Устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем
DEVICE FOR CLEANING OF INTERNAL SURFACE OF PIPES AND HEAT EXCHANGE EQUIPMENT BY VARIABLE MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к ядерной и тепловой энергетике и предназначено для дезактивации и предотвращения выпадения радиоактивных отложений на поверхностях оборудования, отложений солей жесткости и продуктов коррозии на теплопередающих поверхностях трубопроводов и оборудования, а также для предотвращения биологического обрастания систем оборотного и технического водоснабжения.
В настоящее время безреагентных электромагнитных способов дезактивации оборудования неизвестно.
Известно устройство для электромагнитной обработки воды и водных сред, в котором воду, находящуюся в трубопроводе, обрабатывают электромагнитными импульсами, создаваемыми четырьмя индукторами, выполненными в виде навитых на трубопровод 24-48 витков изолированного провода, концы которых подключены к двум независимым четырехканальным генераторам электромагнитных импульсов, работающих в противофазе (RU, патент №2524718, «Устройство для обработки воды и водных сред», кл. С02F 1/48,2012 г.).
Недостатками данного технического решения являются:
- сложность самого устройства (два генератора, работающие в противофазе) и его монтажа на трубопроводе (надо намотать четыре индуктора по 24-48 витков непосредственно на месте);
- малый максимальный диаметр труб - 120 мм;
- малое дальнодействие по смыву уже существующих отложений, фактически ограничивающееся районом расположения индукторов. Вектор напряженности электрического поля в данном случае перпендикулярен оси трубопровода.
Известно устройство обработки воды внутри труб, в котором электрические импульсы передаются через вторичную обмотку трансформатора и переменное сопротивление путем непосредственного контакта с трубопроводом или оборудованием (RU, патент №2421405 «Устройство обработки воды», кл. C02F 1/48,2009 г.)
Данное техническое решение имеет существенный недостаток, связанный с тем, что защищаемое оборудование является непосредственной частью электронной схемы устройства. А поскольку оно в основном изготавливается из металла - токопроводящего материала (на непроводящем работать вообще не будет, так как разомкнется электрическая цепь), то основная мощность полезных электромагнитных импульсов будет гаситься на переменном сопротивлении, так как остальной контур между точками присоединения можно считать короткозамкнутым.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обработки жидкости радиочастотными сигналами, включающее генератор основной частоты, усилитель электромагнитных колебаний, магнитопровод, охватывающий по периметру трубопровод с жидкостью и одновременно являющийся магнитным сердечником (ЕР 0720588 B1. Snefanini Daniel. Method and apparatus for treating fluid with radio frequency signals, дата приоритета 25.09.1993 г., Великобритания, дата международной подачи 23.09.1994 г., PCT/GB 94/02078).
В известном техническом решении обработку жидкости в трубопроводе ведут затухающими синусоидальными электромагнитными импульсами, имеющими частоту 50-500 кГц со случайной частотой повторения, генерируемыми в первичной обмотке высокочастотного трансформатора, расположенной снаружи трубопровода, и передаваемыми через магнитопровод, охватывающий трубопровод и одновременно являющемся сердечником первичной обмотки. Это приводит к генерированию в обрабатываемой жидкости электромагнитного поля, имеющего вектор магнитной индукции в виде круговых линий, перпендикулярных оси трубопровода, и вектор напряженности электрического поля вдоль оси до и после первичной обмотки трансформатора.
Недостатками известного устройства является то, что дальнодействие данного устройства, в зависимости от мощности, может составлять 200-700 м, но при сильной разветвленности трубопроводов (например, теплообменное оборудование) резко падает в десятки раз.
Кроме того, известное устройство имеет низкую эффективность в случае необходимости снятия уже существующих отложений на поверхности трубопроводов и оборудования. Даже неполная очистка от рыхлых отложений может занимать до 6 месяцев. Это связано с тем, что при случайной частоте повторяемости импульсов выше 1 кГц не происходит поляризационных эффектов на поверхностях, нет колебаний в двойном ионном слое существующих отложений и, соответственно, смыв происходит медленно.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее техническое решение, заключается в повышении эффективности очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем, включающем генератор основной частоты, усилитель электромагнитных колебаний, магнитопровод, охватывающий по периметру трубопровод с жидкостью и одновременно являющийся магнитным сердечником, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено генератором модулирующей частоты, соединенным с входом усилителя через дополнительно установленный модулятор, а выход усилителя соединен с катушкой индуктивности, генерирующей переменное магнитное поле в магнитном сердечнике, при этом генератор модулирующей частоты работает в диапазоне частот 1-500 Гц, а генератор основной частоты работает в диапазоне 30-1000 кГц.
На фиг. 1 изображено предложенное устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем.
На фиг. 2 схематично изображено устройство, принятое нами в качестве ближайшего аналога.
Устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем содержит генератор основной частоты 1, генератор модулирующей частоты 2, соединенный через модулятор 3 с входом усилителя 4 электромагнитных колебаний, выход которого соединен с катушкой индуктивности 5; магнитопровод 6, охватывающий по периметру трубопровод 7 с водным раствором.
Устройство работает следующим образом.
Генератор основной частоты 1 вырабатывает электромагнитные колебания заданной частоты в диапазоне 30-1000 кГц и передает их на вход усилителя 4. Форма электромагнитных импульсов может быть различной: синусоидальной, треугольной, в виде меандра.
Генератор модулирующей частоты 2 вырабатывает электромагнитные колебания заданной частоты в диапазоне 1-500 Гц и передает их на вход модулятора 3. Частота зависит от назначения устройства - дезактивирующее, противонакипное и для борьбы с биообрастанием. Форма управляющих колебаний - синусоида, треугольник.
Модулятор 3 принимает управляющие электромагнитные колебания от генератора модулирующей частоты 2 и формирует управляющий коэффициентом усиления сигнал (например, через напряжение питания) и предает его на усилитель 4 электромагнитных колебаний, который усиливает электромагнитные колебания от генератора 1 по программе формируемой модулятором 3 и передает их на катушку индуктивности 5.
В катушке индуктивности 5 формируется переменное электромагнитное поле, передаваемое в магнитопровод 6 как сердечник. Магнитопровод 6 охватывает по периметру трубопровод 7 с водным раствором и передает на него переменное электромагнитное поле, при этом вектор магнитной индукции перпендикулярен оси трубопровода 7, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль этой же оси.
Это достигается подачей электромагнитных колебаний на катушку индуктивности 5, расположенную снаружи трубопровода, а сердечник катушки - магнитопровод одновременно проходит внутри катушки индуктивности и далее опоясывает собой трубопровод (оборудование) по его периметру, при этом электромагнитные колебания, подаваемые на катушку индуктивности, имеют основную частоту 30-1000 кГц и модулированы по амплитуде с частотой 1-500 Гц.
Устройство, принятое нами в качестве ближайшего аналога (фиг. 2) работает следующим образом.
Генератор основной частоты 1 вырабатывает электромагнитные колебания заданной частоты в диапазоне 50-500 кГц и передает их на вход генератора случайной частоты 8, который короткие импульсы от генератора 1 пропускает со случайной частотой и подает на усилитель 4. Усилитель 4 усиливает полученные импульсы и подает их на первичную обмотку высокочастотного трансформатора 9, которая сопряжена с конденсатором 10 в колебательный контур. В колебательном контуре импульсы затухают. Параметры затухания определяются взаимными характеристиками первичной обмотки 9 и конденсатора 10. Через первичную обмотку 9 проходит магнитопровод 6, который далее опоясывает вокруг трубопровод 7 с водным раствором. В первичной обмотке 9 формируется переменное затухающее электромагнитное поле, которое через магнитопровод 6 передается на трубопровод 7 с жидкостью, при этом вектор магнитной индукции перпендикулярен оси трубопровода 7, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль этой же оси. Вид выходного сигнала приведен на фиг. 2.
Различие работы предложенного нами устройства для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем с работой устройства, принятого нами в качестве ближайшего аналога, состоит в подаче электромагнитных колебаний на катушку индуктивности, а не на первичную обмотку высокочастотного трансформатора, более широком диапазоне основной частоты 30-1000 кГц (в прототипе 50-500 кГц) и наличием модуляции по амплитуде с частотой 1-500 Гц.
В известном устройстве электромагнитные импульсы имеют нисходящий (затухающий) вид со случайной повторяемостью. В нашем техническом решении осуществляется модуляция по амплитуде с четко задаваемой частотой в диапазоне 1-500 Гц, и вид подаваемых сигналов на катушку индуктивности имеет как нисходящую, так и восходящую фазы (фиг. 1).
Предлагаемое нами техническое решение не имеет недостатков ближайшего аналога, так как электромагнитные колебания носят не случайный характер, а их частота задается генератором модулирующей частоты в диапазоне 1-500 Гц в зависимости от задачи и конкретных условий эксплуатации. Указанные воздействия приводят к пульсирующим изменениям расклинивающего давления, что существенно ускоряет процесс смыва отложений и очистки на поверхности трубопроводов и оборудования от радиоактивных продуктов коррозии и солей жесткости, что, в свою очередь, приводит к улучшению радиационной обстановки в помещениях расположения данного оборудования.
Кроме того, пульсирующие изменения в двойном ионном слое мицелл, находящихся в потоке водного теплоносителя, способствуют их слипанию в потоке, а не осаждению на стенках, с последующим их выводом из теплоносителя на фильтрационных установках.
В предлагаемом нами техническом решении дальнодействие выше, чем у прототипа в 1.2-1.5 раза в зависимости от условий эксплуатации.
Это связано, в первую очередь, с тем, что в прототипе устройство воздействует на трубопровод с жидкостью только 5-7% времени, так как генератор случайной частоты блокирует вход усилителя. В предлагаемом техническом решении воздействие осуществляется постоянно с переменной амплитудой воздействия. Усредненная напряженность электрического поля в этом случае выше и, соответственно, расстояние, на которое распространяется переменное магнитное поле, больше.
Выбор частоты модуляции обусловлен несколькими факторами:
Во-первых, нижняя граница определяется частотами инфразвукового диапазона, так как при таких частотах наблюдается наибольшее отрицательное воздействие на биологические объекты. При применении предлагаемого устройства для предотвращения биообрастания модуляцию необходимо вести в нижней частотной области вышеуказанного диапазона.
Во-вторых, двойной ионный слой на поверхности отложений, благодаря дипольному строению молекулы воды, является, по сути, своеобразным конденсатором, однако, в отличие от обычного конденсатора, он не может перезаряжаться быстро, так как те же молекулы воды из-за существующих водородных связей препятствуют этому. Время релаксации двойного ионного слоя значительно выше, чем время перезарядки обычного конденсатора. При частотах более 1 кГц в водных растворах практически не наблюдается поляризационных эффектов. При модуляции с частотой менее 500 Гц, по-нашему мнению, происходит, своего рода раскачивание двойного ионного слоя и расклинивающего давления, что приводит к более быстрому смыву существующих отложений.
Использование предложенного нами устройства для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем позволяет улучшить радиационную обстановку на объектах использования атомной энергии, например, АЭС, что особенно важно при проведении ремонтных работ, за счет уменьшения радиоактивных отложений на внутренних поверхностях оборудования и трубопроводов. Происходит предотвращение их осаждения, смыв уже существующих и удержание их в основном потоке теплоносителя с постепенным удалением на фильтрационных системах.
Данное техническое предложение может использоваться на работающем оборудовании и, поскольку является безреагентным, позволяет существенно снизить количество образующихся на АЭС жидких радиоактивных отходов за счет отказа или уменьшения дезактиваций с использованием жидких реагентов. Кроме того, использование данного предложения позволяет предотвратить, а, при их наличии, удалить отложения солей жесткости, а также предотвратить биологическое обрастание оборудования в системах оборотного водоснабжения.
Данное техническое решение может применяться на оборудовании и трубопроводах большого диаметра - более 1000 мм до самых маленьких, при этом наибольший интерес представляют трубопроводы диаметром 150-500 мм.
Применение данного технического решения на теплообменном оборудовании позволит предотвратить выпадения солей жесткости на теплопередающих поверхностях и смыв уже существующих отложений после установки предлагаемого устройства, что приводит к улучшению теплофизических характеристик оборудования, а также к снижению специфических видов коррозии оборудования (подшламовой, язвенной, питтинговой).
В случае применения данного технического решения для предотвращения биообрастания систем технического водоснабжения эффективность работы достигается применением низких частот модуляции, отрицательно влияющих на жизнедеятельность биологических объектов.
Таким образом, использование предложенного нами устройства позволит повысить эффективность очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования.