СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРВИЧНОЙ НАКИПИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ТРУБ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ, КОТЛОВ И ТЕПЛООБМЕННИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROTECTING FERROMAGNETIC TUBES OF WATER HEATERS, BOILERS AND HEAT EXCHANGERS AGAINST PRIMARY SCALE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам и устройствам защиты и очистки от первичной накипи ферромагнитных поверхностей теплообмена, контактирующих с водой, и его целесообразно использовать для защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена оболочек трубчатых водонагревателей, труб котлов и теплообменников различного назначения.
Под поверхностью нагрева согласно ГОСТ 23172-78 «Котлы стационарные. Термины и определения» подразумевается элемент стационарного котла для передачи теплоты к рабочей среде. В газотрубном котле продукты сгорания топлива проходят внутри стальных труб, а вода и пароводяная смесь - снаружи этих труб. В водотрубном котле продукты сгорания топлива проходят снаружи стальных труб, а вода, пароводяная смесь и пар движутся внутри этих труб. В этом случае поверхностью нагрева является поверхность стальных труб, находящаяся в контакте с водой. Согласно этим определениям внешняя поверхность оболочки трубчатого водонагревателя, контактирующая с водой, тоже является поверхностью нагрева. Для теплообменников, где осуществляется передача тепла, например, от горячей воды к холодной, термин «поверхность теплообмена» является наиболее приемлемым.
В теплоэнергетическом оборудовании накипь встречается в трех основных формах:
- первичной накипи, которая формируется за счет кристаллизации солей из воды на поверхностях теплообмена;
- мелкодисперсного подвижного шлама, формируемого в объеме воды за счет кристаллизации солей из воды на взвешенных частицах, продуктах коррозии водоводов, центрах парообразования и т.д.;
- вторичной накипи, образующейся за счет «прикипания» указанного шлама к поверхностям теплообмена за счет необоснованно завышенного их нагрева. Проблему защиты от вторичной накипи поверхностей теплообмена необходимо решать на этапе проектирования теплоэнергетического оборудования за счет обеспечения оптимального нагрева поверхностей теплообмена, т.к. бороться с вторичной накипью практически невозможно.
В настоящее время проблема защиты и очистки поверхностей теплообмена теплоэнергетического оборудования от первичной накипи решается либо химической водоподготовкой, при которой обеспечивается удаление из воды накипеобразователей, или физическими методами путем изменения кинетики кристаллизации солей из воды, или механическими воздействиями на поверхности теплообмена, такими как магнитострикционные или ультразвуковые колебания и т.п.
Необходимость разработки простых способов борьбы с первичной накипью обусловлена тем, что сегодня в России большинство котлов малой и средней мощности различного назначения практически не оснащено системами водоподготовки из-за относительно высокой их сложности и стоимости. Поэтому срок службы таких котлов не превышает 5-6 лет. Дальнейшее их применение нецелесообразно по экономическим причинам, т.к. КПД снижается до 40-50%. Для ТЭНов (имеющих малые поверхности теплообмена) такая задача практически вообще не ставилась или решалась в лучшем случае на уровне магниевых анодов (см. статью «Водонагреватели Atlantic» в журнале «Сантехника» № 6, 2002 г.).
Известны способы и устройства предварительной водоподготовки, основанные на воздействии на воду магнитным полем, вектор индукции которого перпендикулярен направлению движения воды (см. авторские свидетельства: SU 544616, SU 565883, SU 626044, SU 1066674; книги: П.С.Стукалов, Е.В.Васильев, Н.А.Глебов «Магнитная обработка воды». Судостроение, Ленинград, 1969 г.; В.И.Классен «Омагничивание водных систем». Химия, Москва, 1978 г.; В.И.Миненко «Электромагнитная обработка воды в теплоэнергетике». Вища школа, Харьков, 1981 г.; Е.Ф.Тебенихин, Б.Т.Гусев «Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике». Энергия, Москва, 1970 г.; «Современное состояние проблемы магнитной обработки воды в теплоэнергетике», АИНФ 146 (ОБ), Изд. ЦНИИ информации и технико-экономических исследований по атомной науке и технике, Москва, 1973 г.). Рассматриваемые способы и устройства предусматривают разнесенные во времени процессы обработки воды магнитным полем и ее нагрева. При этом антинакипные свойства обрабатываемой магнитным полем воды существенно зависят от многих факторов, включающих напряженность магнитного поля, температуру воды, продолжительность воздействия на воду магнитным полем, время между обработкой и нагревом и в конечном итоге химический состав питательной воды. Можно получить как положительный, так и отрицательный результат. В настоящее время нет общей теории магнитной обработки воды для теплоэнергетики и нет универсальных и эффективных устройств, пригодных для магнитной обработки воды с меняющимся химическим составом. Постоянные и переменные магнитные поля в рассматриваемых способах и устройствах применяются только для предварительной магнитной обработки воды, подаваемой затем для нагрева.
Основным недостатком данных способов и устройств защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена водонагревателей, котлов и теплообменников является нестабильность результатов при изменении химического состава питательной воды, что является основным тормозом для их широкого практического применения.
Известен способ очистки и защиты от первичной накипи ферромагнитных поверхностей теплообменных аппаратов за счет магнитострикционных колебаний, возникающих в ферромагнитных материалах при воздействии на них внешним намагничивающим периодически изменяющимся магнитным полем (SU 1542646). При периодическом изменении напряженности внешнего магнитного поля в ферромагнетике, находящемся в этом поле, возникает магнитострикционный эффект, т.е. изменение его линейных размеров, за счет чего первичная накипь, образованная на поверхности теплообмена, должна отслаиваться и больше не накапливаться. Импульсное магнитное поле в рассматриваемом способе используется только для создания эффекта магнитострикции в ферромагнитных материалах, включая и поверхности теплообмена. В качестве генератора внешнего намагничивающего импульсного магнитного поля применяют электромагнит однополярного импульсного тока, получающий питание от промышленной сети через последовательно соединенные согласующий трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и коммутатор. Коммутатор обеспечивает формирование на выходе однополярного импульсного напряжения, обычно с частотой 0,1-10 Гц, которое подается на обмотку указанного электромагнита.
Недостатками рассматриваемого способа и устройства его реализации являются ограниченные функциональные возможности и относительная сложность. Проявляется это в том, что техническая реализация рассматриваемого способа предусматривает установку электромагнитов одними их полюсами на ферромагнитный корпус теплообменного аппарата с внешней его стороны, а поверхности теплообмена ферромагнитных труб, находящихся в контакте с водой, имеют малый коэффициент магнитострикции и находятся на значительном удалении от источника магнитного поля. Это приводит к тому, что истинной магнитострикции, возникающей при достаточно мощных магнитных полях, в указанных материалах труб водонагревателей, котлов и теплообменников практически не достигается, т.к. они намагничиваются незначительно. Как видно, рассмотренный способ защиты предусматривает очистку и защиту от первичной накипи практически только внутренних поверхностей корпуса, а не поверхностей теплообмена. Например, в газотрубных котлах необходимо очищать и защищать поверхности теплообмена стальных труб, а не корпус котла, т.к. техническое состояние котлов, КПД, срок службы и надежность их функционирования определяются, в первую очередь, состоянием указанных труб. Применение рассматриваемых способа и устройства для защиты малых поверхностей теплообмена, например оболочек трубчатых электронагревателей (ТЭНов), неприемлемо по экономическим причинам, т.к. стоимость такого устройства будет во много раз превышать стоимость самого защищаемого ТЭНа.
По технической сущности наиболее близкими к заявляемым способу и устройству, его реализующему, являются способ защиты и очистки поверхности ферромагнитных материалов от отложений и устройство, описываемые в патенте РФ № 2167728. В указанном способе на ферромагнитные материалы труб воздействуют внешним низкочастотным (0,1-10 Гц) магнитным полем с созданием в ферромагнитных материалах магнитострикционных колебаний, а также производят предварительную обработку магнитным полем воды, подаваемой для нагрева. В качестве генератора внешнего импульсного магнитного поля применяют электромагниты, получающие питание от промышленной сети через согласующий трансформатор и преобразователь. Общий преобразователь для питания электромагнитов, обеспечивающих эффект магнитострикции, и электромагнитов магнитного активатора воды может быть выполнен на базе управляемого выпрямителя, обеспечивающего периодическое подключение его выхода с частотой 0,1-10 Гц к промышленной сети переменного тока (для электромагнитов постоянного тока). Для электромагнитов переменного тока преобразователь может быть выполнен на базе симистора, обеспечивающего периодическое подключение обмоток электромагнитов с частотой 0,1-10 Гц к промышленной сети переменного тока.
Недостатками указанного способа, как и предыдущего, являются ограниченные функциональные возможности и сложность его реализации. Проявляется это в том, что его применение предусматривает установку электромагнитов одним полюсом на корпус с внешней его стороны (см. Фиг.1 описания к патенту РФ 2167728) и очистку за счет эффекта магнитострикции от первичной накипи, в первую очередь, внутренних поверхностей корпуса, а не поверхностей теплообмена стальных труб, например газотрубного котла. Но техническое состояние котлов, их КПД, долговечность и надежность их функционирования определяются, в первую очередь, состоянием поверхностей теплообмена указанных труб. Учитывая, что материал этих труб имеет малый коэффициент магнитострикции и трубы недостаточно намагничиваются из-за удаленности их от электромагнитов, то и магнитострикционные колебания будут незначительными. В другом месте описания к указанному патенту (стр.2, последний абзац) указано, что электромагниты устанавливаются на поверхностях нагрева через теплоизоляционную арматуру. Практически это очень трудно представить, так как с одной стороны труб находятся раскаленные газы, а с другой - вода. Дополнительная обработка воды магнитным полем, как указывалось выше, также не решает проблемы защиты поверхностей теплообмена от первичной накипи. Рассматриваемый способ, совмещающий два предыдущих, отличается от них только параметрами напряженности магнитного поля (законом изменения напряженности магнитного поля во времени). Поскольку обработку воды магнитным полем перед ее нагревом осуществляют для обеспечения кристаллизации солей из воды в виде подвижного мелкодисперсного шлама, то конечный результат всегда зависит от величины напряженности магнитного поля, времени нахождения воды в магнитном поле и температуры обрабатываемой воды. Если необходимую напряженность магнитного поля можно получить относительно просто, то увеличение времени обработки или температуры воды при обработке сопряжено со значительными, практически неразрешимыми трудностями.
Недостатком устройства, реализующего данный способ, кроме уже перечисленных является проблема закрепления электромагнита на трубах котла, если с одной стороны указанных труб находятся раскаленные газы, а с другой - вода.
Целью предлагаемого изобретения является создание простого и эффективного способа защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена теплоэнергетических устройств (водонагревателей, котлов, теплообменников и т.д.), реализуемого простыми электротехническими устройствами.
Поставленная цель достигается тем, что в способе защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена ферромагнитных труб водонагревателей, котлов и теплообменников, заключающемся в воздействии магнитными полями внешних генераторов на нагреваемую воду и указанные трубы, воздействие на нагреваемую воду осуществляют собственными магнитными полями указанных ферромагнитных труб непосредственно в зоне ее нагрева и одновременно с нагревом. Для этого защищаемые трубы включают в замкнутую магнитную цепь с указанными генераторами магнитных полей. При этом магнитные поля, воздействующие на трубы и воду, могут иметь постоянную, или однополярную пульсирующую, или переменную напряженность. В рассматриваемом случае параметры собственного магнитного поля труб превышают параметры внешнего намагничивающего поля пропорционально магнитной восприимчивости материала труб. Магнитная восприимчивость характеризует способность материала намагничиваться в магнитном поле. Для ферромагнитных труб эта безразмерная величина может достигать порядка 10000.
Для создания замкнутой магнитной цепи устройство для осуществления данного способа содержит генераторы внешнего магнитного поля в виде постоянных магнитов или электромагнитов, питающихся постоянным, однополярным пульсирующим или переменным напряжением, установленные на концах труб водонагревателей и коллекторов или трубных досок котлов и теплообменников.
В отличие от прототипа устройство дополнительно содержит ферромагнитные удлинители, соединяющие указанные генераторы магнитных полей и защищаемые трубы и/или элементы установки труб (трубные доски, коллекторы) таким образом, что они образуют вместе с вышеуказанными элементами замкнутую магнитную цепь.
При этом, в случае использования электромагнитов, питающее напряжение может быть постоянным, однополярным пульсирующим или переменным напряжением.
Генераторы внешних магнитных полей, установленные на поверхностях защищаемых труб в местах их контакта с водой, защищены втулками или прокладками, выполненными из защитных неферромагнитных материалов.
Протекание магнитного потока по защищаемым трубам, являющимся составной частью замкнутой магнитной цепи, вдоль их оси обеспечивает достижение максимально возможного по величине вектора намагниченности труб собственного магнитного поля труб с максимальной величиной вектора индукции и, в случае пульсирующего или переменного магнитного поля, достижение значимого эффекта продольной магнитострикции.
Устройство, реализующее предлагаемый способ защиты и очистки поверхностей теплообмена от первичной накипи, можно достаточно просто адаптировать для любого теплоэнергетического оборудования.
Техническим результатом изобретения является увеличение в сотни раз времени обработки воды собственным магнитным полем ферромагнитных труб водонагревателей, котлов и теплообменников при относительно высокой температуре и сокращение до нулевого значения интервала времени между обработкой воды и ее нагревом. При этом обработка воды магнитными полями в каждый данный момент времени осуществляется не в полном ее объеме, а только в ее части, попадающей в зону нагрева. Параметры собственных магнитных полей ферромагнитных материалов труб водонагревателей, котлов и теплообменников, обусловленных существованием у атомов магнитных моментов, могут в тысячи раз превышать параметры внешних намагничивающих магнитных полей, создаваемых генераторами. В конечном итоге это приводит к стабильным результатам защиты от накипи указанных труб.
При этом внешнее магнитное поле может иметь постоянную, или однополярную пульсирующую, или переменную напряженность. Собственные магнитные поля ферромагнитных труб водонагревателей котлов и теплообменников формируются за счет включения их в замкнутую магнитную систему с постоянными магнитами или электромагнитами, питающимися постоянным, однополярным пульсирующим (выпрямленным) или переменным напряжением. Эти формы напряжений целесообразно применять из-за простоты их получения от промышленной сети переменного тока, хотя можно применять источники питания и с другими формами выходных напряжений.
Возможность применения широкого спектра внешних намагничивающих магнитных полей, получаемых относительно простыми техническими средствами, позволит успешно применять указанный способ для защиты и очистки от первичной накипи малых и больших по площади поверхностей теплообмена. В отличие от прототипа основным фактором, влияющим на защиту и очистку поверхностей теплообмена от первичной накипи, в данном изобретении является воздействие на воду в зоне нагрева собственными магнитными полями защищаемых ферромагнитных труб водонагревателей, котлов и теплообменников. При технической реализации использование в формировании внешних намагничивающих магнитных полей однополярного пульсирующего или переменного тока позволяет дополнительно обеспечить достаточно сильный эффект магнитострикции указанных труб, что приводит к дополнительному защитному эффекту от первичной накипи.
Для осуществления рассматриваемого способа разработаны простые и компактные устройства, которые могут успешно применяться для защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена труб водонагревателей, котлов и теплообменников различного назначения.
Далее изобретения поясняются чертежами, на которых представлено:
На Фиг.1 - формы напряженностей внешних магнитных полей, используемых для намагничивания ферромагнитных оболочек трубчатых водонагревателей труб котлов и теплообменников, поверхности теплообмена которых находятся в контакте с водой; на Фиг.2 и Фиг.3 приведены примеры реализации трубчатого водонагревателя с защитой его поверхности от первичной накипи с применением постоянных магнитов; на Фиг.4 показан фрагмент газотрубного котла, в котором устройство защиты от накипи выполнено на основе постоянного магнита; на Фиг.5 показан фрагмент газотрубного котла, в котором устройство защиты от накипи выполнено на основе электромагнита; на Фиг.6 и Фиг.7 приведены примеры реализации устройств защиты от накипи поверхностей водотрубного котла; на Фиг.8 приведен пример реализации устройства защиты поверхностей теплообменника от первичной накипи.
Как показано на Фиг.1, для реализации указанного способа защиты и очистки от первичной накипи могут использоваться различные формы напряженностей намагничивающих магнитных полей, создаваемых постоянными магнитами или электромагнитами постоянного, однополярного пульсирующего (выпрямленного) или переменного тока.
3
2
3
4
Возможный механизм защиты от первичной накипи поверхностей теплообмена может протекать следующим образом. Поскольку граница раздела двух сред (поверхность теплообмена - вода) находится в собственных магнитных полях, создаваемых ферромагнитными оболочками трубчатых водонагревателей, ферромагнитными трубами котлов и теплообменников, то выделение накипеобразователей происходит не на поверхностях теплообмена в виде первичной накипи, а в объеме воды в виде подвижного мелкодисперсного шлама. Кроме того, одним из продуктов коррозии ферромагнитных подводящих труб является гидроокись железа Fe(ОН)*nHO, которая в результате дегидратации при повышенной температуре может переходить в подкласс сложных оксидов железа FeO (магнетит). В отсутствие магнитного поля слой гидроокиси железа с поверхности теплообмена постоянно смывается водой. Если же поверхность теплообмена находится в магнитном поле, то гидроокись железа образует на ней изолирующий слой, препятствующий проникновению кислорода в более глубокие слои без снижения ее теплопроводности. В этих условиях на поверхности теплообмена образуется слой магнетита, который защищает ее от коррозии.
Один из примеров устройства, реализующего данный способ защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена ферромагнитных труб, показан на примере, фрагмент которого приведен на Фиг.2. Трубчатый водонагреватель состоит из изогнутой ферромагнитной трубы 4, находящейся в контакте с водой 5 и закрепленной при помощи элементов крепления (штуцеров 6 и гаек 7) на корпусе 8 водонагревателя. На концах трубы 4 закреплены постоянные магниты 9, которые являются генераторами внешних намагничивающих полей для указанных труб 4. Для образования замкнутой магнитной системы введен ферромагнитный удлинитель 10, соединяющий разные полюсы магнитов 9, обеспечивая протекание магнитного потока по замкнутому контуру. В этой схеме можно включить и один постоянный магнит 9, установленный на одном конце ферромагнитной трубы 4, соединив его ферромагнитным удлинителем 10 с другим концом трубы. Следует отметить, что если корпус 8 водонагревателя выполнен из ферромагнитного материала, то элементы крепления 6 и 7 необходимо выполнять из неферромагнитного материала для ограничения шунтирующего влияния корпуса 8 на величину магнитного потока и вектор намагниченности трубы 4. Если корпус 8 выполнен из неферромагнитного материала (например, из нержавеющей стали), то элементы крепления 6 и 7 могут быть выполнены из ферромагнитного материала. Применение постоянных магнитов во всех вариантах наиболее перспективно для защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена небольших размеров или автономных объектов, работающих без применения электроэнергии.
На Фиг.3 показан пример трубчатого водонагревателя, в котором для защиты и очистки от первичной накипи поверхности теплообмена ферромагнитной трубы 4, контактирующей с водой 5, на концах трубы 4 закреплены ферромагнитные удлинители 10, свободные концы которых соединены с полюсами постоянного магнита 9, являющегося генератором внешнего намагничивающего магнитного поля. Элементы крепления 6 и 7 в этом варианте выполнены по аналогии с предыдущим примером.
На Фиг.4 представлен пример устройства для использования в газотрубном котле. Для защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена ферромагнитных труб 4, контактирующих с водой 5, между трубными досками 11 закреплен постоянный магнит 9, являющийся генератором внешнего намагничивающего магнитного поля для указанных труб 4, трубных досок 11 и корпуса 8. Постоянный магнит 9 соединен с трубными досками 11 при помощи ферромагнитных удлинителей 10 и изолирован от воды 5 втулкой 12 из неферромагнитного материала. Рассмотренное устройство выполнено с расположением постоянного магнита 9 вместе с ферромагнитными удлинителями 10 с внутренней стороны корпуса 8 котла. При необходимости внутри котла можно установить несколько постоянных магнитов 9 или электромагнитов посредством соответствующих ферромагнитных удлинителей 10. В данном примере защищаемые трубы включаются в замкнутый магнитный контур, образованный магнитами 9, ферромагнитными удлинителями 10, ферромагнитными трубными досками 11 и самими трубами 4.
На Фиг.5 показан пример использования электромагнита для создания внешнего намагничивающего магнитного поля также на примере газотрубного котла. Ферромагнитные трубы 4 закреплены в трубных досках 11, с которыми через ферромагнитные удлинители 10 соединен сердечник 13 электромагнита, обмотка 14 которого подключена к выводам 15 и 16 источника питания 17. Источник питания может формировать на выходе постоянное, однополярное пульсирующее (выпрямленное) или переменное напряжение. Электромагнит в данном примере является генератором внешнего намагничивающего поля для труб 4, трубных досок 11 и корпуса 8. Устройство выполнено с расположением электромагнита (13, 14) и ферромагнитных удлинителей 10 с внешней стороны корпуса 8 котла.
На Фиг.6 и Фиг.7 показан пример выполнения устройства для водотрубного котла, в котором нагрев воды осуществляется продуктами сгорания топлива 18. В этом примере для защиты и очистки от первичной накипи стальных труб 4, объединенных ферромагнитными коллекторами 19 и заполненных водой 5, используется генератор внешнего намагничивающего поля, выполненный на основе электромагнита. Обмотка 14 электромагнита подключена к выводам 15, 16 источника питания 17, а полюсы его сердечника 13 соединены через ферромагнитные удлинители 10 с коллекторами 19 котла. Рассмотренное устройство выполнено с расположением электромагнита (13, 14) и ферромагнитных удлинителей 10 за пределами корпуса 8 котла.
На Фиг.8 представлен пример выполнения устройства для теплообменника. В этом устройстве для защиты и очистки ферромагнитных труб 4, объединенных трубными досками 11 и контактирующих с водой 5 (с одной стороны может быть и другая жидкость), используется генератор внешнего магнитного поля на основе электромагнита. Обмотка 14 электромагнита подключена к выводам 15 и 16 источника питания 17, а полюсы его сердечника 13 соединены через ферромагнитные удлинители 10 с ферромагнитными трубными досками 11 теплообменника. Устройство выполнено с расположением электромагнита (13, 14) и ферромагнитных удлинителей 10 за пределами корпуса 8 теплообменника.
Работу устройства, реализующего способ защиты и очистки от первичной накипи поверхностей теплообмена, можно показать на примере Фиг.2. Поскольку постоянные магниты 9, имеющие постоянную во времени напряженность магнитного поля 1 (Фиг.1), закреплены в непосредственном контакте с ферромагнитной трубой 4, поверхность которой находится в контакте с нагреваемой водой 5, то указанная труба 4 намагничивается за счет протекания магнитного потока по замкнутой магнитной цепи (9-10-4-9) и создает собственное магнитное поле, воздействующее на воду 5 в области нагрева. В этом варианте устройства можно использовать один постоянный магнит 9, закрепленный на одном из концов трубы 4. Для магнитной обработки воды по сравнению с прототипом созданы практически идеальные условия: наличие магнитного поля с достаточной напряженностью; предельная температура воды; увеличенное в сотни раз время воздействия на воду магнитного поля; сниженный практически до нуля промежуток времени между обработкой воды магнитным полем и ее нагревом. Эти условия обеспечивают кристаллизацию солей из воды в нагреваемом объеме в виде подвижного мелкодисперсного шлама. Создание таких условий приводит дополнительно к постепенному растворению старой первичной накипи. Если постоянные магниты 9 заменить на электромагниты и подключить обмотки электромагнитов к источнику питания с однополярным пульсирующим или переменным выходным напряжением, тогда дополнительно к намагничиванию воды 5, находящейся в зоне нагрева, добавляется достаточно сильный эффект продольной магнитострикции ферромагнитных труб 4, приводящий к дополнительному эффекту защиты от первичной накипи.
Следует отметить, что для снижения рабочей температуры постоянных магнитов или электромагнитов их соединяют с трубами через ферромагнитные удлинители 10 (см. Фиг.3).
Аналогичным образом работает защита от первичной накипи для ферромагнитных труб 4 водонагревателей на Фиг.3. Варианты устройств защиты на основе постоянных магнитов целесообразно применять при относительно небольших поверхностях теплообмена и незначительных длинах труб (до 1,0 м), т.к. при увеличении указанных параметров потребуются постоянные магниты больших размеров (стоимость их достигает 3-4 тыс. рублей за килограмм). Основная идея реализации рассматриваемых устройств состоит в том, что создается замкнутая магнитная цепь, одним из элементов которой являются защищаемые ферромагнитные трубы 4, поверхности теплообмена которых находятся в контакте с водой 5. Эта замкнутая магнитная цепь имеет генератор внешнего магнитного поля, который обеспечивает протекание соответствующих магнитных потоков по всей длине указанных ферромагнитных труб и намагничивание их в пределе до насыщения. В таких системах генератор магнитного поля можно относительно просто расположить за пределами корпуса устройства, в котором находится нагреваемая вода, и переходить полностью на электромагниты по экономическим причинам.
На Фиг.4 представлен пример выполнения такой системы для газотрубного котла на основе постоянного магнита 9. Поскольку постоянный магнит 9, расположенный внутри корпуса 8 котла, через ферромагнитные удлинители 10 связан с трубными досками 11, то в этом случае образуется замкнутая магнитная цепь, и магнитный поток протекает последовательно по ферромагнитным удлинителям 10, по трубным доскам 11, по параллельно соединенным трубам 4 и корпусу 8. Протекающие по трубам 4, трубным доскам 11 и корпусу 9 магнитные потоки обеспечивают намагничивание указанных элементов, что приводит к созданию собственных их магнитных полей, обеспечивающих в конечном итоге кристаллизацию солей из воды в виде подвижного мелкодисперсного шлама в объеме воды, а не на поверхностях теплообмена. Создание таких условий приводит дополнительно к постепенному растворению старой накипи. Если заменить постоянный магнит 9 на электромагнит, обмотка которого подключена к источнику питания с однополярным пульсирующим или переменным напряжением, дополнительно к намагничиванию воды 5, находящейся в зонах нагрева, добавляется достаточно сильный эффект продольной магнитострикции труб 4, что приводит к дополнительному защитному эффекту от накипи.
На Фиг.5 представлен еще один пример выполнения устройства для газотрубного котла, где в качестве генератора внешнего намагничивающего поля используется электромагнит, сердечник 13 которого через ферромагнитные удлинители 10 соединен с трубными досками 11 котла. Здесь так же, как и в предыдущем варианте, магнитный поток протекает по замкнутому контуру, включающему сердечник 13 электромагнита, ферромагнитные удлинители 10, трубные доски 11, параллельно соединенные трубы 4 и корпус 8. Указанные трубы 4 намагничиваются и формируют собственные магнитные поля, которые обеспечивают в конечном итоге защиту и очистку их поверхностей теплообмена от первичной накипи.
Работа устройств, представленных на Фиг.6-8, и механизмы защиты поверхностей теплообмена от накипи не отличаются от предыдущих вариантов.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство защиты и очистки от первичной накипи ферромагнитных поверхностей теплообмена водонагревателей, котлов и теплообменников выгодно отличаются от известных тем, что достигается достаточно сильное намагничивание воды в зоне нагрева и во время ее нагрева за счет собственных магнитных полей труб, увеличено в сотни раз время обработки воды магнитными полями при максимальной температуре и до предела уменьшено время между обработкой воды магнитным полем и ее нагревом, чем обеспечивается максимальный эффект по защите и очистке поверхностей теплообмена от первичной накипи рассматриваемого теплотехнического оборудования. Формирование внешних намагничивающих магнитных полей с однополярной пульсирующей или переменной напряженностью дополнительно создает эффект магнитострикционных колебаний в поверхностях теплообмена, еще более увеличивающий эффект данного изобретения. Проведенные испытания показали, что за 10 суток работы в условиях водопроводной воды с жесткостью 3 г-экв., с сухим остатком 620 мг/л, на ТЭНах без защиты образовалась накипь толщиной 1.2 мм, а на ТЭНах, в конструкции которых были использованы постоянные магниты с образованием магнитного контура, в который была включена трубка оболочки ТЭНа, накипи на поверхности оболочки ТЭНа не образовалось вообще, что хорошо видно на фотографиях, приложенных к протоколу испытаний.