Магнитная обработка воды.

Безреагентная Магнитная водоподготовка.

Образование накипи из-за содержания в воде минеральных солей (преимущественно магния и кальция), а также коррозия инженерного оборудования и коммуникаций относятся к числу наиболее актуальных проблем не только теплоэнергетики, но и большинства отраслей промышленности, жилищнокоммунального комплекса и других областей хозяйственной деятельности. Достаточно сказать, что образование на внутренней поверхности котла слоя накипи толщиной всего 1 мм влечет за собой перерасход 5-8% топлива, а некачественная водоподготовка (или ее отсутствие) может привести к снижению к.п.д. системы на 15-30%. С течением времени энергетические потери могут составлять 60%.
Образование накипных отложений на теплообменных поверхностях является одной из главных проблем теплоэнергетики на протяжении всей истории ее развития. Накипеобразованию подвержены теплообменники различных типов и назначения: Отложения солей карбонатной жесткости на теплообменном оборудовании вызывает уменьшение эффективности его работы. За счет различных значений коэффициентов теплопроводности металла и образующегося слоя накипи, увеличение толщины слоя отложений приводит к снижению температуры нагреваемой воды. В зависимости от карбонатной жесткости нагреваемой воды и ее температуры, время увеличения слоя накипи до толщины в несколько миллиметров составляет от трех недель до трех лет. И каждая вновь образующаяся доля миллиметра слоя накипи приводит к ухудшению процесса теплопередачи, к увеличению удельного расхода количества тепла, энергоносителей, электроэнергии. С течением времени энергетические потери, вследствие образования накипи, могут составлять до 60 %.
Образование слоя накипи, толщина которого составляет 1 мм, ухудшает процесс теплообмена в котлах, по данным различных источников, на 5-20 % в зависимости от состава накипи и типа котла. А при даже непродолжительной работе котлов на химически неподготовленной воде толщина слоя накипи может достигнуть 50 мм. Зависимость величины потерь тепловой энергии от толщины накипи на теплообменных элементах показана на рис. 1 (по данным ВТИ им. Дзержинского, Россия).

Загрязнение теплообменных поверхностей нагревателя накипными отложениями не только снижает эффективность его работы и требует периодической остановки для проведения очистки, но и, что самое важное, вызывает цепочку экономических потерь при производстве, транспортировке и потреблении тепла.
Проблемы, связанные с образованием накипи, решаются с использованием как химических (реагентных), так и физических (безреагентных) методов.
При химическом умягчении воды используют принцип ионного обмена. В этом случае ионы кальция и магния в воде замещаются ионами натрия или водорода. Недостаток данного метода — изменение химическогосостава исходной воды. Вода с повышенным содержанием натрия опасна для здоровья людей, которые имеют заболевания сердца и проблемы с давлением. Дефицит ионов кальция в воде приходится ликвидировать искусственным путем. Кроме этого, ионообменная смола нуждается в периодическом восстановлении своих свойств — регенерации. При регенерации используются поваренная соль либо кислоты.
Кроме расходов, связанных с покупкой и доставкой реагентов, необходимы расходы для утилизации отходов. Это обусловлено тем, что вода, используемая для промывки, имеет высокую концентрацию токсичных веществ. Также недостатком данного метода является сравнительно высокая стоимость оборудования, монтажа и расходных материалов.
Из физических методов практическое применение получили магнитный, электромагнитный и радиочастотный методы обработки воды.

В последние десятилетия как в Украине, так и за рубежом для борьбы с образованием накипи стали применять магнитную и радиочастотную обработку воды. В сравнении с распространенными методами умягчения воды магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплуатационные расходы.
Сравнение магнитной обработки воды с химическим способом умягчения воды приведено в табл. 1.

Магнитная обработка воды

Впервые широко начали применять магнитную обработку воды для предотвращения накипеобразования около 50 лет назад в Бельгии. В 1936 году бельгийский инженер T.И.C. Вермейрен обнаружил, что при нагревании воды, пересекшей силовые линии магнитного поля, на теплообменной поверхности не образуется накипь. Первый в мире патент на аппарат магнитной обработки воды был выдан T.И.C. Вермейрену 01.10.1946 г. АО EPURO (г. Антверпен, Бельгия) к 1980 г. продало около 130 000 таких устройств. В настоящее время приемником этой фирмы является Cepi-CO Ltd. Аппараты системыCEPI с успехом использовались в котельных, в пивоварении, в производстве сахара, в опреснителях морской воды на морском транспорте и так далее. В 80-е годы фирма EPURO для обработки воды выпускала аппараты производительностью от 0,03 до 32 тыс. м3/ч и продавала до 5000 шт. в год во все страны мира.
В СССР состоялись 4 научно-практические конференции по использованию этого метода в различных отраслях народного хозяйства, причем не только для предотвращения накипи. До перестроечного периода Московским заводом им. Войкова выпущено более 500 000 аппаратов для магнитной обработки воды. За последние 10-15 лет использование этого метода существенно сократилось из-за отсутствия финансирования у потребителей, закрытия Московского завода им. Войкова по экологическим причинам. Однако за последние 2-3 года началось оживление в этом направлении, связанное с ростом производства в стране, существенным повышением цен на химические реагенты, которые используются для умягчения воды, созданием высокоэнергетических магнитов, на порядок превосходящих по своим свойствам ранее применявшиеся для этих целей.

Принцип работы устройства магнитной обработки воды, магнитного фильтра

Принцип работы устройства магнитной обработки воды заключается в следующем. Любая вода, кроме специально очищенной, содержит железо. Под воздействием магнитного поля происходит дробление агрегатов окислов и гидроокислов железа, которые находятся в жидкости. Агрегаты железа представляют собой образования, которые состоят из стержнеобразных кристаллов длиной менее одного микрона, и эти микрокристаллы, как маленькие магниты, «слипаются» в агрегаты достаточно больших размеров, в которых находятся сотни и тысячи частиц.

  Приложенное внешнее магнитное поле заставляет микрокристаллы приобрести ориентацию относительно магнитных силовых линий. Следовательно, появляются силы отталкивания, которые заставляют частицы удаляться друг от друга. Чем сильнее магнитное поле тем сильнее намагничиваются микрокристаллы. При правильно подобранном внешнем поле количество «элементарных» микрокристаллов увеличивается в тысячи раз.

  В зависимости от условий, химического состава жидкости, скорости потока жидкости в зазоре между магнитами и т.п. процесс разрушения агрегатов коллоидных частиц, как было установлено экспериментально, происходит за короткие интервалы времени (0,01…0,5 мкс). По сути, в толще воды происходят тысячи «микровзрывов». Следовательно, возникают области низкого и высокого давления. В результате этого образуются микропузырьки газов, которые обладают высокой адсорбционной активностью по отношению к органическим и минеральным отложениям. Сталкиваясь с металлическими поверхностями, пузырьки уносят на своей поверхности частицы выпадающих в кристаллическую фазу солей в пересыщенных растворах. Каждый пузырек является центром кристаллизации в толще воды. Поэтому отложение накипи будет происходить внутри потока воды, а не на стенках труб и поверхностях нагревательных элементов. Эффекты флотационного выноса и «растворения» обуславливают предотвращение и удаление накипи после магнитной обработки воды (см. рис. 2).

  Далее в качестве примера приведены фотографии двух полей микроскопа с кристаллами солей, выделившихся при кипячении воды до и после магнитной обработки.

Визуально видна существенная разница в количестве и размере кристаллов солей на этих фото.

Подсчет удельной площади поверхности, на которой встречаются отдельные кристаллы из трех размерных групп, на которые разбит весь спектр величин кристаллов, дает абсолютные значения среднего числа частиц в поле зрения микроскопа.

Форма и размеры кристаллов накипи с увеличением 600Х

Установлено, что уменьшение среднего размера кристаллов в 2-3 раза и относительное увеличение их числа подтверждает эффективность магнитной обработки в предотвращении образования пластов накипи на стенках теплообменников.

Типы установок для магнитной обработки воды

В настоящее время выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды — с постоянными магнитами и электромагнитами.

Устройство магнитной обработки воды состоит из нескольких  постоянных магнитов или электромагнитов, между полюсами которых протекает вода. Отличия между устройствами магнитной обработки воды на постоянных магнитах и электромагнитах не так заметны, но они существуют.
Первый тип устройств конструктивно проще, дешевле в эксплуатации (избавляет от затрат на электропитание), может применяться во взрывоопасных местах. Электромагниты используются главным образом для больших протоков, их основное преимущество — в возможности работы при высоких температурах.

Аппараты с постоянными магнитами

Для магнитных аппаратов применяются постоянные магниты из различных магнитожестких материалов:
Магнитофоры — смесь полимерных или минеральных вяжущих (каучук, смолы, цемент) и порошкообразных магнитных наполнителей. Из этой смеси формуются изделия необходимой формы, размеров и потом намагничиваются.
Ферромагнетики. Широкое применение для изготовления магнитов нашел феррит бария. К сожалению, этот материал имеет ряд недостатков. При нагреве выше определенного предела он начинаeт быстро терять свои магнитные свойства.
Теряeт он свои свойства и со временем — через 4-5 лет наступает потеря 30-40 % магнитных свойств.

Магниты на основе редкоземельных металлов (РЗМ)

Наиболее «сильными» являются магниты на основе системы неодим-железо-бор. Они не теряют своих свойств при нагреве до 135 °С. Во времени, потеря магнитных свойств составляет всего 2-3 % за 100 лет. То есть, эти приборы, как минимум, «пожизненные» (почти вечные) — стальные трубы и те приходится заменять через 25-30 лет эксплуатации. Запад преимущества магнитов такого типа понял очень быстро и применил их на практике. У нас их применение для устройств магнитной обработки только началось.
Каждый из перечисленных выше магнитных материалов обладает своим уровнем коэрцетивной силы. Следовательно, для того, чтобы создать магнитное поле одной и той же величины сами магниты будут иметь разные размеры. Разные размеры будут иметь и устройства, созданные на их основе.

Характеристики  магнитов (NdFeB): N38

– магнитная индукция (по измерению в зазоре) Вг, Тл 0,8...1,2
– магнитная индукция (по измерению на поверхности) Вг,Тл 0,25...0,35
– коэрцитивная сила по индукции Нbc, кА/м 400...1300
– коэрцитивная сила по намагниченности Нjc, кА/м 400...1500
– магнитная энергия ВНmax, кДж/м³ 200...400
– максимальная рабочая температура Т, °С 100...150
– температурный коэффициент x, %/°С 0,15
– плотность r, г/см³ 7,4.

 

Вода, обработанная устройством магнитной обработки воды, сохраняет свои свойства от 10 часов до 8 суток (в зависимости от состава воды и условий эксплуатации).
Кроме того, применение устройств магнитной обработки воды позволяет получить положительный эффект при установке на:
1. новые трубопроводы: новые трубопроводы остаются свободными от известкового налета, в результате значительно увеличивается срок их эксплуатации. Устройства магнитной обработки воды снижают риск образования как поверхностной, так и точечной коррозии, формируют защитную пленку на стенках труб;
2. существующие трубопроводы: слой известкового налета становится пористым, разбивается на отдельные фрагменты и вымывается из трубопровода водой в виде суспензии. Ржавчина и другие коррозионные композиты также могут быть растворены и вымыты из трубопровода, если они смешаны с накипью.
Большая часть растворенной извести и компонентов ржавчины обычно выпадает в осадок, например, в водонагревателе, после чего они могут быть легко удалены.
После установки системы магнитной очистки воды рекомендуется еженедельно проводить очистку водонагревателей, фильтров, магнитных фильтров грубой очистки и аэраторов. Такая очистка должна проводиться в течение 2…3 месяцев или более длительного периода времени в зависимости от количества извести и ржавчины. После очищения трубопроводов от всех включений возможно формирование антикоррозийного защитного слоя;

3. новые водонагреватели: при температуре воды до 70 °C новые водонагреватели

остаются свободными от известкового налета на нагревательных элементах и стенках внутреннего бака. Минимальное количество извести может выпасть в виде осадка. Клапаны и смесители также остаются свободными от известкового налета, что позволяет избегать проблем, связанных с дополнительными регулировками и повышением давления.
При температуре воды выше 70 °C объем известкового осадка существенно увеличивается, при этом змеевики и нагревательные элементы, а также стенки внутренних баков остаются чистыми. В результате значительно сберегается энергия и существенно увеличивается срок службы приборов. Осадок же может быть легко удален при технологических чистках;
4. водонагреватели, находящиеся в эксплуатации: существующий известковый слой на нагревательных элементах и змеевиках, стенках внутренних баков становится пористым и облупливается. В результате имеющийся осадок может быть легко удален при помощи фильтрации или простой очисткой внутренней поверхности бака. Учитывая, что известковый налет вызывает эффект изоляции, удаление слоя извести приводит к значительному сбережению энергии и существенно увеличивает срок службы приборов;
5. новые пластинчатые теплообменники: при температуре воды до 70°C новые пластинчатые теплообменники остаются свободными от известкового налета. Применение устройства магнитной обработки воды позволяет увеличить интервалы между обслуживаниями теплообменников в 3…4 раза. Пластины могут быть очищены струей воды под давлением без применения шарошки или кислотной очистки.
При температуре воды выше 70 °C начинается образование известкового осадка. В системах без циркуляции или с незначительной циркуляцией воды известковый осадок может скапливаться в нижней части пластин теплообменника. Если он не вымывается, то, в конечном счете, прочно закрепляется на пластинах. Даже в этом случае установка устройств магнитной обработки воды позволяет увеличить интервалы обслуживания теплообменниковв 3…4 раза по сравнению с обычными условиями. Пластины могут быть очищены обычной щеткой и струей воды под давлением вместо кислотной очистки. В пластинчатых теплообменниках с интенсивной циркуляцией известковый осадок вымывается через пластины, а затем может быть высажен в буферных танках, накопительных водонагревателях или фильтрационных установках;
6. пластинчатые теплообменники, находящиеся в эксплуатации: существующий известковый налет становится рыхлым и вымывается с поверхности пластинчатых теплообменников, заблокированной отложениями жесткости, при условии достаточно интенсивной циркуляции воды и температуре не выше 65…75 °С. Однако в большинстве случаев рекомендуется очистить теплообменник до установки системы магнитной обработки воды. Это связано со сложностями вымывания известковых и камнеподобных включений через очень маленькие промежутки между пластинами теплообменника.
7. насосы: насосы остаются свободными от накипи, как следствие — увеличивается срок службы насосов (уменьшаются расходы на обслуживание), вследствие уменьшения потерь давления в системе снижается потребление энергии насосом.
• Снижение затрат на энергоносители на 20 - 25 %.
• Увеличение срока службы оборудования на 40-60 % и теплоотдачи на 25 %.
• Защита от очаговой коррозии, удаление старых отложений накипи.
• Не требует обслуживания и применения химикатов - экологически чистый метод.
• Отсутствие сменных элементов, высокая надёжность и долговечность
В целом, внедрение систем позволяет:
• сократить затраты энергоносителей на подогрев и испарение жидкостей на 5-10 %;
• продлить срок службы оборудования, ввиду отсутствия необходимости в химических и механических чистках оборудования и перегрева металлических частей теплообменного оборудования из-за ухудшения теплопередачи покрытых накипью поверхностей;
• снизить эксплуатационные расходы на содержание и ремонт оборудования;
• избежать длительных межремонтных простоев оборудования для его чистки и восстановления.
Принцип действия основан на использовании внутри прибора постоянных магнитов с определенной напряженностью. В качестве источника магнитного поля используются постоянные магниты из современных материалов на основе сплавов редкоземельных металлов, поэтому работают при температуре до 135 °С. Величина жесткости воды не влияет на эффективность работы магнитов.

Магнитные системы противонакипной водообработки не имеют кинематических узлов и электрических цепей, очень легко монтируются, не нуждаются в постоянном обслуживании, не являются источником опасных излучений, имеют длительный срок эксплуатации без дополнительных денежных затрат. Применяются совместно с другими способами водоподготовки (деаэрацией и химической очисткой

Устройства магнитной обработки воды предназначены для обработки воды полем магнитов для предотвращения образования и ликвидации уже отложившейся накипи на стенках трубопроводов и теплообменных элементов. Устройства магнитной обработки воды могут быть включены в состав любых установок, подверженных образованию накипи в процессе эксплуатации. Метод магнитной обработки воды является экологически чистым методом и не требует химических реагентов или затрат энергии. В результате магнитной обработки воды вместо прикипевшего котельного камня образуется мелкокристаллический легко удаляемый шлам. Обычно вода сохраняет свои свойства от 10 часов до 8 суток после магнитной обработки.