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.
Устройство ультразвуковое серии GENERUS состоит из генератора, кабельной сети и магнитострикционных преобразователей. В зависимости от количества преобразователей устройства серии GENERUS выпускаются на 2 (GENERUS — 200) и на 4 (GENERUS — 400) магнитострикционных преобразователя.
Для решения проблемы биологического обрастания гидроагрегатовООО «НПП «ДЖЕНЕРУС» предлагает Вашему вниманию устройства ультразвуковые серии GENERUS (рис.4) рассчитанные на непрерывный режим работы. Данное оборудование защищено патентами:
патент на полезную модель № 145687;
патент на изобретение № 2548965.
Устройства ультразвуковые серии GENERUS разрабатываются и изготовляются 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. 4. Устройство ультразвуковое GENERUS-200
Устройства серии GENERUS не входят в перечень продукции, подлежащей обязательному подтверждению соответствия в Системе ГОСТ-Р в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации №435 от 04.05.2012г. и №596 от 04.05.2012г., во исполнение пункта 3 Постановления Правительства Российской Федерации №982 от 01.12.2009г. «Об утверждении единого перечня продукции, подлежащей обязательной сертификации, и единого перечня продукции, подтверждения соответствия которой осуществляется в форме принятия декларации о соответствии». Устройство предназначено для работы в следующих климатических условиях:
а) при воздействии температуры окружающего воздуха в диапазоне от минус 4 до плюс 40ºС.
б) при воздействии относительной влажности воздуха:
— Руководство по эксплуатации и паспорт изделия — 1 шт.
Структура условного обозначения устройства
ультразвукового серии GENERUS
GENERUS – XYZ:
X — количество подключаемых преобразователей (магнитострикторов);
Y — номер модификации конструкции шкафа генератора;
Z — номер модификации платы печатной GENERUS.
Примечание
Устройство на экспорт поставляется с эксплуатационной документацией в количестве, указанном в заказе, на русском или английском языке.
Сравнение магнитострикционных материалов
для ультразвуковых преобразователей
Устройства ультразвуковые серии GENERUS могут работать как на магнитострикционную нагрузку выполненную из альфера (дифераль) рис.5, 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.
Таблица 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
Магнитострикционные преобразователи на различные гидроагрегаты без остановки технологического процесса
Сварка магнитострикционных преобразователей (рис.5) на различные гидроагрегаты может происходить без остановки технологического процесса и не влияет на работу другого промышленного оборудования.
Размещение преобразователей на гидроагрегатах определяется в каждом конкретном случае индивидуально с выездом наших специалистов, а также с учётом конструкции, защищаемой площади и количества моллюсков.
Выполнение сварного соединения (рис.6) — наиболее ответственная операция при монтаже ультразвуковых установок. От его качества зависит передача механической энергии преобразователя к защищаемой поверхности и эффективность работы всей ультразвуковой установки, а также безопасность эксплуатации гидроагрегатов. Для выполнения сварочных работ допускаются только аттестованные сварщики в соответствии с «Правилами аттестации сварщиков», и имеющие соответствующее удостоверение.
Рис.6. а) подготовка к сварке б) сварочный шов после обработки (зачистки)
Преобразователь устанавливается торцом волновода перпендикулярно к защищаемой поверхности с наружной стороны (рис.6 а). Сварочное соединение выполняется ручной электродуговой сваркой с использованием электродов марки УОНИ 13/45, УОНИ 13/55 диаметром 3мм. После выполнения сварки производится зачистка шва и околошовной зоны, а затем визуальный контроль. Недопустимыми дефектами являются трещины, раковины, непровары, свищи, скопления включений, наплывы и брызги металла. Не допускается утонение диаметра волновода, включая зону сварного шва (рис.6 б).
Обрастание водозаборов, водоводов, сетчатых фильтров и других элементов гидроагрегата, является вредным процессом, который сопровождается ухудшением параметров работы, повышением расхода энергии, усиленным из-носом механизмов и, соответственно, увеличением эксплуатационных расходов. Обрастание может вызвать затруднения с подачей воды по трубопроводам, оно разрушающе действует на защитные покрытия, усиливая коррозию конструкционных материалов. Поэтому очень важно решать проблему обрастания, так как она может привести к опасности разрушения изоляционного материала, и в конечном итоге к остановке гидроагрегата.
Серьезной проблемой при эксплуатации гидросооружений является обрастание элементов гидроагрегата моллюском – тигровая мидия – дрейссена (dreissena polymorpha) (рис.1). Особенно остро эта проблема проявляет себя на гидроэлектростанциях с проточной системой охлаждения обмоток статора генератора.
Попадание моллюсков в водоводы системы охлаждения может привести к таким нежелательным последствиям, как внеплановый останов и ремонт агрегата. Размер личинки дрейссены составляет десятки микрон, что позволяет моллюску беспрепятственно проникать в системы охлаждения через сетки фильтров. Высокая численность личинок и комфортная среда обитания способствует быстрой колонизации поверхностей. Развиваясь внутри систем охлаждения, дрейссена значительно сужает диаметры трубопроводов, вплоть до их полного блокирования (рис.2, рис. 2.1.).
Дрейссена значительно сужает диаметры трубопроводов, вплоть до их полного блокирования.Рис 2.dreissena polymorpha увеличивает скорость биокоррозии, биообрастаний. Рис 2.1.
По информации на сайте www.usgs.gov, в США наибольшая плотность дрейссены (700000 шт./м2) была зафиксирована в системе охлаждения электростанции в штате Мичиган. Диаметр трубопровода при этом был сокращен дрейссеной на 2/3 сечения. Наибольшую опасность дрейссена представляет для конденсаторов пара, поскольку ее размер достаточно велик для того чтобы внезапно оторвавшийся от трубопровода моллюск мгновенно заблокировал канал охлаждения, что приведет к локальному перегреву конденсатора. Последствия подобных внезапных блокирований каналов охлаждения непредсказуемы. В период 2003-2007 гг. из-за засорения дрейссеной остановы гидроагрегатов зафиксированы 91 раз (рис.3). Максимальное количество остановов наблюдается в период июнь – август. Из-за остановов, связанных с засорением дрейссеной, располагаемая мощность снижается на 15-20 МВт в год. Для устранения последствий засорения ежегодно тратится 1-1,5 млн. рублей. Кроме всего прочего наличие на поверхностях обрастания моллюска dreissena polymorpha увеличивает скорость биокоррозии. Масштаб затрат, в какие суммы ежегодно выливается борьба с дрейссеной, впечатляет. По оценкам экспертов конгресса США дополнительные затраты на техническое обслуживание для удаления дрейссены составили в 1993-1999 годы более 3 миллиардов долларов. В среднем на защиту от биообрастаний 1 гидроэлектростанции в США ежегодно расходуется 376000 долларов, а для атомной станции – 822000 долларов.
Из-за засорения дрейссеной остановы гидроагрегатов. Рис. 3.
На сегодняшний день существует много способов борьбы с биологическими обрастаниями. Среди химических способов наибольшее распространение имеет применение химических реагентов для промывки трубопроводов и противообрастающие покрытия. Существенными недостатками химических способов являются сложность осуществления, частота обработки, необходимость строго соблюдения техники безопасности и норм ПДК. Поскольку применение обеззараживающих веществ и химических реагентов в системах, построенных по открытой схеме, крайне ограничено вследствие большого объема обрабатываемой воды и жестких ограничений по уровню ПДК, практически все системы охлаждения работают без какой-либо защиты. Физические способы предотвращения обрастания дрейссеной представляются перспективными вследствие их безреагентности и безопасности для окружающей среды. К ним относятся ультразвуковой, воздействие постоянным и переменным электрическим током, катодная защита, электрогидравлическое воздействие, термический способ. В частности известно, что при ультразвуковом методе защиты и очистки от обрастания при интенсивности колебаний около 1-2 Вт/см2 в течение нескольких минут отмечается почти полное уничтожение бокоплавов, мидий и брюхоногих моллюсков. Результаты длительных испытаний судовых установок ультразвуковой защиты днища корабля также подтвердили эффективность этого метода.
Однако применять физические способы предотвращения обрастания нерентабельно вследствие низкой производительности, сложности эксплуатации и большого расхода электроэнергии. В частности это было связано с использованием старых советских ультразвуковых генераторов построенных на тиристорах и имеющих ряд схемотехнических недостатков, а в следствии этого они имели большой расход электроэнергии, высокую стоимость и низкую акустическую мощность. Ситуация изменилась с появлением мощных высокочастотных транзисторов, современных схемотехнических решений, новых магнитострикционных излучателей и способов их возбуждения и пьезоэлектрических керамических материалов, на основе которых стало возможным создание малогабаритных, надежных, простых в эксплуатации и дешевых ультразвуковых генераторов и излучателей. Компания ООО «ДЖЕНЕРУС» предлагает Вашему вниманию ультразвуковой метод защиты и очистки от биообрастания различных гидроагрегатов. Данный метод основан на возбуждении защищаемой поверхности высокочастотными колебаниями, которые угнетающе действует на дрейссену, что предотвращает ее рост, дальнейшее образование новых колоний и уменьшению уже образовавшейся колонии. Для этих целей нашей компанией разработан новый импульсный ультразвуковой генератор серии GENERUS, который по своим тактико-техническим характеристикам превосходит все имеющиеся на российском рынке аналогичные импульсные ультразвуковые установки. Применение ультразвукового метода исключает загрязнение окружающей среды. Капитальные вложения, связанные с приобретением, монтажом и наладкой устройств серии GENERUS, окупаются в течение нескольких месяцев их работы.
Устройство ультразвуковое серии 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, а также по потребности заказчика могут выпускаться GENERUS – 100 и GENERUS – 300.
Для ускорения процессов тепломассоэнергообмена ООО «НПП «ДЖЕНЕРУС» предлагает Вашему вниманию устройства ультразвуковые серии GENERUS (рис.3). Данное оборудование защищено следующими патентами:
патент на полезную модель № 145687;
патент на изобретение № 2548965;
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 серии GENERUS были использованы самые передовые схемотехнические решения, что повышает его надежность, уменьшает энергопотребление и увеличивает выходную мощность.
Рис. 3. Устройство ультразвуковое GENERUS-200
Структура условного обозначения устройства
ультразвукового серии GENERUS
GENERUS – XYZ:
X — количество подключаемых преобразователей (магнитострикторов);
Y — номер модификации конструкции шкафа генератора;
Z — номер модификации платы печатной GENERUS.
Фотографии установленных генераторов
Рис. 4 Устройство ультразвуковое GENERUS-400Рис. 5 Устройство ультразвуковое USP-500M (GENERUS-400)Устройства ультразвуковые на крахмальном заводеУльтразвуковая ванна на узле перетира картофеля
Сравнение магнитострикционных материалов для
ультразвуковых преобразователей
Устройства ультразвуковые серии GENERUS могут работать как на магнитострикционную нагрузку выполненную из альфера (дифераль) рис.6, так и на магнитострикционную нагрузку выполненную из пермендюра (кобальт) рис.7, а также из никеля, что показывает универсальность генератора GENERUS по сравнению с другими производителями. Сравнительные характеристики сплавов представлены в таблице 1.
Сварка магнитострикционных преобразователей (рис.6, рис.7) на различное оборудование может происходить без остановки технологического процесса и не влияет на работу другого промышленного оборудования.
Размещение преобразователей определяется в каждом конкретном случае индивидуально с выездом наших специалистов.
Выполнение сварного соединения (рис.8) — наиболее ответственная операция при монтаже ультразвуковых установок. Для выполнения сварочных работ допускаются только сварщики, аттестованные в соответствии с «Правилами аттестации сварщиков», и имеющие соответствующее удостоверение.
Рис.8. а) подготовка к сварке б) сварочный шов после обработки (зачистки).
Преобразователь устанавливается торцом волновода перпендикулярно к защищаемой поверхности с наружной стороны (рис.8 а). Сварочное соединение выполняется ручной электродуговой сваркой с использованием электродов марки УОНИ 13/45, УОНИ 13/55 диаметром 3мм. После выполнения сварки производится зачистка шва и околошовной зоны, а затем визуальный контроль. Недопустимыми дефектами являются трещины, раковины, непровары, свищи, скопления включений, наплывы и брызги металла. Не допускается утонение диаметра волновода, включая зону сварного шва (рис.8 б).
В пищевой промышленности применение ультразвуковой техники даёт значимый эффект в целом ряде технологических процессов, в т.ч. для стерилизации, пастеризации и дезинфекции продуктов. Благодаря ультразвуковым колебаниям повышается качество пищевых продуктов, и интенсифицируются (улучшаются) технологические процессы их изготовления. Рядом исследований установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворение веществ, активизировать реакции, интенсифицировать технологические процессы. Воздействие ультразвуковых колебаний на физико-химические процессы в пищевой промышленности дает возможность повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать новые продукты с новыми потребительскими свойствами. Наиболее перспективным и достаточно освоенным использованием ультразвуковых технологий являются следующие технологические процессы:
— приготовление пищевых водных и водо-жировых эмульсий в мясомолочной, кондитерской, пищевкусовой отраслях промышленности, при изготовлении колбас, молочных продуктов, соков, пива и т.д.;
— низкотемпературная обработка продуктов с целью «мягкой» варки;
— диспергирование, гомогенизация и пастеризация сырья, полуфабрикатов и продуктов;
— биологическая активизация пищевых продуктов с целью улучшения потребительских и лечебно — биологических свойств;
— мгновенная варка водомучных суспензий в хлебопекарных и спиртовых технологиях;
— подавление микробиологических процессов в диффузионных аппаратах при производстве сахара за счет ультразвука;
— интенсификация диффузионного процесса в диффузионных аппаратах при производстве сахара за счет ультразвука;
— очистка диффузионного сахарного сока;
— осаждение вино — кислых солей, содержащихся в вине;
— обеззараживание воды (рис.1).
(рис.1).
Ультразвуковая обработка молока
Особенность многих компонентов молока в том, что природа не повторяет их ни в каком другом продукте питания. В молоке жир распределен в виде жировых шариков, окруженных сложной белковой оболочкой, т.е. представляет собой эмульсию молочного жира в воде. Размер жировых шариков колеблется от 1 до 5мкм. Причем количество жировых шариков, имеющих размер более 2мкм, составляет более 50% и зависит от породы и индивидуальных особенностей коровы. Питательная ценность молока в значительной степени определяется размерами частиц жира в молоке. Сверхтонкое дробление жира в эмульсиях очень сильно изменяет свойства исходного продукта. Известно, что дробление жировых шариков молока до меньших, чем в исходном состоянии, размеров на треть повышает питательную ценность молока. Оптимальной является обработка молока при температуре 55–70ºС, позволяющая получать более 80% от общего числа жировых шариков размером менее 2мкм. При такой обработке молока происходит пастеризация молока. При этом количество болезнетворных бактерий существенно сокращается за 8–10мин обработки сырого молока (250мл), обеспечивается снижение обсемененности до нормы (менее 200000КОЕ в 1мл.). При ультразвуковой обработке молока, не происходит разрушения наиболее лабильной части витамина С и его содержание остается практически равным исходному – 0,83мг (пастеризация паром снижает концентрацию до 0,65мг, инфракрасным излучением – до 0,75мг, кипячение практически полностью разрушает витамин С). При достаточной плотности ультразвука происходит стерилизация молока. В отличие от стерилизации и кипячения при ультразвуковой обработке молока не происходит разрушение витамина С. Таким образом, УЗ обработка обеспечивает повышение питательной ценности молока его пастеризацию (холодная пастеризация), гомогенизацию и стерилизацию. Ультразвуковая гомогенизация находит применение в производстве цельного, сгущенного, стерилизованного, сухого молока, а также сливок, сметаны, плавленых и твердых сыров и кисломолочных продуктов. Ультразвук эффективен при изготовлении обогащенных биологически активными веществами и витаминами молочных смесей, майонезов, кремов и др.
Следует отметить еще несколько положительных сторон УЗ обработки молока, способных найти широкое применение:
Обработанное УЗ и замороженное для длительного хранения молоко после размораживания полностью сохраняет свои питательные и вкусовые качества;
Сухое молоко, выработанное из обработанного ультразвуком, хранится значительно дольше. При восстановлении не отличается от натурального;
При ультразвуковой обработке пригодного к употреблению молока (в т.ч. пастеризованного) в домашних условиях в течение нескольких минут, кислотность молока не повышается более 5 часов.
Использование ультразвука при получении крахмала
Ультразвуковая обработка является эффективным средством разрушения структуры клеток (рис.2). Этот эффект можно использовать для извлечения внутриклеточных материалов, например, крахмала, из матрикса клетки.
Ультразвуковая обработка образует в обрабатываемой жидкости области пониженного и повышенного давления. В ходе цикла низкого давления ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или пустоты. Это явление называется кавитацией. Разрыв кавитационных пузырьков вызывает образование гидродинамических сил трения большого значения. Данные силы способны расщеплять волокнистые и целлюлозные материалы на тонкие частицы, а также разрушать стенки клеток. Благодаря этому внутриклеточные вещества в большом количестве высвобождаются и попадают в жидкость. Кроме того, стенки клеток разрушаются на мелкие части. Данный эффект может использоваться при ферментации, гидролизе и в других процессах преобразования органических веществ. Помимо измельчения и дробления, ультразвуковая обработка позволяет выделять из клеток внутриклеточные материалы, например крахмал, а из остатков клеточных стенок – ферменты, которые превращают крахмал в сахар. Также ультразвуковая обработка позволяет увеличить площадь поверхности, подвергающейся воздействию ферментов при диастатическом разжижении или сахарообразовании. Это, как правило, позволяет увеличить скорость и объем выхода дрожжевого брожения, а также повысить эффективность других процессов, например, увеличить производство этанола из биомассы.
Ультразвуковая обработка -эффективное средство разрушения структуры клеток. Рис. 2.
В Ибресинском районе Чувашской Республики на крахмальном заводе в 2008 году был установлен ультразвуковой генератор серии USP1 (GENERUS) на измельчитель картофеля, где выход крахмала был увеличен на 13-15% по сравнению с традиционным способом.
Бренд USP1 в настоящее время снят с производства, с заменой на усовершенствованную серию GENERUS.
Ультразвуковая обработка соков и пива
Свежий сок – это перенасыщенный раствор винного камня. Достаточно слегка охладить сок, а иногда просто встряхнуть его, как немедленно выпадают кристаллики соли. Никакой фруктовый сок не доставляет производственникам столько хлопот, сколько виноградный. Сейчас его интенсивно облучают ультразвуковыми колебаниями, которые в десятки раз ускоряют выпадение винного камня. Используют ультразвук и при отжимании сока, так как он быстро разрушает органическую ткань. При облучении виноградных ягод ультразвуком часть мякоти, которая раньше шла в отход, перерабатывается в чистый виноградный сок, что увеличивает выход сока на 8%.
Опыты показали, что ультразвук ускоряет экстрагирование горьких веществ из хмеля, способствует лучшему сохранению в нем ароматических веществ. Применение ультразвуковых установок на пивоваренных заводах позволяет значительно сократить расход хмеля. Кроме всего прочего пастеризацию пива и соков можно также выполнять с использованием ультразвука – как один из видов холодной пастеризации.
Ультразвуковая обработка сои и семян
Ультразвуковая обработка часто используется для улучшения извлечения липидов и белков из семян растений, таких как соевые бобы (например, мука или обезжиренные соевые бобы) или прочих масличных семян. В этом случае разрушение стенок клеток облегчает (холодное или горячее) прессование, снижая, тем самым, количество остаточного масла или жира в отжиме. Ультразвук способен пептизировать белки сои при практически любом коммерческом выходе и величина ультразвуковой энергии, требуется достаточно низкая.
Из протокола испытаний известно, что на фирме ЗАО «СОЯ-Ч» в 2001 году был установлен ультразвуковой генератор серии USP (GENERUS) на экстрактор УСМ-150 для интенсификации процесса экстрагирования при получении белка из сои. При традиционной технологии выход белка (тофу) составил 3,4кг. С применением ультразвуковой технологии USP (GENERUS) выход белка составил 4,0кг, что составляет 17%.
Использование ультразвука для интенсификации технологий производства спирта
На основании многофункциональности действия ультразвука разработан способ интенсификации технологии спирта с использованием ультразвукового воздействия в процессе водно-тепловой обработки пшеницы с одновременным уменьшением летучих примесей спирта в бражке, позволивший:
— сократить продолжительность приготовления сусла на 2ч;
— уменьшить количество ферментного препарата на 47%;
— уменьшить степень помола пшеницы до 65% прохода через сито по сравнению с 90 — 95% в контроле;
— сократить процесс брожения на 8ч;
— увеличить выход спирта на 0,2дал/т условного крахмала;
— снизить содержание летучих примесей в бражке на 43 — 45%;
— микробиологический анализ показал отсутствие микрофлоры.
Способ позволяет исключить из традиционной схемы производства спирта часть технологического оборудования. Опыт использования ультразвуковой варки дает основания считать возможным распространение его и на другие процессы спиртового производства – осахаривание, активизацию бражки, коагуляцию барды, ректификацию и т.д. Таким образом, использование ультразвуковых аппаратов в тепломассоэнергообменных процессах спиртового производства позволяет надеяться на радикальные изменения технологии водно-тепловой обработки зерна.
Ультразвукова переэтерификация масел в биодизель
Ультразвуковая обработка увеличивает скорость и выход химической реакции при переэтерификации растительных масел и животных жиров в биодизель. Это позволяет изменить режим работы производственной установки с порционного на поточный, а также снизить капиталовложения и эксплуатационные затраты. Биодизель обычно производится в периодическом реакторе с использованием тепловой и механической энергии для перемешивания. Перемешивание с применением действия ультразвуковой кавитации является одним из альтернативных методов перемешивания, позволяющим достичь лучших результатов при промышленной обработке. Ультразвуковая кавитация обеспечивает необходимую энергию активации веществ, для промышленного процесса переэтерификации. Ультразвуковая обработка биодизельного топлива включает в себя следующие этапы:
— растительное масло или животный жир перемешивается с метиловым (для метилового эфира) или этиловым спиртом (для этилового эфира) и гидроксидом или метилатом натрия или калия;
— данная смесь подогревается, например, до температуры от 45 до 65°С;
— подогретая смесь подвергается ультразвуковой обработке в потоковом режиме;
— полученное биодизельное топливо отделяется от глицерина;
Сегодня биодизельное топливо в основном производится в периодических реакторах (порционный режим). Применение ультразвука позволяет осуществлять обработку в потоковом режиме. Ультразвуковая обработка позволяет достичь выхода биодизельного топлива свыше 99%. Применение ультразвука уменьшает время обработки с 1 — 4 часов (в порционном режиме) до менее 30 сек. Еще более важно, что ультразвуковая обработка уменьшает время разделения биодизеля и глицерина с 5 — 10 часов до менее чем 60 минут. Ультразвуковая обработка также помогает уменьшить количество катализатора до 50% за счет увеличения химической активности веществ посредством кавитации. При ультразвуковой обработке количество используемого спирта также сокращается. Еще одним преимуществом данного метода является повышение уровня чистоты получаемого глицерина.
Ультразвуковое воздействие – эффективный способ ускорить химическую реакцию в процессе производства биодизеля. Стоимость такого процесса производства напрямую зависит от количества средств, вложенных в ультразвуковое оборудование, расходов на обслуживание и стоимости электроэнергии. Чрезвычайная энергоэффективность ультразвукового оборудования серии GENERUS помогает снизить затраты электроэнергии и сделать процесс производства еще более экологически чистым.
Таким образом, использование ультразвуковых технологий в различных пищевых производствах позволяет:
— во много раз увеличить скорость физико-химических процессов;
— снизить энерго и ресурсозатраты;
— интенсифицировать процессы тепломассоэнергообмена;
— радикально изменить аппаратурные оформления техпроцессов в сторону уменьшения металлоемкости и совмещения нескольких операций;
— освободить производственные площади;
— получить новые виды продуктов с биологически активными лечебными свойствами;
— снизить себестоимость продукции.
Вместе с тем необходимо отметить следующее – внедрение ультразвуковых технологий в ряде случаев влечет за собой корректировку некоторых параметров технологических процессов.
