Способ уменьшения образования накипи
METHOD OF DECREASING OF SCALE FORMATION

Изобретение относится к способам, уменьшающим образование накипи, и может быть использовано как в промышленности, так и в бытовых приборах, например, для уменьшения скорости образования накипи на поверхностях теплопередающих элементов теплообменных аппаратов в процессе нагрева или кипячения воды.
Известно устройство [1] для предотвращения образования накипи, состоящее из обоймы, двух виброизоляционных перегородок, разделяющих обойму на две части, фланцев с отверстиями, закрывающими обойму с двух сторон, и скрепленных между собой патрубком, имеющим канал для подачи сжатого воздуха при помощи впаянных в него в радиальном направлении изогнутых сопел, сжатый воздух подается непосредственно к шарику и приводит его в движение по кольцевой беговой дорожке обоймы, что приводит к возбуждению в обойме упругих механических колебаний, которые передаются с обоймы к очищаемой поверхности при помощи скрепленного с ней ножевого волновода. С помощью данного устройства реализуется способ предотвращения образования накипи на внутренней стороне поверхности нагрева за счет «стряхивания» кристаллов накипеобразующих солей импульсными колебаниями направленного действия. Недостатки конструкции, с помощью которой предотвращается образование накипи на внутренней стороне поверхности нагрева, заключаются в сложности ее монтажа и реализации способа, многозвенности и локальности действия, наличии вибрации и связанного с ней шума и низкой эффективности. Достаточно высокое (около 5 атм) давление подводимого воздуха и высокая (до 610 м/с) скорость его истечения из сопла представляют определенную опасность при реализации способа. Отделившиеся от поверхности нагрева кристаллики накипеобразующих солей образуют рыхлый шлам, который, оседая, может закупорить каналы циркуляции воды и создать дополнительные сложности при эксплуатации теплообменного оборудования. Импульсные (ударные) колебания, имеющие направленные действия, не способны разрушить адгезионную связь между металлом поверхности нагрева и кристалликами накипеобразующих солей вследствие отсутствия сдвиговых (касательных) напряжений в зоне контакта, которые являются основными факторами смещения и отделения кристалликов от поверхности нагрева.
Известен также способ [2, стр. 98] магнитной обработки воды с помощью магнитного аппарата в дизельных и других двигателях. При реализации данного способа в системах охлаждения автотракторных двигателей устанавливается магнитный аппарат для обработки охлаждающей жидкости (воды), включающий регулировочную гайку, винтовую камеру, постоянные магниты, шпильку, полюсные наконечники, корпус, крышку и установочные планки [2, рис. 25]. При магнитной обработке поток воды с определенной скоростью пересекает перпендикулярно магнитные силовые линии, направление которых по пути движения воды меняется несколько раз. Это изменяет характер кристаллизации накипеобразователей. Вместо плотного слоя образуется слой накипи в виде рыхлого шлама, который необходимо удалять из системы охлаждения, чтобы не образовался второй слой накипи. Данное устройство также сложно в изготовлении и монтаже и требует дополнительных регулировочных действий рабочих органов устройства и знание достаточно точного значения параметров жесткости используемой воды, что без помощи соответствующих приборов представляет определенную сложность. Также окончательно не решен вопрос удаления образующегося шлама, что также снижает эффективность способа. К тому же наличие в замкнутой системе охлаждения дополнительного сопротивления в виде магнитного аппарата снижает скорость циркуляции воды, снижая эффективность процесса теплоотвода. Для восстановления скоростных характеристик циркуляции воды придется прилагать дополнительную энергию, повышая энергоемкость процесса. Наличие постоянно действующего магнитного поля может отрицательно сказаться на работе имеющихся датчиков и приборов.
Таким образом, известные способы и устройства для уменьшения образования накипи сложны в реализации, имеют повышенную энергоемкость и представляют определенную опасность при применении.
Целью изобретения является уменьшение скорости осаждения накипи на внутренней стороне поверхности нагрева за счет отвлечения процесса накипеобразования на другую поверхность, вставленную в полость теплообменного аппарата.
Поставленная цель достигается тем, что в полость теплообменного аппарата устанавливается вставка из материала, теплопроводность которого значительно выше теплопроводности материала теплопроводящих элементов.
На фиг. 1 (вид спереди) показано устройство, позволяющее реализовать предложенный способ, имеющее форму цилиндра, где приняты следующие обозначения: 1 - корпус устройства (теплообменный аппарат), 2 - теплопередающий элемент, 3 - вставка цилиндрическая, 4 - вставка плоская, 5 - зонд вытяжной, 6 - горелка.
На фиг. 2 (вид сверху) показано это устройство (для удобства обзорности вытяжной зонд 5 удален), обозначения те же, что и на фиг. 1.
На фиг. 3 (вид спереди) вставка цилиндрическая, приняты следующие обозначения: 7 - теплосъемник, 8 - пазы сквозные, остальные обозначения те же, что и на фиг.1.
На фиг .4 (вид сверху) вставка цилиндрическая, обозначения те же, что и на фиг.4.
На фиг. 5 (вид спереди) вставка плоская, где приняты обозначения: 9 - пазы сквозные, 10 - теплосъемники.
На фиг. 6 (вид сверху) вставка плоская, обозначения те же, что и на фиг. 1 и 5.
Сущность изобретения заключается в следующем. Накипеобразование представляет собой весьма сложный процесс кристаллизации, зависящий от многих факторов. Одно из важных условий накипеобразования - это перенасыщенное состояние раствора (жесткой воды), являющееся следствием тепловых процессов. Вторым, не менее важным, условием накипеобразования является образование центров кристаллизации как непосредственно на поверхности теплопередающих элементов, так и в массе воды. В этом случае образовавшиеся кристаллы накипеобразователей переносятся к поверхности теплообмена и прикрепляются к ней в результате действия сил адгезии или адсорбции.
Процесс образования центров кристаллизации легче всего протекает в пристеночном слое не только за счет влияния поверхности, но вследствие большей концентрации солей, которая здесь достигается раньше, чем в любых других местах теплоагрегата, под влиянием более интенсивного парообразования. На процесс накипеобразования оказывают влияние также материал поверхности теплообмена, чистота обработки ее поверхности, температура, скорость движения воды и пр.
В связи с этим одним из приемов уменьшения образования накипи в теплообменном аппарате может стать установление в нем вставки из материала с более высокой теплопроводностью, чем материал поверхности теплообмена, что позволит отвлечь процесс накипеобразования и отложения накипи с поверхности теплообмена на поверхность вставки. В начальной стадии на поверхности вставки будет иметь место поверхностное зародышеобразование, что в последующем спровоцирует рост отдельных кристаллов накипеобразующих солей на поверхности теплообмена и рост компактного монолитного слоя накипи. Таким образом, в процессе нагрева или кипячения воды образовавшаяся накипь оседает на поверхности вставки. Для удаления накипи вставка периодически извлекается из зоны теплообмена. Кратность замены вставки с накипью зависит от кратности поступления воды в зону теплообмена. Удаление слоя накипи с поверхности вставки осуществляется известными способами и не представляет техническую сложность. Форма вставки копирует форму теплопередающих элементов (например, если поверхность теплообмена цилиндрическая, то и вставка имеет цилиндрическую форму, если плоская, то форма вставки также плоская). Копирование вставкой формы теплопередающих элементов способствует более полной утилизации накипеобразующих солей. Наличие контакта вставки с поверхностью теплопередающих элементов способствует более быстрому ее нагреву и интенсификации процесса отвлечения накипеообразования даже в начальный период нагрева. Основным фактором, на котором основывается способ, является теплопроводность материала вставки, которая выше теплопроводности материала теплопередающих элементов теплообменного аппарата. Иными словами, чем больше градиент теплопроводности материалов вставки и теплопередающих элементов теплообменного аппарата, тем эффективнее предложенный способ уменьшения образования накипи на поверхности теплообмена. В качестве материала вставки можно выбрать, например (по мере возрастания теплопроводности в Вт/м⋅К), алюминий - 209,3, медь - 389,6, серебро - 418,7. Вставка, контактирующая с поверхностью теплопередающих элементов и изготовленная из материала с большей теплопроводностью, увеличивает скорость нагрева воды. Шероховатость рабочих поверхностей вставки должна быть больше шероховатости рабочих поверхностей теплопередающих элементов, что позволяет увеличить количество центров кристаллизации накипеобразующих солей и интенсифицировать процесс образования и отложения накипи на ее поверхности. Наличие отверстий на поверхности вставки способствует интенсивному перемешиванию теплоносителя (воды) и ускорению выделения накипи на вставке. Количество устанавливаемых вставок зависит от формы и размеров теплопередающих элементов теплообменного аппарата.
Необходимо отметить, если в качестве теплопередающего элемента используют термоэлектронагреватели, то применение данного способа также позволяет уменьшить образование накипи на поверхности нагревательного элемента и тем самым повысить его ресурс и снизить энергоемкость процесса нагрева или кипячения воды.
Способ реализуется в следующей последовательности. В рабочую полость теплообменного аппарата 1 (фиг. 1 и 2) устанавливают вставку (вставки), теплопроводность материала которой выше теплопроводности материала теплопередающих элементов, форма которой копирует форму теплопередающих элементов. Заполняют рабочую полость теплообменного аппарата водой и подогревают ее до определенной температуры или доводят до кипения. Количество вставок зависит от габаритов теплообменного аппарата и его формы. На фиг. 1 в теплообменный аппарат установлены две вставки, цилиндрическая 3 и плоская 4. Вставки через теплосъемники 7 цилиндрической вставки 3 и теплосъемники 10 плоской вставки 4 контактируют с теплопередающими элементами 2 устройства. Такая конструкция устройства позволяет вставкам нагреться быстрее (раньше), чем нагреваемая вода и тем самым отвлечь процесс накипеобразования от поверхности теплопередающих элементов 2 и внутренних стенок устройства 1. Наличие теплосъемников 7 (фиг. 3 и 4) и теплосъемников 10 (фиг. 5 и 6) позволяет быстрее нагреваться вставкам 3 и 4 и тем самым повысить эффективность процесса образования (накопления) накипи на поверхности вставок 3 и 4. Наличие сквозных пазов 8 (фиг. 3) и 9 (фиг. 5) позволяет интенсифицировать процесс циркуляции подогреваемой воды в теплообменном аппарате по мере повышения температуры воды и тем самым повысить эффективность процесса образования накипи на поверхностях вставок 3 и 4. По мере накопления накипи на рабочих поверхностях вставок их извлекают из полости теплообменного аппарата, удаляют с их поверхности накопившуюся накипь известными способами и повторно используют. С целью сокращения времени простоя теплообменного аппарата вставки можно заменить на запасные аналогичные вставки.
Технический эффект заключается в уменьшении скорости образования накипи на рабочих поверхностях теплопередающих элементов теплообменного аппарата, уменьшении затрат на удаление накипи, в продлении срока службы теплопередающих элементов и повышении их энергоэффективности, а также снижении опасности процесса.
Источники информации
1. Патент РФ №996842, F28G 7/00, Устройство для предотвращения образования накипи.
2. Савченко В.И. Очистка и мойка машин, М, Россельхозиздат, 1974. 124 с. ил. (Б-ка сельского ремонтника).