложений солей жесткости (по данным фирмы "Lifescience Products LTD", Великобритания). Слой в 3 мм поглощает 25% тепловой энергии, а если на стенках котла или бойлера наросло 13 мм, то теряется уже 70% тепла. Отложения толщиной 10 мм нарастает менее чем за один год. Многим известно об уровне затрат на ремонт, химические и механические чистки, на замену труб и водонагревательного оборудования.

Если взглянуть на проблему накипи с точки зрения перерасхода топлива при эксплуатации теплоэнергетического оборудования, то картина очень схожая (рис. 2).

Рис. 2. Перерасход топлива в зависимости от толщины слоя накипи на поверхности нагрева [2].

Из этого графика видно, что 5 мм накипи приводят к перерасходу топлива до 30%, а 10 мм - повышают его расход в два раза.

Специалисты НИИ высоких напряжений рассматривают еще один важный аспект вредного влияния накипи - повышение температуры стенки водогрейной (дымогарной или жаровой) трубы [2]. Для примера на рис. 3 приведена зависимость температуры стенки водогрейной экранной трубы, размещенной в топочном пространстве (температура 1100 °С), от толщины слоя накипи. Данные представлены для различных величин теплопроводности накипи.

Увеличение слоя накипи на поверхности нагрева котла со стороны воды существенно повышает температуру стенки водогрейных труб. В свою очередь, повышение температуры приводит к снижению, как предела прочности металла, так и предела его текучести. При этом образуются свищи, и происходит разрыв труб.

Рис. 3. Влияние толщины слоя накипи и ее теплопроводности на температуру стенки трубы [2].

  • жаротрубные (5-15 ати) - 0,35;
  • водотрубные (15-25 ати) - 0,15;
  • высокого давления (50-100 ати) - 0,035;
  • барабанные (100-185 ати) - 0,005.

Существует ряд способов умягчения воды (процесс удаления ионов Са 2+ и Mg2+). Наиболее распространен химический метод ионного обмена ионов кальция и магния, содержащихся в воде, на натрий или калий, которые не образуют осадков своих солей при нагревании. В умягчителях данного типа работает катионообменная смола, которую периодически нужно регенерировать раствором поваренной соли. Этот метод не лишен существенных недостатков. Использование поваренной соли для регенерации смолы создает проблемы для окружающей среды из-за необходимости утилизации промывных вод с высоким содержанием солей. Из питьевой воды выводятся соли кальция ниже требуемых для нашего организма норм, при этом вода обогащается натрием, далеко не полезным для питья. Ограничен ресурс работы ионообменных смол.

Воду умягчают также с помощью мембранных фильтров, которые фактически ее обессоливают. Этот метод менее распространен из-за высокой стоимости мембран и ограниченного ресурса их работы.

Существуют и другие методы умягчения: термические, реагентные, диализные и комбинированные. Выбор метода умягчения воды определяется ее химическим составом, требуемой степенью умягчения и технико-экономическими показателями.

Магнитная обработка воды

В последние десятилетия, как в России, так и за рубежом для борьбы с образованием накипи и инкрустаций применяют магнитную обработку воды. Ее широко используют в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах. В сравнении с распространенными методами умягчения воды магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплутационные расходы.

Первый патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан бельгийскому инженеру Т. Вермейрену в 1946 г. Еще в 1936 г. он обнаружил, что при нагреве воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на поверхности теплообмена накипь не образуется [4].

Механизм воздействия магнитного поля на воду и содержащиеся в ней примеси окончательно не выяснен, но имеется ряд гипотез. Специалистами МЭИ и МГСУ выполнен большой объем работ по изучению влияния магнитного поля на процессы образования накипи, разработаны аппараты для магнитной обработки воды, сформулированы технические требования и условия их использования для практических целей.

Современные воззрения объясняют механизм воздействия магнитного поля на воду и ее примеси поляризационными явлениями и деформацией ионов солей. Гидратация ионов при обработке уменьшается, ионы сближаются и образуют кристаллическую форму соли. В основу одной из теорий положено влияние магнитного поля на коллоидные примеси воды, по другой - изменяется структура воды. При наложении магнитного поля в массе воды формируются центры кристаллизации, вследствие чего выделение нерастворимых солей жесткости происходит не на теплопередающей поверхности (нагрева или охлаждения), а в объеме воды. Таким образом, вместо твердой накипи в воде появляется мигрирующий тонкодисперсный шлам, который легко удаляется с поверхности теплообменников и трубопроводов. В аппаратах магнитной обработки вода должна двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям.

В настоящее время в России выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды - с постоянными магнитами и электромагнитами. Время пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью в пределах 1-3 м/с.

  • подогрев воды должен осуществляться до температуры не выше 95 °С;
  • карбонатная жесткость должна быть не выше 9 мг-экв/л;
  • содержание растворенного кислорода должно быть не более 3 мг/л, а сумма хлоридов и сульфатов - не более 50 мг/л;
  • содержание двухвалентного железа в артезианской воде допускается не больше 0,3 мг/л.

Для определения противонакипного эффекта Э, % используется следующее выражение:

где - mн и mм - масса накипи, образовавшейся на поверхности нагрева при кипячении в одинаковых условиях одного и того же количества воды с одинаковым исходным химическим составом, соответственно необработанной и обработанной магнитным полем, г.

Электромагнитное воздействие
с переменной частотой

Передаваемые электромагнитные волны изменяют структуру солей жесткости с образованием хрупкой арагонитной формы карбоната кальция. При этом прочная смесь аморфных отложений солей жесткости не образуется, а сформировавшиеся ранее отложения разрушаются и уносятся с потоком воды.

Вода при обработке не меняет солевой состав, что сохраняет ее качества питьевой воды без потерь необходимых химических элементов.

Прибор отмечен Дипломами 1 степени ВВЦ и Министерства промышленности, науки и технологий РФ, Золотой медалью ВВЦ и Серебряной медалью Министерства промышленности.

Нестойкая угольная кислота электролитически диссоциирует. Она также склонна к образованию углекислого газа:

Шведскими специалистами опытным путем установлено:

1. Небольшое уменьшение величины рН воды за счет ее подкисления угольной кислотой. Однако это уменьшение настолько мало, что не увеличивает риск коррозии.

2. Изменение электропроводности воды из-за уменьшения величины рН.

3. Уменьшение поверхностного натяжения и капиллярности (требуется меньше моющих средств).

Опытная проверка

Испытания проводили по следующей экспресс-методике. Искусственно приготовленный раствор в объеме 2 л с общей жесткостью 21,9 мг-экв/л (примерно в 7,5 раз выше жесткости воды р. Москва и в 2,4 раза выше величины допустимой жесткости для систем с магнитной обработкой) и значением рН 7,5-7,8 пропускали в режиме непрерывной циркуляции. Последнюю осуществляли последовательно через стеклянную промежуточную емкость, стальную трубу и фторопластовую цилиндрическую ячейку.

Отложение солей жесткости происходило на алюминиевом диске, помещенном на дне фторопластовой ячейки.

Температуру циркулирующего раствора поддерживали на уровне 85+5 °С. Время циркуляции раствора в каждом опыте - 2,5 часа.

После окончания циркуляции диск вынимали из ячейки, промывали и высушивали на воздухе при 100 °С до постоянного веса. По разнице веса диска до и после эксперимента определяли количество осадка на нем солей жесткости. По выражению (1) находили противонакипной эффект. С каждым прибором проводили два параллельных опыта.

Результаты испытаний электронных преобразователей солей жесткости в водных растворах различных модификаций и контрольных опытов (без обработки воды) приведены в таблице 2.

Результаты испытаний приборов различных модификаций

Тип прибораКоличество отложений солей жесткости на диске, мгПротивонакипной эффект, %
1 опыт2 опытСреднее значение
Контроль (без обработки воды)850740 795-
Water King - 3550 57056030
Термит (1 образец)60061060524
Термит (2 образец)61054057528

Приведенные в таблице 2 данные показывают, что электромагнитное воздействие на воду с высокой жесткостью даже в течение короткого времени позволяет снизить количество отложений солей жесткости, образующихся на стенках, на 24-30%. При этом эффективность всех исследованных аппаратов в одних и тех же условиях (уровень жесткости, температура, диаметр и длина стальной трубы) примерно одинакова. Следует отметить, что в опытах вода из цикла не отводилась, поэтому угольная кислота, накапливающаяся в цикле, в соответствие с химической реакцией (1) приводила к стационарному состоянию системы карбонат (осадок на диске) - карбонат (нерастворенные частицы в объеме воды) - бикарбонат. При отводе воды из цикла (как в основном и бывает на практике) равновесие реакции (1) сдвигается вправо, т.е. противонакипной эффект должен увеличиваться.

  • жесткость общая - 2,9-3,1 мг-экв/л, в том числе карбонатная - 2 мг-экв/л;
  • свободная углекислота СО2 - 4,4 мг/л;
  • общая минерализация - 170-200 мг/л;
  • железо - 0,14-0,18 мг/л;
  • окисляемость - 7,2 мг О2/л;
  • соотношение содержания кальция и магния - 4/1 мг/мг;
  • величина рН - 7,25-7,3.

В соответствии со СНиП [6, 7] расчет индекса насыщения данной воды карбонатом кальция (стабильность воды) показывает величину J = 0,15. Это означает, что вода способна к отложению карбоната кальция. СНиП [7] допускает в данном случае использовать магнитный способ для противонакипной обработки воды.

При уменьшении температуры воды (примерно 98 °С; на грани кипения) относительная разница в привесе накипи понизилась до 3-5 раз. И, наконец, при температуре воды примерно 70 °С относительная разница в привесе незначительна.

Полученные результаты можно объяснить значительным влиянием на процесс накипеобразования содержания в воде углекислоты. При кипении воды парциальное давление углекислого газа в воде существенно уменьшается [8], равновесие реакции (1) сдвинуто влево. Бикарбонат натрия интенсивно распадается на ионы карбонатов, углекислый газ и воду:



Рис. 4. Водный осадок солей жесткости на стальной подложке (вода без обработки).

Рекомендации по установке и эксплуатации.

При подборе типа прибора электромагнитной обработки воды в диапазоне звуковых частот (по диаметру трубопровода) и оптимального режима его эксплуатации следует руководствоваться эмпирические зависимости (2) и (3).

Для прямоточных систем водоснабжения:

Q ≤ (0,005 ÷ 0,010) d² (2)

где Q - расход воды, м³/час, d - внутренний диаметр трубопровода, мм.

Для системы с циркуляционным контуром:

Qрасх. / Qцирк. ≤ 0,8 (3)

где Qрасх. - количество воды, отбираемой из системы на потребление, м³/час, Qцирк. - объемный расход воды, циркулирующий в системе, м3/час.

Также нужно учитывать, что электромагнитной обработке подвержена только карбонатная жесткость.

  • с повышением температуры воды вплоть до температуры кипения,
  • при более высоком содержании ионов Ca 2+ и Mg 2+ ,
  • с понижением содержания в воде углекислоты,
  • с повышением щелочности воды,
  • при уменьшении общей минерализации.
  • при увеличении степени турбулентности потока воды.

Прибор нужно устанавливать как можно ближе к защищаемому оборудованию. При наличии в системе центробежного насоса прибор электромагнитной обработки устанавливается после него.

Опыт практического использования

  • периодический осмотр теплообменных поверхностей (трубок) теплогенераторов показывает, что образующаяся накипь имеет пористую, легко удаляемую структуру, при этом теплопроводность практически не уменьшается;
  • до применения приборов накипь имела твердую, трудноудаляемую с поверхности структуру, что приводило к быстрому зарастанию трубок;
  • расходы природного газа на нагрев уменьшены на 10-15 %;
  • не было остановок работы теплогенераторов из-за образовавшейся накипи.
Холодильная установка мясоперерабатывающего комбината, г. Пенза.
  • железо общее - 0,35 мг/л,
  • жесткость общая - 7,7 мг-экв/л,
  • pН - 7,19,
  • солесодержание - 488,7 мг/л,
  • хлориды (Cl- ) - 205 мг/л,
  • окисляемость - 28,4 мг/л.

Вода непрерывно циркулирует через пластинчатые теплообменники МК-15.

При указанной жесткости исходной воды процесс эксплуатация теплообменников МК-15 существенно осложнен из-за очень быстрого зарастания межпластинчатого пространства солями жесткости. Требуется разбирать теплообменники и прочищать их с использованием химических реактивов.

По прошествии трех месяцев испытаний, после вскрытия теплообменников на поверхности пластин наблюдался незначительный, легко удаляемый осадок коричневатого цвета. Цвет осадка, по-видимому, связан с внедрением в его структуру окисленных ионов железа (Fe3+) и продуктов коррозии. Трудноудаляемых, плотных осадков накипи на поверхности пластин теплообменников не замечено. Это свидетельствует о том, что под воздействием электромагнитного излучения в диапазоне звуковых частот соли жесткости преобразуются в такое состояние, что они либо не высаживаются на теплообменной поверхности, либо высаживаются частично в виде осадка гранулярной структуры, который легко удаляется потоком воды.

Теплообменная аппаратура спиртового производства, г. Мценск.
Стеклоформующие машины, стекольный завод, г. Гусь-Хрустальный.
Электродиализная установка ДВС-800М для получения деионизованной воды, г. Подольск.

Содержание солей жесткости в исходной воде изменялось в пределах 5-10 мг-экв/л. В результате работы электродиализатора содержание солей в концентрате увеличивается и соответствует соотношению концентрат-фильтрат. Удельная электропроводность очищенной воды (фильтрата) составляла 3,3 мкСм/см.

Таким образом, можно сделать вывод, что работа прибора способствует более активному переходу примесей из исходной воды в концентрат.

  • водопроводные коммуникации, системы центрального отопления;
  • водонагревательное и отопительное оборудование - котлы, бойлеры, парогенераторы, радиаторы;
  • оборудование для очистки и подготовки воды, в том числе питьевой;
  • форсунки и распылительные устройства;
  • электролизеры, электродиализные установки;
  • системы кондиционирования воздуха;
  • системы охлаждения с циркуляционной водой;
  • санитарно-техническое оборудование: гидромассажные ванны, раковины, душевые;
  • бытовая техника - стиральные и посудомоечные машины; кухонное оборудование.

Литература

1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. М.: издательство МГУ, 1996. 680 с.

3. Лифщиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. М.: Энергия, 1976. 288 с.


Очищать воду современные технологии сегодня позволяют по-разному. Можно и химические средства использовать, можно использовать АкваЩит или работать и с помощью магнитного воздействия. Такое многообразие обуславливается разной покупательной способностью населения и разными потребностями в качестве воды для промышленного производства.

Жесткость, как стимул к применению

Нет ничего хуже известкового осадка. Из всех вредных примесей, жестковатость самая опасная. И опасна она именно тем, что действует медленно, но очень метко. От нее невозможно отравиться, как от вредной вирусной воды. Она не обладает цветом и вкусом, как железистая вода. В этом и состоит ее негатив. Проследить ее влияние можно, но это процесс длительный. Зато результат – накипь – видит каждый.

Она постоянно меняющаяся система, состоящая из многих компонентов. Для примера в таблице представлен упрощенный состав воды. И это многообразие нужно обработать, оставив при этом все полезное.

Полностью растворенными в воде являются только минеральные соли, но они же являются и полезными примесями. Но если их в воде слишком много, то образуется известковый осадок. Помочь устранить его может электромагнитная обработка воды, как одна из более эффективных.

Согласно ГОСТу, общая жесткость в воде не должна превышать показание 9. Жесткость ведь не только накипью плоха, она ухудшает состояние воды, не говоря уже о последствиях при работе с бытовыми приборами -

  • Увеличенный расход моющих средств;
  • Ухудшение состояния тканей;
  • Снижение питательности еды;
  • Стимулирование коррозии;
  • Падение КПД бытовых приборов

Моющие средства при контакте с жесткой водой образуют малорастворимый осадок, куда излишек мыла и уходит. На нормальную карбонатную жесткость с показателем 9, расход мыла составляет примерно 2,5 грамма. При мягкой воде такой расход составит 1,75 грамма примерно. При стирке в такой воде, которая теперь обладает не только жесткостью, но еще и малорастворимым осадком, ткани начинают впитывать эти примеси. От этого они становятся ломкими, износ работает быстрее.

Если же говорить о пользе продуктов, то белки из мяса, при варке в некачественной воде, становятся практически нерастворимыми и очень плохо усваиваются человеком. В результате нужно и на ремонт тратиться и на промывку, да и здоровье тоже страдает от такой воды.

Накипь же работает внутри приборов и оборудования, как отличный теплоизоляционный материал. Расход топлива при этом увеличивается в десятки раз, а качество нагрева очень сильно падает. Все это сказывается на нормальной работе приборов и оборудования, причем до такой степени, что оно может ломаться и без возможности восстановления. Чистить поверхности или промывать их постоянно химическими растворами можно, но, сколько будет все это стоить, и на сколько потребители готовы пойти на такие минусы, как вечно поцарапанные поверхности, в остатках накипного налета, ясно будет только по мере.

В связи с таким количеством вреда от накипи и самой жесткости, человечество вынуждено было искать способы обработать воду так, чтобы получить мягкую и не знать больше таких проблем. Кроме электромагнитной обработки воды большой популярностью сегодня пользуются ионообменные приборы, умягчение воды путем впрыскивания в воду умягчающих средств.

При умягчении главной задачей остается связывание или устранение катионов кальция и магния. При работе с химическими веществами эти катионы превращаются в нерастворимые соединения, которые проще вымыть или отфильтровать. Есть вариант замены одних катионов на другие. Так работают ионообменные установки. Для этого используют специальные картриджи с определенной фильтрующей смолой. В обмен на соли жесткости она может отдавать ионы натрия или водорода. Но возня с постоянными заменами картриджей, забившихся после обменов, требует и денег, и усилий. Все это и привело к экспериментам над безреагентным умягчением.

Как обработать воду электромагнитными волнами без химических реакций?

Еще в середине двадцатого века, когда не отгремел еще костер великой отечественной войны, ученые занимались изучением работы магнитного воздействия на жесткость. Так и была открыта особенность поведения солей жесткости при обработке воды электромагнитными волнами и магнитном облучении. Хотя до сих пор так и нет одинакового мнения о том, как работает магнитное поле. Достоверно известно одно, что под таким влиянием вода становится более мягкой, а главное воздействие способствует очищению стенок оборудования.

Электромагнитный умягчитель воды АкваЩит Ду60

Обычно загрязнение стенок является большой проблемой для оборудования. Осадок накапливается на резиновых прокладках в узких трубках, приходится сменные прокладки постоянно менять, а для очистки узких мест разбирать оборудование и останавливать производство. От простоев соответственно предприятие получает убытки.

По разным вариантам работы магнитного поля, в воде образуются либо центры кристаллизации, либо соли меняют форму и становятся острыми и неудобными для прилипания. При любом варианте облучения соли не могут прилипать к поверхностям, зато могут своими острыми концами качественно счищать старые залежи. Причем делают они это качественно, хоть и медленно, и при этом не нужно ничего раскручивать и очищать. Эта особенность и делает устройства электромагнитной обработки воды крайне выгодными для сфер, работающих с водой постоянно.

Кроме очистных особенностей, электромагнитные преобразователи воды АкваЩит приводит к резкому увеличению растворения неорганических солей, растворенный кислород в большей степени концентрируется в воде. Не доказано, но есть версия о том, что электромагнитная волна поможет решить и некоторые бактерицидные проблемы.

Магнитное воздействие не оказывает влияния на здоровье человека. Это экологически безопасный способ получить мягкую воду довольно быстро, без обслуживания и лишних затрат. При этом все солевые качества остаются в норме, вода не меняет критически свой состав. Но при всех этих достоинствах одного магнитного действия было недостаточно и появились первые варианты электромагнитной обработки воды.

Магнитная или электромагнитная обработка, что выбрать?

Тем не менее, магнитную обработку все еще используют, особенно в тех домах, где есть колонка, и нет горячей воды. Магнитный приборчик хоть и маленький, но обработать небольшую квартирку ему вполне под силам. Главное, чтобы скорость потока не превышала предельно допустимую, а вода не была горячей. У такого прибора перед электрическим братом есть всего один небольшой плюсик – это отсутствие расходов на электричество. По сути, магнитной обработкой сегодня мало кто пользуется, только в случае обработки исключительно холодной воды с определенной скоростью потока он все еще применяется.

Электромагнитная обработка воды намного выгоднее других безреагентных. Электромагнитные умягчители АкваЩит нужно приварить к котлу, магнитный прибор врезать в трубу. Электромагнит же достаточно накрутить на трубу. Это значительно облегчает жизнь. Прибор легко и снять, и одеть. Только концы обмотки нужно изолировать и обязательно смотреть, чтобы вода на проводку не попадала. Собственно это и все обслуживание. Не работает такой прибор только в двух случаях – отключение электроэнергии и вода в системе стоит. При использовании магистрального устройства подобного толка, защита от образования накипи гарантирована практически для всех бытовых приборов. Только вот питьевого качества такой прибор не даст. Именно поэтому, выбирать электромагнитную обработку имеет смысл только от накипи и извести в воде. Его задача больше относится к очищению поверхностей и защите их от новых отложений. Потому в квартиру лучше дополнительно еще купить питьевой фильтр под мойку.

Читайте также: