Ультразвук

Основная проблема теплоэнергетики – старое и изношенное оборудование, образование карбонатных отложений и накипи на стенках теплообменного оборудования, и, как следствие – плохое качество воды, нарушение технологических процессов и увеличенный объем энергоресурсов.

Ультразвук в сфере теплотехнического оборудования

В технической сфере широкое распространение и применение получил ультразвук.

Ультразвук представляет собой колебания за пределами слышимости человека в упругих средах, они превышают 20 кГц.

В воздухе ультразвук пропадает очень быстро, и не работает на большие расстояния, но в воде и в металле он способен распространяться довольно далеко. Для того, чтобы очистить котел от накипи, ультразвук нужно заставить распространяться направленно. Сделать это можно, приварив ультразвуковые излучатели к поверхности котла или труб. Для этого ультразвуковые излучатели приваривают к поверхности котла или трубы. Внутри такого ультразвукового устройства расположен магнитострикционный сердечник. Материал, из которого он сделан, обладает способностью менять свои размеры, когда работает с электрическим током. Одним из лучших материалов считается  пермендюр. Его делают из сплава кобальта, железа  и ванадия. Сердечник крепится на стальной наконечник, и припаивается к котлу или трубе. С помощью кабеля происходит соединение с ультразвуковым генератором, импульсы от генератора непрерывно поступают в излучатель, частота колебаний ультразвука составляет 18-25 кГц. Магнитострикционный сердечник преобразует электрические волны в механические колебания с той же частотой.

За счет сварки преобразователя и котла, колебания распространяются по всей поверхности прибора, а далее излучаются в воду. Внутри металла оборудования и воды создаются постоянные микроколебания с амплитудой в микрон – эта амплитуда безопасна для сварки и вальцовки, но слой накипи не выдерживает такого воздействия.

Но использовать такой метод можно не везде – он не подойдет для пластиковых труб, пластинчатых теплообменников. Некоторые металлы под воздействием ультразвука могут трескаться. В это заключается минус данной установки.

Как же работает ультразвуковой метод?

Ультразвук возбуждает высокочастотные колебания в металлической теплообменной поверхности. Распространяясь по поверхности, противонакипные колебания препятствуют формированию на ней накипных отложений, замедляя осаждение образующихся кристаллов солей. За счет различной механической жесткости металла и слоя накипных отложений изгибные колебания теплообменной поверхности разрушают формирующийся слой накипи. А если на теплообменной поверхности уже был слой накипи, то ультразвук разрушает его, что сопровождается отслоением и откалыванием кусочков накипи. Размеры этих кусочков зависят от толщины слоя накипи и увеличиваются с ее ростом. При значительной толщине слоя образованной ранее накипи, существует опасность засорения и закупорки каналов. Поэтому одним из основных требований успешного применения ультразвуковой технологии является предварительная очистка теплообменников ультразвуком, насколько это возможно, от старого слоя накипных отложений.

Под воздействием ультразвука в воде образуется множество кавитационных пузырьков, вокруг них начинают образовываться соли жесткости, образуя мелкодисперсный шлам. Колебания поверхности нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб, частицы труднорастворимых солей практически не оседают на стенках оборудования, а остаются во взвешенном состоянии и удаляются потоком жидкости или продувкой.

Ультразвук оказывает разрушающее действие на накипь, противонакипные колебания воздействуют на поверхность нагрева и создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связи внутри карбонатных отложений, и между карбонатным отложением и металлом, нарушается. При этом образуются трещины, через которые вода проникает к поверхности нагрева, и вызывает вспучивание и отслаивание карбонатных отложений. Отслоившиеся частицы скапливаются в нижней части теплообменного оборудования, и удаляются периодической продувкой.

Как итог, исключается один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие противонакипных импульсов на внутреннюю поверхность труб, обладающую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин. Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.

Системы УЗ-очистки

При выборе системы очистки важно обращать внимание на характеристики, позволяющие более эффективно ее использовать. Важно определить факторы интенсивности ультразвуковой кавитации в моющей жидкости. Наиболее важный, обеспечивающий интенсивность кавитации фактор – температура жидкости. Изменения температуры приводят к изменениям вязкости, растворимости газа в жидкости, скорости диффузии растворенных газов в жидкости и давлении пара.

Для формирования кавитационных пузырьков и сильных акустических течений вязкие жидкости не могут реагировать достаточно быстро, так как они инерционны. Для наиболее эффективной кавитации очищающая жидкость должна содержать как можно меньше растворенного газа. Газ, растворенный в жидкости, выходит во время пузырьковой фазы роста кавитации и ослабляет ее взрывной эффект, который необходим для ожидаемого эффекта ультразвукового воздействия. Количество растворенного газа в жидкости уменьшается с увеличением температуры.  Скорость диффузии растворенных газов в жидкости также увеличивается при более высоких температурах. Поэтому предпочтение отдают очистке в подогретых моющих растворах. Парообразная кавитация, в которой кавитационные пузырьки заполнены паром жидкости, является наиболее эффективной.

Интенсивность кавитации напрямую связана с мощностью ультразвукового излучения. Обычно ее устанавливают выше кавитационного порога. Интенсивность кавитации обратно пропорциональна ультразвуковой частоте — с увеличением ультразвуковой частоты уменьшаются размеры кавитационных пузырьков и результат их воздействия на очищаемую поверхность. Компенсировать уменьшение интенсивности ультразвукового воздействия с увеличением частоты можно только увеличением мощности облучения.

Обеспечение максимального эффекта очистки

Залог успеха в процессе ультразвуковой очистке – удачный выбор моющего состава. Он должен быть совместим с материалами очищаемых поверхностей. Для этого более подходящими являются водные растворы технических моющих средств. Как правило это поверхностно активные вещества – ПАВ.

В достижении удовлетворительных результатов очистки очень важна дегазация моющих растворов. Свежие или охлажденные растворы должны быть дегазированы перед процессом очистки.

Дегазация выполняется нагревом жидкости и предварительным облучением ванны ультразвуком. Время, заданное для дегазации жидкости, составляет от нескольких минут для ванн малого размера до часа или больше для большого резервуара. Ненагретый резервуар может дегазироваться несколько часов. Признаком закончившейся дегазации являются отсутствие видимых пузырьков газа, перемещающихся к поверхности жидкости, и отсутствие видимой пульсаций пузырьков. Мощность ультразвука должна сопоставляться с объемом ванны.

Очистка массивных объектов или имеющих большое отношение поверхности к массе, может требовать дополнительной ультразвуковой мощности. Чрезмерная мощность может вызывать кавитационную эрозию.

Если очищаются объекты с разнородными поверхностями, мощность облучения рекомендуется установить по менее прочному компоненту.

Важно правильно размещать очищаемые объекты в ванне. Погружаемые устройства не должны экранировать объекты от воздействия ультразвука. Твердые материалы обычно обладают хорошей звукопроводностью и не экранируют объект очистки. Объекты очистки нужно постоянно ориентировать или вращать во время процесса, чтобы полностью очистить внутренние пазухи и глухие отверстия.

Ультразвуковая технология  обеспечивает большую скорость и высокое качество очистки поверхностей. Отказ от использования растворителей за счет применения водных сред удешевляет процесс, и наиболее эффективно решает  экологические проблемы.

Ультразвук — это не технология будущего, это технология сегодняшнего дня.