Резерв энергосбережения: ингибирование образования накипи в газовых колонках и котлах

Усилия многих разработчиков по улучшению конструкции или алгоритма управления котлов направлены, в конечном счёте, на увеличение на несколько процентов – а иногда и на доли процента - степени использования теплоты сгорания топлива. При этом одна из прекрасных возможностей экономить зависит вовсе не от производителей котлов и водонагревателей, а скорее от тех, кто проектирует и обслуживает системы отопления и ГВС: эта возможность связана с сохранением первоначальной эффективности водонагревательного прибора в течение всего срока его службы.

Пожалуй, самая распространённая технология горячего водоснабжения в России – нагрев водопроводной воды в газовых проточных водонагревателях (колонках). Эффективность этих устройств в большинстве своём и так-то невысока, но и она снижается в процессе эксплуатации. Причиной тому – образование накипи на внутренней поверхности теплообменника колонки. Чтобы оценить степень этого снижения эффективности, рассмотрим упрощённую модель теплообменника газовой колонки (рис. 1). Пускай поток воды величиной 10 л/мин нагревается в колонке от 15 оС до 40 ^оС, т.е. полезная мощность колонки равна 17,4 кВт. Пусть также эффективность новой колонки 87%, т.е. тепловая нагрузка – 20 кВт. Профиль распределения температуры по сечению нового теплообменника можно упрощённо представить, как показано на рис. 1а. При образовании слоя накипи на внутренней поверхности теплообменника возрастает и сопротивление потоку тепла от горячих газов к нагреваемой воде. При этом, как показано на рис. 1б, в слое накипи происходит снижение температуры в направлении от металла теплообменника к воде на величину

 где Φ – тепловой поток, равный полезной мощности,  λ – теплопроводность накипи, которую справочник предлагает принять равной 3 Вт/(м·К), l – толщина слоя накипи, например, 1 мм, А – площадь внутренней поверхности теплообменника, обычно около 0,05 м².

Рис. 1. Упрощённая модель теплообменника газовой колонки

Очевидно, что при неизменной температуре на газовой стороне теплообменника это увеличение теплового сопротивления его стенки приведёт к пропорциональному снижению температуры воды на выходе колонки. Это снижение будет, насколько возможно, компенсироваться увеличением расхода газа в колонке – автоматически, если присутствует электронный блок управления, если же его нет, то - вручную. Таким образом, перепад температуры в слое накипи ΔТ означает повышение на ту же величину температуры дымовых газов. Приняв в качестве Φ полезную мощность 17,4 кВт из рассмотренного выше примера, мы получим ΔТ= 123 К. Несложный расчёт показывает, что для такого увеличения температуры дымовых газов необходимо сжечь на 8% газа больше. Вот цена этих 8% расхода газа – и есть та прямая экономия, которой можно достичь, защитив колонку от образования накипи. Способов предотвратить образование накипи довольно много, однако не все они одинаково применимы в данной ситуации. Так, например, широко используемый в промышленных системах метод катионирования неприемлем из-за громоздкости и дороговизны оборудования – самый бюджетный умягчитель с регенерацией ионообменных смол стоит в 2-6 раз дороже и места занимает больше, чем сама колонка. Есть, правда, менее дорогой и более компактный вид умягчителей – со сменным патроном. В качестве примера можно назвать фильтрующе-умягчающую систему ScaleGard Pro производства 3М Purification. Система разработана для улучшения качества питьевой воды на предприятиях общественного питания и в этом качестве применяется достаточно широко. Однако у неё слишком маленький ресурс, чтобы серьёзно рассматривать  её применение в устройствах ГВС: одного патрона хватает на среднежёсткой воде лишь на 2,5 – 3 м³.
Ещё один способ предотвратить образование накипи состоит в добавлении в воду полифосфатов – линейных полимеров ортофосфорной кислоты. Две важнейших особенности этого процесса состоят в том, что, во-первых, добавка полифосфатов не умягчает воду, а только препятствует образованию накипи. Во-вторых, те или иные полифосфаты присутствуют в натуральных пищевых продуктах и используются в качестве пищевых добавок, т.е. безвредность их для человеческого организма давно и хорошо доказана. Сейчас рынок изобилует устройствами для обработки воды полифосфатами, которые отличаются друг от друга как конструкцией, так и рабочим веществом. Самые простые устройства представляют собой заполненную гранулами полифосфата колбу, через которую пропускается весь поток обрабатываемой воды. После того, как из колбы вымывается весь полифосфат, туда засыпается новая порция гранул. Основной недостаток таких устройств состоит в том, что по мере вымывания гранул меняются как сопротивление потоку воды, так и концентрация полифосфата на выходе.  Обеспечить дозирование, пропорциональное потоку воды, а не количеству оставшегося в дозаторе полифосфата, позволяет конструкция, применённая компанией 3М Purification в системе защиты от накипи SF18-S (рис. 2).
Рис. 2

1- Прочный корпус из нержавеющей стали; 2- Проточная конструкция обеспечивает дозирование с минимальной потерей давления;  3- Трубка принудительной подачи обеспечивает пропорциональное дозирование реагента с расходом 0,25-6,0 г/мин.; 4- Коническая трубная резьба 3/4"NPT (ГОСТ 6111);  5- Не имеющий вкуса реагент пищевого качества эффективно замедляющий рост накипи в водонагревательных устройствах, устойчив при температурах выше 94 оС; 6- Прочный полимерный стакан рассчитан на рабочее давление до 8,8 атм.;  7- Простая и гигиеничная замена патрона.

Главная особенность этого устройства в том, что в сменный патрон с гранулами полифосфата попадает не весь проходящий через устройство поток воды, а только его часть, направляемая в патрон при помощи трубки Вентури. Благодаря этому достигается как высокая пропускная способность дозатора – до 22,7 л/мин, так и большой ресурс сменного патрона – до 265 м³. И это – при весьма скромных размерах! Заметим, что хотя SF18-S разрабатывался для совсем другой сферы применения, его характеристики удачно совпадают с годовым и пиковым потреблением горячей воды семьёй из четырёх человек. Об эффективности обработки воды системой защиты от накипи SF18-S можно судить по зависимости количества накипи, образовавшейся в водонагревателе, от объёма пропущенной через него воды с высокой жёсткостью на рис. 3.

Рис. 3.

Отметим, что согласно результатам теста накипь образуется даже в воде, прошедшей через SF18-S, хоть и в пять раз медленнее, чем в необработанной. Однако не будем упускать из виду, что жёсткость исходной воды в этом эксперименте в 3,5 раза превышает предельно допустимый российским стандартом для водопроводной воды уровень. Резонно было бы предположить, что слой накипи в водонагревателе не может расти бесконечно, и существует некая критическая её масса, по достижении которой водонагреватель становится неработоспособным. Тогда из данных на рис. 3 можно сделать ещё и вывод о том, что обработка воды с помощью SF18-S продлевает срок жизни водонагревателя в несколько раз, и это - ещё один аспект экономии, достигаемой за счёт ингибирования образования накипи.■

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________
• Результаты испытаний предоставлены компанией BUNN, США • Тестировались два одинаковых автомата приготовления горячих напитков, один - снабжённый SF18-S, другой без SF18-S • Предварительный механический фильтр не использовался • Исходная жёсткость воды состовляла 476-510 мг/л.