Отправить заявку
Отправить заявку
Допустимые расширения файлов jpg-png-gif-zip-rar-:doc-docx-pdf
Максимальный размер 1MB

Анализ конструкции водонагревателей емкостного типа и коммерческих (промышленных)водонагревателей

ПОДХОД TELEDYNE LAARS К ПРОЦЕССУ НАГРЕВА ВОДЫ 
В 1953 году, после семи лет интенсивных разработок и испытаний, корпорация TELEDYNE LAARS представила совершенно новый водонагреватель с превосходными эксплуатационными характеристиками. Инженеры корпорации были убеждены, что ими был совершен реальный прорыв в области решения трёх наиболее трудных проблем, возникающих при работе всех водонагревателей емкостного типа: Выход из строя из-за образования накипи. Выход из строя вследствие коррозии. Постоянное снижение эффективности работы (кпд) на протяжении

всего периода эксплуатации водонагревателя. С 1953 года десятки тысяч водонагревателей конструкции TELEDYNE LAARS подвергались практическим испытаниям на противостояние этим трём проблемам. Результаты доказали правоту инженеров корпорации. Фактор крайне неудовлетворительного состава воды, на которой работали водонагреватели, был преодолён путём установки насосов, подобранных с учётом

обеспечения требуемых расходов воды через теплообменник. Эти расходы предотвращают процессы образования накипи и коррозии, не допускают снижение кпд водонагревателей с течением времени. ОБРАЗОВАНИЕ НАКИПИ А. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ НАКИПИ Образование накипи в водонагревателях является наиболее частой причиной выхода из строя водонагревательного оборудования. Существует прямая зависимость между температурой воды и количеством накипи: чем выше температура - тем больше образуется накипи. Наблюдения показывают, что с течением времени накипь твердеет и удалить её становится труднее. Накипь как бы “вплавляется” в стенки сосуда и со временем становится подобной обожжённому фарфору или стеклу. На самом деле, изначально мягкие и пористые отложения захватывают нерастворённые частицы веществ, таких как глина и силикаты. Такие отложения очень сложно удалить и, со временем, проблемы в системах, в которых борьбе с накипью не уделяется должного внимания, станвятся трудноразрешимыми. Давайте проанализируем, что же происходит в водонагревателе емкостного типа:

  • По мере нагревания воды, соли кальция и магния выпадают в осадок, покрывающий дно.
  • Чем выше температура воды, тем больше осадoк.
  • Самая горячая вода у поверхностей, подвергающихся непосредственному нагреву.
  • Следовательно, самые значительные отложения накипи образуются на поверхностях, подвергающихся непосредственному нагреву.

В электрических водонагревателях наболее знaчительные отложения образуются на нагревательных элементах.

Рисунок 1 Проблема состоит в том, что накипь действует как теплоизолирующий материал. Если Вы хотите узнать, имеется ли накипь в Вашем домашнем водонагревателе, отключите его на один час. Вода просочится в микротрещины слоя накипи. Затем включите водонагреватель. Некоторое количество воды останется "в ловушке" между стенкой емкости и теплоизолирующим слоем накипи и, при нагреве образует пар. В результате вы услышите шум ("потрескивания"), исходящий от Вашего нагревателя. Сам по себе шум является самой незначительной из Ваших проблем. Во-первых, Вы перерасходуете газ или электричество. Еще одна из основных проблем: слой накипи, являясь теплоизолятором, изолирует металлическую емкость от воды, которая отводит тепло от металла. Поэтому металл подвергается все большему и большему нагреву по мере того, как растет слой накипи. Температура поверхности металла на стороне, соприкасающейся с водой, при толщине слоя накипи в два дюйма, в три раза выше, чем при отсутствии накипи. Такие экстремально высокие температуры "ослабляют" металл и укорачивают жизнь емкости. Раньше или позже, в емкости образуются трещины - металл не выдерживает постоянного перегрева и, как следствие, протечки воды. В электрическом нагревателе элементы "прогорают".

Проблемы, связанные с накипью для промышленных водонагревателей большой емкости, аналогичны проблемам небольших бытовых нагревателей. В сфере обслуживания, например, ресторанах, где требуется вода с температурой 82*С, масштаб этих проблем значительно возрастает, т.к. величина количества отложений является функцией температуры воды. Чем выше температура, тем больше накипи.

Рис. 2 Как видно на графике (Рис.2), количество накипи, образующейся при нагреве воды до 82*С в семь раз больше, чем при нагреве до 60*С. Фактор 7 предполагает очень небольшой ожидаемый срок службы водонагревателей емкостного типа в системах с рабочей температурой воды более 80*С. Б. Предотвращение образования накипи Существует два общепринятых метода предотвращения образования накипи:
  1. Установка умягчителя воды или устройства для удаления гидрокарбонатов кальция и магния из воды до ее нагревания.
  2. Механическая очистка поверхностей с целью предотвращения образования или удаления отложений накипи.

В случае с водонагревателями емкостного типа, единственным путем предотвращения образования отложений является применения умягчителей воды. Однако в случаях больших объемов горячего водопотребления или в случаях, когда эксплуатация водоумягчительного хозяйства является проблемой для пользователя, даже умягчение воды не является выходом из положения (рестораны, как правило, "славятся" неудовлетворительным отношением к эксплуатации указанного хозяйства - у них есть более важные заботы, чем эксплуатация механического оборудования). Мы приходим к тому, что имеем дело с водонагревателями "ОДНОРАЗОВОГО использования". Водонагреватели Тeledyne Laars имеют конструкцию, при которой все нагреваемые поверхности автоматически подвергаются механической очистке, предотвращающей возникновение отложений. Конструкция основана на довольно простой посылке: Поддержание определенной скорости прохождения воды через нагреваемые поверхности, при которой отложения не образуются (см.Рис.3).

Если скорость слишком мала для объема формирующихся отложений, слой накипи будет увеличиваться. Поэтому, чем больше жесткость воды, тем больше должна быть скорость потока. Teledyne Laars делит воду по жесткости на следующие три категории:

0 * 2,6 мг экв. (0*130 мг экв Са+2+Mg+2) - мягкая

2,6 * 5,8 (130 * 300) - нормальная

более 5,8 (более 300) - жесткая

Производительность насосов для котлов Teledyne Laars определяется в зависимости от жесткости воды в конкретной системе по рекомендациям, изложенным в Инструкциях к водонагревателям.

Как только отложение появится на поверхности, оно немедленно размывается потоком воды. Однако, для достижения такого эффекта требуется довольно точный расчет (и поддержание) скоростей потока воды.

III. ПРОБЛЕМЫ КОРРОЗИИ

А. Механизм возникновения коррозии

Коррозия на внутренней (соприкасающейся с водой) стороне емкости является еще одной наиболее частой причиной выхода из строя водонагревателей емкостного типа. Вода является веществом, наиболее близким к понятию "универсальный растворитель". Почти всё подвержено коррозии в воде. Лишь степень коррозии за определенный период времени варьирует в зависимости от ряда факторов. Перед тем, как обсуждать механизм коррозии, будет полезно дать несколько определений:

Коррозия Разрушение вещества вследствие реакции с окружающей его средой
Электрод Проводник электрического тока с положительным (см.Катод) или отрицательным (см.Анод) зарядом
Катод В процессе коррозии -положительно заряженный электрод, имеющий меньшую тенденцию к переходу в раствор
Анод В процессе коррозии - отрицательно заряженный электрод, имеющий большую тенденцию к переходу в раствор
Электролит Раствор, через который может проходить электрический ток. Вода является электролитом
Электролитическая коррозия Коррозия металла в присутствии электролита
Гальваническая коррозия Коррозия вследствие контакта двух различных металлов в среде электролита

Все металлы содержат положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Некоторые положительные ионы переходят в раствор, при этом металл становится отрицательно заряженным (необходимо отметить, что все металлы становятся в определенной степени отрицательно заряженными в присутствии электролита, такого как вода). Анодные (отрицательно заряженные) и катодные (положительно заряженные) участки существуют в одном куске металла. По мере того, как отрицательный потенциал на поверхности металла возрастает вследствие перехода положительных ионов в раствор электролита, положительным ионам, находящимся в более глубоких слоях металла, становится все труднее перейти в раствор( т.к. противоположно заряженные частицы притягиваются), и процесс коррозии замедляется. Однако, в соответствии с тем же принципом притяжения противоположно заряженных частиц, электроны участков поверхности металла, имеющих наибольший отрицательный заряд (анод) переходят через электролит к участкам металла с положительным зарядом (катод). Отрицательный заряд на аноде при этом понижается, что делает возможным переход в электролит следующей "порции" положительных ионов, таким образом, процесс коррозии на аноде продолжается. В то же время отрицательный заряд на катоде не уменьшился т.к. электроны перешли с анода на катод, замедлив тем самым коррозию на катоде.

Б. Методы защиты от коррозии

Катодная защита - Наиболее распространенный метод защиты путем установки внутри емкости магниевого или цинкового анода, что замедляет процесс гальванической коррозии. Разные металлы развивают различные потенциалы до прекращения процесса коррозии (см.Рис.4). Идея метода состоит в том, чтобы применить в качестве анода металл, развивающий больший потенциал (отрицательный заряд), чем металл, из которого изготовлена емкость. Как указано выше, отрицательно заряженные участки металла с наибольшим потенциалом "поставляют" электроны на участки с наибольшим положительным зарядом. Таким образом, анод будет "снабжать" электронами корпус емкости. Процесс коррозии пе-реносится с металла емкости на цинковый или магниевый анод и этот процесс ускоряется по мере нагрева металла. Металл анода необходимо периодически осматривать, проверяя степень его разрушения.

Металл или сплав Потенциал, Вольт
Магний. -1,73
Магний, содержащий 4% алюминия -1,68
Цинк -1,10
Алюминий, содержащий 4% цинка -1,02
Алюминий, содержащий 4% магния -0,87
Алюминий -0,84
Кадмий -0,82
Алюминий, содержащий 4% меди -0,69
Железо -0,63
Свинец -0,55
Железо, содержащее 5% хрома -0,50
Олово -0,49
Железо, содержащее 12% хрома -0,27
Медь, содержащая 30% цинка -0,25
Медь -0,20
Нержавеющая сталь (18%Cr + 8%Ni) -0,15
Медь, содержащая 10% Al -0,15
Монель-металл -0,10
Медь, содержащая 5% Sn -0,08
Серебро -0,08
Никель -0,07

Защитные покрытия поверхностей - Катодная защита не является исчерпывающим ответом. Для защиты емкости, не имеющей специального покрытия, требуется анод очень больших размеров и весьма дорогостоящий. Поэтому емкости покрываются изнутри неметаллическими веществами, такими как эмали, или металлами, менее восприимчивыми к коррозии, такими, как медь или никель. Катодная защита применяется совместно с защитными покрытиями, т.к. ни одно покрытие не обеспечивает полной защиты. Например, микротрещины в эмали являются местами, где может начаться процесс коррозии. Таким образом, покрытия применяются не для того, чтобы защитить всю площадь внутренней поверхности емкости, а для того, чтобы свести к минимуму площадь незащищенной поверхности, и при этом использовать анод приемлемых размеров. Ни защитное покрытие, ни анод не предотвращают процесс образования накипи. Если размер анода уменьшится (вследствие процесса коррозии) до недопустимо малой величины, его защитные свойства теряются и, как следствие, емкость может дать течь. Водонагреватели Teledyne Laars не нуждаются в катодной защите. Их теплообменники чисто медные, а медь является наиболее приемлемым, устойчивым к коррозии металлом. Такая защита не требует периодических осмотров и замены анодных стержней. Отдельностоящие емкости воды все же нуждаются в катодной защите, но проблемы коррозии в емкостях, не подвергаемых непосредственному нагреву ,на порядок меньше тех, которые возникают у емкостных водонагревателей.

IV. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ Большие объемы потребления топлива в недавнем прошлом заставили правительственные организации установить стандартами более высокие требования к эффективности его использования. Котлы Teledyne Laars соответствуют и даже превосходят действующие нормы эффективности (кпд). При сравнении котлов Teledyne Laars и водонагревателей емкостного типа, когда они новые, их кпд примерно равны. Различия выявляются после нескольких месяцев эксплуатации. Исследования показывают, что слой накипи толщиной 3,2 мм снижает теплопередачу на 25%, что в свою очередь приводит к перерасходу топлива на 33%. Для ресторанов не является необычным платить несколько тысяч долларов в год за удовлетворение своих потребностей в горячей воде. Различные производства, прачечные, гостиницы, спортклубы и т.д. зачастую получают огромные счета за топливо. Во многих случаях экономически целесообразно заме-нить старый водонагреватель емкостного типа, до того, как он выйдет из строя, на водонагреватель конструкции Teledyne Laars.

V. ВЫВОДЫ Водонагреватели Teledyne Laars созданы для многих лет работы. Нагреватели емкостного типа являются оборудованием "одноразового использования", требующим частой замены.

  • В водонагревателях Teledyne Laars не образуется накипь, даже при работе на жесткой воде. Нагреватели емкостного типа работают без образования накипи только если удалить из воды все карбонаты кальция и магния до поступления ее в емкость. Умягчители воды лишь частично устраняют факторы, определяющие отложение накипи, и зачастую неэффективны из-за неудовлетворительного содержания и обслуживания оборудования.
  • Водонагреватели Teledyne Laars не требуют катодной защиты и не подвержены коррозии при работе на воде хозяйственно-бытового качества. Водонагреватели емкостного типа зависят от защитного покрытия ПЛЮС катодной защиты. Если анод периодически не подвергается осмотру и/или замене, защитные свойства теряются.
  • Водонагреватели Teledyne Laars имеют высокую эффективность (кпд) как когда они новые, так и по прошествии многих лет их эксплуатации. Водонагреватели емкостного типа могут иметь высокую эффективность, когда они новые, но она резко снижается, как только на внутренних поверхностях емкости образуется слой накипи.