Для технико-экономического обоснования приведём акт производственных испытаний ультразвуковых устройств серии GENERUS (USP-M) установленных в трикотажно-отделочном цехе чулочно-трикотажной фабрики (г. Чебоксары) на красильном оборудовании «Софт — Флоу» (рис.8).
Рис. 8
На данном красильном оборудовании производиться крашение трикотажного полотна в черный цвет прямым красителем по утвержденному режиму. За 15 дней использования ультразвуковых устройств было прокрашено 56 партий полотна (7017,1 кг). При этом произведена следующая корректировка действующих режимов:
— на 30% сокращена общая продолжительность режима крашения полотна и составила 270 минут (по утвержденному режиму – 385 минут), в том числе, операция крашения составила 80 минут (по утвержденному режиму – 115 минут);
— на 10% уменьшена концентрация красителя.
Результаты испытаний:
1. Сокращение общей продолжительности режима крашения не ухудшило качества готового трикотажного полотна.
2. Сокращение концентрации красителя не привело к отклонению от утвержденного цвета.
Вывод: использование ультразвуковых устройств серии GENERUS (USP-M) положительно влияет на интенсификацию процесса крашения, позволяет получить экономию красителей и сократить время отделки трикотажного полотна.
Кроме этого проведено испытание ультразвуковых устройств GENERUS (USP-M) на оборудовании «Колормат-800» (рис.9) и (рис.10) при крашении чулочно-носочных изделий, где также сокращена продолжительность технологических режимов крашения на 30% и уменьшена концентрация красителей. Таким образом ультразвуковое устройство серии GENERUS (USP-M) позволяет интенсифицировать процесс крашения без ухудшения качественных показателей чулочно-носочных изделий.
Рис. 9 Установленный ультразвуковой генератор на «Колормат-800»Рис. 10 Установленный излучатель ультразвука на «Колормат-800»
Устройство ультразвуковое GENERUS состоит из генератора, кабельной сети и магнитострикционных преобразователей (излучатели ультразвука). В зависимости от количества преобразователей устройства серии GENERUS выпускаются на 2 (GENERUS — 200) и на 4 (GENERUS — 400) магнитострикционных преобразователя.
Для ускорения процессов крашения на различном красильном оборудование ООО «ДЖЕНЕРУС» предлагает Вашему вниманию устройства ультразвуковые серии GENERUS (рис.3) рассчитанные на непрерывный режим работы.
Данное оборудование защищено следующими патентами:
1) патент на полезную модель № 145687;
2) патент на изобретение № 2548965;
3) свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2015618238.
Наше оборудование разрабатывается и изготовляется на современной элементной базе и в соответствии с ТУ 3444-001-37306142-2013. При разработке устройств ультразвуковых GENERUS были использованы самые передовые схемотехнические решения, что повышает его надежность, уменьшает энергопотребление и увеличивает выходную мощность.
Рис. 3 Устройство ультразвуковое GENERUS-200
Установка устройства на красильном объекте не требует согласования с организациями, проектирующими объекты.
Структура условного обозначения устройства
ультразвукового GENERUS GENERUS – XYZ: X — количество подключаемых преобразователей (магнитострикторов); Y — номер модификации конструкции шкафа генератора: Z — номер модификации платы печатной GENERUS.
Фотографии установленных генераторов на объектах текстильной промышленности России
Рис. 4 Устройство ультразвуковое GENERUS-400 в красильном цехеРис. 5 Преобразователи ПМД-02 на промывочном бакеРис. 6 Преобразователи ПМД-02 на красильном баке
Сравнение магнитострикционных материалов для ультразвуковых преобразователей
Устройства ультразвуковые серии GENERUS могут работать как на магнитострикционную нагрузку выполненную из альфера (дифераль) рис.7, так и на магнитострикционную нагрузку выполненную из пермендюра (кобальт), а также из никеля, что показывает универсальность прибора GENERUS. Сравнительные характеристики сплавов представлены в таблице 1.
Технические характеристики
Пермендюр
Дифераль
Магнитострикционная
постоянная 107 Н/кв.м. Т
2,2
1,15
Индукция насыщения 10-1Т
24
12
Магнитострикция
насыщения 10-6
+70
+40
Температура Кюри °С
980
600
Предел магнитострикционного
напряжения 105 Н/кв.м
80
34
Рис. 7 Излучатели ультразвука
Сварка магнитострикционных преобразователей (рис.7) на различное красильное или прядильное оборудование происходит без остановки технологического процесса и не влияет на работу красильного или прядильного оборудования.
Одной из основных проблем в текстильной промышленности (рис.1) является увеличенный расход краски и времени крашения, что в свою очередь приводит к увеличенным финансово — временным затратам при производстве продукции. В льняной промышленности наибольший удельный вес по количеству занятых рабочих и использованию производственных площадей занимают прядильные и крутильные машины (рис.2). Поэтому вопросы повышения производительности прядильных машин, улучшения условий труда, совершенствования технологии процесса, повышения качества пряжи и снижения обрывности в прядении являются исключительно актуальными.
Рис. 1
Одним из способов, позволяющих интенсифицировать процесс мацерации льняного волокна при выработке суровой пряжи — является применение упругих колебаний, генерируемых в жидкой среде . Строение льняного технического волокна является хорошим объектом воздействия упругих колебаний жидкой среды. Перед вытягиванием ровницы в мокром прядении она проходит через корыто с водой, где происходит набухание клеящих веществ. Упругие колебания, генерируемые в прядильном корыте, способствуют проникновению молекул воды вглубь ровницы. Исследованиями доказано, что при выработке суровой пряжи мокрым способом прядения из льняной ровницы с применением ультразвукового устройства рекомендуется снизить температуру воды в прядильном корыте. Применение ультразвука при выработке суровой ровницы экономически целесообразно, т. к. снижаются расходы на тепловую энергию.
Рис. 2
Применение ультразвука позволяет снизить себестоимость крашения в красильном оборудование без ухудшения качества пряжи, процесс крашения протекает без использования давления, при более низкой температуре, с сокращением времени крашения и количества промывок.
Разработка ультразвуковых методов стимуляции технологических процессов с успехом могут быть использованы во многих областях легкой промышленности, так в частности, в текстильной промышленности ультразвуковое воздействие приводит к стимулированию таких процессов, как подготовка тканей к колорированию, получение ацетатного волокна, обезжиривание тканей. Особо следует обратить внимание на возможность ультразвукового стимулирования активности энзимов, используемых при обработке хлопчатобумажных тканей, переработки древесины.
Кроме всего прочего известны положительные результаты применения ультразвука для отмывания загрязнений с тканей:
— процесс отмывания загрязненных тканей значительно ускоряется и может проводиться при относительно низких температурах (40-50 C);
— имеет место обеззараживание тканей и сточных вод;
— лучше сохраняются механические свойства тканей.
Экспериментальные исследования по стирке ткани с помощью магнитострикционного излучателя на частоте и интенсивностью в мыльно содовом растворе (3г/л ) при температуре показали, что качество стирки хлопчатобумажной ткани вместе с дезинфекцией (полное уничтожение бактерий) удовлетворительное. Соответственно упругие колебания способствуют интенсификации процесса стирки, улучшая гигиенические свойства обрабатываемой текстильной ткани, увеличивают пенообразующие и эмульгирующие свойства моечных веществ.
Очевидно, что генератор GENERUS – 400 превосходит по всем параметрам генераторы других производителей, что отвечает стратегии нашей компании.
*Генератор GENERUS с модификациями Y и Z выше 0.
Сравнение магнитострикционных материалов для ультразвуковых преобразователей
Таблица 6
Технические характеристики
Пермендюр
Дифераль
Магнитострикционная
постоянная 107 Н/кв.м. Т
2,2
1,15
Индукция насыщения 10-1Т
24
12
Магнитострикция
насыщения 10-6
+70
+40
Температура Кюри °С
980
600
Предел магнитострикционного
напряжения 105 Н/кв.м
80
34
Графические сравнение работы генераторов
Рис. 9. Временная характеристика USP-900 на холостом ходуРис. 10. Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь «Дифераль» на холостом ходуРис. 11. Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь «Пермендюр» на холостом ходуРис. 12. Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь «Пермендюр» на холостом ходу (масштаб 10В в клетке)
Очистка теплообменного оборудования достаточно трудоемкий процесс, проводящийся силами обслуживающего персонала или силами сторонних организаций, занимающихся котлоочисткой. Затраты на механическую и химическую очистки достаточно высоки и существенно возрастают из-за удаленности и разбросанности объектов. Ориентировочные годовые затраты на проведение механической или химической котлоочисток приведены в таблице 2:
Таблица 2
Мощность котла, МВт
Стоимость одной механической чистки, руб.
Стоимость одной химической чистки, руб.
Годовые затраты при проведении ежеквартальной механической чистки, руб.
Годовые затраты при проведении ежеквартальной механической чистки, руб.
До 0,1 (Загородный дом)
От 8 000,00
От 12 000,00
От 32 000,00
От 48 000,00
До 1.5
От 40 000,00
От 70 000,00
От 160 000,00
От 280 000,00
От 1.5 до 2.4
От 40 000,00
От 90 000,00
От 160 000,00
От 360 000,00
От 2.4 до 4.9
От 60 000,00
От 100 000,00
От 240 000,00
От 400 000,00
От 4.9 до 9.9
От 80 000,00
От 120 000,00
От 320 000,00
От 480 000,00
От 9.9 до 19.9
От 130 000,00
От 170 000,00
От 520 000,00
От 680 000,00
От 20 до 30
От 180 000,00
От 250 000,00
От 720 000,00
От 1 000 000,00
От 30 до 50
От 200 000,00
От 270 000,00
От 800 000,00
От 1 080 000,00
ООО «НПП «ДЖЕНЕРУС» был проведен ряд работ для оценки эффективности применения ультразвуковой технологии методом сравнения. Устройство противонакипное GENERUS – 200 было установлено на кожухотрубном четырехсекционном водоводяном подогревателе. Эксплуатация устройства GENERUS – 200 позволила примерно в 3 раза сократить скорость образования накипи по сравнению с таким же водоводяным подогревателем без противонакипных устройств.
Установка на теплообменное оборудование устройства противонакипного GENERUS позволяет увеличить период между чистками примерно в три раза, что значительно сокращает годовые затраты на очистку оборудования.
Для уменьшения стоимости непроизводительных затрат при эксплуатации теплообменного оборудования необходимо избавиться от накипных отложений.
В настоящее время одним из наиболее эффективных и экономически выгодных является ультразвуковой метод борьбы с накипными отложениями.
С помощью устройств GENERUS возможно получить значительный экономический эффект за счёт снижения потребления топлива: из графика (рис. 8) можно увидеть, что чем меньше толщина накипи, тем меньше топлива понадобится для поддержания одной и той же температуры. Таблицы №3 и №4 позволяют рассчитывать количество перерасхода газа и его стоимость применительно к некоторым типам котлов и теплообменников.
Рис. 8. Влияние толщины накипи на перерасход топлива.
Таблица 3
N° п/п
Марка котла
Производительность, Гкап/час
Толщина накипи
δ=0,5 мм
5=4,0 мм
Перерасход газа, куб. м.
Сумма, руб.
Перерасход газа, куб.м.
Сумма, руб.
1.
Е 1/9
0,6
30
112,00 / 40880,00
132
500,50 /
182682,50
2.
ВК 22
2,2
109
420,00 / 153300,00
483
1841,00 /
671965,00
3.
КВЗГМ-4
4
199
756,00 / 275940,00
575
3346,00 /
1221290,00
4.
КВГ-6,5 ДКВР-10/13
6,5
324
1239,00 / 452235,00
1429
5449,50 / 1989067,50
Зависимость перерасхода газа от толщины накипи для некоторых типов котлов, за сутки/за год (стоимость 1000 куб.м газа 3813,55 руб. без НДС)
Марка теплообменника
Производительность, Гкал/час
Поверхность
нагрева сеции,М. кв.
Толщина накипи
д=0,5 мм
Д=4,0
Перерасход газа, куб.м.
Сумма, руб.
Перерасход газа, куб.м.
Сумма, руб.
ПВ-57х1,0-СГ
0,012
0,37
0,6
1,79 / 654,00
2,6
10,05 / 3666,42
ПВ-168×2-1,0-СГ
0,093
3,40
4,6
14,70 /
5365,50
20,4
77,00 /
28105,00
ПВ-325х4-1,0-СГ
0,8
28,0
40
128,80 /
47012,00
176
668,50 /
244002,50
Зависимость перерасхода газа от толщины накипи для некоторых типов водо-водяных теплообменников за сутки/за год при стоимости газа 3813,55 руб. за 1000 куб. м без НДС
Особенности ультразвуковой технологии позволяют получить дополнительный эффект: во-первых, накопившаяся на внутренних стенках накипь начинает отслаиваться и затем удаляется продувкой, во-вторых, при постоянной работе устройства накипь не образуется. Кроме вышеназванного, противонакипные колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Явление снижения гидродинамического сопротивления эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внутренних поверхностей труб, где в обычных условиях в теплообменном оборудовании сохраняется кислород, источник кислородной коррозии. Таким образом, использование ультразвука позволяет устранять и этот источник порчи теплового оборудования. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.
Исходя из вышеизложенного и на основании экономических расчетов, подкрепляющих обоснованность применения противонакипных устройств, целесообразно применение GENERUS на всем спектре теплообменного оборудования.
Капитальные вложения, связанные с приобретением, монтажом и пуско-наладкой устройства GENERUS окупаются в течение 2-6 месяцев в зависимости от типов теплообменного оборудования, на котором оно будет смонтировано и жесткости воды.
Для решения проблем связанных с отложениями на теплообменном оборудовании ООО «НПП «ДЖЕНЕРУС» предлагает Вашему вниманию устройства противонакипные серии GENERUS (рис.4) рассчитанные на непрерывный режим работы. Данное оборудование защищено патентом № 145687, разрабатывается и изготовляется на современной элементной базе и в соответствии с ТУ 3444-001-37306142-2013. При разработке устройств GENERUS были использованы самые передовые схемотехнические решения, что повышает его надежность, уменьшает энергопотребление и увеличивает акустическую мощность.
Рис. 4. Устройство ультразвуковое GENERUS-200
Устройство GENERUS устанавливается на паровых и водогрейных котлах (до 13 атмосфер) низкого давления барабанного типа, бойлерах, конденсаторах, опреснителях, сетевых водонагревателях, воздухоохладителях компрессоров, воздухоподогревателях калориферов и другом теплообменном оборудовании, применяемом в теплоэнергетике, нефтяной, судостроительной, коммунальном хозяйстве и других областях. Установка устройства на объекте (котельная, бойлерная и т.д.) не требует согласования с организациями, проектирующими объекты.
Структура условного обозначения устройств противонакипных серии GENERUS
GENERUS – XYZ:
X— количество подключаемых преобразователей (магнитострикторов);
Y— номер модификации конструкции шкафа генератора;
Z— номер модификации платы печатной GENERUS.
Фотографии установленных генераторов на объектах теплоэнергетики России
Рис. 5. GENERUS-200 на параводянном подогревателеРис. 6. GENERUS-200 на пластинчатом теплообменнике «РИДАН»Рис. 7 GENERUS-200 на кожухотрубном подогревателе
Технические характеристики устройств противонакипных серии GENERUS
Устройство противонакипноеGENERUS состоит из транзисторного генератора, кабельной сети и магнитострикционных преобразователей. Данный генератор может работать с магнитострикционными преобразователями выполненные как из сплавов «дифераль», так и из сплавов «пермендюр» и никеля.
В зависимости от количества преобразователей устройства серии GENERUS выпускаются на 2 (GENERUS — 200) и на 4 (GENERUS — 400) магнитостриктора.
Известно, что основной проблемой в теплоэнергетике является увеличенный расход энергоресурсов, который связан с целым рядом причин: это старое и изношенное оборудование, плохое качество воды, нарушение технологических процессов и т.д. Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются теплоэнергетики, является образование карбонатных отложений и других видов накипи на стенках теплообменного оборудования.
Рис. 1. Образование накипи на кожухотрубном подогревателе за 3 месяца использованияУвеличенное изображение
Эта проблема приводит к значительному перерасходу топлива, снижению коэффициента полезного действия оборудования, сокращению межремонтных сроков, увеличению затрат на обслуживание и ремонт.
Существует несколько физических методов, уменьшающих скорость образования накипи. Все они способствуют кристаллизации солей жесткости в толще воды и препятствуют достижению кристаллами размеров, необходимых для образования осадка. Наряду с традиционными способами решения этой проблемы (химической подготовкой нагреваемой воды и соблюдением оптимальных температурных и скоростных режимов), на сегодняшний день широко применяется безреагентный и в частности акустический (ультразвуковой) метод.
Ультразвуковая технология выделяется в этом ряду тем, что воздействует на образование и оседание накипи несколькими различными способами в зависимости от частотного диапазона:
1. При озвучивании воды ультразвуком достаточной интенсивности, происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов солей жесткости. При контакте твердого тела с жидкостью накипь образуется на твердом теле. Это может быть или теплообменная поверхность или взвешенные в воде частицы, являющиеся центрами кристаллизации растворенных в воде солей. В обычных условиях общая площадь поверхности взвешенных в воде частиц меньше площади теплообменной поверхности оборудования и именно на ней и происходит образование накипи. Но под воздействием ультразвука происходит раскалывание кристаллов карбоната кальция, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности.
Под действием ультразвука в воде резко (примерно в 1000 раз) возрастает количество центров кристаллизации. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в жидкость, в толщу воды, к кристаллизации солей непосредственно в водной массе, что связано с появлением под действием ультразвука большого количества зародышей кристаллов, к постоянному возникновению, росту и раскалыванию кристаллов солей.
2. Ультразвук возбуждает высокочастотные колебания в металлической теплообменной поверхности. Распространяясь по поверхности, противонакипные колебания препятствуют формированию на ней накипных отложений, замедляя осаждение образующихся кристаллов солей. За счет различной механической жесткости металла и слоя накипных отложений изгибные колебания теплообменной поверхности разрушают формирующийся слой накипи. А если на теплообменной поверхности уже был слой накипи, то ультразвук разрушает его, что сопровождается отслоением и откалыванием кусочков накипи. Размеры этих кусочков зависят от толщины слоя накипи и увеличиваются с ее ростом. При значительной толщине слоя образованной ранее накипи, существует опасность засорения и закупорки каналов. Поэтому одним из основных требований успешного применения ультразвуковой технологии является предварительная очистка, насколько это возможно, от старого слоя накипных отложений.
Следует иметь в виду, что некоторых случаях применение противонакипных устройств не избавляет от накипи навсегда, но скорость оседания накипи уменьшается в несколько раз. В самых тяжелых случаях – при воде с карбонатной жесткостью более чем 10 мг-экв/литр, срок службы нагревателя между чисткой или заменой трубного пучка увеличивается не менее, чем в три раза. При жёсткости воды менее 8 мг-экв/литр, срок службы между чистками увеличивается в 4..5 раз. А для котлов и теплообменников, в которых за год образуется не более 2 мм отложений, о проблемах с накипью можно забыть.
3. Под воздействием противонакипных колебаний в толще воды образуется множество кавитационных пузырьков. Вокруг них, как центров кристаллизации, непосредственно в воде начинают образоваться соли жесткости, образуя мелкодисперсный шлам. Колебания поверхности нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Таким образом, частицы труднорастворимых солей практически не оседают на стенках оборудования, а остаются во взвешенном состоянии и удаляются потоком жидкости или продувкой.
Кроме того, противонакипные колебания оказывают разрушающее действие на ранее образовавшуюся НАКИПЬ. Противонакипные колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связи внутри карбонатных отложений, а также между карбонатным отложением и металлом нарушается, и при этом образуются трещины. Вода под действием капиллярных сил проникает через трещины- капилляры к поверхности нагрева, где она мгновенно испаряется, вызывая вспучивание и отслаивание карбонатных отложений. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки карбонатных отложений скапливаются в нижней части теплообменного оборудования и удаляются периодической продувкой.
Рис. 3 Кожухотрубный подогреватель после применения противонакипных устройств
Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования карбонатных отложений и сохранением за счет этого эффективности теплотехнического оборудования. Противонакипные колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания жидкости на границе двух сред металл-жидкость, что также способствует увеличению теплопередачи. Явление снижения гидродинамического сопротивления особенно эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внутренних поверхностей труб, где в обычных условиях (без ультразвука) в теплообменном оборудовании сохраняется кислород из воздуха, а при воздействии противонакипных колебаний он легко выходит из этих щелей.
В результате этого исключается один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие противонакипных импульсов на внутреннюю поверхность труб, обладающую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин. Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.
Приведенные выше факторы взаимосвязаны и в совокупности являются причиной положительного воздействия ультразвука на процессы предотвращения образования карбонатных отложений, снижения коррозии металла и повышения эффективности работы теплообменного оборудования.
Применение ультразвукового метода исключает загрязнение окружающей среды вредными стоками водоподготовительных установок, а стоимость обработки 1м3 воды этим способом, как показывают ориентировочные расчеты, в 200 — 250 раз ниже стоимости химической обработки.
Капитальные вложения, связанные с приобретением, монтажом и наладкой устройств противонакипных серии GENERUS, окупаются в течение нескольких месяцев их работы.
