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.

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.

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.