Физическая сущность акустического способа удаления отложений (накипи)

Способ основан на возбуждении изгибных колебаний в стенках очищаемых поверхностей. При этом происходят следующие физические эффекты:
    - образование микротрещин в слое накипи из-за усталостных знакопеременных сдвиговых деформаций;
    - проникновение воды в микротрещины слоя накипи и рост трещины до критического размера;
    - отслоение отложений от стенок труб и отнесение их потоком жидкости.
    - далее на чистом месте снова начинает откладываться слой накипи и снова откалывается.

Таким образом, устанавливается динамическое равновесие, при котором слой накипи нарастает до толщины 0,1 - 0,2 мм, а затем откалывается.

Кадры скоростной киносъемки процесса отделения накипи от стенки теплообменника:

Некоторые авторы ошибочно полагают, что очистка поверхности теплоагрегата от слоя накипи происходит из-за кавитации (см. раздел "Технология ультразвуковой очистки"). Однако для проведения процесса ультразвуковой очистки необходимо создать облако кавитационных пузырьков вдоль всей теплообменной поверхности. А это требует подведения в жидкость акустической энергии, значительно превышающей величину энергии, реально вводимой в систему.
Приведем численный расчет. Противонакипный аппарат "Экоакустик-003М", развивающий акустическую мощность 60 Вт, был установлен на один из теплообменников водородного газоохладителя ГО-1500, и был получен положительный эффект. Геометрические параметры газоохладителя: внутренний диаметр трубок - 16 мм, длина трубок - 3600 мм, количество трубок - 116, суммарный объем жидкости равен 84 л. Акустическая мощность, которую нужно подвести в жидкость для создания в жидкости развитой кавитации, необходимой для проведения процесса ультразвуковой очистки, составляет 84*50 = 4500 Вт, что 75 раз больше акустической мощности, развиваемой аппаратом "Экоакустик-003М".
В качестве другого фактора, рассматриваемого как обоснование влияния кавитации на процесс предотвращения накипных отложений, часто упоминают тот факт, что пузырьки являются центрами кристаллизации, инициирующими выпадение кристаллов солей жесткости в объеме жидкости. Но в таком случае кавитация не только не способствует удалению отложений, а, наоборот, интенсифицирует процесс выпадения накипи на поверхность теплообменного аппарата!

Исследования, проведенные специалистами ГК "Ультра-Фильтр", позволили определить пороговые значения амплитуды изгибных колебаний труб, при котором в слое отложений создаются микротрещины - значение амплитуды смещения около 0,1 - 0,3 мкм на частоте 14-18 кГц, в зависимости от химического состава отложений.

Например, для илистых и органических отложений достаточно амплитуды 0,1 мкм.

Для карбонатных отложений Ca и Mg характерна величина 0,2-0,3 мкм. На пороговое значение амплитуды влияет также процентное содержание солей жесткости. Например, при содержании солей менее 12 мг экв./л достаточно амплитуды 0,2 мкм, свыше - амплитуда должна быть увеличена как минимум до 0,3 мкм, в противном случае гарантировать 100% предотвращение образование накипи нельзя.

Было показано, что глубокое проникновение воды в микротрещины происходит вследствие звукокапиллярного эффекта, а разрушение слоя накипи, происходит за счет расклинивающего действия воды, обусловленного эффектом Ребиндера.

Таким образом, для предотвращения образования накипных отложений необходимо создать на всем протяжении стенок труб теплообменных аппаратах ультразвуковые колебания с амплитудой не менее 0,2 - 0,3 мкм.

Проведенные эксперименты показали также, что при амплитуде колебаний стенок более 1 -2 мкм (в зависимости от химического состава накипи) происходит отделение слоя уже имеющихся накипных отложений. Это позволило разработать акустический способ очистки теплообменных аппаратов.

Расчет требуемого количества ультразвуковых излучателей проводится из условия, чтобы на всей поверхности теплообмена развивалась необходимая амплитуда смещения. В расчете учитываются: геометрические параметры теплообменника, условий доступа к теплообменным поверхностям, а также химический состав и концентрации отложений.

На основе рассмотренного способа разработано ультразвуковое противонакипное оборудование серии "Экоакустик-М".