УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ В ТЕПЛООБМЕННИКЕ
DEVICE FOR PREVENTING DEPOSIT FORMATION IN HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплотехнике, предназначено для предупреждения образования отложений в теплообменной аппаратуре, регулирования температурных режимов и при работе теплообменников по закрытым схемам теплоснабжения.
Известно устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике, эффективность работы которого достигается за счет подачи на первую ступень теплообменника теплоносителя гидравлическими импульсами с изменением скорости теплоносителя от состояния покоя до максимально возможной, с синхронно-прерывистой подачей импульсных механических колебаний, резонансной частоты, непосредственно на металлоконструкцию теплообменника.
Это устройство имеет варианты узлов воздействия на теплоноситель. Вариант узла на основе шарового крана, который соосно установлен на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника. Снаружи на оси шарового крана жестко закреплено зубчатое колесо, приводимое червяком. Зубчатое колесо снабжено датчиком остановки электродвигателя. Электродвигатель по «команде» управляющего устройства приводит в действие или останавливает червячную пару. И шаровой кран получает возможность пропускать теплоноситель через узел гидравлическими импульсами (см. п. RU 2496073 С2, пункт 2. МПК F28G 7/00).
Недостатком этого варианта является то, что современные шаровые краны имеют большой момент сопротивления при проворачивании, поэтому возникает необходимость в установке мощного электродвигателя. Необходимо также вводить дополнительную опору для червяка, для того чтобы вал червяка соединить с валом электродвигателя через дополнительно установленную специальную пружинную муфту. Эта муфта после остановки электродвигателя должна примерно на один оборот провернуть ротор электродвигателя в обратном направлении. Чтобы при следующем пуске электродвигателя сопротивление вращению его вала было близко к нулю и нарастало до максимума в момент, когда ротор наберет инерцию движения. В силу изложенного этот узел воздействия на теплоноситель неэффективно использовать для работы теплообменников горячего водоснабжения с малым диаметром трубопровода.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является вариант узла воздействия на теплоноситель на основе соленоида. Этот узел, установленный на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, содержит корпус с пропускным отверстием, которое соосно с трубопроводом. С корпусом жестко соединена изоляционная втулка, ось которой перпендикулярна оси пропускного отверстия корпуса. На изоляционной втулке закреплена соленоидная обмотка, имеющая связь с управляющим устройством. Внутри втулки находится шток из ферромагнитного материала. Шток выполнен полым и имеет возможность перемещаться в вертикальном направлении и тем самым разрешать или запрещать проход теплоносителя через узел (см. п. RU 2496073 С2, пункт 1. МПК F28G 7/00).
У этого варианта есть ряд недостатков. В момент прохождения тока через обмотку соленоида происходит большое потребление электроэнергии, которая расходуется неэффективно, так как необходимо для пропуска теплоносителя удерживать шток в верхнем положении длительное время. В результате на соленоидной обмотке выделяется значительная мощность, что ведет к сильному разогреву обмотки. В связи с этим сложно подобрать материал для изоляционной втулки, так как материал должен обладать высокой теплостойкостью. На практике подходит только керамика, а это тоже недостаток, так как затруднено изготовление конструкции. Недостатком является и то, что узел начинает неудовлетворительно работать уже при средних перепадах давления, это связано с тем, что не хватает усилия, развиваемого соленоидом для подъема штока. Для подъема штока вверх соленоидная обмотка должна развить усилие, равное произведению площади поперечного сечения пропускного отверстия прохода теплоносителя на перепад давления и на коэффициент трения плюс вес штока:
F=S⋅ΔР⋅k+G (или примерно F≈2G),
где F - втягивающая сила обмотки соленоида;
S - площадь поперечного сечения пропускного отверстия;
ΔР - перепад давления (разность между давлениями теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе);
k - коэффициент трения между используемыми материалами;
G - вес штока
(Архимедовой силой можно пренебречь из-за ее слабого влияния).
Из формулы видно, что уменьшить втягивающую силу обмотки соленоида (уменьшить ток в обмотке и ее разогрев), а также вес штока можно за счет применения материалов с низким коэффициентом трения, а это затруднительно, так как применяемый материал конструкции должен обладать, прежде всего, высокой теплостойкостью.
Техническим результатом заявленного решения является повышение эффективности работы за счет экономии электроэнергии, способности работать при большом перепаде давления, снижение требования к теплостойкости материалов, что позволяет применять менее затратные, легко обрабатывающиеся материалы с низким коэффициентом трения. Технический результат достигается тем, что устройство для предупреждения образования отложений в теплообменнике содержит получающее сигналы от датчика температуры, установленного на выходном трубопроводе второй ступени теплообменника, управляющее устройство, которое определяет работу узла механических колебаний и узла воздействия на теплоноситель. Узел механических колебаний, взаимодействуя с корпусом теплообменника, передает на корпус пачки механических импульсных колебаний, близких к собственной резонансной частоте теплообменника. Установленный на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника узел воздействия на теплоноситель содержит корпус, в котором выполнено пропускное отверстие для прохода теплоносителя. С корпусом жестко соединена втулка из изоляционного материала. Ось втулки приблизительно перпендикулярно пересекает ось пропускного отверстия. На втулке стационарно закреплены две (открывающая и закрывающая) соленоидные обмотки. Каждая обмотка оснащена датчиком тока. Внутри изоляционной втулки находится шток, выполненный полым. Шток состоит из двух частей: ферромагнитной и диамагнитной. Шток имеет возможность под действием электромагнитных полей обмоток горизонтально перемещаться внутри втулки в противоположных направлениях. Это позволяет диамагнитной части штока полностью открывать или полностью перекрывать пропускное отверстие корпуса и тем самым разрешать или запрещать проход теплоносителя через узел.
Перемещение ферромагнитной части штока внутри обмотки соленоида изменяет индуктивность этой обмотки. Если, например, ферромагнитная часть штока находится вне обмотки, то индуктивность обмотки минимальна, когда ферромагнитная часть находится полностью в обмотке, то индуктивность максимальна. Полное сопротивление обмотки равно квадратному корню из суммы квадратов активного и реактивного сопротивления; где реактивное сопротивление равно произведению угловой частоты на индуктивность:
,
где Rпол. - полное сопротивление обмотки;
Rакт. - активное сопротивление обмотки;
- угловая частота промышленного тока;
L - индуктивность обмотки.
Из формулы видно, что полное сопротивление обмотки соленоида зависит от индуктивности этой обмотки (на практике полное сопротивление, в зависимости от положения штока, изменяется примерно в 2,1-2,4 раза). Промышленный переменный электрический ток, проходящий через обмотку, по закону Ома зависит от полного сопротивления обмотки соленоида. Датчик тока, фиксируя величину этого тока обмотки, определяет положение ферромагнитной части штока в обмотке, а значит, и определяет, когда диамагнитная часть штока открыла (или перекрыла) пропускное отверстие в корпусе, через которое проходит теплоноситель. Информация от датчика тока о том, что пропускное отверстие открыто (или перекрыто), поступает в управляющее устройство.
На Фиг. 1 показан разрез узла воздействия на теплоноситель, содержащий корпус (1) с пропускным отверстием (2), изоляционную втулку (3) с закрепленными на ней закрывающей соленоидной обмоткой (4) и открывающей соленоидной обмоткой (5), шток (6), состоящий из ферромагнитной части (6.1) и диамагнитной части (6.2), и крышку (7). На Фиг. 2 изображен пример схемы датчика тока для пояснения работы устройства.
Узел воздействия на теплоноситель, установленный на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, работает следующим образом. Например, в определенный момент датчик температуры, установленный на выходном трубопроводе второй ступени теплообменника, фиксирует падение температуры и передает эту информацию управляющему устройству. Следящее за тепловым режимом управляющее устройство подключает к силовой сети открывающую соленоидную обмотку (5) узла воздействия на теплоноситель. Ферромагнитная часть (6.1) штока (6) в горизонтальном направлении под действием электромагнитного поля, перемещаясь в изоляционной втулке (3), начинает втягиваться в открывающую обмотку, а диамагнитная часть (6.2)  начинает открывать пропускное отверстие (2) корпуса (1), через которое теплоноситель поступает в первую ступень теплообменника. В момент, когда пропускное отверстие полностью открыто, а ферромагнитная часть штока находится в открывающей обмотке (индуктивность этой обмотки достигла максимального значения), сила тока в обмотке уменьшается. Датчик тока, которым оснащена эта обмотка, фиксирует это уменьшение тока и сообщает об этом управляющему устройству. Управляющее устройство отключает от силовой сети открывающую соленоидную обмотку узла. При этом шток своего положения не меняет (пропускное отверстие открыто) и теплоноситель поступает в первую ступень теплообменника. Это происходит до тех пор, пока в результате теплообменного процесса температура на выходном трубопроводе второй ступени теплообменника не поднимется до необходимого значения. Датчик температуры, установленный на этом трубопроводе, фиксирует это изменение и передает управляющему устройству. Теперь управляющее устройство подключает к силовой сети закрывающую соленоидную обмотку (4) узла, ферромагнитная часть штока под действием электромагнитного поля этой обмотки втягивается. Шток перемещается в обратном направлении, перекрывает пропускное отверстие корпуса своей диамагнитной частью и закрывает проход теплоносителю. Теперь ферромагнитная часть штока находится в закрывающей обмотке. Сила тока, проходящего через эту обмотку, уменьшается. Это уменьшение тока фиксирует датчик тока, которым оснащена закрывающая обмотка, и сообщает об этом управляющему устройству. Управляющее устройство отключает от силовой сети закрывающую соленоидную обмотку узла, при этом шток своего положения не меняет - проход теплоносителю закрыт. Далее процесс повторяется.
В результате соленоидные обмотки узла воздействия на теплоноситель работают по очереди, короткий промежуток времени, только в момент открытия или перекрытия пропускного отверстия. Это ведет к экономии электроэнергии, уменьшению выделяемой мощности и значительному снижению разогрева обмоток от проходящего через них тока. Уменьшение разогрева снижает требования к материалам по теплостойкости, что позволяет применить в конструкции узла технологичные материалы с низким коэффициентом трения, например капролон, который используется в судостроении для изготовления подшипников скольжения гребных и дейдвудных валов. Горизонтальное перемещение штока необходимо, во-первых, чтобы после открытия или закрытия пропускного отверстия корпуса шток самопроизвольно не изменил своего положения, в изоляционной втулке, без «команды» управляющего устройства. Во-вторых, втягивающая сила открывающей соленоидной обмотки не расходуется на подъем веса штока (как при вертикальном перемещении), а почти полностью используется на преодоление перепада давления. Рациональное использование втягивающей силы (при горизонтальном перемещении штока) и применение материалов с низким коэффициентом трения позволили узлу воздействия на теплоноситель работать при больших перепадах давления.
Датчик тока по конструкции может быть различным, например любая оптронная пара, слаботочная обмотка и датчик Холла или геркон, трансформатор тока и так далее. Параметры открывающей и закрывающей соленоидных обмоток идентичны, и датчики тока, которыми эти обмотки оснащены, тоже одинаковы (взаимозаменяемы).
На схеме (см. Фиг. 2) показан возможный пример датчика тока, который работает следующим образом. Через силовой разъем (ХР1) в определенный момент времени управляющее устройство подключает к силовой сети какую-либо соленоидную обмотку (Y). Последовательно с этой обмоткой включен образцовый мощный резистор (R1), который должен быть активным, то есть не иметь реактивной составляющей. По мере втягивания ферромагнитной часть штока в обмотку сила тока в последовательной цепи (Y, R1) будет падать. Падение тока приводит к уменьшению напряжения на образцовом резисторе, это напряжение снимается диодным мостом (VDI-VD4). Далее выпрямленное пульсирующее напряжение поступает на фильтрующую цепочку (R2, С, R3), где; резистор (R2) ограничивает входной ток через оптрон (U), подстроечный резистор (R3) регулирует силу этого входного тока, конденсатор (С) сглаживает пульсации напряжения. В оптроне работает пара; светодиод (HL) и фототранзистор (VT). Такой выбор оптопары дает достаточную крутизну; то есть малое изменение напряжения на светодиоде ведет к резкому изменению тока через фототранзистор. Уменьшение напряжения на образцовом резисторе (R1) передается на вход оптрона (С, HL); излучение светодиода падает, что ведет к закрыванию фототранзистора. В результате на нагрузке фототранзистора резисторе (R4) и выходе (1) слаботочного разъема (ХР2) появляется логическая «единица». Эта «единица» информирует управляющее устройство о моменте отключения соленоидной обмотки от силовой цепи. Момент закрытия фототранзистора и появления на его коллекторе логической «единицы» регулируется подстроечным резистором (R3).
Узел воздействия на теплоноситель собирается следующим образом. На корпус устанавливается изоляционная втулка с закрепленными на ней соленоидными обмотками. Во втулку, диамагнитной частью в сторону пропускного отверстия, вставляется шток. Затем устанавливается крышка (7) на изоляционную втулку. Далее производится регулировка датчиков тока каждой обмотки. Подстроечные резисторы (R3) обоих датчиков устанавливают так, чтобы сопротивление их было минимально (подстроечный движок находится в крайнем левом положении на схеме). Затем, например, открывающую соленоидную обмотку через разъем (ХР1) подключают к силовой сети, ферромагнитная часть штока втягивается в обмотку и упирается в крышку. Перемещая движок (вправо по схеме) подстроечного резистора датчика тока открывающей обмотки, увеличивают сопротивление этого резистора до тех пор, пока на выводе (1) разъема (ХР2) регулируемого датчика тока не появится логическая «единица» и даст сигнал на отключение подключенной обмотки соленоида. Для надежной работы сопротивление подстроечного резистора необходимо немного увеличить, чтобы отключение открывающей обмотки происходило немного раньше (до касания штока и крышки); незначительное расстояние шток проходит по инерции. Аналогично регулируют датчик тока закрывающей соленоидной обмотки. Подключают эту обмотку к силовой сети и после того, как диамагнитная часть штока упрется в корпус, изменяют сопротивление соответствующего подстроечного резистора до надежного появления на выходе датчика тока закрывающей обмотки логической «единицы». Узел воздействия на теплоноситель готов к использованию. Датчики тока соленоидных обмоток рационально располагать непосредственно в корпусе управляющего устройства.