МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ОЧКОВ Валерий Федорович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Специальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции (тепловая часть)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва                                                                                                                       1979

Работа выполнена на кафедре Технологии воды и топлива

Московского ордена Ленина энергетического института.

Научный руководитель         – доктор технических наук профессор Мартынова О.И.

Официальные оппоненты    – доктор технических наук профессор Акользин П.А.

– кандидат технических наук Мамет В.А.

Ведущее предприятие – ВНИПИЭнергопром.

Защита диссертации состоится 8 июня 1979 г. в аудитории Б-207 в 16 часов 00 минут на заседании специализированного Совета К-053-16.01 Московского ордена Ленина энергетического института по адресу: 105835 ГСП, г. Москва, Е-250, Красноказарменная ул.д.14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать по указанному адресу.

Автореферат разослан 8 мая 1979 г.

УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА

к.т.н. доцент                                                                                      Ю.М.ЛИПОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению применения высокоминерализованных вод в качестве теплоносителя в энергетическом оборудовании различных отраслей промышленности. Это объясняется с одной стороны, увеличением дефицита пресной воды и повышением степени минерализованности исходных водоемов, а с другой стороны, перспективностью и выгодностью организации технологии опреснения морских и солоноватых вод на базе ТЭС с использованием низкопотенциального тепла паротурбинных установок, расширением использования дистилляционных и мембранных методов очистки минерализованных сточных вод.

Основным препятствием на пути широкого применения минерализованных вод в теплообменных системах является образование отложений накипеобразователей на теплопередающих поверхностях. Несмотря на наличие разнообразных методов борьбы с накипеобразованием, эта проблема не может считаться окончательно решенной, что обуславливает большой интерес эксплуатационного персонала, проектировщиков и исследователей к так называемому магнитному методу ограничения накипеобразования.

Отсутствие глубоких теоретических положений о процессах и механизме магнитной обработки воды, четких рекомендаций, касавшихся области применения этого метода водообработки, проектирования, эксплуатации магнитных аппаратов в оптимальных условиях вызывает сравнительно большое количество отрицательных результатов промышленного применения противонакипной магнитной обработки воды и невоспроизводимость их в лабораторных условиях. В связи с этим необходимость и важность исследований ряда процессов, протекающих в технических водных средах при магнитной обработке, изучение механизма влияния предвключенных магнитных аппаратов на отложение накипи в теплообменных системах представляется достаточно важной и актуальной задачей.

Цель работы. Изучить основные процессы, протекающие в технических водных растворах при их магнитной обработке, и связанные с этим возможные изменения в характере накипеобразования в водоиспользующем энергетическом оборудовании; исследовать экспериментальными и аналитическими; методами влияние основных параметров теплообменной системы, водного раствора и магнитного аппарата на противонакипную эффективность магнитной обработки; определить область эффективного применения противонакипной обработки воды.

Методы исследования. Исследование влияния обработки на свойства водных растворов проводилось путем непосредственной фиксации наблюдаемых явлений в зазоре магнитного аппарата при протекании раствора (фотографирование, проведение химических и физических анализов). При проведении исследования по влиянию магнитной обработки воды на процессы отложения накипи в промышленной теплообменной системе использован метод длительного многоточечного контроля различных теплотехнических и физико-химических параметров остановки.

Научная новизна. Исследованы процессы, протекающие в зазоре магнитного аппарата при обработке технических сред, что позволило выдвинуть и физически обосновать механизм воздействия магнитных полей на солевые и газовые примеси водных растворов. Дано объяснение особенностям влияния на противонакипную эффективность магнитной обработки таких переменных параметров как скорость воды в зазоре аппарата, напряженность и градиент напряженности магнитного поля, число полюсов магнитного аппарата и их взаимное расположение, характеристики ионогенных и диспергированных примесей воды, характеристики теплообменных аппаратов и др. Впервые высказанное мнение о принципиальном различии условий работы аппаратов при непродолжительных лабораторных опытах и при длительной промышленной эксплуатации и обоснованное в диссертации положение о существовании периода активации магнитного аппарата позволили воспроизвести стабильные эффекты магнитной обработки в лабораторных опытах. На основе экспериментальных и аналитических исследований процессов массопереноса в зазоре магнитного аппарата и в теплообменной системе были, выведены математические зависимости, описываете механизм снижения интенсивности накипеобразования при магнитной обработке воды, питающей теплообменники.

Практическая ценность. Результаты исследований процессов магнитной обработки воды в целях борьбы с накипеобразованием на теплопередающих поверхностях позволяют определить область эффективного применения рассматриваемой технологии водообработки для теплообменных систем различных отраслей промышленности, дают возможность установить необходимые условия эффективной противонакипной магнитной обработки, оптимальные значения теплотехнических, гидродинамических, воднохимических и магнитных параметров теплообменных систем с предвключенными магнитными аппаратами.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований реализованы в промысленной теплообменной системе, использующей высокоминерализованную воду, что подтверждается актом о внедрении. Результаты исследований могут быть использованы: при конструировании противонакипных магнитных аппаратов; при организации водного режима различных теплообменных систем, использующих минерализованные воды; для повышения противонакипной эффективности существующих магнитных аппаратов, включенных в контур теплотехнического водоиспользующего оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научной конференции "Современные проблемы энергетики и электротехники" (сентябрь 1977 г.), на VII и VIII отраслевых совещаниях по вопросам исследований, проектирования и эксплуатации термических опреснителей воды (октябрь 1977 и сентябрь 1978 г.), на VI Международном симпозиуме по опреснению морской воды (сентябрь 1978 г.), на московской городской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (октябрь 1978 г.).

Публикации. По результатам исследований, изложенных в диссертации, опубликовано четыре печатных работы и выпущено два отчета по научно-исследовательской работе.

Объем работы. Диссертация содержит 172 страницы, включая 57 рисунков и 21 таблицу, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка условных обозначений, списка использованной литературы, насчитывающего 110 наименований, приложения с рисунками и таблицами опытных данных.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются вопросы состояния теории и практики магнитной обработки воды, формулируются задачи настоящего исследования.

История применения противонакипной магнитной обработки водных растворов, насчитывающая более 30 лет, характеризуется периодами повышенного интереса к этой технологии водообработки, сменяющимися периодами разочарований, связанными с глубокими противоречиями между теорией и практикой магнитной обработки воды. Лабораторные эксперименты, моделирующие условия успешно осуществленного промышленного применения магнитных аппаратов, часто не давали положительных результатов. До настоящего времени не найден надежный физически обоснованный метод индикации эффектов магнитной обработки. Все это является и следствием, и причиной отсутствия обоснованных теоретических положений о механизме изменения свойств технических водных растворов при магнитной обработке. Разрыв между теорией и практикой магнитной обработка воды не позволяет четко определить область элективного использования этой технологии водообработки, оптимальные параметры магнитных аппаратов и доказать физическую обоснованность влияния относительно слабых магнитных полей на свойства водных растворов. Термодинамический анализ данного явления, использование законов магнетохимии и магнитогидродинамики не дали ответа на вопрос о механизме магнитной обработки воды. Тем не менее, работами В.А.Голубцова, О.И.Мартыновой, Е.Ф.Тебенихина, В.Б.Евдокимова, А.С.Копылова, Б.Т.Гусева, В.И.Классена, В.А.Кишневского, В.И.Миненко, Н.П.Лапотышкиной, Ф.И.Белана, А.Н.Киргинцева, В.М.Соколова, М.Л.Михельсона, И.П.Штерншиса, В.Г.Добржанского, В.Н.Слесаренко, Г.И.Тихомирова, Е.В.Васильева, П.С.Стукалова и других исследователей было установлено, что магнитная обработка в ряде случаев снижает интенсивность накипеобразования на теплопередающей стенке за счет усиления шлакообразования в объеме раствора. Но механизм этого явления., процессы, протекающие в зазоре магнитного аппарата, изучены недостаточно полно, что препятствует научно обоснованному применению этой технологии борьбы с накипью в теплообменных системах.

На основании выше изложенного были сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена экспериментальному изучению процессов, протекающих в зазоре магнитного аппарата при пропуске через него различных водных потоков; в ней также представлены результаты лабораторных опытов по исследованию влияния магнитной обработки на интенсивность накипеобразования в теплообменниках. Направленность лабораторных опытов была связана с установленным автором фактом, что существует принципиальное различие в условиях работы магнитных аппаратов при непродолжительных лабораторных .экспериментах и при длительной промышленной эксплуатации. Магнитный аппарат по своей сути является своеобразным магнитным фильтром, задерживающем в своем зазоре ферромагнитные примеси, которые в том или ином количестве присутствуют во всех водных средах, контактирующих со стальным оборудованием теплообменных систем. При включении магнитного поля на участке зазора аппарата с противоположным направлению потока воды градиентом индукции со временем образуется пористый слой с хорошо развитой поверхностью, состоящий из ферромагнитных и механически задержанных неферромагнитных примесей воды. Проведенные лабораторные опыты с реальными техническими водными растворами и расчеты показали, что период накопления ферромагнитных примесей и стабилизации их количества, накопленного в зазоре лабораторного магнитного аппарата (аналог времени рабочего цикла магнитного фильтра) длится от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от параметров магнитного аппарата, концентрационно-дисперсной характеристики среды, скорости потока в зазоре. Было установлено, что предельное количество ферромагнитных частиц, накопленное в зоне одной пары полюсов магнитного аппарата, – Gм пр следующим образом зависит от напряженности поля Н и скорости потока Va:

                                                            (I)

где Va пр – предельная скорость потока в зазоре аппарата (Gм>0 только тогда, когда Va <Va пр); К1 – постоянная, зависящая от магнитных характеристик примеси и аппарата.

Теоретический анализ процесса накопления примесей в зазоре позволил определить функциональную зависимость Va пр в виде:

                                                       (2)

где (çHú*gradH)мин – минимальное отрицательное значение произведения модуля напряженности магнитного поля на его градиент; d – динамическая вязкость раствора, dм- средний эффективный диаметр ферромагнитных частиц, задержанных в зазоре аппарата, f- коэффициент, зависящий от формы частиц; m0 – магнитная проницаемость вакуума; m – магнитная проницаемость частицы.

Установление определенной аналогии между аппаратами, использующимися для противонакипной магнитной обработки воды и магнитными фильтрами, позволило сделать вывод о том, что при моделировании условий работы промышленных магнитных аппаратов необходимо в лабораторных исследованиях к двум качественным режимам работы магнитного аппарата (поле выключено и поле включено) прибавить третий – магнитное поле включено, а в зазоре накоплен слой ферромагнитных примесей. Утверждение о существовании трех характерных режимов работы магнитных аппаратов легло в основу методики проведения основных экспериментов по изучению влияния магнитной обработки на технологические показатели водных растворов, которые проводились на лабораторном стенде, схематично изображенном на рис.1.

Исходный раствор из емкости I подавался в теплообменник предварительного нагрева 2, в зазор магнитного аппарата 5 и в основной теплообменник 7. Устройство 4 служило для ввода в зазор магнитного аппарата ферромагнитных частиц (дробленая металлургическая окалина – Fe3O4 с размером зерен 20-30 мкм). С помощью микробюреток 3 и 6 измерялся объем газа, выделяющегося из раствора на участке предварительного нагрева 2 и в зоне магнитного аппарата 5. Основные части стенда были выполнены из стекла для устранения токов утечки и их влияния на изучаемые процессы.

Исследование влияния магнитной обработки на солевые и газовые примеси водных растворов проводились при трех режимах работы зазора магнитного аппарата:

В опытах по оценке влияния магнитной обработки на газовые примеси воды исходная дистиллированная вода в емкости I термостатировалась и насыщалась атмосферным воздухом. При нагревании в подогревателе 2 вода. пересыщалась по газовой фазе, что приводило к выделению газа, объем которого оценивался по падению уровня в микробюретках 5 и б, установленных за участком теплообмена длиной 3000 мм – D СВ1; и за полюсами магнитного аппарата длиной 15 мм – D СВ2. На рис.2 и 3 представлены графические зависимости объемов газа, выделявшихся на двух различных участках стенда, от степени пересыщения воды по воздуху ПВ в зазоре магнитного аппарата.

Было установлено, что наложенное магнитное поле напряженностью Н=140¸260 кА/м не оказывает влияния на газовыделение из пересыщенного раствора (см. точки1-го и 2-го режимов на рис.3). Введенные и задержанные в зазоре магнитного аппарата ферромагнитные примеси сорбировали на своей развитой поверхности из воды растворенную газовую фазу, что резко интенсифицировало газовыделение на этом участке стенда. Анализ экспериментальных данных по газовыделению на поверхности ферромагнитных частиц в зазоре магнитного аппарата, полученных при различных значениях напряженности поля (Н=140¸280 кА/м), при различных значениях скорости потока (Va=0,4¸0,7 м/с) и с фиксацией массы задержанных частиц (GM пр= 10¸50 мг), показал следующее. Изменение величины напряженности магнитного поля в зазоре аппарата не влияет на интенсивность газовыделения – jВ по отношению к единице поверхности задержанных в зазоре частиц, jВ зависит от скорости потока и пересыщения следующим образом:

jВ=                                                             (3)

Величина напряженности поля в зазоре аппарата может влиять на скорость снятия пересыщения по газовой фазе за счет изменения размера поверхности задержанных в зазоре ферромагнитных частиц (см. выр.1 и 2).

Далее были проведены лабораторные опыты по изучению поведения в зазоре лабораторного магнитного аппарата водного раствора, пересыщенного по карбонату кальция – основному компоненту низкотемпературной накипи. В этом случае было также установлено, что магнитное поле само по себе не влияет на интенсивность выделения карбонада кальция в зазоре аппарата, т.е. не было обнаружено различий между 1-ым и 2-ым режимами работы магнитного аппарата. При третьем режиме наблюдалась интенсивная кристаллизация карбоната кальцин на поверхности задержанных в зазоре ферромагнитных частиц, что было установлено на основе химического анализа проб воды, пропущенной через взвешенный в зазоре аппарата слой, и отмечалось визуально по изменений окраски задержанных частиц магнетита с черной на белую. Химический и весовой анализ ферромагнитных частиц с поверхностным слоем из кристаллов СаСО3, извлеченных из зазора, магнитного аппарата, показал, что эта система содержит до 20-30% СаСОз по весу. Микроскопическое исследование выявило, что кристалл СаСОз (по кристаллической структуре – арагонит) растет на магнетитовой подложке в виде раздвоенного дендрита, вследствие чего частица магнетита, удерживаемая магнитным полем в пересыщенном потоке, покрывается рыхлым "пушистым" слоем удлиненных кристаллов СаСОз, растущих перпендикулярно магнетитовой подлодке.

На том же экспериментальном стенде была проведена серия опытов по исследованию влияния режимов работы магнитного аппарата на характер накипеобразования в теплообменнике 7, расположенном за магнитным аппаратом 5, при следующих рабочих параметрах: температура исходного раствора бикарбоната кальция (ЖК = 3,5 мг-экв/кг) – 20°С, в магнитном аппарате-60 °С, на выходе – 70°С; скорость потока в зазоре магнитного аппарата и в теплообменнике – 0,3 м/с. Теплообменник 7 представлял собой стеклянную спиральную трубку, помещенную в стакан с кипящей водой.

Опытным путем было установлено, что наложенное на водный поток магнитное поле (Н = 220 кА/м) не влияло на характер отложения СаСОз на контрольном участке теплообмена по сравнению с 1-ым- режимом. Однако если перед началом опыта в зазор магнитного аппарата ввести частицы магнетита и накопить их там до значения GM пр, то это изменяло характер накипеобразования в контрольном участке теплообмена за счет интенсивных фазовых превращений в зазоре. Отложения на контрольном участке теплообмена при 3-ем режиме были рыхлыми и вымывались на 60-80% при увеличении скорости потока до 0,8-1,0 м/с. При 1-ом и 2-ом режимах работы магнитного аппарата накипные отложения на контрольном участие имели плотную структуру, поэтому при увеличении скорости потока до 0,8-1,0 м/с вымывалось только 10-20% их высадившегося количества. В таблице представлены результаты данной серии опытов.

Таблица

№ опыта

Режим работы магнитного аппатара

Общее количество CaCO3, высадившееся на контрольном участке теплообмена, мг

Количество CaCO3, вымытое сильным водным потоком из контрольного участка теплообмена в конце опыта, мг

1

Н = 0; GМ = 0

292

38

2

Н = 0; GМ = 0

324

58

3

Н = 0; GМ = 0

246

36

4

Н ¹ 0; GМ = 0

262

44

5

Н ¹ 0; GМ = 0

284

26

6

Н ¹ 0; GМ = 0

306

62

7

Н ¹ 0; GМ ¹ 0

210

158

8

Н ¹ 0; GМ ¹ 0

280

162

9

Н ¹ 0; GМ ¹ 0

238

192

 

Проведенные эксперименты по изучению процессов, протекающих в зазоре магнитных аппаратов при магнитной обработке пересыщенных технических водных растворов, позволили выдвинуть и физически обосновать один из возможных механизмов этого явления, который сводится к следующему:

§         Магнитный аппарат задерживает в своем зазоре ферромагнитные примеси воды. По истечении некоторого промежутка времени tпр в зазоре магнитного аппарата образуется равновесный пористый слой с развитой поверхностью.

§         .Если поступающая в магнитный аппарат водная среда нестабильна, пересыщена по солевой или газовой примеси, то эта примесь будет выделяться из раствора на ферромагнитных частицах в зазоре магнитного аппарата. В практике водообработки в роли таких примесей могут выступать карбонат кальция, гидроокись магния, сульфат кальция, углекислота, азот, кислород.

§         Выделение из раствора пересыпающей примеси на поверхности фильтрующего слоя, удерживаемого магнитным полем, приводит .к накоплению этой примеси в зазоре аппарата в ином фазовом состоянии (твердом, газообразном). Возникающие и растущие кристаллы или газовые пузыри по достижении определенного размера смываются потоком воды и покидают магнитный аппарат. При этом устанавливается динамическое равновесие в процессах выделения и уноса из магнитного аппарата пересыщающей примеси воды в новом фазовом состоянии (твердом, газообразном.).

§         За счет перечисленных процессов в водном потоке, выходящем из магнитного аппарата, уменьшится степень пересыщения по растворенной примеси и увеличится концентрация этой примеси в новом (твердом, газообразном) состоянии. Кроме того, при магнитной обработке изменятся характеристики ферромагнитных примесей (степень дисперсности, поверхностные свойства) вследствие магнитной коагуляции и кристаллизации на частицах растворенных в воде солей.

Проведенные эксперименты и выводы, сделанные на их основе, позволяют рассматривать противонакипную магнитную обработку в виде комплекса известных одновременно действующих технологических процессов, а именно:

§         очистка воды от ферромагнитных примесей на магнитных фильтрах;

§         контактная стабилизация пересыщенного по накипеобразователям водного раствора;

§         ввод антинакипной зернистой присадки.

Изменение форм содержания в вода растворенных газов (кислород, углекислота) должно оказан» влияние на ход коррозионных процессов в оборудовании, расположенном за магнитным аппаратом. Можно утверждать, что магнитная обработка, вследствие протекания перечисленных процессов, может повлиять на технологические показатели технических водных растворов за счет гетерогенного катализа, увеличивающего скорость фазовых превращений в метастабильных системах.

В третьей главе диссертации представлены результаты аналитического исследования механизма снижения накипеобразования в теплообменных системах, использующих воду после магнитной обработки. На рис. 4 представлена схема магнитного аппарата с диаметром зазора d0 и числом полюсов N, который установлен перед трубчатым теплообменником с трубками диаметром d и длиной l. В магнитный аппарат поступает технический водный раствор, содержащий ферромагнитные примеси и пересыщенный по накипеобразователю (его концентрация С выше растворимости S).

К концу времени активации магнитного аппарата – tпр в его зазоре у каждый пары полюсов образуется слой ферромагнитных примесей толщиной lМ с эффективным диаметром частиц dМ, который является генератором затравочных кристаллов накипеобразователя с эффективным диаметром dТ, концентрация которых в растворе на входе в теплообменник составляет величину СТ.

Описание в критериальной форме процессов выделения накипеобразователя на теплопередающей стенке и на затравочных кристаллах позволило вывести выражение, характеризующие противонакипную эффективность – h ввода затравочных кристаллов в теплообменный тракт:

,                               (4)

где r, rТ – плотность раствора и накипи; j0Н – интенсивность накипеобразования без ввода затравки; jЗКН – интенсивность накипеобразования при вводе затравки.

Проведенные эксперименты по изучению поведения в магнитном аппарате технических растворов, пересыщенных по накипеобразователю, позволило оценить интенсивность генерации затравочных кристаллов в зазоре аппарата с помощью выражения:

,                              (5)

где jм – интенсивность выделения накипеобразователя на задержанных в зазоре магнитного аппарата частиц; rм – плотность ферромагнитных частиц.

Описание в критериальной форме процессов массопереноса накипеобразователя на трех характерных участках теплообменной системы, снабженной магнитным аппаратом, – на слое ферромагнитных частиц, удерживаемых полем в зазоре магнитного аппарата; у поверхности затравочных кристаллов, взвешенных в потоке, и у теплообменной стенки дало возможность вывести математическое выражение, характеризующее противонакипную эффективность магнитной обработки воды:

,                                 (6)

где р = 0,8-1,8 – показатель степени, характеризующий влияние скорости потока на интенсивность массопереноса накипеобразователя и прочность сцепления кристаллов накипеобразователя с поверхностью частиц, удерживаемых полем в зазоре магнитного аппарата; К3 [кг-1] – коэффициент включающий условно постоянные параметры.

Предложенный механизм противонакипной магнитной обработки воды и выведенное выражение 6 позволили проанализировать характер влияния ряда факторов на эффективность рассматриваемой технологии водообработки, объяснить многие .особенности применения магнитных аппаратов в теплообменных системах.

Период накопления в зазоре ферромагнитных примесей – tпр длится от нескольких часов до суток и значение параметра GМ может достичь максимальной своей величины GМ пр только к концу этого периода. Следовательно, эффективность противонакипной магнитной обработки не является постоянной во времени величиной, а постепенно возрастает от нуля до максимального своего значения, которое будет иметь место к концу tпр – времени своеобразной активации магнитных аппаратов. Выяснение сущности и величины параметра tпр позволяет объяснить причину частых неудач при лабораторном моделировании успешных промышленных опытов противонакипной магнитной обработки, – длительность промышленной эксплуатации как правило превышает tпр, чего нельзя сказать о большинстве лабораторных опытов.

Нашло объяснение экстремальная зависимость h от Va, Увеличение скорости потока в зазоре магнитного аппарата, с одной стороны, приводит к росту интенсивности генерации затравочных кристаллов, а, с другой стороны, уменьшает размер поверхности, на которой идет этот процесс (см. выр.5). Это определяет характер влияния Va на h в виде:

,                                                  (7)

где К4 – коэффициент, включающий параметры условно-независящие от VA. В лабораторных опытах значение VA пр составило 1,5-2 м/с.

Показано, что для различных магнитных аппаратов, обрабатывающих различные водные среды, нельзя однозначно вывести зависимость h от Н, т.к. на эффективность противонакипной магнитной обработки сильное влияние оказывают такие параметры как градиент магнитной индукции в зазоре, число пар полюсов и их взаимное расположение, скорость потока, магнитные и дисперсные характеристики примесей воды и др. Для конкретного магнитного аппарата плавное увеличение значения Н, обеспечивающее изменение GМ пр согласно выражения I, будет вызывать рост h, что описывается как:

                                            (8)

где К5 [м-1]- коэффициент, условно-независящий от Н. Для реальных теплообменных систем, снабженных противонакипными магнитными аппаратами, как показывает расчет с использованием выр.8, h увеличивается от 0 до hмакс при изменении Н от Нпр до (1,5-2) Нпр*Нпр – граничное значение величины напряженности поля в зазоре магнитного аппарата. Ферромагнитные примеси воды будут образовывать в зазоре взвешенный слой только при Н > Нпр. Нпр = 50 – 250 кА/м.

Исследованный механизм противонакипной магнитной обработки воды позволил оценить влияние на эффективность рассматриваемой технологии водообработки таких параметров как концентрация ферромагнитных примесей в обрабатываемом водном потоке, степень пересыщения раствора в магнитном аппарате, тип источника магнитного поля (постоянные магниты, электромагниты), режим пуска и останова теплообменной системы и др. Показано, что противонакипная магнитная обработка более эффективна в оборотных схемах водоснабжения, чем в прямоточных.

В четвертой главе диссертации представлены результаты исследования влияния магнитной обработки воды на характер накипеобразования на теплообменных поверхностях промышленного трехступенчатого адиабатного опреснителя морской воды производительностью по дистилляту – 2,5 т/ч. Предварительная оценка эффективности магнитного метода борьбы с накипью на установках такого типа была сделана на основ», анализа работы модели головного подогревателя опреснителя (температура воды на входе – 58°С, на выходе – 75°С, скорость потока в теплообменных трубках – 1,75 м/с, тепловой поток – 43 кВт/м2) с предвключенным лабораторным магнитным аппаратом (Н=160 кА/м). Место установки промышленного магнитного аппарата типа ЭМА-50 в контуре опреснителя было определено на основе водно-химического расчета пересыщения морской воды по СаСО3 с учетом процесса образования ионных пар. Заключение о противонакипной эффективности магнитной обработки воды на опреснителе было сделано на основе сравнения результатов его испытаний с магнитным аппаратом с контрольными испытаниями, ревизией состояния теплопередающих поверхностей через определенные промежутки времени, анализа характера изменения во времени теплотехнических параметров. Применение магнитного аппарата позволило увеличить кампанию работы опреснителя между химическими чистками с 2000 до 3000 часов, снизить расход греющего пара на выработку дистиллята с 1635 кг/ч до 1550 кг/ч, что опреде­лило экономический эффект в размере 1,2 тыс. руб. на одно изделие в год.

Общее снижение интенсивности накипеобразования в головном подогревателе опреснителя произошло за счет резкого уменьшения скорости первичного накипеобразования (.h = 70-80%, на трубных досках головного подогревателя после 2000 ч работы были обнаружены участки свободные от накипи с металлическим. блеском) при усилении процессов отложения частиц шлама в теплопередающих трубках. Была выявлена аналогия между процессами вторичного накипеобразования и процессами фильтрования грубодисперсной примеси в слое насыпного механического фильтра (перемещение фронта фильтрования и др.).

ВЫВОДЫ

1.      Проведенные лабораторные эксперименты, промышленные испытания и теоретические исследования работы магнитных аппаратов в контуре теплоэнергетического оборудования позволяют рассматривать противонакипную магнитную обработку воды в виде комплекса одновременно протекающих технологических процессов, включающих:

§         очистку воды от продуктов коррозии на магнитных фильтрах (магнитное фильтрование);

§         контактную стабилизацию пересыщенного по накипеобразователю водного раствора;

§         ввод зернистой антинакипной присадки.

2.      Остановлено, что магнитная обработка влияет на пересыщенные водные растворы за счет гетерогенного катализа процессов фазового превращения в рассматриваемой метастабильной системе.

3.      Выведены количественные математические зависимости, описывающие процессы фазового превращения и массопереноса накипеобразователей в зазоре магнитного аппарата и в теплообменном устройстве, связывающие основные параметры теплообменной системы, водного раствора и магнитного аппарата с противонакипной эффективностью магнитной обработки воды.

4.      Определены расчетные и экспериментальные зависимости по влиянии на противонакипную эффективность магнитных аппаратов, таких параметров, как напряженность и градиент напряженности магнитного поля, скорость потока воды в зазоре магнитного аппарата и в теплообменнике, число пар магнитных полюсов и их взаимное расположение, степень пересыщения по накипеобразователю и концентрация ферромагнитных примесей в водном растворе и других.

5.      Выявлено принципиальное различие в условиях работы магнитных аппаратов, используемых в лабораторных исследованиях и эксплуатируемых на промышленных объектах. Для объяснения переменной во времени противонакипной эффективности магнитных аппаратов введено и физически обосновано понятие – "период активации магнитного аппарата". На основе экспериментов и расчетов показано, что при включении магнитного поля противонакипная эффективность в контуре теплообменной системы с магнитным аппаратом может достигнуть своей максимальной величины только к концу периода активации, длящегося от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от показателей качества обрабатываемой воды.

6.      Разработана технология повышения эффективности работы промышленных и лабораторных магнитных аппаратов, основанная на сокращении времени их активации путей ввода в зазор ферромагнитных примесей в целях создания завешенного высокопористого слоя.

7.      Выявлен механизм влияния магнитных аппаратов на газовую фазу, растворенную в технических водных системах. Отмечено ускорение кинетики выделения газовых примесей из пересыщенного водного раствора под действием магнитной обработки, что может оказать влияние на ход- коррозионных процессов в теплообменных контурах.

8.      Экспериментально доказано, что величина напряженности магнитного поля не оказывает влияния на интенсивность выделения из воды газовых примесей на единице поверхности задержанных в зазоре ферромагнитных примесей. Величина напряженности магнитного поля влияет на количество выделившихся из воды в зазоре магнитного аппарата газовых примесей через изменение размера поверхности задержанных ферромагнитных примесей.

9.      Разработана методика и проведены испытания магнитного способа борьбы с накипеобразованием в промышленном адиабатном опреснителе морской воды. Результаты испытаний подтвердили правильность изложенных в настоящей диссертации взглядов на существо процессов, протекающих при противонакипной магнитной обработке воды. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии борьбы с накипью составила 1,2 тыс. руб. на одно изделие за счёт снижения расхода пара на выработку дистиллята, расходов на химическую чистку, уменьшения простоя при отсутствии сбросов загрязняющих примесей в окружающую среду. Основное содержание диссертации изложено в:

1. Копылов А. С., Тебенихин Е. Ф., Очков В.Ф. Об использовании магнитного поля для снижения накипеобразования. "Труды МЭИ" 1976 вып.309,с.55-60.

2. Очков В. Ф., Павлов Е. А., Кудрявцев А.А. О влиянии магнитных аппаратов на работу теплообменников опреснителей. "Труды МЭИ" 1977, вып.328, с.88-91.

3  Мартынова О.И..Копылов А. С., Очков В.Ф. Механизм и интенсивность накипеобразования в адиабатной опреснителе при использовании электромагнитного аппарата. Труды VI Международного симпозиума по опреснению морской воды, 1978, т.2, с.231-240. 4. Очков В.Ф. Накипеобразование в головном подогревателе адиабатного опреснителя с предвключенным магнитным аппаратом. "Труды МЭИ", 1978, вып.378, с.71-75.

 

Д-77030 28/IV-79г.Объем 1.0п.л.3ак.534 Тир. 100 экз. Бесплатно,

Ротапринт МЭИ, Красноказарменная, 14