Электромагнитная обработка воды:
прибор «Термит»

В. В. Банников, канд. техн. наук
Предприятие «Экосервис Технохим» (www.etch.ru)

Процессы образования накипи и инкрустаций связаны с наличием в природной воде 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 хорошо знакомы накипь и осадки в нагревательных устройствах, трубопроводах, 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.

Жесткая вода непригодна для систем оборотного водоснабжения, для питания паровых и водогрейных котлов, а также практически для всех видов теплообменного оборудования. Отложения солей жесткости, нарастая менее чем за год на 10 мм, приводят к значительному увеличению тепловой энергии на нагрев и к эквивалентному увеличению затрат на расход топлива (рис. 1-2). Также они отрицательно сказываются на теплообменных и гидравлических характеристиках, выводят из строя насосное, запорное и регулировочное оборудование, ускоряют коррозионные процессы.

Рис. 1. Потери тепловой энергии при теплопередаче через греющую поверхность (по данным фирмы Lifescience)

Рис. 2. Перерасход топлива в зависимости от толщины слоя накипи на поверхности нагрева [1]

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 менее). Ниже приведены ориентировочные требования по общей жесткости питательной воды для котлов различных типов, мг-экв/л [2]:

• 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. Наиболее распространен химический метод ионного обмена ионов кальция и магния, содержащихся в воде, на натрий или калий, которые не образуют осадков при нагревании. В умягчителях данного типа работает катионообменная смола, которую периодически нужно регенерировать раствором поваренной соли.

Этот метод не лишен существенных недостатков. Так, использование поваренной соли для регенерации смолы создает экологические проблемы 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 человека и животных. 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 определяется химическим составом воды, требуемой степенью умягчения и технико-экономическими показателями.

В последние десятилетия как в России, так и за рубежом для борьбы с образованием накипи стали применять магнитную обработку воды. Ее широко используют в конденсаторах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления, 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 и объясняется 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 настоящее время в России выпускают два типа аппаратов для магнитной обработки воды - с постоянными магнитами и электромагнитами. Продолжительность пребывания воды в аппарате определяется ее скоростью в пределах 1-3 м/с.

Условия использования аппаратов для магнитной обработки воды следующие [1]:

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

Для определения противонакипного эффекта Э используется следующее выражение:

Э = (m_н-m_м)·100/m_н,

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.

Несмотря на все достоинства аппаратов для магнитной обработки воды, на практике эффект обработки зачастую проявляется только в первый период эксплуатации, затем результат пропадает. 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 создание так называемого антирелаксационного контура, при помощи которого обрабатывается вся вода, циркулирующая в системе [2].

Зарубежные и отечественные аппараты для обработки воды электромагнитными волнами в диапазоне звуковых частот имеют существенные преимущества перед аппаратами для магнитной обработки воды. Их отличают небольшие габариты, простота монтажа и обслуживания, экологическая безопасность, низкие эксплуатационные 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. Таким образом, устройства данного типа можно использовать не только для защиты теплообменного оборудования, систем горячего водоснабжения и пр., но и для систем очистки 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 аппараты отечественного производства серии «Термит» (предприятие «Экосервис Технохим») [3].

Электронный преобразователь солей жесткости «Термит» - прибор настенного типа, выпускается в нескольких модификациях (таблица). Включает микропроцессор, который управляет изменением характеристик электромагнитных волн, генерируемых прибором в диапазоне 1-20 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.

Технические характеристики приборов «Термит»

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 питьевые качества.

Прибор отмечен дипломами и медалями ВВЦ и Министерства промышленности, науки и технологий РФ.

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)

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 т.д. Избыток угольной кислоты смещает равновесие первой реакции 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 также установлено, что происходит небольшое снижение рН воды за счет ее подкисления угольной кислотой, однако это уменьшение настолько мало, что не увеличивает риск коррозии. Из-за уменьшения величины рН изменяется электропроводность воды. В результате уменьшения поверхностного натяжения и капиллярности требуется меньше моющих средств.

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

Искусственно приготовленный раствор с общей жесткостью 21,9 мг-экв/л (примерно в 7,5 раз выше жесткости воды в р. Москве 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 через промежуточную емкость с металлическими образцами. Температуру циркулирующего раствора поддерживали на уровне 85±5°С.

По разнице массы образца до и после эксперимента определяли количество осадка на нем солей жесткости. По приведенной выше формуле вычисляли противонакипной эффект.

Полученные данные показали, что электромагнитное воздействие на воду с высокой жесткостью даже короткой продолжительности позволяет снизить количество отложений, образующихся на стенках, на 24-30 %. При этом эффективность всех исследованных аппаратов в одних и тех же условиях примерно одинакова. Следует отметить, что в опытах вода из цикла не отводилась, поэтому угольная кислота, накапливающаяся в цикле, в соответствии с химической реакцией (1) приводила к стационарному состоянию системы: карбонат (осадок на образце) - карбонат (нерастворенные частицы в объеме воды) - бикарбонат. При отводе воды из цикла (как в основном и бывает на практике) равновесие этой реакции сдвигается вправо, т.е. противонакипной эффект будет увеличиваться.

Впоследствии предприятием «Экосер-вис Технохим» совместно с Институтом теоретической и прикладной электродинамики РАН были продолжены исследования по влиянию работы прибора «Термит» на процесс образования накипи для проточных водных систем при различных температурах.

Все эксперименты проводились с использованием воды из городской сети (Москва, Северный округ), которая имела следующий состав:

• жесткость общая - 2,9-3,1 мг-экв/л, в том числе карбонатная - 2 мг-экв/л;
• свободная углекислота СО₂ - 4,4 мг/л;
• соотношение содержания кальция и магния - 4/1;
• величина рН - 7,2-7,3.

В соответствии со СНиПами расчет индекса насыщения данной воды карбонатом кальция (стабильность воды) показывает величину J = 0,15 [4, 5]. Это означает, что вода способна к отложению карбоната кальция. СНиП 1986 г. допускает в данном случае использовать магнитный способ для противонакипной обработки воды [5].

Опытная установка включала проточную емкость, в которую помещались исследуемые образцы из оцинкованной стали.

Установлено, что наибольший противонакипной эффект наблюдается при интенсивном кипении воды в зоне размещения образцов. При включении в работу прибора «Термит» увеличение накипи на образцах составило величину в 8-12 раз меньшую, чем на тех же образцах без обработки воды.

При уменьшении температуры воды (примерно 98°С; на грани кипения) относительная разница в массе накипи понизилась до 3-5 раз. И, наконец, при температуре воды примерно 70°С относительная разница в массе незначительна.

Полученные результаты можно объяснить значительным влиянием на процесс накипеобразования содержания в воде углекислоты. При кипении воды парциальное давление углекислого газа в воде существенно уменьшается [6], равновесие реакции (1) сдвинуто влево. Бикарбонат натрия интенсивно распадается на ионы карбонатов, углекислый газ и воду:

Са (HCO₃)₂ →Ca CO₃↓+ H₂O + СО₂↑ (3)

Интенсивное удаление углекислого газа при кипении воды «облегчает» работу прибора «Термит» с точки зрения более интенсивного образования осадка нерастворимого карбоната кальция в объеме воды, а не на поверхности образцов. При понижении температуры воды удаление углекислого газа менее интенсивно, соответственно снижается и противонакипной эффект.

Параллельно изучалось также изменение структуры осадка солей жесткости. В экспериментах на стальные оцинкованные образцы предварительно осаждали соли жесткости из потока воды. Далее образцы помещали в поток воды, обработанной с помощью прибора «Термит».

Исследования структуры образцов проводились с помощью атомно-силового микроскопа при увеличении в 10 000 раз. Полученные результаты представлены на рис. 3 и 4.

Без обработки воды осадок имеет плотную аморфную структуру. При включении прибора «Термит» (5 ч работы) проявляется гранулярная структура осадка, что свидетельствует о его размягчении и расслаивании. Почти в 2 раза уменьшилась и высота отложений.

Рис. 3. Водный осадок солей жесткости на стальной подложке (вода без обработки)

Рис. 4. Водный осадок солей жесткости через 5 ч работы прибора «Термит»

При подборе типа прибора электромагнитной обработки воды в диапазоне звуковых частот (по диаметру трубопровода) и оптимального режима его эксплуатации следует руководствоваться следующими эмпирическими зависимостями.

Для прямоточных систем водоснабжения:

Q≤ (0,005 ÷ 0,010) d²,

где Q - расход воды, м³/ч;

с1 - внутренний диаметр трубопровода, мм.

Для системы с циркуляционным контуром:

Qрасх. / Qцирк. ≤ 0,8,

где Q_расх.. - количество воды, отбираемой из системы на потребление, м³/ч; Qцирк. - объемный расход воды, циркулирующий в системе, м³/ч.

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

Противонакипной эффект будет увеличиваться:

• с повышением температуры воды вплоть до температуры кипения,
• при более высоком содержании ионов Ca²⁺ и Mg²⁺,
• с понижением содержания в воде углекислоты,
• с повышением щелочности воды,
• при уменьшении общей минерализации.

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

Опыт практического использования

Автономные газовые теплогенераторы «Гейзер» модульного типа для децентрализованного теплоснабжения (производства НП ЗАО «Теплогаз», г. Владимир)

На модульные теплогенераторы мощностью 240-600 кВт устанавливали приборы «Термит», а на установки мощностью 600-1200 кВт - приборы «Термит-М».

В результате двухлетней эксплуатации установок «Гейзер», снабженных прибором, установлено следующее:

• периодический осмотр теплообменных поверхностей (трубок) теплогенераторов показывает, что образующаяся накипь имеет пористую, легко удаляемую структуру, при этом теплопроводность практически не уменьшается;
• до применения приборов накипь имела твердую структуру, трудно удалялась с поверхности, что приводило к быстрому зарастанию трубок;
• расходы природного газа на нагрев уменьшены на 10-15 %;
• не было остановок работы теплогенераторов из-за образовавшейся накипи.

Воздушный компрессор 2ВМ4-24/9С производства завода «Борец», г. Москва

На трубопроводе диаметром 50 мм для подачи артезианской воды с целью охлаждения воздушного компрессора и концевого холодильника ХРК 9/8 установлен прибор «Термит». После эксплуатации компрессора в течение 3-х месяцев в цехе химического завода отмечено:

• на поверхности водяных «рубашек» компрессора и концевого холодильника отложений солей жесткости при осмотре не наблюдалось;
• в полостях водяных «рубашек» компрессора обнаружены жесткие отслоения в виде ржавых пластин, которые образовались в результате разрушения слоя накипи на поверхности «рубашек» под воздействием работы прибора «Термит»;
• химический анализ воды как артезианской, так и на сливе воды из охлаждаемого оборудования показывает практически одинаковый химический состав (общая жесткость, щелочность, хлориды, железо, сульфаты, марганец).

Электродиализная установка ДВС-800М для получения деионизованной воды

Прибор «Термит» установлен на линии подачи воды в электродиализный аппарат в цехе химико-металлургического завода.

Содержание солей жесткости в исходной воде изменялось в пределах 5-10 мг-экв/л. В результате работы электродиализатора содержание солей в концентрате увеличивается и соответствует соотношению «концентрат - фильтрат». Удельная электропроводность очищенной воды (фильтрата) составляла 3,3 мкСм/см.

После установки прибора «Термит» удельная электропроводность фильтрата уменьшалась до 2-3 мкСм/см. В течение 3-х месяцев эксплуатации установки с прибором «Термит» удельная электропроводность очищенной воды поддерживалась на уровне 2,5 мкСм/см, т.е. качество очищенной воды по содержанию примесей улучшилось примерно на 24%.

Таким образом, можно сделать вывод, что работа прибора способствует более активному переходу примесей из исходной воды в концентрат.

В заключение можно отметить, что приборы «Термит» успешно работают более чем на 1,5 тыс. объектов. Они используются для защиты и очистки от отложений солей жесткости следующих систем и оборудования:

• водопроводных коммуникаций, систем центрального отопления;
• водонагревательного и отопительного оборудования - котлов, бойлеров, парогенераторов, радиаторов;
• оборудования для очистки и подготовки воды, втом числе питьевой;
• форсунок и распылительных устройств;
• электролизеров, электродиализных установок;
• систем кондиционирования воздуха;
• систем охлаждения с циркуляционной водой;
• санитарно-технического оборудования: гидромассажных ванн, раковин, душевых;
• бытовой техники - стиральных и посудомоечных машин; кухонного оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Интернет-сайт НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете. www.impulse.ru/volna, июль 2004.

2. Лифщиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. - М.: Энергия, 1976.

3. Рэт Д. Теория накипи или практика магнетизма // Мир новосела. 2002. №1. С. 92-98.

4. Строительные Нормы и Правила 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».

5. Строительные Нормы и Правила 2.04.07-86* «Тепловые сети. Схемы тепловых сетей, системы теплоснабжения».

6. Влияние покрытий на интенсивность процессов солеотложения / С.В. Гнеденков и др. Институт химии Дальневосточной РАН // Электронный журнал «Исследовано в России». 2003.