Застосування сепараторів для ефективного очищення теплоносія
Федоров Сергій Анатолійович, директор ТОВ «Терма-СЕТ»
Запровадження
Відомо, що при запуску систем опалення великі проблеми викликають повітряні порожнини, що залишаються всередині, і циркулюють в потоці тверді частинки або шлам. Наявність повітряних порожнин і пробок автоматично означає високу концентрацію розчинених газів у воді, що може спричинити посилення корозії та ерозії, проблеми з кавітацією, зниження ефективності роботи насосів, арматури та теплообмінників. Наявність газів, у свою чергу, стимулює появу твердих частинок у теплоносії. Осідаючи у місцях із найменшою швидкістю, шари частинок різко знижують ефективність теплопередачі. Потрапляючи в насоси та регулюючу арматуру, вони швидко виводять обладнання з ладу. Процеси корозії під шаром шламу, що відклався, важко загальмувати. Якщо врахувати, що з періодичної зупинки систем на профілактику дні трубопроводів осідають тонни частинок, цей процес щоразу створює нові джерела виразковій корозії.
Існуючі час методи і устаткування спрямовані переважно на обробку води, що надходить у систему /1/. При цьому іноді не береться до уваги, що системи не можуть бути ідеально герметичними, газові потоки всередину систем можуть бути досить великими навіть у закритих системах, а дегазація великих і складних систем може тривати тривалий час. В цьому випадку, як і у випадку запуску, проблеми можуть виникати і при нормальній якості підживлення води. Можна також зазначити, що у разі помилок при проектуванні або налаштуванні в деяких областях систем можуть з'являтися ділянки негативних тисків. У цьому випадку створюються умови для виникнення стійких потоків газуу систему.
Вважають, що у більшості випадків установка достатньої кількості повітровідвідників забезпечить дегазацію систем у процесі роботи. Щоб оцінити ефективність їх застосування нагадаємо, що гази в системі знаходяться в трьох станах: у вигляді порожнин, бульбашок і мікробульбашок і в розчиненому стані /2/. Робота воздухоотводчиков пов'язані переважно з першої формою, т.к. тільки поява у верхній частині повітровідвідника значного обсягу газу приводить у дію механізм його видалення. Основна маса бульбашок і мікробульбашок, що йде в потоці, просто не встигає підніматися в камеру повітровідвідника. Тому повітровідвідники повинні розміщуватись у верхніх точках системи, у місцях локальних піднесень та на радіаторах. У складних системах необхідно встановити велику кількість цих приладів. При цьому відвідник повітря поряд з розширювальним баком є одним з найуразливіших елементів. Практично всі відмінності в конструкціях і цінах пов'язані з різним ступенем надійності та захищеності повітровідвідників від блокування їх бульбашками або розгерметизації при потраплянні всередину механізму спуску частинок бруду.
У складних системах з великою кількістю повітровідвідників, встановлених у важкодоступних місцях, важко перевірити якість їх роботи. Низька ціна (і іноді якість) повітровідвідників часто не компенсує трудомісткість обслуговування та втрати від проблем, що виникають. Не видалені вчасно повітряні порожнини можуть знову поглинутися водою за зміни режиму роботи системи, додатково стимулюючи корозію. Витікання води або потрапляння повітря всередину при розгерметизації відвідника повітря може швидко вивести з ладу будь-яку систему. Автоматичні поплавкові відвідники повітря видаляють повітряні пробки і бульбашки в міру їх появи вавтоматичний режим /3/. Відвідники повітря цього типу забезпечують кращу герметичність і краще захищені від блокування і розгерметизації при попаданні в них бруду.
Встановлювані всередині контуру грязьові системи, як правило, оснащені сітками з великими осередками. В іншому випадку вони швидко забиваються і циркуляційний потік може бути повністю блокований. Таким чином, можна вважати, що всередині системи, як правило, відсутні пристрої, які виконують процеси тонкого очищення теплоносія від шламу, і його кількість може зростати в результаті хімічних реакцій або відшарування відкладень.
Сепаратори для дегазації та видалення шламу
Мал.1 Сепаратор
Сепаратори, що з'явилися в останні роки в Україні, почали вироблятися в Європі більше 30 років тому і стали стандартним елементом для дегазації та видалення шламу із систем опалення та водопостачання. Крім видалення пробок, сепаратори витягують мікропухирці і частинки шламу з потоку води і поєднують у собі функції відвідників повітря, фільтрів і деаераторів. Сепаратори не вимагають витратних матеріалів, енергії та сервісного обслуговування, працюють кілька десятків років, мають просту та надійну конструкцію без частин, що рухаються.
Універсальний сепаратор є металевим циліндром з повітровідвідником нагорі, вентилем для скидання шламу внизу і нерухомим механічним сепаруючим елементом всередині (Рис.1). Елемент усередині сепаратора забезпечує швидке транспортування мікробульбашок нагору та осадження нерозчинних частинок унизу при проходженні потоку води через сепаратор. Автоматичний поплавковий відвідник повітря сепаратора виводить повітря, що накопичується нагорі, а періодичне видалення шламу здійснюється вручну за допомогою кульового вентиля внизусепаратора. В обох випадках система не розгерметизується. При початковому заповненні системи водою великі повітряні бульбашки швидко видаляються за допомогою спеціального вентиля в корпусі відвідника повітря. Сепаратори встановлюються вертикально.
Сепаратори різних фірм, як правило, відрізняються різним типом елементів, що сепарують. У сепараторах Пневматекс (Швейцарія) як такий елемент використовуються пелюсткова спіраль (спіралі) з профільованою поверхнею з нержавіючої сталі, встановлена вертикально вздовж осі сепаратора (Рис.1). Різними можуть бути механізми вилучення газів і твердих частинок. Як правило, при цьому використовується гравітаційний механізм осадження частинок і сублімації бульбашок. Для посилення ефекту знижується швидкість потоку всередині сепаратора (збільшення поперечного перерізу), проводиться ламінізація потоку. У деяких моделях використовують відцентровий ефект при розкручуванні потоку всередині сепаратора. При використанні робочих елементів з великою площею включається механізм сорбції мікробульбашок на поверхні з подальшим їх злиттям у великі бульбашки і спливанням.
Діапазон застосування сепараторів досить широкий.
Наприклад, промислові сепаратори Пневматекс (тирозміри DN 50 - 600 mm) здатні обробляти потоки в діапазоні 5 - 2000 м 3 /год. Корпуси промислових сепараторів виготовляються із сталі.
Латунні сепаратори для невеликих об'єктів (тирозміри DU 20 - 40 mm) обробляють потоки до 5 м 3 /год. Усі сепаратори з латуні збираються з базових елементів та легко трансформуються.
Сепаратори з магнітними пастками
Сепаратори Пневматекс з магнітними пастками (DN 20 - DN 400 мм) вловлюють нерозчинні домішки заліза у воді набагато ефективніше, ніж звичайні сепаратори.Стрижень з потужним магнітом вставляється знизу зовні в гільзу сепаратора і виймається перед операцією вимивання шламу без порушення герметичності системи. Магнітний стрижень відділений стінками гільзи від води та не вимагає очищення чи захисту від корозії. Гільза зроблена з немагнітного матеріалу, тому магнітні частинки швидко осідають вниз і потім змивається шлам через вентиль. Для ефективного вимивання вентиль зміщений від центру (створення вихрового ефекту). Сепаратори з магнітними пастками містять також звичайні сепаруючі елементи і мають всі властивості дегазації та видалення немагнітних частинок, як і у звичайних моделей сепараторів.
Ефективність застосування та монтаж сепараторів
Для оптимальної роботи сепараторів як пристрої дегазації необхідно враховувати, що сепаратори, володіючи функціями повітровідвідників, вловлюють мікропухирці і механічні частинки безпосередньо з потоку і видаляють їх з системи. Швидкість дегазації сепараторів на порядки перевищує відповідні характеристики відвідників повітря (Рис.2). Оскільки при достатній швидкості циркуляції потік води може захоплювати повітря з пробок і переносити його у вигляді мікробульбашок по всій системі, встановлення в оптимальному місці навіть одного сепаратора може забезпечити швидку дегазацію системи.
Рис.2 Залежність вмісту газу у воді від часу при роботі повітровідвідників у різних точках системи та сепаратора (повітровідвідники: 1 – на висхідному вертикальному потоці, 2 – на низхідному, 3 – на горизонталі, 4 – сепаратор)
Ефект глибокої очистки від шламу та дегазації системи за допомогою сепараторів досягається за рахунок неодноразового проходження рідини через сепаратор при циркуляції. Таким чином, сепаратори використовуються тільки вциркуляційні схеми. Їх гідравлічний опір невелика й у процесі роботи мало змінюється т.к. при переповненні брудом нижньої частини сепаратора частинки просто перестають осідати і несуть потоком.
Глибина дегазації залежить від грамотного вибору місця встановлення сепараторів /4, 5/. Ефективність застосування сепараторів для дегазації збільшується при зниженні тиску та збільшенні температури у точках їх розміщення. Сепаратори для дегазації рекомендується встановлювати після джерел тепла в системах опалення або нагрітому зворотному потоці в системах охолодження в найбільш високих точках (3 сепаратор ZIO.S справа). Так як сепаратори видаляють повітря, що знаходиться в мікропухирцевому стані, для дегазації системи їх необхідно встановлювати тільки в тих зонах, де можливе утворення мікропухирців. Таким чином, сепараторами повністю вирішується проблема повітря і шумів, знижується швидкість корозії. Якщо невелика швидкість корозії, сепаратори можуть видаляти значний обсяг кисню.
Кінцева концентрація газів у системі буде близька до величини рівноважної концентрації газів у точці установки сепаратора при даних температурі та тиску. Потрібно відзначити, що через універсальні механізми своєї роботи сепаратори видаляють усі вільні гази, незалежно від їх хімічних властивостей.
Сепаратори шламу зазвичай встановлюються перед приладом, який треба захистити від бруду або на початку контуру циркуляції (Мал.3, сепаратор ZIO зліва від котла).
При достатній швидкості циркуляції, коли більшість нерозчинних частинок переноситься в потоці, можна досягти швидкої і практично повної очистки від шламу всієї системи. Вилучення шламу також знижує швидкість корозії, т.к. виключаються осередки її утворення.
Рис.3 Оптимальне розташування сепараторів у закритій системі опалення
При використанні різних засобів захисту від корозії та утворення відкладень або в процесі роботи системи старі шари можуть відшаровуватися або утворюватися нові частинки. У цьому випадку встановлення в циркуляційному контурі будь-яких фільтрів пов'язане з ризиком швидкого та несподіваного блокування циркуляційного потоку, навіть якщо використовуються дорогі промивні фільтри з автоматичним контролем.
За допомогою сепараторів можна досягти видалення шламу з розміром частинок до 5 - 10 мкм. Швидкість та глибина очищення зростає зі зменшенням швидкості потоку теплоносія, збільшенням розміру частинок та їх густини. На Рис.4 представлені криві ступеня очищення теплоносія від твердих частинок (окисли заліза) кількості циклів для двох швидкостей потоків. Очевидно, що для очищення системи на 90 або більше відсотків достатньо 15-20 циклів (при швидкості 1 м/c). При швидкості потоку 0,5 м/c швидкість і глибина очищення значно вищі.
Мал. 4 Ступінь очищення від механічних частинок сепаратором (швидкість потоку 1 м/с, 0,5 м/с) залежно від кількості циклів проходження потоку через контур
На рис.5 представлений сепаратор ZIO 300 S (DN 300) для захисту котельні 12 МВт від шламу (Томськ). На Рис.6 представлений сепаратор ZIK 400 F (DN 400), встановлений в ЦТП університету м. Абердін (Великобританія).
Мал.5 Сепаратор шламу ZIO 300 S
Мал.6 Комбінований сепаратор ZIK 400 F
Таким чином, сепаратори на сьогоднішній день є найбільш простим та ефективним пристроєм, що видаляє гази та шлам із циркуляційних контурів без розгерметизації систем та ризику блокування циркуляційного потоку.
Література
2. Федоров С.А. “Шляхипопадання газів у системи опалення та деякі особливості деаерації”, СОК, №4, 2007
3. John Siegenthaler "Modern Hydronic Heating", 1995, p.437
4. Федоров С.А. "Дегазація та видалення шламу - рецепт нормальної роботи систем теплопостачання", Новини Теплопостачання, №12, 2006
5. Федоров С.А. "Дегазація та видалення шламу за допомогою сепараторів", АВОК, №7, 2006