Магнитно-импульсная очистка полимерных трубопроводов от минеральных отложений

№4(17) 2010
технологии и материалы

В.П. Усачев, президент фирмы Вотали, Н.К. Даньшин, профессор, доктор физико-математических наук

Существует  устоявшееся представление о том, что вследствие слабой агдезии полимерные трубопроводы, в отличие от стальных, не подвержены  зарастанию минеральными отложениями. Но это верно лишь в первом приближении. На самом деле, как показывает практика, и полимерные трубы тоже могут накапливать отложения, прежде всего при транспортировке по ним технической воды. Поэтому поиск способов их очистки является тоже весьма актуальным. Особенно на фоне нарастающей тенденции повсеместной замены стальных трубопроводов  полимерными.

Проблема

Эта проблема хорошо известна. На бытовом уровне - это отложения, накопившиеся задесятилетия эксплуатации на внутренних стенкахтруб и батарей центрального отопления, а также водопроводных труб. При современном состоянии теплотрасс центрального отопления до 50-60% тепловой энергии теряется по пути от котельных до вводов в жилые дома. Но на входе в дом теплоноситель встречают трубы, подчас более чем на половину сечения забитые отложениями, обладающими довольно низкой теплопроводностью, сказать определеннее - являющимися хорошим теплоизолятором. В результате и без того уже неполноценный теплоноситель возвращается назад в теплотрассу - обогревать улицу, так и не истратив свое тепло на обогрев жилья до надлежащей нормы.

В промышленном секторе особая острота проблемы ощущается при уменьшении проектного сечения:

а) ставовых труб, через которые откачиваются шахтные воды;
б) трубопроводов компрессорного и вакуумного оборудования;
в) питающих и отводящих труб водогрейных и паровых котлов, теп-лообменников, форсунок охлаждения технологической воды на градирнях и др.

На протяжении ряда лет этой проблемой плотно и успешно занимается фирма Вотали ЛТД (Донецк), на практике разрушая устоявшееся предубеждение о том, что на воду невозможно воздействовать магнитным полем. Но здесь требуется уточнение. Дело в том, что для физиков вода - это дистиллят Н20, лишенный не только магнитных, но и вообще каких-либо примесей, в том числе и проводящих ток ионов. Утверждать, что на такую воду может действовать магнитное поле, значит противоречить известным еще со времен М. Фарадея и Д. Максвелла законам магнитной индукции. Но если по трубопроводу течет жидкость в виде воды с растворенными в ней солями и механическими примесями, то внешнее магнитное поле вполне может с ней взаимодействовать.

Какова возможная природа этой восприимчивости?

По современным представлениям все вещества делятся (в простей-шей классификации) на диамагнетики, парамагнетики и упорядоченные магнетики. С точки зрения взаимодействия с магнитным полем основной интерес представляют последние. Их упорядочение заключается в том, что магнитные моменты локализованных в узлах кристаллической решетки магнитных ионов имеют одинаковое направление. Но так можно сказать только о чистых ферромагнетиках, которые характерны наличием всего одной магнитной подрешетки. Тогда как в природе большинство солей с магнитными ионами имеют так называемое антиферромагнитное упорядочение, при котором две подрешетки одинаковых по величине, но противоположно направленных магнитных моментов, полностью одна другую компенсируют и вещество в целом оказывается магнитно нейтральным.

Однако, неравенство магнитных моментов подрешеток антиферромагнетика по величине или их не параллельность ведет к воз-никновению результирующего ферромагнитного момента, что в природе тоже встречается довольно часто. В таких системах внешним магнитным полем можно вызвать различные магнитные фазовые переходы, например, из ферромагнитного состояния в парамагнитное, из антиферромагнитного в ферромагнитное, переориентацию магнитных моментов вещества из одного направления на другое и т.п.

 
Рис. 1. Генераторы импульсов Илиос и им пульсатор

Что из перечисленных веществ содержится в отложениях на стенках труб и в пропускаемой по ним высокоминерализованной технической воде сказать трудно даже в конкретном случае. А о возможности определенно указать состав отложений при различных вариантах их формирования и говорить не приходи тся. Однако, можно утверждать, что без наличия в жидкости того или иного соединения с некомпенсированным магнитным моментом говорить о возможности непосредственного воздействия на нее магнитным полем не приходится.

Техника, технология, результаты

Комплекс аппаратуры магнитно-импульсной обработки Илиос, раз-работанной фирмой Вотали ЛТД, состоит из ультранизкочастотного генератора электрических импульсов, которыми запитывается серия элек-тромагнитов - импульсаторов (рис. 1). Импульсаторы торцами закрепляются на поверхности подлежащего обработке трубопровода на определенном расстоянии один от другого вдоль его длины.

Генератор запрограммирован так, что он посылает импульсы в элек-тромагниты, расположенные на поверхности трубы, поочередно, создавая вдоль нее своеобразную бегущую волну. Несмотря на то, что серия магнитных импульсаторов обычно локализуется на сравнительно небольшом отрезке трубы, разрушение отложений происходит на расстоянии нескольких сотен метров по направлению потока жидкости!

Примеры результатов такой обработки наглядно представлены на рис. 2 - в форме сравнения состояния объектов импульсного омагничивания до и после. Уместно привести один из характерных отзывов по результатам применения магнитной обработки - в данном случае от АП Шахта им. Ф. Засядько. В нем сказано: В схеме дегазации шахты от метана применяются вакуумные насосы, которые используют для охлаждения воду оборотного цикла. Даже при температуре 20-35 °С (имеется ввиду при относительно низкой температуре - авт.) на внутренних поверхностях этих насосов, трубопроводов и агрегатов отложения накипи лежали плотной стеклообразной массой толщиной до 6 мм. После установки системы Илиос уже через 30-35 суток мы были приятно удивлены: отложения стали мягкими, а на отдельных участках слой накипи был вымыт до металла. Давление в системе снизилось с 5 до 4,1 атм. ....

И это всего лишь один отзыв из ряда подобных.

Рис. 2. Состояние трубы в системе горячего водоснабжении (а) и теплообменника (б) до (справа) и после (слева) магнитной обработки комплексом Илиос

Рис. 3. Отложения в полимерной трубе диметром 25 мм, используемой в системе теплоснабжения

Как видно из этого отзыва, данные аппараты могут устанавливаться не только на время, необходимое для разрушения отложений, но и работать в постоянном режиме. В последнем случае они, после устранения от-ложений, станут бессрочной альтернативой реагентам, обычно применяе-мым при традиционном способе химподготовки воды для водогрейных и паровых котлов.

Другими словами, однажды смонтировав на трубопроводе импульсаторы системы Илиос, можно забыть о необходимости ежегодной реагентной обработки воды для оборотного цикла теплоснабжения, предпринимаемой, например, перед отопительным сезоном в системе централизованного тепло- и водоснабжения. И не обязательно в системах, где вода (вернее сказать - жидкость) используется в качестве теплоносителя, но и там, где ей предназначена обратная роль - охладителя.

До последнего времени эффективность магнитно-импульсной очистки демонстрировалась лишь на металлических трубах и конструкциях. Но, как оказалось, она может успешно применяться и для очистки от отложений полимерных труб.

В качестве примера на рис. 3 показаны минеральные отложения в полипропиленовой трубе с внутренним диаметром 25 мм, применяемой в системе теплоснабжения одной из гостиниц п.
Приморское (Крым), а на рис. 4. - отслоившиеся фрагменты отложений.

В свое время в гостинице были установлены вакуумные гелиоколлекторы нагрева воды от солнечной энергии и смонтирована двухконтурная система, использующая пластинчатые теплообменники для нагрева воды для бытовых целей (до 55-60оС). Инженерная разводка систем была выполнена посредством полифузионной сварки труб из полипропилена методом скрытой проводки.

По истечении полутора лет эксплуатации этой системы подача горячей воды практически прекратилась. Как выяснилось, это произошло от обрастания внутренней полости трубы минеральными отложениями толщиной до 2 мм, которые, из-за низкой агдезии полимерной поверхности трубы, обрушились и полностью закупорили ее проходное сечение в местах сварки и на поворотах. В конечном счете, это привело к нарушению штатного гидродинамического режима всей системы, т.е. к прекращению обогрева помещений.

Проблему удалось решить с помощью магнитоимпульсной обработки теплоносителя.

Для этого на трубопроводе, подающем сырую воду в пластинчатый теплообменник, были смонтированы два импульсатора. Энергопотребление аппарата Илиос (от сети 220 В) составляет около 60 Вт/час. Уже через неделю хозяева гостиницы ощутили эффек! рабогы но безреагентной очистке всей системы. Хотя еще в течение месяца фильтры грубой очистки системы пришлось прочищать от вымываемых продуктов разрушения отложений, а также некоторое время терпеть дискомфорт, поскольку из кранов шла слегка мутная вода. Но главное, был достигнут наглядный экономический результат! В гостинице не потребовалось делать капитального ремонта по замене всех труб горячего водоснабжения. Трубы стали чистыми от минеральных отложений. Температурный и гидравлический режимы полностью восстановились. И в дальнейшем, при постоянно работающей аппаратуре Илиос, отложения в теплообменнике и трубах не накапливаются (рис. 5).

С учетом того, что для создания систем водо- и теплоснабжения все чаще применяются полимерные материалы, а отечественный рынок полимерных труб стремительно развивается, предложенный способ их очитки, по нашему мнению, имеет хорошую перспективу. Во всяком случае, уже сейчас он высоко востребован и нашел применение, как в промышленности, так и в системе ЖКХ.

Гипотеза о механизме магнитноимпульсного разрушения отложений

При том, что позитивные результаты данной магнитной обработки не вызывают сомнения, к настоящему времени она не имеет теоретического обоснования. Поэтому выскажем лишь гипотезу этого феномена. Но прежде укажем на отличительные технические особенности метода, принципиальные с точки зрения электродинамики. Состоят они в следующем:

1. Конструкция и расположение импульсаторов по отношению к тру-бопроводу означает, что на объект действует магнитное поле с сильной пространственной неоднородностью.
2. Поскольку электромагниты запитываются импульсным током, то обработка осуществляется не магнитным, а электромагнитным полем, характеризующимся не только с пространственной, но также и сильной временной неоднородностью.
3. Запитка электромагнитов не стационарным, а импульсным током позволяет создавать большую мощность поля в импульсе.

О чем может говорить тот факт, что разрушение отложений пролон-гируется только по направлению потока жидкости, а в трубе, заполненной неподвижной жидкостью, оно локализуется лишь в месте установки импульсаторов?

Можно предположить, что вблизи расположения импульсаторов дви-жущаяся жидкость насыщается некими вирусами разрушения, которые затем переносятся потоком вдоль трубы, по пути выполняя свою созида-тельную работу по разрушению отложений. Но что это могут быть за вирусы? Попытаемся увязать их природу с фазовыми переходами.

В последние годы исследователи, занимающиеся изучением структу-ры воды, утверждают, что в ней, под действием внешних воздействий разной природы могут реализоваться более десятка различных фазовых состояний, различающихся конфигурацией и геометрическими размерами молекул.

Как известно, тот или иной фазовый переход можно вызвать путем изменения во времени одного из внешних параметров - температуры, механического напряжения, гидростатического или гидродинамического давления, электрического или магнитного поля. Например, общеизвестный каскад фазовых переходов в воде (лед-жидкостьпар) происходит при изменении температуры. Но что может происходить в ней под действием изменяющегося во времени магнитного поля?

Из теории фазовых переходов известно, что благодаря так называе-мому магнито-упругому взаимодействию большинство магнитных фазовых переходов сопровождается одновременными структурными переходами, при которых изменяются геометрические размеры молекулярной ячейки. Это может выражаться в изменении как минимум одной из трех постоян-ных решетки.

Еще один известный факт - после снятия внешнего параметра, вызвавшего фазовый переход, новая фаза может: 1) мгновенно возвращаться в исходное состояние; 2) релаксировать, т.е. возвращаться в исходное состояние на протяжении некоторого времени; 3) оставаться стабильной навсегда или в течение длительного времени.

Рис. 4. Характерные размеры фрагментов минеральных отложений 

Для жидкостей характерен второй случай. После уяснения этих факторов вернемся к нашим баранам.

Что такое импульс магнитного поля? Это нарастающий и спадающий во времени внешний параметр. При достаточной напряженности магнитного поля в импульсе и наличии в воде магнито-чувствительных ионов, в ней, при нарастании поля, может вызываться целый каскад магнитных фазовых переходов. Среди них может оказаться хотя бы один, который сопровождается одновременным структурным превращением в структуре воды. А любой структурный переход, как известно, сопровождается изменением линейных размеров - одиночных молекул или их кластеров.
Далее эти молекулы (кластеры) уносятся потоком воды, по пути внедряясь в рыхлый поверхностный слой отложений. Но оказавшись за пределами воздействия магнитного поля они начинают релаксировать в исходную фазу, т.е восстанавливать свои исходные линейные размеры.

Эта перестройка и вызывает разрушение приповерхностного слоя отложений. Такой процесс еще более вероятен, если фазовый переход вызывает уменьшение обьема кластера, который после внедрения в приповерхностный слой отложений в результате релаксации начинает, расширяется (здесь уместно вспомнить сказку А.С. Пушкина О царе Салтане - о том, как подросший в бочке царевич разрушает ее изнутри). Но на смену срелаксировавшему молекулярному кластеру с потоком воды на его место прибывает новый, и все повторяется. Такая гипотеза полностью согласуется с наблюдаемой на практике статикой и динамикой разрушения минеральных отложений указанным выше методом - отложения разрушаются медленно, послойно и только по направлению движения потока воды.