УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗАЩИТЫ ВОДО-ВОДЯНЫХ И ВОДО-НЕФТЯНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ОТ ОБРАЗОВАНИЯ НА ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ТВЕРДЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области энергосбережения и предназначена для предотвращения и удаления твердых отложений с поверхностей теплообменных аппаратов и может быть использована в теплотехнике, в нефтегазодобывающей промышленности.
Проблема заключается в том, что эксплуатация теплообменных аппаратов сопровождается интенсивным образованием накипи, солей и прочих отложений на теплообменных поверхностях агрегатов. Одними из важных причин образования этих отложений является возникновение пересыщенного состояния водного раствора солями, который представляет собой питательную среду теплообменных аппаратов, и появление зародышей кристаллизации как непосредственно на поверхности теплопередающих элементов, так и в объеме самих аппаратов, например, труб.
Следует также отметить, что к теплообменникам нефтегазодобывающей промышленности предъявляются особые требования: способность работы при экстремальных давлениях и температурах, устойчивость к агрессивным средам, работа с двухфазными средами и т.п.
Установлено, что воздействие ультразвука предупреждает образования накипи на стенках теплообменных аппаратов. Прежде всего действие ультразвука вызывает непрерывное нарушение кинетики кристаллизации в пристеночном слое - в местах выделения кристаллических ядер на поверхности нагрева. Возникающий тонкий слой накипи под действием знакопеременных механических напряжений испытывает в силу незначительной прочности усталостный излом. Это приводит к нарушению связи между накипью и металлом и к образованию трещин в слое накипи. Проникающая в них вода или другая среда в подслое испаряется, под действием пара происходит отслаивание накипи. Приведенные выше факторы ультразвукового воздействия взаимосвязаны и в сумме являются существенным положительным эффектом влияния ультразвука на процессы предотвращения накипи, снижения коррозии металла труб и повышения эффективности работы теплотехнического оборудования.
Эффективность ввода высокочастотных механических колебаний зависит от ряда условий, которые обеспечивают: максимально возможный отбор энергии от источника колебаний, минимальное рассеяние энергии в пассивных элементах конструкции излучателя, наибольшее использование введенной в обрабатываемую среду колебательной энергии (Агронат Б.А, Башкиров В.И. и др. Ультразвуковая технология. М. Металлургия, 1974 г. 504 с.).
В практике применения ультразвуковой технологии в целях энергосбережения известны различные устройства, позволяющие устранить и препятствовать образованию различных отложений.
Известно, устройство (Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. М. Энергия, 1977 г. 182 с), в котором магнитострикционный преобразователь снабжен волноводом, выполняющим функции концентратора произвольной длины, устанавливаемым на трубу теплообменника посредством сварки.
Известно устройство для удаления отложений, включающее генератор электромагнитных колебаний, магнитострикционный преобразователь электромагнитных колебаний в акустические колебания ультразвуковой частоты, снабженный концентратором и волноводом. Магнитострикционный преобразователь снабжен радиатором. Концентратор выполнен экспоненциальной формы и равен половине длины волны излучаемых акустических колебаний и посредством резьбового соединения соединяется с волноводом, устанавливаемым на поверхность трубы теплообменника с помощью сварки, при этом акустический контакт концентратора с волноводом осуществляется посредством легкоплавкого металлического сплава, например, сплава Вуда (Патент на изобретение РФ №2474781, МПК F28G 7/00, опубл. 10.02.2013). Недостатком этих устройства является невысокая эффективность, так как, часть энергии затрачивается на формирование промежуточных маломощных импульсов, в то время как эффект удаления и предотвращения отложений в теплообменном оборудовании прямо пропорционален амплитуде возбуждаемых колебаний.
Известен теплообменник, в котором выполнены идентичные теплообменные секции, которые подключены к общим коллекторным камерам трубной и межтрубной сред, при этом коллекторная камера трубной среды дополнительно оснащена ультразвуковым излучателем, которым генерируются волны для замедления процесса отложения накипи и осадка (Патент на полезную модель РФ №44375, МПК F28D 7/00, опубл. 10.03.2005). Недостатком является невысокая надежность при работе с разными средами и невозможность перестановки на другие точки теплообменного оборудования.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для предупреждения накипи, содержащее генератор, магнитострикционный преобразователь, снабженный волноводом (патент на полезную модель РФ №84268, МПК В08В 3/12, опуб. 10.07.2009).
Недостатком этого устройства является также невысокая эффективность и невозможность обеспечения надежности работы устройств при защите водо-водяных и водонефтяных теплообменников (т.е. при работе с разными средами) и при перестановке в другие точки теплообменного оборудования.
Кроме того, существует общая проблема, заключающаяся в ограничениях по использованию ультразвуковых устройств защиты теплообменного оборудования от образования твердых отложений во взрывоопасных помещениях или зонах.
Следует также отметить, что ультразвуковая защита подогревателей от образования твердых отложений может осуществляться двумя способами: возбуждением колебаний в теплообменной поверхности, на которой откладывается накипь, или созданием дополнительных центров кристаллизации в объеме нагреваемой жидкости.
Возбуждение колебаний в теплообменной поверхности является предпочтительным, так как не только снижает скорость нарастания на ней накипи, но и за счет формирования микропотоков вблизи нее, что улучшает теплообмен. Этот способ применим для подогревателей, теплообменная поверхность которых связана с внешней поверхностью конструкционными элементами, например, в трубную доску. В пластинчатых теплообменниках создание ультразвуковой волны в теплообменных пластинах практически невозможно. Это связано с тем, что в паяных или сварных пластинчатых теплообменниках доступа к пластинам с внешней стороны нет, а в разборных пластинчатых теплообменниках пластины отделены друг от друга герметизирующим уплотнением, которое интенсивно поглощает ультразвуковые колебания, возбуждаемые либо в несущей плите теплообменника, либо в стяжном стержне, либо подводящей трубе.
Возбуждение колебаний в нагреваемой жидкости, позволяющее защитить подогреватели от образования твердых отложений путем создания дополнительных центров кристаллизации, является более универсальным и применимо практически к любому типу теплообменника. В этом случае ультразвуковые колебания вводятся в жидкость, в которой под действием волны сжатия - разрежения имеющиеся в воде примеси слипаются, образуя дополнительные центры осаждения твердых отложений, образующихся при нагревании жидкости. В результате, большая часть твердых отложений, образовавшихся при нагреве, в мелкодисперсном виде выносится нагреваемой жидкостью из теплообменника.
Задачей при создании устройства является повышение надежности устройства при защите как водо-водяных, так и водонефтяных теплообменников, с сохранением максимального отбора энергии от источника колебаний и минимального рассеивания энергии в узлах согласования волновода, при обеспечении обоих способов возбуждения колебаний в теплообменных поверхностях, а также с обеспечением безопасности его эксплуатации во взрывоопасных помещениях, зонах.
Технический результат состоит в повышении надежности работы ультразвукового устройства с обеспечением эффективной защиты от образования на теплообменных поверхностях твердых отложений.
Для достижения технического результата в устройстве ультразвуковой защиты водо-водяных и водонефтяных теплообменников от образования на теплообменных поверхностях твердых отложений, состоящем из ультразвукового генератора, магнитострикционного преобразователя, соединенного с волноводом, ультразвуковой генератор соединен с магнитострикционным преобразователем посредством сменных соединительных кабелей, а волноводы, которых не менее двух, выполнены совмещенными с соответствующими съемными узлами согласования, установленными с возможностью взаимодействия с теплообменными поверхностями, при этом ультразвуковой генератор и магнитострикционный преобразователь снабжены защитными корпусами.
При введении колебаний в жидкости, длина волновода отличается от величины кратной четному количеству четвертей длины волны генерируемых колебаний в материале волновода на величину
О
ΔL=λ/4×(1-exp(-3М/М)), где
X - длина волны генерируемых колебаний,
М - присоединенная масса жидкости,
О
М=1,
при этом съемные узлы согласования, имеют фланцевую конфигурацию, при которой диаметр излучающего торца фланца съемного узла согласования не превышает половины длины акустической волны в жидкости, а суммарная длина фланцев съемных узлов согласования - кратна половине длины волны колебаний в материале волновода.
При введении колебаний в трубную доску, длина волновода составляет 3/8 длины волны колебаний в материале волновода, а максимальный поперечный размер соответствующего съемного узла согласования не превышает половины длины акустической волны в материале волновода, при этом торец съемного узла согласования выполнен со скосами для установки на соответствующих теплообменных поверхностях.
Кроме того, защитные корпуса ультразвукового генератора и магнитострикционного преобразователя выполнены взрывонепроницаемыми.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 - принципиальная схема работы устройства, на фиг. 2 - конструктивное решение устройства, на фиг. 3 - конструктивное решение (фланцевая конфигурация) съемного узла согласования волновода для возбуждения колебаний в жидких средах, на фиг. 4 - конструктивное решение съемного узла согласования волновода для возбуждения колебаний в, например, трубную доску теплообменника.
Устройство ультразвуковой защиты водо-водяных и водонефтяных теплообменников от образования на теплообменных поверхностях твердых отложений состоит из ультразвукового генератора 1, соединенного посредством сменных соединительных кабелей 2 с магнитострикционными преобразователями 3, соединенными с волноводами 4 совмещенным с соответствующими съемными узлами согласования 5, 6, установленными с возможностью взаимодействия с теплообменными поверхностями. При этом ультразвуковой генератор 1 и магнитострикционные преобразователи 3 снабжены защитными взрывонепроницаемыми корпусами, соответственно, 7 и 8. Кроме того, соединительных кабелей 2, связанных с волноводами 4, совмещенных с узлами согласования 5, 6, может быть не менее двух.
Работает устройство следующим образом.
Пример. Ультразвуковой генератор 1 формирует ультразвуковые импульсы частотой 20 кГц, длительностью 2,5 мс с частотой повторения 6,25 Гц. По соединительным кабелям 2, согласованной с нагрузкой длины, сигнал подается через магнитострикционные преобразователи 3, соединенные с волноводами 4, совмещенными со съемными узлами согласования 5 или 6, на теплообменное оборудование (не показано).
При возбуждении колебаний в теплообменной поверхности, которая связана внешней поверхностью с конструктивными элементами съемных согласующих узлов 5, 6, последние будут выполнять функцию передачи ультразвуковых колебаний от преобразователя к теплообменной поверхности.
При возбуждении колебаний в нагреваемой жидкости ультразвуковые колебания вводятся в жидкость посредством съемного согласующего узла 5 с конструктивным элементом фланцевой конфигурации, которая позволят ввести ультразвуковые колебания непосредственно в нагреваемую среду, и создать в жидкости колебания достаточной амплитуды.
Авторами экспериментально было установлено, что при введении колебаний в жидкости, длина волновода 4 отличается от величины кратной четному количеству четвертей длины волны генерируемых колебаний в материале волновода 4 на величину
О
О
ΔL=λ/4×(1-ехр(-3М/М)), где λ - длина волны генерируемых колебаний, М - присоединенная масса жидкости, M=1.
При этом волноводы 4 выполнены совмещенными со съемными узлами согласования 5, имеющими фланцевую конфигурацию, при которой диаметр излучающего торца съемного узла согласования 5 не превышает половины длины акустической волны в жидкости, а суммарная длина фланцев съемных узлов согласования, кратна половине длины волны колебаний в материале волновода 4.
При введении колебаний в трубную доску, также было экспериментально установлено авторами, что длина волновода 4 соответствующего съемного узла согласования 6 составляет 3/8 длины волны колебаний в материале волновода, а максимальный поперечный размер соответствующего съемного узла согласования 6 не превышает половины длины акустической волны в материале волновода 4, при этом торец съемного узла согласования выполнен со скосами для установки на соответствующих теплообменных поверхностях.
Следует отметить, что разработанные съемные узлы согласования 5, 6 с конструктивными элементами соответствующих конфигураций позволяют ввести ультразвуковые колебания непосредственно в нагреваемую среду, создавая в жидкости колебаний достаточной амплитуды, и при этом минимизируя распространение ультразвука по поверхности трубы, что защищает конструкцию подогревателя от колебательных знакопеременных нагрузок.
Магнитострикционный преобразователь 3 выполнен таким образом, чтобы его конструкция обеспечивает возможность применения устройства для всех типов теплообменного оборудования при использовании съемных узлов согласования 5, 6 соответствующей конфигурации.
Кроме того, снабжение ультразвукового генератора 1 защитным взрывонепроницаемыми корпусом 7 и, соответственно, магнитострикционного преобразователя 3 защитным взрывонепроницаемым корпусом 8 повышает безопасность работы устройства во взрывоопасных помещениях, зонах.
В зависимости от условий использования устройства выбирается количество съемных согласующих узлов 5, 6 и их конфигурация; а также длина сменных соединительных кабелей 2.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить надежность ультразвуковой защиты водо-водяных и водонефтяных теплообменников от образования на теплообменных поверхностях твердых отложений с обеспечением повышения эффективности защиты, а также повысить безопасность эксплуатации во взрывоопасных помещениях, зонах. Кроме того, устройство обеспечивает надежность при работе с разными средами и при перестановке в другие точки теплообменного оборудования.