Описание устройства удаления накипи «Термит», процесса устранения накипи.
Типовые схемы установки.

Общеизвестно, что процессы образования накипи и инкрустаций связаны с наличием в природной воде, в том числе и в пресной, больших количеств растворенных солей кальция и магния. Эти элементы, несомненно, важны для человека, для развития флоры и фауны, но доставляют массу проблем при проектировании и эксплуатации котельного и теплообменного оборудования. Нам всем хорошо знакомы накипь и осадки в нагревательных устройствах, в трубопроводах, в стиральных и посудомоечных машинах, известковые отложения на сантехническом оборудовании, кафеле, а также сухость волос и кожи при мытье водой с высоким содержанием кальция и магния.

О жесткости воды.

Природные воды очень разнообразны по химическому составу. Главными примесями речных вод, содержащих 500-600 мг/л растворенных солей, являются ионы кальция, магния, натрия, бикарбонатов, сульфатов и хлоридов. Маломинерализованные речные воды содержат преимущественно ионы кальция и магния.

Солесодержание подземных вод зависит от условий залегания подземного горизонта и меняется от 100-200 мг/л до нескольких граммов на литр. В пресных водах артезианских скважин преобладают ионы Са²⁺ и НСО₃^-. Эти ионы присутствуют во всех минерализованных водах. Источник их появления - природные залежи известняков, гипса и доломитов. В маломинерализованных водах больше всего содержится ионов Са²⁺. Суммарная концентрация катионов кальция и магния, выраженная в мг-экв/л, определяет жесткость воды.

Общую жесткость воды определяют также как сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием солей гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется при кипячении воды. При нагревании воды гидрокарбонаты распадаются с образованием нестойкой угольной кислоты и нерастворимого осадка карбоната кальция и гидроксида магния. Некарбонатная жесткость связана с присутствием в воде кальция и магния в виде солей серной, соляной и азотной кислот. Эта жесткость при кипячении не устраняется [1].

Жесткая вода непригодна для систем оборотного водоснабжения, для питания паровых и водогрейных котлов, а также практически для всех видов теплообменного оборудования. Отложения солей жесткости приводят к значительному увеличению тепловой энергии на нагрев и к эквивалентному увеличению затрат на расход топлива. Также они отрицательно сказываются на теплообменных и гидравлических характеристиках, выводится из строя насосное, запорное и регулировочное оборудовании, ускоряются коррозионные процессы. На рис. 1 приведена зависимость потерь тепловой энергии в зависимости от толщины слоя отложений солей жесткости (по данным фирмы «Lifescience Products LTD», Великобритания). Слой в 3 мм поглощает 25% тепловой энергии, а если на стенках котла или бойлера наросло 13 мм, то теряется уже 70% тепла. Отложения толщиной 10 мм нарастает менее чем за один год. Многим известно об уровне затрат на ремонт, химические и механические чистки, на замену труб и водонагревательного оборудования.

В соответствии с ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Однако ряд производств устанавливает более жесткие требования к технологической воде, вплоть до глубокого умягчения (0,01-0,05 мг-экв/л и ниже). В справочнике [2] приведены ориентировочные требования по общей жесткости (мг-экв/л) питательной воды для котлов различных типов:

• жаротрубные (5-15 ати) - 0,35;
• водотрубные (15-25 ати) - 0,15;
• высокого давления (50-100 ати) - 0,035;
• барабанные (100-185 ати) - 0,005.

Существует ряд способов умягчения воды (процесс удаления ионов Са²⁺ и Mg²⁺). Наиболее распространен химический метод ионного обмена ионов кальция и магния, содержащихся в воде, на натрий или калий, которые не образуют осадков своих солей при нагревании. В умягчителях данного типа работает катионообменная смола, которую периодически нужно регенерировать раствором поваренной соли. Этот метод не лишен существенных недостатков. Использование поваренной соли для регенерации смолы создает проблемы для окружающей среды из-за необходимости утилизации промывных вод с высоким содержанием солей. Из питьевой воды выводятся соли кальция ниже требуемых для нашего организма норм, при этом вода обогащается натрием, далеко не полезным для питья. Ограничен ресурс работы ионообменных смол.

Воду умягчают также с помощью мембранных фильтров, которые фактически ее обессоливают. Этот метод менее распространен из-за высокой стоимости мембран и ограниченного ресурса их работы.

Существуют и другие методы умягчения: термические, реагентные, диализные и комбинированные. Выбор метода умягчения воды определяется ее химическим составом, требуемой степенью умягчения и технико-экономическими показателями.

Магнитная обработка воды.

В последние десятилетия, как в России, так и за рубежом для борьбы с образованием накипи и инкрустаций применяют магнитную обработку воды. Ее широко используют в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производительности, в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения, в различных теплообменных аппаратах. В сравнении с распространенными методами умягчения воды магнитную обработку отличают простота, дешевизна, безопасность, экологичность, низкие эксплутационные расходы.

Механизм воздействия магнитного поля на воду и содержащиеся в ней примеси окончательно не выяснен, но имеется ряд гипотез. Специалистами МЭИ и МГСУ выполнен большой объем работ по изучению влияния магнитного поля на процессы образования накипи, разработаны аппараты для магнитной обработки воды, сформулированы технические требования и условия их использования для практических целей.

Современные воззрения объясняют механизм воздействия магнитного поля на воду и ее примеси поляризационными явлениями и деформацией ионов солей. Гидратация ионов при обработке уменьшается, ионы сближаются и образуют кристаллическую форму соли. В основу одной из теорий положено влияние магнитного поля на коллоидные примеси воды, по другой – изменяется структура воды. При наложении магнитного поля в массе воды формируются центры кристаллизации, вследствие чего выделение нерастворимых солей жесткости происходит не на теплопередающей поверхности (нагрева или охлаждения), а в объеме воды. Таким образом, вместо твердой накипи в воде появляется мигрирующий тонкодисперсный шлам, который легко удаляется с поверхности теплообменников и трубопроводов. В аппаратах магнитной обработки вода должна двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям.

В настоящее время в России выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды – с постоянными магнитами и электромагнитами. Время пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью в пределах 1-3 м/с.

Условия использования аппаратов для магнитной обработки воды приведены в справочнике [2]:

• подогрев воды должен осуществляться до температуры не выше 95°С;
• карбонатная жесткость должна быть не выше 9 мг-экв/л;
• содержание растворенного кислорода должно быть не более 3 мг/л, а сумма хлоридов и сульфатов – не более 50 мг/л;
• содержание двухвалентного железа в артезианской воде допускается не больше 0,3 мг/л.

Для определения противонакипного эффекта Э, % используется следующее выражение:

Э = (m_н - m_м) * 100/m_н, (1)

где - m_н и m_м – масса накипи, образовавшейся на поверхности нагрева при кипячении в одинаковых условиях одного и того же количества воды с одинаковым исходным химическим составом, соответственно необработанной и обработанной магнитным полем, г.

Несмотря на все достоинства аппаратов для магнитной обработки воды, на практике эффект обработки зачастую проявлялся только в первый период эксплуатации, затем результат пропадал. Появился даже термин - эффект «привыкания» воды. Свои свойства омагниченная вода сохраняет меньше суток. Это явление потери магнитных свойств называется релаксацией. Поэтому в тепловых сетях кроме омагничивания подпиточной воды необходимо обрабатывать воду, циркулирующую в системе путем создания так называемого антирелаксационного контура, при помощи которого обрабатывается вся вода, циркулирующая в системе [2].

Электромагнитное воздействие с переменной частотой.

В конце прошлого тысячелетия появились зарубежные и отечественные аппараты для обработки воды электромагнитными волнами в диапазоне звуковых частот, которые имеют существенные преимущества перед аппаратами для магнитной обработки воды. Их отличает небольшие габариты, простота монтажа и обслуживания, экологическая безопасность, низкие эксплутационные расходы. Значительно расширен диапазон условий их применения, в первую очередь для воды с высокой жесткостью, отсутствуют высокие требования по общему содержанию солей, устранен эффект «привыкания» воды. Кроме того, обработанная питьевая вода сохраняет кальций и магний, которые необходимы нашему организму для опорно-двигательной, сердечно-сосудистой и нервной систем. Т.е. устройства данного типа можно использовать не только для защиты теплообменного оборудования, систем горячего водоснабжения и пр., но и для систем водоочистки и коммуникаций питьевой воды. Еще одно преимущество этих аппаратов – разрушение сформировавшихся ранее отложений солей жесткости в течение 1-3 месяцев.

В России используются поставляемые из-за рубежа аппараты «Water King» (фирма «Lifescience Products LTD», Великобритания), «Aqua» (фирма «Trebema», Швеция), а также выпускаются аппараты отечественного производства серии «Термит» (предприятие «Экосервис Технохим-М») [3].

Электронный преобразователь солей жесткости «Термит» - прибор настенного типа, выпускается в двух модификациях. «Термит» включает микропроцессор, который управляет изменением характеристик электромагнитных волн, генерируемых прибором в диапазоне 1 – 10 кГц. Генерируемые сигналы передаются по проводам – излучателям, которые наматываются на трубопровод. При этом сигналы распространяются в обе стороны трубопровода. С помощью проводов – излучателей поток излучения концентрируется в объеме воды, протекающей в трубопроводе.

Передаваемые электромагнитные волны изменяют структуру солей жесткости с образованием хрупкой арагонитной формы карбоната кальция. При этом прочная смесь аморфных отложений солей жесткости не образуется, а сформировавшиеся ранее отложения разрушаются и уносятся с потоком воды.

Вода при обработке не меняет солевой состав, что сохраняет ее качества питьевой воды без потерь необходимых химических элементов.

Приборы «Термит» выпускаются в соответствии с ТУ 6349-001-49960728-2000 (Гигиеническое заключение № 77.01.06.634.Т.25729.08.0, Сертификат соответствия №РОСС RU.АЮ64.А02379). Прибор отмечен Дипломами 1 степени ВВЦ и Министерства промышленности, науки и технологий РФ, Золотой медалью ВВЦ и Серебряной медалью Министерства промышленности.

В таблице 1 приведены технические характеристики приборов «Термит».

Таблица 1

Технические характеристики приборов «Термит»

По мнению специалистов шведской фирмы «Trebema» под действием электромагнитных волн в диапазоне звуковой частоты бикарбонат кальция, содержащийся в исходной воде, переходит в нерастворимый карбонат кальция. При этом карбонат осаждается не на стенках труб и оборудования, а в объеме воды. Этот процесс описывается следующим химическим уравнением:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + H₂CO₃ (1)

бикарбонат карбонат угольная кислота

Нестойкая угольная кислота электролитически диссоциирует. Она также склонна к образованию углекислого газа:

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^- (2)

Угольная кислота разрушает старые известковые осадки в трубах, водонагревателях и др. Избыток угольной кислоты смещает равновесие реакции (1) влево, т.е. приводит к повторному образованию бикарбоната кальция. На практике это означает, что в обработанной воде через несколько суток вновь образуется бикарбонат кальция (вода «теряет» свои свойства после электромагнитного воздействия).

Шведскими специалистами опытным путем установлено:

• Небольшое уменьшение величины рН воды за счет ее подкисления угольной кислотой. Однако это уменьшение настолько мало, что не увеличивает риск коррозии.
• Изменение электропроводности воды из-за уменьшения величины рН.
• Уменьшение поверхностного натяжения и капиллярности (требуется меньше моющих средств).

Опытная проверка

В Институте физической химии РАН проведена опытная проверка в сопоставимых условиях эффективности работы преобразователей солей жесткости «Термит» (два образца) и прибора «WK-3» фирмы «Lifescience», Великобритания.

Испытания проводили по следующей экспресс-методике. Искусственно приготовленный раствор в объеме 2 л с общей жесткостью 21,9 мг-экв/л (примерно в 7,5 раз выше жесткости воды р. Москва и в 2,4 раза выше величины допустимой жесткости для систем с магнитной обработкой) и значением рН 7,5-7,8 пропускали в режиме непрерывной циркуляции. Последнюю осуществляли последовательно через стеклянную промежуточную емкость, стальную трубу и фторопластовую цилиндрическую ячейку.

На стальную трубу 3/4" (длина – 400 мм) были намотаны четыре индуктора из многожильного медного провода в оболочке из ПВХ, которые подключали к электронным преобразователям солей жесткости. Внутренний объем фторопластовой ячейки – 0,9 л. Отложение солей жесткости происходило на алюминиевом диске, помещенном на дне фторопластовой ячейки.

Температуру циркулирующего раствора поддерживали на уровне 85±5 °С. Время циркуляции раствора в каждом опыте – 2,5 часа.

После окончания циркуляции диск вынимали из ячейки, промывали и высушивали на воздухе при 100 ⁰С до постоянного веса. По разнице веса диска до и после эксперимента определяли количество осадка на нем солей жесткости. По выражению (1) находили противонакипный эффект. С каждым прибором проводили два параллельных опыта.

Результаты испытаний электронных преобразователей солей жесткости в водных растворах различных модификаций и контрольных опытов (без обработки воды) приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты испытаний приборов различных модификаций

Приведенные в таблице 2 данные показывают, что электромагнитное воздействие на воду с высокой жесткостью даже в течение короткого времени позволяет снизить количество отложений солей жесткости, образующихся на стенках, на 24-30%. При этом эффективность всех исследованных аппаратов в одних и тех же условиях (уровень жесткости, температура, диаметр и длина стальной трубы) примерно одинакова. Следует отметить, что в опытах вода из цикла не отводилась, поэтому угольная кислота, накапливающаяся в цикле, в соответствие с химической реакцией (1) приводила к стационарному состоянию системы карбонат (осадок на диске) – карбонат (нерастворенные частицы в объеме воды) – бикарбонат. При отводе воды из цикла (как в основном и бывает на практике) равновесие реакции (1) сдвигается вправо, т.е. противонакипный эффект увеличивается.

Рекомендации по установке и эксплуатации

При подборе типа прибора электромагнитной обработки воды в диапазоне звуковых частот (по диаметру трубопровода) и оптимального режима его эксплуатации следует руководствоваться эмпирические зависимости (2) и (3).

Для прямоточных систем водоснабжения:

Q ≤ (0,005—0,010) d² (2)

где Q – расход воды, м³/час,

d - внутренний диаметр трубопровода, мм.

Для системы с циркуляционным контуром:

Qрасх. / Qцирк. ≤ 0,8 (3)

где Qрасх. – количество воды, отбираемой из системы на потребление, м³/час,

Qцирк. - объемный поток воды, циркулирующий в системе, м³/час.

Также нужно учитывать, что электромагнитной обработке подвержена только карбонатная жесткость.

Противонакипный эффект будет увеличиваться:

• с повышением температуры воды,
• при более высоком содержании ионов Ca²⁺ и Mg²⁺,
• с повышением щелочности воды,
• при уменьшении ее общей минерализации.

Прибор нужно устанавливать как можно ближе к защищаемому оборудованию. При наличии в системе центробежного насоса прибор электромагнитной обработки устанавливается после него.

В заключение можно отметить, что приборы «Термит» успешно работают более чем на полутора тысяч объектах. Они используются для защиты и очистки от отложений солей жесткости следующих систем и оборудования:

• водопроводные коммуникации, системы центрального отопления;
• водонагревательное и отопительное оборудование – котлы, бойлеры, парогенераторы, радиаторы;
• оборудование для очистки и подготовки воды, в том числе питьевой;
• форсунки и распылительные устройства;
• электролизеры, электродиализные установки;
• системы кондиционирования воздуха;
• системы охлаждения с циркуляционной водой;
• санитарно-техническое оборудование: гидромассажные ванны, раковины, душевые;
• бытовая техника – стиральные и посудомоечные машины; кухонное оборудование.

  Литература

  1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. М.: издательство МГУ, 1996. 680 с.
  2. Лифщиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. М.: Энергия, 1976. 288 с.
  3. Рэт Д. Теория накипи или практика магнетизма, журнал «Мир новосела», №1, 2002 г., с. 92-98.

  Варианты установки приборов «Термит»

  
  Рис.1. Типичная установка в квартире

  
  Рис.2. Установка в квартире многоэтажного дома

  
  Рис.3. Дом или квартира с прямоточным нагревателем малой мощности

  
  Рис.4. Дом с нагревателем накопительного типа

  
  Рис.5. Дом с собственной системой получения горячей воды