Результат интеллектуальной деятельности: Способ предотвращения коррозии внутренней поверхности стальных труб водяного теплоснабжения

Изобретение относится к теплоснабжению гражданских и промышленных зданий и сооружений.

Подача жидких теплоносителей широко используется для различных целей, в том числе для водяного отопления зданий и сооружений во многих странах, особенно северного полушария. Однако при эксплуатации систем теплоснабжения происходит корродирование внешних и внутренних поверхностей наиболее часто применяемых трубопроводов из железоуглеродных сталей, как из-за внешних воздействий, так и из-за особенностей транспортируемой жидкости. Коррозия – неизбежный, естественный процесс окисления железа, т.е. образования его окислов: закиси - FeO, окиси - Fe₂O₃, их комплекса Fe₃O₄ и гидроокиси Fe(OH)₂. Последняя со временем темнеет и накапливается в трубах в виде порошка черного цвета.

Результат корродирования – коррозия, коррозионное поражение поверхностей деталей, вызывающее ежегодные потери миллиона тонн сталей. Коррозионные разрушения приводят к протечкам из водопроводов, а в некоторых случаях – к выходу из строя машин, оборудования, строительных конструкций, к их авариям. Сохранить работоспособность трубопроводов, конструкций, сооружений из стали можно только противокоррозионной защитой (БСЭ. 1973 г., т. 13, с. 214-216)

Известно, что для защиты от коррозии стальных деталей издавна широко применяются различные способы, например, покрытие пленками холодным и горячим цинкованием, хромированием, никелированием, фосфатированием, нанесением красок, лаков, эмалей, битума, нанесение многих других искусственных и естественных органических и не органических веществ по сложной, порой трудоемкой технологии. По другим приемам в воду циркулирующих систем вводят ингибиторы, образующие на поверхностях металлов плёночное покрытие. Однако проблема длительной и надежной защиты трубопроводов, других деталей машин и оборудования, различных конструкций от корродирования нанесением покрытий полностью не решена и требуется периодическое их возобновление.

Близким к предлагаемому способу защиты от корродирования труб является способ электрозащиты применением катодной поляризации конструкций в электропроводной среде, или так называемая катодная защита станциями катодной защиты (СКЗ) или станциями электродной защиты. При этом на защищаемый трубопровод подают отрицательный потенциал от источника постоянного тока, трубопровод приобретает отрицательный заряд и исполняет роль катода, а на заземленные электроды в зоне трубопровода подают положительный заряд от того же источника постоянного тока и электроды выполняют роль анода.

Недостатком известного способа является защита только наружных поверхностей подземных стальных сооружений.

С 1945 г. известен способ защиты внутренних поверхностей нагревательных водяных и паровых котлов от отложения солей (накипи) магнитной обработкой воды постоянным магнитным полем, например, от постоянных магнитов (БСЭ, 1974, т. 15, с. 172).

Магнитная обработка изменяет свойства водных растворов солей и суспензий, протекание коллоидно-химических процессов растворения и кристаллизации солей, ускоряет смачивание поверхностей деталей, адсорбцию на них поверхностно-активных веществ, что в целом уменьшает отложения солей (накипи) в трубопроводах.

Недостатком известного способа обработки воды является то, что действие магнитного поля распространяется лишь на коротком участке водопотока, обеспечивает в воде лишь разрушение кристаллогидратов некоторых металлов (Ca, Mg и др.), не обеспечивает защиту от коррозии труб теплоснабжения, удаленных от источников магнитного поля.

Известен способ (патент РФ № 2420362, МПК В 08 В 9/08, 2008) защиты и очистки от отложений вну-тренней поверхности труб теплоэнергетического оборудования (парового, водогрейного, теплообменного оборудования, разводящих теплосетей), изготовленных из ферромагнитных и цветных материалов. Согласно способу на внутреннюю поверхность труб воздействуют пакетами электромагнитных импульсов с частотой 0,1-50 Гц, создают эффект магнитострикции на поверхностях нагрева и теплообмена, производят магнитно-импульсную обработку воды, а на внутренней поверхности труб образуют тонкий слой магнетита, который также защищает внутреннюю поверхность труб от коррозии.

Недостаток известного способа заключается в том, что он требует специального электротехнического оборудования, создающего электромагнитное импульсное воздействие с частотой 0,1- 50 Гц, а действие оборудования локально, только в месте воздействия.

Наиболее близким к заявляемому к заявляемому способу является способ нагрева битума, принятый за прототип, осуществляемый в установке по авторскому свидетельству СССР № 1286671, МПК Е 01С 19/08,1985 г.).

Установка включает защитный корпус их ферромагнитного материала, три трубы, вертикально размещенные в корпусе, и нагревательные элементы из катушек индуктивности, осесимметрично смонтированные на каждой трубе. Катушки индуктивности подключают к промышленной электросети, способами, зависящими от вида соединения фаз электросети: треугольником или звездой.

Известный способ включает монтаж на стальные нагреваемые трубы катушек индуктивности, подключение их к промышленной электросети, непрерывный ввод в трубы нагреваемого материала, нагрев введенного материала электромагнитным воздействием катушек индуктивности, удаление нагретого материала из труб и циклическое повторение этих же операций.

Недостатком известного способа, реализуемого на установке по авторскому свидетельству № 1286671, МПК Е 01 С 19/08, является ограниченность применения только на прогрев вводимого в неё материала и малая производительность из-за циклической работы.

Технической задачей настоящего изобретения является предотвращение коррозии внутренней поверхности стальных труб водяного теплоснабжения при нагреве воды путем воздействия на трубы переменным электромагнитным полем от индукционных катушек, подключенных к стандартной промышленной электросети.

Технический результат способа заключается в исключении корродирования внутренних поверхностей стальных труб теплоснабжения при нагреве теплоносителя электромагнитным полем и в обеспечении срока их службы более 30 лет при норме 20 лет.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе предотвращения коррозии внутренней поверхности стальных труб водяного теплоснабжения, заключающийся в электромагнитном воздействии на трубы катушками индуктивности, включенными в стандартную промышленную электросеть, нагреве и подаче жидкости через нагреватель, согласно изобретению, трубы нагревателя на входе и на выходе изолируют диэлектрическими патрубками от тепловой сети, обеспечивают электрические характеристики катушек индуктивности на требуемую тепловую производительность, присоединяют к катушкам нагревателя дополнительные электрическую емкость, активное электрическое сопротивление и индуктивность, величины которых рассчитывают с учетом индуктивности катушек нагревателя, и корректируют их экспериментально, образуют ими резонансный LCR-колебательный контур, включают на постоянную работу, прокачивают теплоноситель через нагреватель, воздействуя на него резонансным переменным электромагнитным полем, повышают pH с кислотного на щелочное число, изменяя физико-химическое взаимодействие теплоносителя с железом металла труб и предотвращают коррозию их внутренних поверхностей.

Способ предотвращения коррозии внутренней поверхности стальных труб водяного теплоснабжения заключается в электромагнитном воздействии на трубы катушками индуктивности, включаемыми в стандартную промышленную электросеть. Трубы нагревателя на входе и на выходе изолируют диэлектричекими патрубками от тепловой сети для защиты ее от электромагнитного воздействия. Рассчитывают электрические характеристики катушек индуктивности (индуктивность, сопротивление, емкость) на требуемую тепловую производительность. Присоединяют к катушкам нагревателя дополнительные электрическую емкость и активное электрическое сопротивление, величины которых рассчитывают с учетом индуктивности катушек нагревателя, и корректируют экспериментально для достижения оптимальных характеристик LCR-колебательного контура. Образуют катушками нагревателя и дополнительными электрической емкостью и активным электрическим сопротивлением резонансный LCR-колебательный контур. Заполняют тепловую сеть теплоносителем (вода, антифриз и т.д.). Включают нагреватель и насос прокачки теплоносителя на постоянную работу. Электромагнитным полем нагревают теплоноситель и прокачивают его в тепловую сеть. Воздействие на теплоноситель переменным резонансным электромагнитным полем разрушает неустойчивую часть молекул воды и повышает pH с кислотного на щелочное число, изменяет физико-химическое воздействие теплоносителя на железо металла труб, тем самым предотвращается коррозия их внутренних поверхностей.

Реализация способа была осуществлена на предприятии ООО «Альтаир-П» в мик-рорайоне «Андреевка» г. Зеленоград Московской обл. (E-mail: altairps@mail.ru). Установка для обогрева помещений двух цехов предприятия «Альтаир-П» аналогична установки по а.с СССР № 1286671 и состоит из индукционного нагревателя цилиндрической и щитового пульта управления. Сам индукционный нагреватель состоит из опорного основания с защитным стальным цилиндром. Внутри цилиндра вертикально закреплены три стальные трубы. На каждой трубе вертикально намотаны по две последовательно соединенные катушки индуктивности с потребляемой мощностью по 2 кВт. Концы проводников всех катушек с трех труб выведены в щитовой пульт управления. Внизу и сверху трубы объединены общими входной и выходной трубами. Входная и выходная трубы присоединены к системе отопления предприятия «Альтаир-П» через диэлектрические патрубки. Насос прокачки воды через нагреватель смонтирован до входного патрубка.

Нагреватель управляется электрическими приборами, смонтированными в щитовом пульте. Здесь в электрическую сеть индукционных катушек нагревателя присоединены конденсаторы, катушки индуктивности и активное сопротивление, образующие с катушками нагревателя резонансный LCR контур. В пульте смонтированы также пускатель, присоединяющий LCR контур к внешней промышленной трехфазной электрической сети 380 В, а также температурное реле, задающее сигнал для включения пускателя на щитовом пульте. При снижении температуры воды до прокачивающего насоса к 15-30 градусов реле пульта включает пускатель и выключает его при достижении температуры входящей в нагреватель воды к 35-65 градусов.

Установка реализует способ предотвращения коррозии внутренней поверхности стальных труб водяного теплоснабжения следующим образом.

Внешним пускателем подключают пульт управления нагревательной установки к промышленной электросети. Температурное реле запускает пускатель в пульте управления, пускатель присоединяет катушки индуктивности нагревателя, дополнительные катушки, конденсаторы и активные сопротивления резонансного LCR контура и электродвигатель насоса установки к промышленной электросети. Катушки индуктивности труб нагревают трубы и теплоноситель в них, а насос установки прокачивает теплоноситель в трубах системы отопления. Теплоноситель протекает в трубах нагревателя и пересекает магнитные силовые линии катушек индуктивности на трубах при резонансе LCR контура установки. Неустойчивая часть молекул воды подвергаются воздействию резонансного переменного электромагнитного поля, изменяет свои физико-химические свойства, повышается щелочное число воды с 6,5 до 7,5, изменяется характер её взаимодействия с железом труб и тем самым предотвращается их корродирование.

Когда температура воды перед насосом достигает необходимой температуры, температурное реле отключает пускатель щита управления, а тот отключает катушки индуктивности нагревателя и электродвигатель установки от электросети. Далее при снижении температуры теплоносителя перед насосом ниже 15-30 градусов установка запускается снова и далее так и работает в автономном режиме.

Таким образом, трубы системы отопления обоих цехов предприятия «Альтаир-П» площадью более 140 м² благодаря резонансному электромагнитному воздействию на прокачиваемую воду с 1986 г. к 26.09.2019 г. не имеют признаков коррозии, т.е. более 32 лет. Но внутренняя поверхность труб покрыта черным налетом гидроокисей железа.

Прибором для электрохимического анализа серии Starter Pen Meters (Ph-meter) проведен контроль проб воды, взятой в работающей системе отопления ООО «Альтаир-П». Он показал, что вода перед входом в индукционный нагреватель имеет рН 6,95, а на выходе из него - рН 7,55, то есть, после нагревателя вода, подаваемая в систему отопления, приобретает щелочную реакцию. Аналогичный контроль воды из сети водоснабжения показал у холодной воды рН 6,59, а у горячей - рН 6,20, что еще раз подтверждает изменение свойств воды, прошедшей в индукционном нагревателе ООО «Альтаир-П».

Использование способа позволит исключить корродирование внутренних поверхностей стальных труб теплоснабжения и увеличить срок их службы свыше 30 лет.