способ установки ультразвуковых излучателей на водогрейных котлах и подогревателях воды

Формула изобретения

Способ установки ультразвуковых излучателей на водогрейных котлах и подогревателях воды, отличающийся тем, что между волноводом излучателя и теплопередающей поверхностью водогрейного котла или подогревателя соосно продольной оси излучателя устанавливают промежуточное, передающее ультразвуковые колебания звено, продольная ось которого устанавливается под углом в 30-60^o к продольной оси теплопередающих поверхностей труб, экранов, стояков и конвективных пучков труб.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к средствам, предотвращающим отложение накипи на теплопередающих поверхностях теплообменной аппаратуры различного назначения, водогрейных котлах, подогревателях и т.п.

Широко известны средства для предотвращения образования накипи на внутренних теплопередающих поверхностях теплообменной аппаратуры, в частности - установки для приготовления умягченной воды (см. Мещерский Н.А. "Эксплуатация водоподготовительных установок электростанций высокого давления". - М. : Энергоатомиздат, 1984, стр. 195-199. Рис 8.2, 8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7).

Подаваемую в тепловые сети воду тщательно готовят, деаэрируют, подкисляют в сочетании с декарбонизацией и барьерным нерегенерируемым или Na-катионитным фильтром (рис. 8.3 и 8.4,), проводят силикатирование, вводят герметик в аккумуляторный бак для защиты от попадания воздуха в деаэрированную воду, используют устройство паука в аккумуляторном баке для предотвращения перемешивания воды в нем и предотвращения засоса воздуха сливающейся струей воды.

В результате использования систем очистки воды и ее умягчения накипи образуется меньше, повышается межремонтный срок. Однако, учитывая стоимость водоподготовительных установок по умягчению воды, а также стоимость приготовления такой воды, процесс очистки воды становится достаточно дорогостоящим с большим расходом химических реагентов, что и является его недостатком, причем неудовлетворительное обслуживание и неподготовленность обслуживающего персонала усугубляют процесс приготовления умягченной воды, сказываются на ее качестве и как результат сказываются на образовании накипи. К тому же следует дополнить, что несмотря на то, что воду умягчают, в нее все равно попадает неумягченная сырая вода через неплотности, разрывы, течи в трубопроводах системы, проходящей внутри теплообменников в бойлерных потребителей тепла. Кроме того, при использовании водогрейных котлов ПТВМ-100 или КВГМ-100 в отопительных системах с большой протяженностью теплосетей из сетей, городов с населением до 300 000 человек происходит естественная утечка умягченной воды и поэтому в систему приходится добавлять ежечасно до 400 куб. м умягченной воды в зависимости от срока эксплуатации котлов и герметичности системы. Вот эти то 400 куб. м воды в час, подаваемые в качестве подпитки в тепловую сеть, постоянно вытекают в почву, загрязняя и постепенно насыщая ее химикатами, при помощи которых осуществлялось умягчение воды, что является с позиций экологии действиями неоправданными, поскольку загрязняется при этом и вода артезианских скважин, а сами города находятся на пропитанных химическими веществами участках земли - подушках.

Известны ультразвуковые установки "Волна" для предотвращения накипи на теплопередающих поверхностях теплообменной аппаратуры различного назначения и способы установки ультразвуковых излучателей на теплопередающие поверхности, состоящие из импульсного генератора ударного возбуждения и двух магнитострикционных излучателей, привариваемым к трубопроводу - прототип (см. Методические указания по применению ультразвуковой установки "Волна". - Пенза, 1997, стр. 9-11, рис. 2, 3, 4.

Ультразвуковые излучатели устанавливаемые, например, на котлах ДКВР и др. , монтируются на коллекторах боковых экранов и на верхнем, и нижнем барабанах в основном перпендикулярно плоскости поверхности нагрева (см. там же, стр. 26 - второй абзац, а также схемы установки излучателей на стр. 23-26 рис. 6-10).

Получение механических колебаний ультразвуковой частоты основано на явлении магнитострикции. Магнитное поле, создаваемое разрядом накопительной емкости, воздействует на магнитострикционный материал, который создает затухающие колебания, которые через волновод передаются на теплообменную поверхность.

Известный способ установки излучателей предназначен для предотвращения образования накипи на теплопередающих поверхностях теплообменной аппаратуры различного назначения, в частности на паровых и водогрейных котлах типа ДКВР, ДЕ, КЕ, Е1/9, ТВГ, БГМ и др., на скоростных теплообменниках, охладителях компрессоров, конденсаторах типа ВХ, ЭВАКО и др.

К недостаткам известного способа установки излучателей можно отнести то, что он не предназначен для промышленных мощных водогрейных котлов типа ПТВМ-100, КВГМ-100 и др., а схемы установки излучателей недостаточно эффективны и требуют монтажа одного преобразователя на 35-60 кв. м (см. там же, стр. 21, раздел 4 в тексте), теплообменной поверхности. Для примера можно сказать, что теплообменная поверхность силового котла ПТВМ-100, или КВГМ-100 составляет около двух тысяч метров квадратных и такой котел необходимо "облепить" преобразователями со всех сторон (35-60 преобразователей (излучателей)), что крайне не эффективно и невозможно. К тому же после установки ультразвуковых излучателей в связи с высокой температурой теплообменной поверхности (с учетом перевода промышленных котлов на газ - температура теплопередающей поверхности еще более возрастает до +1650^oC) на мощных котлах происходит обгорание изоляционных обмоток ультразвуковых излучателей, а схема их установки по рекомендациям завода-изготовителя не позволяет осуществить полную очистку труб экранов, стояков и труб, составляющих конвективные пучки, по всей их длине от образовавшейся накипи.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков существующих способов монтажа ультразвуковых установок по предотвращению накипи на теплопередающих поверхностях водогрейных котлов и теплообменной аппаратуры различной мощности и более эффективное их использование.

Поставленная настоящим изобретением задача решается тем, что между волноводом излучателя и теплопередающей поверхностью водогрейного котла или подогревателя соосно продольной оси излучателя устанавливают промежуточное, передающее ультразвуковые колебания звено, продольная ось которого устанавливается под углом в 30-60 градусов к продольной оси теплопередающих поверхностей труб, экранов, стояков и конвективных пучков труб.

Признаки того, что между волноводом излучателя и теплопередающей поверхностью водогрейного котла или подогревателя соосно продольной оси излучателя устанавливают промежуточное, передающее ультразвуковые колебания звено, продольная ось которого устанавливается под углом в 30 - 60 градусов к продольной оси теплопередающих поверхностей труб экранов, стояков и конвективных пучков труб, являются новыми, существенными и необходимыми для достижения поставленной изобретением задачи, предотвращают обгорание обмоток и проводов излучателя, а также сокращают количество устанавливаемых на котлах излучателей. Решение поставленной изобретением задачи является неочевидным и имеет изобретательский уровень. Полученный положительный результат является неожиданным и превосходящим в несколько раз положительный результат существующих методов установки излучателей. При установке излучателей и промежуточного звена под углом, меньшим чем 30 градусов и болшим 60 градусов, начинают возникать преимущественно либо поперечные, либо продольные колебательные движения в металле труб и непосредственно в воде, что снижает эффективность очистки труб поверхностей нагрева, приводит к возникновению не охватываемых ультразвуковыми колебаниями зон, а кристаллизация солей непосредственно в воде замедляется.

На чертеже представлена схема установки излучателей для осуществления предлагаемого способа.

На схеме изображен верхний коллектор 1, соединенный стояками 2 со средним коллектором 3 и экраном труб 4 с нижним коллектором 5. К стоякам 2 приварены конвективные пучки труб 6 и 7. Ультразвуковые излучатели 8, 9 установлены соосно с промежуточными звеньями 11 и 12 и приварены под углом в 45 градусов по отношению к продольной оси 13 стояков 2 и экранов 4 и продольной оси 14 конвективных пучков труб 6 и 7. Пунктирные стрелки 15, 16, 17, 18 указывают на воздействие под углом в 45 градусов излучателей 8 и 9.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

К ультразвуковым излучателям 8 и 9 от генератора (на чертеже не показан) подается питание. Излучатели 8 и 9 возбуждают ультразвуковые колебания и передают их через промежуточное звенья 11 и 12 непосредственно на верхний коллектор 1 и на средний коллектор 3. Поскольку промежуточные звенья 11 и 12 и их ультразвуковые излучатели 8 и 9 установлены по отношению к продольным осям стояков 2, экранов труб 4 и продольным осям 14 конвективных пучков труб 6 и 7 под углом от 30 до 60 градусов, то колебательные движения передаются на теплообменные поверхности труб экранов, стояков, конвективных пучков тоже под углом, вызывая колебательные движения не только в перпендикулярном направлении, но и в продольном, и распространяются по всей их длине равномерно, не образовывая очагов повышенных и пониженных колебаний, а также не образовывая мертвых зон. При этом накипь, имея вес, начинает колебаться не только от стенки трубы к стенке, но еще и вдоль оси трубы под углом в 30-60 градусов. Ультразвуковые колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические нагрузки, под действием которых прочность связи внутри накипи, а также между накипью и металлом нарушается и образуются трещины. Вода под действием капиллярных сил проникает через трещины-капилляры к поверхности нагрева, где мгновенно испаряется, вызывая вспучивание и отслаивание накипи. Конкретный угол установки промежуточного звена с излучателем на коллекторах 1 и 3 выбирается в зависимости от конструкции водогрейного котла, подогревателя или теплообменного аппарата, соотношения диаметров и длины труб экранов, стояков и конвективных пучков труб, величины теплообменной поверхности и их расположения относительно друг друга.

Воздействие колебаний в предложенном способе осуществляется более эффективно, что позволяет получить неожиданный эффект увеличения площади очистки теплопередающих поверхностей в несколько раз - до 300 кв. м вместо 35-60 кв. м в прототипе - и обеспечить очистку внутренней поверхности труб по всей их длине. Соли, находящиеся в воде, под воздействием ультразвуковых колебаний наиболее активно начинают кристаллизоваться в толще воды, образуя мелкодисперсный шлам, а колебания поверхностей нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Шлам находится во взвешенном состоянии в воде и удаляется из подогревателя или водогрейного котла потоком воды или периодической продувкой.

По предложенному способу ультразвуковые установки "Волна" были установлены, испытаны и используются по настоящее время на пяти котлах ПТВМ-100 Барнаульских тепловых сетей с декабря 1997 года. На коллекторах котлов были смонтированы по 4 ультразвуковых установок (на боковые экраны ультразвуковые установки не устанавливали), которые обеспечили и продолжают обеспечивать качественную очистку внутренней поверхности труб котла. Промежуточное звено было изготовлено из того же металла, что и коллектор, длиной в 20 см и диаметром 30 мм. За время эксплуатации котлов вплоть до настоящего времени, после монтажа на них ультразвуковых установок с промежуточным звеном под углом в 45 градусов плюс-минус 15 градусов к теплообменным трубам экранов, стояков и конвективных пучков, засорений труб не происходило и накипи на внутренней поверхности теплообменных труб не образовывалось. Однако следует сказать, что старая накипь, которая была на внутренней поверхности большинства труб котла, в начальном процессе работы ультразвуковых установок интенсивно отделялась от внутренней поверхности труб и отдельные конвективные пучки труб забивались шламом, а большая часть шлама была вынесена из котла потоком воды. Поскольку котлы ПТВМ-100 на Барнаульских теплосетях эксплуатировались несколько десятков лет (в них раньше уже меняли конвективные пучки труб и трубы экранов), то и накипь в конвективных пучках труб и экранов была неодинаковой. Поэтому одни трубы шламом забивались (много накипи было внутри этих труб), другие нет. Процесс замены конвективных пучков труб и стояков на котлах является явлением обычным и ранее осуществлялся периодически во время остановок котла. За время эксплуатации котлов, с момента установки на них ультразвуковых излучателей, замены конвективных пучков труб или их заглушивания не было. Монтаж предлагаемого устройства на мощных котлах и теплообменных аппаратах следует проводить после предварительной очистки их труб от накипи (если это возможно) или, как в нашем случае, менять забившиеся шламом трубы.

Установка излучателей по рекомендации завода-изготовителя под углом в 90 градусов эффекта не дала. Опытная установка излучателей под углом в 30 градусов к продольной оси теплообменных труб также результата не дала, поскольку отдельные трубы котла, имея изогнутость и достаточно большую протяженность (до 20 метров) очищались от накипи не по всей длине. То же самое происходило и при установке излучателей под углом в 60 градусов к продольной оси теплообменных труб водогрейных котлов и подогревателей.

При использовании предлагаемого способа установки ультразвуковых излучателей в теплосети необходимо предусматривать уловители шлама и накипи с периодической их продувкой-прочисткой. Использование предлагаемого способа установки излучателей возможно на любой теплопередающей поверхности любой теплоаппаратуры.

Предлагаемый способ позволит получить существенный экономический эффект в случае отмены приготовления умягченной воды для систем теплоснабжения, стоимость одного кубического метра для которых составляет в настоящее время около 12 рублей, и позволит создать предпосылки к использованию уже нагретой в конденсаторах воды мощных паровых котлов, которая отдает свое тепло в градирнях в настоящее время в окружающую среду, а также создает предпосылки очистки снаружи теплопередающих поверхностей от осевшей на них золы и сажи.

Существенным с точки зрения экологии оздоровительным фактором окружающей среде будет являться отмена приготовления умягченной химикатами воды, которая ежечасно вытекая из системы в почву среднего по величине города с несколькими ТЭЦ в объеме до 1000 куб. м и более (за сутки - 24000 куб. м), превращает города в источники химических загрязнений и отравлений, пропитывая почву под ними на все возрастающую глубину и попадая в артезианские скважины.