• ТЭНы с защитой от накипи, марки "Мирон" •
• 3. Трубчатые электронагреватели типа «ЮМ» с защитным покрытием их оболочек от первичной накипи ( Ю.А. Мордвинов, М.Ю. Мордвинов, г. Томск, 2021г.) •
Много лет назад мы задавали производителям, которые знают все по ТЭНам, очень простой, по нашим понятиям, вопрос: где можно купить ТЭНы для нагрева воды, на которых не бывает накипи? Ответ, до безобразия, был прост: таких ТЭНов нет и быть не может!!! Но мы, все-таки, усомнились в этом...... и разработали технологию изготовления таких ТЭНов. Поэтому предлагаем убедиться вместе с нами в реальности существования таких ТЭНов и успешно начинать решать по-новому свои проблемы по нагреву и кипячению воды.
Выгоды, которые получает ПОТРЕБИТЕЛЬ:
- не требуется проводить водоподготовку (устранение накипеобразователей) нагреваемой
воды;
- увеличивается срок службы ТЭНа минимум в 3-5 раз в зависимости от жесткости воды;
- исчезает необходимость очистки ТЭНа в процессе его эксплуатации;
- увеличивается срок службы внутренних эмалевых покрытий баков водонагревателей ...
В конце 2021г. мы начали выпускать по ГОСТ 13268–88, «Электронагреватели
трубчатые» ТЭНы: мощностью 1,0 — 9,0 кВт., с диаметром оболочки 8 – 13 мм. и
развернутой длиной оболочки до 150 см.... Заказы принимаются по электронной почте.
Во всех странах мира большое количество электроэнергии расходуется на нагрев и кипячение воды при помощи трубчатых электронагревателей (ТЭНов), начиная от систем электрического отопления помещений и заканчивая технологическими процессами различного назначения. Основной проблемой, возникающей при построении таких систем, является первичная накипь на оболочках ТЭНов, которая является основной проблемой всей теплоэнергетики.
Электрический элемент, состоящий из металлической спирали, установленной в металлической трубе (оболочке) и изолированной от нее посредством керамического теплопроводного материала, был запатентован в 1859 г. господином Симпсоном. Но прошло еще полвека, прежде чем эти элементы стала выпускать промышленность. И это было связано с тем, что в самом начале двадцатого века в США был разработан новый тип сплава (нихром), состоящий из 80% никеля, 20% хрома и характеризующийся высоким удельным сопротивлением с высокой стойкостью к окислению. Появилась реальная возможность проектирования электрических элементов старой запатентованной конструкции. Принципиальная конструкция этих элементов за эти годы не изменилась. В 1918 г. американская компания Дженерал Электрик получила патент на трубчатые элементы с металлической оболочкой, наполненные изоляционным порошком, который фиксирует положение спирали, благодаря редукции трубки. При этом редукция трубки выполняется посредством волочения, обжатия, прессования или прокатки. Такой элемент можно гнуть на любой требуемый угол без значительного ущерба для его электрических и термических свойств. Поскольку спираль зафиксирована в трубе, то нет никакой опасности короткого замыкания между спиралью и оболочкой. Благодаря фиксации спирали, также, повышается равномерность распределения тепла по трубе. Затем появи лись другие патенты, большинство которых запрещало производство этого вида трубчатых элементов за пределами США. Только после Второй мировой войны «порошковый метод» стал широко известен за пределами США.
Теоретически защита от первичной накипи поверхностей теплообмена теплоэнергетического оборудования сводится к созданию между двумя средами (вода – поверхность теплообмена) определенных условий, при которых первичная накипь не накапливается на поверхностях теплообмена. Эта проблема решается частично сегодня соответствующей химической водоподготовкой, обеспечивающей удаление из воды накипеобразователей, физическими методами, изменяющими кинетику кристаллизации солей из воды, покрытием поверхностей теплообмена полимерными материалами или иными методами. Но она (накипь) продолжает быть!!!
С накипью человек столкнулся с самого начала пользования огнем, когда при длительном кипячении воды на поверхности сосудов он заметил твердые отложения, очистить которые было возможно только механическим способом. Эти же отложения мы все наблюдаем и сегодня на оболочках ТЭНов различных водонагревателей промышленного и бытового назначения (см. Рис.1).
Рис.1
В теплоэнергетическом оборудовании накипь встречается в трех основных формах: - первичной накипи, которая накапливается на поверхностях теплообмена за счет кристаллизации солей из воды; - подвижного мелкодисперсного шлама, образующегося в объеме воды за cчет кристаллизации солей на центрах кристаллизации, представляющих собой взвешенные частицы, продукты коррозии трубопроводов, центры парообразования и т.д; - вторичной накипи, которая накапливается на поверхностях теплообмена за счет прикипания указанного шлама к поверхностям теплообмена из-за необоснованно высокой их температуры. Особенно большие проблемы с первичной накипью возникают в теплоэнергетике, где сжигаются десятки миллионов тонн нефтепродуктов.
Из-за первичной накипи происходит значительный перерасход энергоресурсов, перегрев поверхностей нагрева водонагревателей, парогенераторов и котлов, снижение их надежности и срока службы, дополнительные затраты финансовых ресурсов на ремонт и техническое обслуживание оборудования. Чтобы лучше почувствовать вред первичной накипи следует обратиться к Рис.2–Рис.3, где представлены зависимости повышения температуры поверхностей нагрева и перерасхода энергоресурсов от толщины накипи. Первичная накипь имеет низкую теплопроводность, которая зависит от химического состава воды и характеризуется коэффициентом теплопроводности Кт = (0,12 - 2,3) Вт./м К. Для сравнения сталь нержавеющая 18Cr 8Ni имеет Кт=14 Вт./м К, сталь углеродистая – Кт = (48-58) Вт./м К, латунь – Кт = (37 – 113) Вт./ м К, медь – Кт = 401 Вт./м К, асбест – Кт = 0,23 Вт./м К. Как видно теплопроводность первичной накипи находится на уровне теплопроводности асбеста.
Наибольшее применение при изготовлении ТЭНов нашли оболочки из цветных металлов, углеродистых и нержавеющих сталей, что обусловлено их хорошими технологическими и механическими свойствами. Указанные материалы имеют различные теплопроводности и по указанному параметру для теплоэнергетики явное преимущество имеют оболочки из цветных металлов. Как видно, теплопроводность оболочек из углеродистых сталей хуже теплопроводности цветных металлов в 2,5 –7,0 раз, а теплопроводность оболочки из нержавеющей стали 18Cr 8Ni хуже теплопроводности углеродистых сталей в 3 - 4 раза. Указанные преимущества оболочек ТЭНов из цветных металлов исчезают по мере появления на них накипи. Из-за очень плохой теплопроводности накипи, которая становится составной частью оболочки ТЭНа, она начинает определять общую теплопроводность оболочки. При этом теплопроводность некоторых типов накипи соизмеримы с теплопроводностью асбеста. Можете себе представить, что оболочки ТЭНов покрывают асбестом и начинают нагревать воду? Разность температур между оболочкой и водой начинает постепенно возрастать и теперь определяющим критерием для материала оболочки становится допустимая температура его нагрева. Допустимая температура нагрева оболочек из цветных металлов составляет приблизительно 250*С, углеродистых сталей – 450*С., а нержавеющих сталей – 750*С. При увеличении толщины накипи до 1,0 мм. оболочка ТЭНа может нагреться до температуры 250*С. и, следовательно, уже нельзя применять оболочки из цветных металлов. При толщине накипи 1,0 – 2,0 мм. температура оболочек может достичь температуры 450*С. и уже нельзя применять оболочки из углеродистых сталей и т.д. При достижении предельной температуры оболочка в любой момент времени может начать разрушаться из-за перегрева. Это касается и нагревательного элемента (спирали) ТЭНа. Поэтому в реальных условиях считается, что наибольший срок службы имеют ТЭНы с оболочками из нержавеющих сталей. Картина работы ТЭНа принципиально изменяется, если создать условия для исключения образования накипи на оболочке ТЭНа. В этом случае температура оболочки ТЭНа равна температуре нагреваемой воды (не превышает 100 град. С.) и температура спирали ТЭНа не достигает критических величин. Следовательно, срок службы ТЭНа увеличивается, как минимум, в 3- 5 раза.
Далее приводим результаты наших экспериментов с различными ТЭНами. ТЭН обычного исполнения мощностью 0,5 кВт. работал в проточном водонагревателе (при температуре воды на выходе 60-70 град С.) непрерывно в течение 10 суток, после чего на его оболочке была получена плотная типа мрамора первичная накипь коричневого цвета толщиной 1,2 мм. (см. Рис 4). Таким образом, скорость образования первичной накипи на оболочке при указанных условиях составила 0,12 мм./сут.
Рис.4
Если сопоставить полученные данные и зависимости, представленные Рис.2–Рис 3, то видно, что даже оболочка из нержавеющей стали проработает в этих условиях не более двух месяцев. В этих же условиях были проведены испытания аналогичного ТЭНа нашей марки "ЮМ", в результате чего традиционной первичной накипи на его оболочке не обнаружено, диаметр ее практически не увеличился ( см. Рис. 5 ).
Рис.5
ТЭНы нашей марки "ЮМ" в парогенераторах. Конструкция электрических парогенераторов представляет собой металлический сосуд с входным и выходным патрубками. В нижней его части находятся ТЭНы, которые обеспечивают кипячение воды. Для парогенераторов в основном используется вода хозяйственно – питьевого назначения, качество которой регламентирует ГОСТ 2874 «Вода питьевая». Согласно этого НД в воде допускается наличие сухого остатка до 1 г./л., т. е. после испарения 1 литра воды в парогенераторе остается до 1 грамма отходов, от которых парогенератор периодически необходимо очищать. В противном случае ухудшается качество пара и условия теплообмена, повышается скорость выхода ТЭНов из строя. При этом следует отметить, что слой первичной накипи на оболочках обычных ТЭНов при непрерывной работе парогенератора образуется достаточно интенсивно и может достигать скорости 0,2 – 0,4 мм./сут. В реальных условиях из-за циклического режима работы ТЭНов в парогенераторе, т. е. периодического подключения и отключения ТЭНов от питающей сети, происходит отслоение пластов накипи от нагреваемых частей оболочек ТЭНов и оседание их на дно парогенератора (см. Рис.6). Удалить эти пласты накипи возможно только за счет частичной разборки парогенератора.
Рис.6
В некоторых неудачно спроектированных парогенераторах существует неоптимальное пузырьковое кипение воды, возникающее при большой мощности ТЭНов, малом объеме воды и малой поверхности испарения. В этом случае на оболочках обычных ТЭНов начинает преобладать образование вторичной накипи. Рассмотрим подробнее этот вопрос. При нагревании воды первичная накипь образуется за счет кристаллизации на оболочках обычных ТЭНов и в объеме воды растворенных в воде солей, находящихся в ионной форме. Основную задачу, которую решают, например, физическими методами – это создание в пределе таких условий, при которых кристаллизация солей из воды осуществляется полностью в объеме воды в виде подвижного мелкодисперсного шлама. При создании таких условий на оболочках даже обычных ТЭНов накипь может не накапливается. При неоптимальном пузырьковом кипении воды возникают достаточные условия для образования вторичной накипи, обусловленной прикипанием к оболочкам ТЭНов указанного мелкодисперсного шлама. Защищать оболочки ТЭНов от вторичной накипи относительно простыми методами практически невозможно. Поэтому при проектировании парогенераторов необходимо исключать неоптимальное пузырьковое кипение воды, что позволит частично ликвидировать проблему образования вторичной накипи на оболочках ТЭНов. Мы провели испытания и наших ТЭНов марки «ЮМ» в парогенераторе, имеющего неоптимальное пузырьковое кипение воды. Парогенератор представлял собой вертикально стоящую стальную трубу длиной 2 м., внешним диаметром 100 мм., толщиной стенок 5 мм. Блок из обычных ТЭНов мощностью 15 кВт. устанавливался вертикально в нижней части этой трубы, при этом на внутренней стенке этой трубы дополнительно находится слой вторичной накипи толщиной до 10 - 12 мм., которую постоянно очищали. Поэтому поверхность испарения представляет собой круг диаметром 65 – 70 мм. (поверхность испарения составляет 33 – 38 см.2). Этот парогенератор перерабатывал до 600 литров воды в сутки. Через неделю работы на оболочках обычных ТЭНов образовывалась вторичная накипь толщиной до 2 мм. Поэтому этот парогенератор приходится очищать 1-2 раза в неделю, в противном случае ТЭНы работают не более 1 месяца.
Блок из ТЭНов марки “ЮМ” мощностью 15 кВт. тоже был испытан в рассматриваемом парогенераторе, вторичная накипь на его оболочках образовывалась с такой же скоростью. Примером удачной конструкции парогенератора может служить конструкция, представляющая собой, например, условно трубу длиной порядка 0,4 м., диаметром 220 мм., установленную горизонтально. Два ТЭНа общей мощностью 8,6 кВт. установливались в нижней части парогенератора в горизонтальной плоскости. Парогенератор заполнялся водой наполовину, имел большую поверхность испарения (880 см.2), и, скорее всего, имел оптимальное пузырьковое кипение воды. В этом парогенераторе после 2-х месяцев работы обычные ТЭНы находились в среде, состоящей из жидкой смеси, похожей на «известь для побелки», и отслоившихся пластов накипи. За это время переработано воды – 3600 литров (80 литров в сутки), получено отходов – 2,2 кг. Результаты очистки такого парогенератора приведены на Рис.6. Далее в этом же парогенераторе и при тех же условиях были проведены испытания аналогичного ТЭНа марки “ЮМ“. Результаты очистки парогенератора с применением ТЭНа марки “ЮМ“ представлены на Рис.7.
Рис.7
Отличительной особенностью результатов последней очистки парогенератора – это полное отсутствие пластов накипи в жидкой смеси, похожей на «известь для побелки», т. е. в процессе работы парогенератора на оболочке ТЭНа марки “ЮМ“ традиционной первичной накипи не образовывалось. На оболочке местами есть пористые отложения толщиной до 0,05 мм., которые легко очищаются щеткой. Ниже приведена фотография, где представлены ТЭН марки “ЮМ“ и обычный ТЭН, проработавшие в одной и той же воде в одном и том же парогенераторе по 2 месяца. (см. Рис.8).
Рис.8
В последний год мы провели отработку технологии производства ТЭНов «ЮМ», провели множество 8-10-дневных их испытаний в реальных условиях. Последний окончательный вариант конструкции ТЭНа дал изумительные результаты при нагреве воды в проточном водонагревателе, смотрите Рис.9 и Рис. 10.
Рис.9. ТЭН номинальной мощностью 500 Вт. на напряжение 220В до испытаний
Рис.10. ТЭН после испытаний (200 часов непрерывной работы, проточный режим – 10 литров в час, температура воды на выходе - 62-70 град. С.).
Таким образом создана новая технология изготовления ТЭНов, на поверхности оболочек которых первичной накипи практически нет!!! Старая технология изготовления ТЭНов и оборудование сохраняются на 95-97%.
ТЭНы с защитным покрытием их оболочек от первичной накипи для проточных водонагревателей и парогенераторов
Мощность 1,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-24-А 13/1,0 Р 220, (развернутая длина 240 мм.)
ТЭН-26-А 12/1,0 Р 220, (развернутая длина 260 мм.)
ТЭН-30-А 10/1,0 Р 220, (развернутая длина 300 мм.)
ТЭН-34-А 8/1,0 Р 220, (развернутая длина 340 мм.)
Мощность 1,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-32-А 13/1,5 Р 220, (развернутая длина 320 мм.)
ТЭН-35-А 12/1,5 Р 220, (развернутая длина 350 мм.)
ТЭН-41-А 10/1,5 Р 220, (развернутая длина 410 мм.)
ТЭН-48-А 8/1,5 Р 220, (развернутая длина 480 мм.)
Мощность 2,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-40-А 13/2,0 Р 220, (развернутая длина 400 мм.)
ТЭН-44-А 12/2,0 Р 220, (развернутая длина 440 мм.)
ТЭН-52-А 10/2,0 Р 220, (развернутая длина 520 мм.)
ТЭН-62-А 8/2,0 Р 220, (развернутая длина 620 мм.)
Мощность 2,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-48-А 13/2,5 Р 220, (развернутая длина 480 мм.)
ТЭН-53-А 12/2,5 Р 220, (развернутая длина 530 мм.)
ТЭН-63-А 10/2,5 Р 220, (развернутая длина 630 мм.)
ТЭН-76-А 8/2,5 Р 220, (развернутая длина 760 мм.)
Мощность 3,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-56-А 13/3,0 Р 220, (развернутая длина 560 мм.)
ТЭН-62-А 12/3,0 Р 220, (развернутая длина 620 мм.)
ТЭН-74-А 10/3,0 Р 220, (развернутая длина 740 мм.)
ТЭН-90-А 8/3,0 Р 220, (развернутая длина 900 мм.)
Мощность 3,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-64-А 13/3,5 Р 220, (развернутая длина 640 мм.)
ТЭН-71-А 12/3,5 Р 220, (развернутая длина 710 мм.)
ТЭН-85-А 10/3,5 Р 220, (развернутая длина 850 мм.)
ТЭН-104-А 8/3,5 Р 220 (развернутая длина 1040 мм.)
Мощность 4,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-72-А 13/4,0 Р 220, (развернутая длина 720 мм.)
ТЭН-80-А 12/4,0 Р 220, (развернутая длина 800 мм.)
ТЭН-96-А 10/4,0 Р 220, (развернутая длина 960 мм.)
ТЭН-118-А 8/4,0 Р 220, (развернутая длина 1180 мм.)
Мощность 4,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-80-А 13/4,5 Р 220, (развернутая длина 800 мм.)
ТЭН-89-А 12/4,5 Р 220, (развернутая длина 890 мм.)
ТЭН-107-А 10/4,5 Р 220 (развернутая длина 1070 мм.)
ТЭН-125-А 8/4,5 Р 220 (развернутая длина 1250 мм.)
Мощность 5,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-88-А 13/5,0 Р 220, (развернутая длина 880 мм.)
ТЭН-98-А 12/5,0 Р 220, (развернутая длина 980 мм.)
ТЭН-121-А 10/5,0 Р 220 (развернутая длина 1210 мм.)
ТЭН-138-А 8/5,0 Р 220 (развернутая длина 1380 мм.)
Мощность 5,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-96-А 13/5,5 Р 220, (развернутая длина 960 мм.)
ТЭН-107-А 12/5,5 Р 220, (развернутая длина 1070 мм.)
ТЭН-129-А 10/5,5 Р 220, (развернутая длина 1290 мм.)
ТЭН-151-А 8/5,5 Р 220, (развернутая длина 1510 мм.)
Мощность 6,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-104-А 13/6,0 Р 220, (развернутая длина 1040 мм.)
ТЭН-116-А 12/6,0 Р 220, (развернутая длина 1160 мм.)
ТЭН-121-А 10/6,0 Р 220, (развернутая длина 1210 мм.)
Мощность 6,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-112-А 13/6,5 Р 220, (развернутая длина 1120 мм.)
ТЭН-125-А 12/6,5 Р 220, (развернутая длина 1250 мм.)
ТЭН-142-А 10/5,0 Р 220, (развернутая длина 1420 мм.)
Мощность 7,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-120-А 13/7,0 Р 220, (развернутая длина 1200 мм.)
ТЭН-134-А 12/7,0 Р 220, (развернутая длина 1340 мм.)
ТЭН-153-А 10/7,0 Р 220, (развернутая длина 1530 мм.)
Мощность 7,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-128-А 13/7,5 Р 220, (развернутая длина 1280 мм.)
ТЭН-143-А 12/7,5 Р 220, (развернутая длина 1430 мм.)
Мощность 8,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-136-А 13/8,0 Р 220, (развернутая длина 1360 мм.)
ТЭН-152-А 12/8,0 Р 220, (развернутая длина 1520 мм.)
Мощность 8,5 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-144-А 13/8,5 Р 220, (развернутая длина 1440 мм.)
Мощность 9,0 кВт, углеродистая сталь:
ТЭН-152-А 13/9,0 Р 220, (развернутая длина 1520 мм.)
Параметры А и Б определяет заказчик
Технические характеристики и обозначения
Развернутая длина ТЭНа (длина металлической оболочки ТЭНа в развернутом виде) –
до 1600мм.
• Диаметры оболочек ТЭНа: 13; 12; 10; 8 мм., толщина стенок 1,0 -1,3 мм.
• Форма и конфигурация ТЭНа: любая согласно чертежам и эскизам заказчика.
• Мощность: рассчитывается с учетом рабочих параметров ТЭНа в зависимости от
напряжения, диаметра и длины оболочки.
• Рабочая среда: Вода и слабый раствор щелочей (pH от 7 до 9).
• Переменное напряжение питающей сети, В.: 12; 24; 36; 42; 48; 60; 127; 220; 380.
• Материал оболочки: углеродистая сталь.
• Контактная группа для подключения к питающей сети: резьбовая шпилька,
углеродистая сталь.
• Резьбовые штуцера: G 1/2, G 3/4, М18, М16, М14, М12, М10 и другие, углеродистая сталь.
• Резьбовые фланцы (для блоков ТЭН): G 1 1/4, G 1 1/2, G 2, G2 1/2., углеродистая сталь.
