СПОСОБ ОЧИСТКИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОТ ОТЛОЖЕНИЙ И НАКИПИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HEAT-POWER EQUIPMENT CLEANING FROM DEPOSITS AND SCALE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к теплоэнергетике и может быть использована для химической очистки систем энергетических установок и технологического оборудования, в частности систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания, теплообменных аппаратов, литейной оснастки, и предназначено для повышения их надежности.
Известно, что в процессе длительной эксплуатации жидкостных систем охлаждения судовых энергетических установок, двигателей внутреннего сгорания, теплообменных аппаратов, литейной оснастки (пресс-форм, кокилей, изложниц) в трубопроводах и каналах происходит образование накипи и отложений (см. Иванов Б.Н., Пономаренко В.М. Эксплуатация судовых дизельных установок. М.: Транспорт, 1982. С. 156 - 162).
Накипь и отложения имеют коэффициенты теплопроводности в десятки раз меньше, чем теплопроводность металлов. В результате этого значительно снижается интенсивность теплообмена, нарушается тепловой баланс и повышается температура рабочих поверхностей (Сурин С.М. Подготовка и контроль качества воды для судовых энергетических установок. М. : Транспорт, 1978. - 152 с).
В двигателях внутреннего сгорания перегрев приводит к повышению расхода топлива, снижению мощности, ухудшению условий смазывания и может явиться причиной выхода двигателя из строя (Моисеев А.Ф. Предупреждение образования накипи в автомобильных двигателях. М. : Транспорт, 1971. - 128 с).
Нарушение расчетного (оптимального) температурного режима металлической литейной формы, например для отливки блока или головки цилиндров двигателя, в результате образования отложений может явиться причиной возникновения литейных дефектов типа рыхлота, раковины, усадочная пористость из-за более медленного охлаждения отливок.
Перечисленные недостатки могут быть устранены путем обеспечения требуемого (установленного) теплового режима. Для достижения этой цели предлагаются способ и устройство для очистки от накипи и отложений систем жидкостного охлаждения судовых энергетических установок, двигателей внутреннего сгорания, литейной оснастки и другого теплообменного оборудования.
Анализ отобранной в процессе поиска информации позволил выявить способ РД 31.28.53-79 «Химические методы очистки судового оборудования», являющийся наиболее близким аналогом заявляемого решения по технической сущности и выбранный в качестве его прототипа.
Недостатками этого способа являются:
- низкая эффективность очистки;
- коррозия оборудования при применении кислотных моющих растворов.
Известно устройство для защиты и очистки систем охлаждения судовых дизелей (Circulation pump and tank system. Product information. Chemical products and technical services to shpping and industry. VECOM, Holland, 1990).
Оно обладает следующими недостатками:
- предназначено только для очистки внутреннего и наружного контуров охлаждения дизелей, что достигается за счет увеличения скорости циркуляции моющего раствора, причем во время эксплуатации судна, а не его ремонта;
- не обеспечивает пассивации поверхностей трубопроводов, цистерн и т.п., не входящих в состав системы охлаждения, что вызывает интенсивную коррозию этих поверхностей.
Техническим результатом от использования заявляемых технических решений является повышение качества очистки замкнутых теплоэнергетических систем от отложений и накипи.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков:
В способе очистки теплоэнергетического оборудования от отложения и накипи, заключающемся, как и прототип, в прокачивании моющего раствора через трубопроводы и внутренние полости, в отличие от прототипа перед очисткой опустошают систему от рабочих жидкостей, готовят два моющих раствора - щелочной, содержащий поверхностно-активные (ПАВ) вещества, и кислотный, нагревают растворы до 320…360К и прокачивают поочередно, начиная со щелочного раствора, через  трубопроводы и внутренние полости оборудования, при этом прокачивание щелочного и кислотного растворов чередуют с прокачиванием нейтральной жидкости, например воды;
при этом после 0,5…3 часов покачивания ПАВ-содержащего раствора систему опорожняют, промывают водой до значения рН раствора 6-8, после чего в течение 0,5…3 часов прокачивают кислотный моющий раствор;
при этом в процессе покачивания моющий раствор очищают (фильтруют), а затем подогревают до исходной температуры;
при этом прокачивание моющего раствора осуществляют в режиме пульсации скорости течения и давления жидкости;
при этом пульсации скорости и давления жидкости создают за счет ее автоколебаний;
при этом автоколебания жидкости имеют кавитационную природу;
Первоочередное прокачивание щелочного ПАВ-содержащего раствора создает на поверхностях металлов защитную пленку перед кислотной очисткой, что предотвращает интенсивную коррозию очищенных участков.
Предлагаемое устройство очистки теплоэнергетического оборудования от отложения и накипи, включающее трубопроводы, краны или клапаны, емкости, насосы, в отличие от прототипа дополнительно снабжено двумя емкостями для моющих растворов и емкостью с нейтральной жидкостью, а также генератором пульсации давления и скорости;
при этом в качестве генератора пульсации давления моющего раствора используют устройство, позволяющее получить автоколебания (пружинный клапан, генератор кавитации, трубку Вентури);
при этом источником пульсации генератора кавитации является циркуляционный высокооборотный шнекоцентробежный насос;
при этом на входе в емкости для моющих растворов установлены очистные устройства, состоящие, например, из сетчатого фильтра и гидравлического циклона;
при этом емкости (цистерны) для моющих растворов снабжены подогревателями, например, змеевикового типа;
при этом устройство снабжено приборами оценки степени загрязненности системы и качества ее промывки;
при этом в качестве прибора оценки степени загрязненности используется дифференциальный манометр;
при этом в качестве прибора оценки качества промывки используется фотоэлемент;
при этом циркуляционный насос, очистное устройство, генератор колебаний и емкости выполнены в виде отдельного, например, переносного модуля;
при этом емкости для моющих растворов снабжены подогревателями, например, змеевикового типа;
при этом устройство дополнительно снабжено системой автоматического управления промывкой.
Устройство для промывки систем выполняется отдельным передвижным или стационарным модулем (в зависимости от условий применения).
Заявляемые способ и устройство позволяют получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в более качественной очистке замкнутых систем от отложений и накипи.
Сопоставление предлагаемых способа и устройства и их прототипов показало, что поставленная задача решается в результате новых совокупностей признаков, что доказывает соответствие предлагаемых изобретений критерию «новизна».
Вместе с тем проведенный информационный поиск в области очистки и промывки замкнутых систем охлаждения энергетических установок и литейных форм не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки изобретений, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемых способа и устройства критерию «изобретательский уровень».
Способ очистки иллюстрируется следующим примером.
После 4-6 месяцев эксплуатации судовой энергетической установки или 5-10 тыс. заливок в охлаждаемую металлическую форму (в зависимости от качества и химического состава применяемой охлаждающей воды) замкнутый контур охлаждения отключается от централизованной (цеховой) системы водоснабжения и подключается к промывочному модулю. Включается система подогрева моющих растворов. Подогрев может осуществляться с помощью водяных или паровых змеевиковых подогревателей или электрических нагревателей.
После достижения температуры моющей жидкости 320 К включается циркуляционный насос и начинается прокачка щелочного ПАВ-содержащего моющего раствора через систему водоохлаждения.
В качестве моющего раствора используют, например, раствор Анкраса ТУ 3840820-78 (Б.Г. Бедрик, П.В. Чулков, С.И. Калашников. Растворители и составы для очистки машин и механизмов. М.: Химия. - 1989) или присадки по авт.св. №1317915, 1987; №1609120, 1990) при концентрации 0,1…5%.
Благодаря малому поверхностному натяжению моющий раствор проникает в мельчайшие зазоры и трещины между частицами загрязнений и, адсорбируясь на этих частицах, создает расклинивающее давление, которое измельчает и отрывает их. Тем же явлением адсорбции обусловлена стабилизирующая и пенообразующая способность, удерживающая частицы загрязнений во взвешенном состоянии и способствующая их выносу с очищаемой поверхности.
Высокое качество очистки поверхностей обеспечивается сочетанием эффекта Ребиндера, заключающегося в снижении механической прочности отложений под действием молекул ПАВ (1. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм В.Д. Эффект Ребиндера. М. 1966. 2. Тельнов А.Ф., Козлов Ю.С. и др. Моющие средства, их использование в машиностроении и регенерация. М. : Машиностроение, 1993. - 208 с.) и химической очистки кислотными растворами.
Моющий раствор содержит ингибиторы коррозии, обеспечивающие создание на поверхности металла защитной пленки и предотвращающие коррозию очищенных участков при покачивании кислотного раствора.
Затем жидкость проходит через очистительное устройство и вновь поступает в цистерну, где нагревается до исходной температуры.
После тридцатиминутного прокачивания щелочного моющего раствора циркуляционный насос выключается, замкнутая система охлаждения опустошается самотеком, после чего по ней начинает прокачиваться кислотный моющий раствор, оказывающий на отложения, разрыхленные и частично разрушенные, химическое воздействие. После контура охлаждения раствор также проходит через очистительное устройство и поступает в цистерну, где подогревается.
Прокачивание кислотного раствора производится также от 0,5 до 3 часов в зависимости от степени загрязненности полостей и характера отложений. Затем цикл очистки системы может быть повторен.
Прокачивание моющих растворов осуществляется с пульсациями давления, которые достигаются применением редукционного клапана, открывающегося при достижении давлением жидкости определенного значения.
Пульсация давления может иметь также кавитационную природу.
В этом случае источником автомодельных колебаний является генератор кавитации или устройство типа трубки Вентури.
Увеличение скорости жидкости в узком сечении трубки Вентури вызывает падение местного статического давления. Постепенное увеличение расхода жидкости приводит к понижению давления до критического, равного или близкого к давлению насыщенных паров жидкости и возникновению кавитации. Подвод энергии к колебательной системе при этом обусловлен изменением потерь полного давления на внезапное расширение потока за кавитационной каверной. Если подвод энергии превышает рассеивание ее на гидравлических сопротивлениях, то в системе будут наблюдаться колебания с увеличивающейся амплитудой. Нелинейные зависимости потерь полного давления на внезапное расширение потока от размеров кавитационной полости и расхода на выходе из трубки Вентури, а также нелинейная зависимость гидравлического сопротивления системы за трубкой Вентури от расхода на выходе из трубки приводят к ограничению амплитуды и установлению автоколебаний в системе за кавитирующей трубкой Вентури.
Механизм кавитационных автоколебаний в системе с трубкой Вентури применим и для других кавитирующих элементов с сужающерасширяющимися каналами местных гидравлических сопротивлений.
Кавитационные автоколебания могут быть возбуждены в гидравлической системе без применения дополнительных устройств непосредственно высокооборотным шнекоцентробежным насосом. Скрытая кавитация, несмотря на существование в проточной части кавитационных каверн, не оказывает заметного влияния на статические выходные параметры насоса (напор, мощность, КПД), но приводит к изменению динамических характеристик системы и при определенных условиях вызывает самовозбуждение колебаний давления и расхода в системе (В.В. Пилипенко. Кавитационные автоколебания. - Киев: Наукова думка. - 1989).
Между прокачиванием щелочного и кислотного моющих растворов производится промывка системы нейтральной жидкостью, например водой, что позволяет избежать реакции нейтрализации между кислотным и щелочным растворами, уменьшить расход моющих растворов и увеличить срок их службы.
Устройство для очистки технических систем иллюстрируется фиг. 1.
В состав устройства входят: 1 - замкнутый контур охлаждения; 2, 3 - емкости для хранения моющих растворов, соответственно щелочного и кислотного; 4 - циркуляционный насос; 5, 6 - трехходовые краны или клапаны; 7 - очиститель, состоящий из сетчатого фильтра - 8 и гидравлического циклона - 9; 10 - генератор пульсации давления жидкости; 11, 12 - подогреватели жидкостей; 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 - трубопроводы (шланги); 22 - емкость для сброса загрязнений; 23, 24 - манометры; 25. 26 - термометры; 27 - трубопровод (шланг); 28 - кран или клапан; 29 - фотоэлемент; 30 - автоматическое управляющее устройство; 31, 32 - трехходовые краны или клапаны; 33 - емкость; 34 - трубопровод (шланг); 35 - всасывающая магистраль насоса.
Устройство работает следующим образом. Перед началом промывки система охлаждения двигателя или литейной формы отключается от централизованной (цеховой) системы водоснабжения. Система охлаждения опустошается и подсоединяется при помощи штуцеров к трубопроводам 16 и 17 промывочного модуля. ПАВ-содержащий моющий раствор, нагретый до требуемой температуры нагревателем 11, из емкости 2 по трубопроводу 13, через трехходовой кран или клапан 6 и трубопровод 15 подается к циркуляционному насосу 4. Циркуляционный насос 4 нагнетает моющий раствор через генератор пульсации давления жидкости 10 по трубопроводу 16 в систему охлаждения. После прохождения по системе охлаждения моющий раствор отводится из пресс-формы 1 по трубопроводу 17 к очистному устройству 7, где из него при помощи фильтра 9 и гидроциклона 8 удаляются смытые механические частицы.
Очищенный раствор по трубопроводу 20 через трехходовой кран или клапан 5 возвращается в емкость 2 и подогревается в ней до номинальной температуры (320…360 К) и вновь поступает к циркуляционному насосу 4. При прокачивании ПАВ-содержащего моющего раствора на очищенных металлических поверхностях создается защитная пленка перед прокачиванием кислотного раствора.
Через 30 минут работы циркуляционный насос 4 выключается, система охлаждения опустошается самотеком, кран (клапан) 31 переводится в положение, сообщающее гидроциклон 8 с емкостью 33, заполненной нейтральной промывочной жидкостью, например водой. Через трубопровод 34 и трехходовой кран (клапан) 32 емкость 33 сообщается с всасывающей магистралью циркуляционного насоса 35, при этом магистраль 35 разобщается с трубопроводом 15. Насос 4 включается, и в течение 5 минут производится промывка системы нейтральной жидкостью (водой).
После окончания промывки нейтральной жидкостью краны (клапаны) 31 и 32 переводятся в положения, исключающие циркуляцию через емкость 33 и трубопровод 34, краны (клапаны) 5 и 6 переводятся в положения, при которых к циркуляционному насосу 4 кислотный моющий раствор подводится из емкости 3 по трубопроводу 14 через кран (клапан) 5 и трубопровод 15. После прохождения системы охлаждения пресс-формы 1 и очистки в фильтре 9 и гидроциклоне 8 моющий раствор по трубопроводу 20, через кран (клапан) 5 и трубопровод 19 возвращается в емкость 3, где при помощи нагревателя 12 подогревается до номинальной температуры (320…360 К) и вновь поступает к насосу 4.
Смытые продукты загрязнения отводятся из гидроциклона по трубопроводу 21 в емкость 22, которая опустошается по мере наполнения через трубопровод 27 и кран (клапан) 28.
Манометры 23 и 24 служат для определения потери давления в системе охлаждения и оценки степени ее загрязненности. Показания манометров, соответствующие чистой системе охлаждения, являются сигналом для прекращения промывки.
Степень чистоты системы контролируется также по замутненности (оптической плотности) отводимого моющего раствора при помощи фотоэлемента 29.
Промывка прекращается, когда оптическая плотность моющего раствора соответствует заданной величине.
Управление промывочным модулем осуществляется вручную или автоматически при помощи специального устройства (АСУ) 30, получающего сигналы от манометров 23, 24, термометров 25 и 26, фотоэлемента 29, таймера и управляющего работой циркуляционного насоса 4, кранов (клапанов) 5 и 6 и нагревателей 11 и 12.
После окончания промывки циркуляционный насос 4 отключается, система охлаждения 1 опустошается самотеком, отсоединяется от промывочного модуля и подключается к централизованной системе водоснабжения.
Таким образом, в результате использования предлагаемых изобретений за счет применения двух моющих растворов и пульсации давления моющей жидкости, достигается высокое качество очистки, что позволяет повысить ресурс и обеспечить расчетный тепловой режим судовых энергетических установок или водоохлаждаемых литейных форм, что в свою очередь обеспечивает оптимальный теплоотвод в систему охлаждения, защиту системы веществами, обладающими высокими ингибирующими свойствами и длительным последействием, снижение затрат на ремонт.
Предлагаемое изобретение было создано специалистами кафедры теории и конструкции судовых ДВС ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемых изобретений, что с учетом вышеизложенного позволяет сделать вывод о возможности их промышленного применения.