technologie w energetyce Układy grzewcze i chłodzące Dbaj o czystość mgr inż. Andrzej Zuber Specjalista Wiodący RAFAKO S.A. Problem zwiększenia efektywności pracy układów grzewczych i chłodzących występuje i w odniesieniu do instalacji centralnego ogrzewania w naszych mieszkaniach, i przy układach chłodzenia wody w dużych elektrowniach. Tą efektywność obniżają osady i zanieczyszczenia w obiegach grzewczych i chłodzących. Usunąć je można wykorzystując fale uderzeniowe. Jednym z kierunków wykorzystania technologii fal uderzeniowych jest czyszczenie systemów centralnego ogrzewania w budynkach mieszkalnych oraz przemysłowych. Przez analogię falę uderzeniową można stosować we wszystkich układach, gdzie występuje wytrącanie się osadów lub zanieczyszczeń powodujących zwiększenie oporów przepływu cieczy i gazów lub wymiany ciepła. Fala uderzeniowa może być również wykorzystana w transporcie hydraulicznym lub pneumatycznym różnych materiałów lub cieczy, powodując zmniejszenie ilości energii potrzebnej do transportu. W wielu przypadkach można zwiększyć wydajność instalacji transportu bez konieczności jej rozbudowy. W elektrowniach i elektrociepłowniach falę uderzeniową można zastosować między innymi w układach chłodzących lub w dowolnych miejscach wymiany ciepła. Rys. 1. Najprostsza technologia w 2001r. do czyszczenia grzejników falą uderzeniową: 1 - butla ze sprężonym powietrzem; 2 - generator fal uderzeniowych; 3 - wąż; 4 - rura 1/2 ; 5 - manometr; 6 - grzejnik; 7 - naczynie z wodą Pierwsze próby czyszczenia grzejników Prace w tym kierunku zostały podjęte w 2001 roku. Z początku była opracowana i wypróbowywana najprostsza technologia czyszczenia urządzeń grzewczych (grzejników), która została przedstawiona na rys. 1. Grzejnik (6) został umieszczony w naczyniu z wodą (7). W dolną część grzejnika, wypełnionego wodą, wprowadzono rurkę (4) o średnicy 1/2. Do jednego końca rurki podłączono generator fal uderzeniowych (2). Generator (2) był zasilany z butli (1) ze sprężonym powietrzem za pomocą giętkiego węża (3). W ciągu 5-10 sekund robocza objętość generatora (1 dcm 3 ) była napełniana powietrzem. Ciśnienie robocze powietrza do zasilania generatora fal uderzeniowych kształtowało się na poziomie 20-30 atm. W razie potrzeby ciśnienie to można było podnieść do 100 atm. Po ręcznym uruchomieniu generatora na wyjściu rurki (4) tworzyła się potężna fala uderzeniowa, która działała na osady w grzejniku. Czas oddziaływania fali nie przekraczał 0,02 sekundy. Przy tym sposobie doprowadzenia powietrza ciśnienie wewnątrz grzejnika praktycznie nie zmieniało się, przez co zagadnienie wytrzymałości korpusu grzejnika nie występowało. Całkowite wyczyszczenie grzejnika następowało po 5-10 strzałach w czasie 2-3 minut. Ta prosta technologia wymagała demontażu i późniejszego montażu na miejsce grzejników oraz nie rozwiązywała problemu czyszczenia pozostałych elementów systemu grzewczego (pionów, rurociągów zasilających i powrotnych). Podjęto decyzję o opracowaniu technologii czyszczenia systemów grzewczych w oparciu o generatory fal uderzeniowych bez demontażu grzejników. Stanowisko próbne do badań zjawisk fali uderzeniowej Do opracowania technologii czyszczenia instalacji centralnego ogrzewania bez zdejmowania grzejników zostały wykorzystywane doświadczenia z aerodynamiki. Opracowano stanowisko próbne (rys. 2.), gdzie zostały zabudowane dwa grzejniki, podłączone do jednego pionu. 42 Energetyka Cieplna i Zawodowa 9/2010 9_2010_energetyka.indd 42 2010-09-14 14:36:03
Rys. 2. Schemat próbnej instalacji do badań zjawisk fali uderzeniowej Na stanowisku próbnym zabudowano bardzo czułe czujniki ciśnienia. Fala uderzeniowa została wytworzona przez generator PG 1/100, którego można było podłączyć w różnych punktach systemu. Dzięki przeprowadzonym próbom oceniono wpływ fali uderzeniowej na wzrost ciśnienia w charakterystycznych punktach systemu grzewczego. Wnioski z przeprowadzonych prób pozwalają zrozumieć procesy fizyczne odbywające się wewnątrz systemu grzewczego. Rys. 3. Wykres ciśnienia w poszczególnych punktach próbnej instalacji po zadziałaniu generatora Na rys. 3. przedstawiono wyniki pomiaru ciśnienia w charakterystycznych punktach instalacji grzewczej, otrzymanych przy ciśnieniu powietrza roboczego zasilającego generatory na poziomie 95 atm. Z zebranych pomiarów wynika, że ciśnienie w wodzie bezpośrednio za generatorem na krótki czas (0,02 0,03 s) wzrasta do 20 30 atm. W pozostałych punktach systemu impulsowe (chwilowe) ciśnienie nie przekraczało 10 atm. Dalsze badania wykazały, że wytworzona fala uderzeniowa sprężonym powietrzem o ciśnieniu do 95 atm nie spowodowała jakichkolwiek zniszczeń mechanicznych oraz rozszczelnienia systemu grzewczego. Wyniki badań umożliwiły również ocenić skuteczność czyszczenia urządzeń grzewczych (grzejników). Fala uderzeniowa wytworzona kilka razy w pionie systemu grzewczego, powietrzem o ciśnieniu 50 atm, wzburzyła większą część osadów zalegających na ściankach grzejników i rur. Część tych osadów została wypłukana przez wodę przepływającą przez pion, a część pozostała w dolnym obszarze grzejników. Założoną czystość grzejników osiągnięto uderzeniem fali w dolną część grzejników. Do całkowitego wyczyszczenia grzejnika żeliwnego składającego się z ośmiu żeberek wystarczyło 3-5 uderzeń generatora. Próby czyszczenia pracującej od 42 lat instalacji CO Pierwsze próby na istniejącej instalacji centralnego ogrzewania zostały przeprowadzone na jednym z pionów jednorurowej instalacji grzewczej budynku administracyjnego (rys. 4). Pion zasilał grzejniki na trzech poziomach (parter i dwa piętra). Instalacja posiadała górne zasilanie zlokalizowane na strychu. W pomieszczeniu piwnicznym pion włączony był do rurociągu powrotnego. Do pionu o średnicy 1/2 było podłączonych 5 grzejników żeberkowych. Instalacja była użytkowana od 42 lat. Przed przystąpieniem do czyszczenia instalacji przyspawano dodatkowe króćce 3/4 wraz z zaworami kulowymi. Na końcu rury odprowadzającej zanieczyszczoną wodę do kanalizacji zabudowano filtr zbierający drobne frakcje osadów. Przed czyszczeniem instalacji przeprowadzono wzrokową rewizję wewnętrznych ścianek rur oraz grzejników. W rurociągu pionowym zaobserwowano twarde osady oraz tlenki żelaza (rdza), nierównomiernie rozmieszczone na długości, zamykające światło rury w 70%. Żeberka grzejników w dolnej części w całości były wypełnione czarną, lepką substancją z twardymi wtrąceniami osadów o rozmiarach 1 1,5 mm. W górnej części na wewnętrznych powierzchniach grzejnika zaobserwowano osady o grubości 2 3 mm i charakterze podobnym do pasty o kolorze czarno-brązowym. W czasie przeprowadzonych prób grzejniki zostały wyczyszczone. Twarde frakcje osadów pod wpływem fali uderzeniowej zostały rozkruszone do cząstek o średnicy mniejszej niż 1 mm, które łatwo zostały wymyte przez bieżącą wodę. W czasie Rys. 4. Schemat systemu grzewczego poddanego próbom czyszczenia bez zdejmowania grzejników 9/2010 Energetyka Cieplna i Zawodowa 43 9_2010_energetyka.indd 43 2010-09-14 14:36:03
czyszczenia systemu grzewczego wyłapano ok. 3 kg twardych osadów. Generowana do systemu grzewczego fala uderzeniowa (powietrze robocze o ciśnieniu 50 atm) nie spowodowała żadnych uszkodzeń mechanicznych oraz nieszczelności. Po zakończeniu czyszczenia komisja odbiorowa, przeprowadzając wizualną rewizję poszczególnych grzejników, stwierdziła bardzo dużą czystość wewnętrznych powierzchni całej instalacji grzewczej. Aktualne doświadczenia w Polsce W sierpniu 2010 r. została przeprowadzona operacja czyszczenia instalacji centralnego ogrzewania w budynku biurowym składająca się z 20 grzejników typu FAVIER. Decyzja o czyszczeniu starej instalacji była podyktowana budową nowej kotłowni opalanej gazem ziemnym. Z uwagi na nowatorską technologię dotychczas niestosowaną w Polsce, nie zdecydowano się na czyszczenie instalacji bez demontażu grzejników. Zdemontowane grzejniki zostały przewiezione w wyznaczone miejsce dostosowane do takich prac. Przed przystąpieniem do czyszczenia przeprowadzono oględziny wewnętrzne grzejników za pomocą video-endoskopu. Oględziny wewnętrznych ścianek grzejników potwierdziły Fot. 3. Układ czyszczenia grzejnika Fot. 1. Zdjęcie ścianki wewnętrznej grzejnika z widoczną grubą warstwą lepkiego osadu zasadność czyszczenia całej instalacji CO. Za pomocą video-endoskopu zaobserwowano grubą warstwę lepkiego osadu przylegającego do całej powierzchni wewnętrznej rury. W górnej części grzejnika (zasilanie) osadów było mniej niż w dolnej (powrót). Stopień zabrudzenia poszczególnych grzejników był różny. Każdy z grzejników kwalifikował się do czyszczenia. Do czyszczenia grzejników wykorzystano generator fal uderzeniowych PG 1/16 (fot. 2.) o pojemności 1 litra (dm3) i ciśnieniu powietrza do 16 atm. Wyzwolenie fali uderzeniowej następuje poprzez ręczne uruchomienie dźwigni generatora. rów służył do odcięcia przepływu wody. Skuteczność czyszczenia była obserwowana poprzez ocenę wizualną czystości przepływającej wody. W fazie początkowej czyszczenia grzejnika przeprowadzono proces płukania. Woda z sieci zakładowej o ciśnieniu ok. 6 atm, przepływając przez grzejnik, wypłukiwała osady. Po minucie wypływająca woda z grzejnika charakteryzowała się dużą klarownością. Po uruchomieniu generatora (pojedynczy strzał) wyzwolona fala uderzeniowa spowodowała wzburzenie osadów, które wcześniej nie zostały wypłukane wodą. Całkowite wyczyszczenie grzejnika następowało po ok. 10 strzałach. Czas czyszczenia jednego grzejnika po otwarciu zaworu z wodą nie przekraczał 5 minut. Wnioski z przeprowadzonej próby czyszczenia grzejników: płukanie grzejników wodą o ciśnieniu ok. 6 atm nie powodowało ich wyczyszczenia (fot. 1), ciśnienie powietrza roboczego na poziomie 8 11 atm do wygenerowania fali uderzeniowej było wystarczające do całkowitego wyczyszczenia grzejników, Technologia czyszczenia grzejników Fot. 2. Generator fal uderzeniowych PG 1/16 Grzejnik przewidziany do czyszczenia został położony na metalowych podporach. Na zasilaniu grzejnika podłączono generator z dwoma zaworami odcinającymi (fot. 3). Jeden z zawo- Fot. 4. Obszar brudnych osadów wyrzucanych z grzejnika po wygenerowaniu fali uderzeniowej 44 Energetyka Cieplna i Zawodowa 9/2010 9_2010_energetyka.indd 44 2010-09-14 14:36:05
skuteczność czyszczenia została oceniona video-endoskopem, grzejnik całkowicie został wyczyszczony z bardzo lepkich osadów, na wewnętrznych ściankach grzejnika pozostały jedynie zanieczyszczenia ściśle przylegające do rury związane ze zjawiskami korozji (fot. 5), woda z grzejnika wraz z zanieczyszczeniami była wyrzucana na odległość ponad 8 metrów (fot. 4), Fot. 5. Całkowicie wyczyszczona wewnętrzna powierzchnia grzejnika. Zdjęcie zrobione video-endoskopem zużycie sprężonego powietrza było minimalne, do prób wykorzystano w połowie butlę o pojemności 40 litrów i ciśnieniu 150 atm, której koszt zakupu wynosił ok. 30 zł, zużycie wody do płukania było bardzo małe, wyczyszczenie grzejnika następowało po ok. 3 5 minutach, Fot. 8. Osady z odciętej rury grzejnika proces czyszczenia jest bardzo bezpieczny dla obsługi i środowiska (ciśnienie powietrza poniżej 11 atm), skuteczne czyszczenie nie wymaga stosowania żadnych środków chemicznych mogących zanieczyścić środowisko. Czyszczenie grzejnika wycofanego z użytkowania Fot. 6. Dolna część grzejnika po przecięciu całkowicie wypełniona osadami Fot. 7. Przekrój rury grzejnika w 90% wypełniony osadami Dla potwierdzenia skuteczności czyszczenia przeprowadzono próbę z wykorzystaniem grzejnika wycofanego z użytkowania od trzech lat. Grzejnik w dolnej części całkowicie był zanieczyszczony osadami (fot. 6 i 7). Z odciętego, metrowego kawałka rury grzejnika mechanicznie usunięto dużą ilość osadu (fot. 8). Po podłączeniu wody przeprowadzono próbę wypłukania osadów (fot. 9). Konstrukcja grzejnika połączenie czterech rur kolektorem uniemożliwiała jakiekolwiek jego wyczyszcze- Fot. 9. Wycofany z eksploatacji grzejnik poddany próbom czyszczenia 9/2010 Energetyka Cieplna i Zawodowa 45 9_2010_energetyka.indd 45 2010-09-14 14:36:08
nie za pomocą przepływającej wody. Po zadziałaniu generatora wytworzona fala uderzeniowa wzruszyła zalegające w grzejniku osady. Wraz z wodą osady te wypłynęły na zewnątrz (fot. 10 i 11). Około 10 strzałów fali uderzeniowej w czasie przepłukiwania wodą grzejnika pozwoliły całkowicie wyczyścić wszystkie Fot. 10. Ilość osadów po pierwszym zadziałaniu generatora Fot. 13. Widoczne ogniska korozji na wewnętrznych ściankach rury rury z zalegających osadów. Po odcięciu kolektora dokonano wzrokowej oceny skuteczności czyszczenia (fot. 12 i 13). Na wewnętrznych ściankach grzejnika zaobserwowano trwale przylegające osady związane ze zjawiskami korozji. Osady te w czasie przeprowadzanych prób częściowo były usunięte do metalu. Przekrój poszczególnych rur grzejnika został całkowicie udrożniony. Z grzejnika usunięto ok. dwa dziesięciolitrowe pojemniki osadów. Wcześniejsze próby czyszczenia grzejników, bez wykorzystania zjawiska fali uderzeniowej, prowadziły do rozcinania poszczególnych rur i mechanicznego czyszczenia. Skuteczność czyszczenia grzejnika można ocenić porównując fot. 7 i fot. 12. Fot. 11. Osady wypłukane z grzejnika za pomocą fali uderzeniowej * * * Próby czyszczenia instalacji centralnego ogrzewania z wykorzystaniem zjawiska fali uderzeniowej dały bardzo pozytywne rezultaty. Wykorzystanie powietrza o ciśnieniu do 8 atm jako czynnika inicjującego falę uderzeniową powoduje, że ta technologia jest bardzo bezpieczna dla człowieka i otaczającego nas środowiska. Wieloletnie doświadczenia w stosowaniu fal uderzeniowych potwierdzają dużą skuteczność metody czyszczenia oraz zapewniają całkowitą gwarancję na żywotność instalacji. Każdy typ grzejnika może być efektywnie czyszczony bez konieczności jego demontażu. Zjawisko fali uderzeniowej można również wykorzystać do usuwania osadów i zanieczyszczeń w innych obiegach grzewczych i chłodzących. W zależności od stawianych wymagań można zastosować generatory inicjujące fale uderzeniowe o różnej mocy i częstotliwości działania. 1. 2. Fot. 12. Całkowite udrożnienie przekroju rury z osadów 3. Literatura Zawierucha G., Zuber A.: Czyszczenie pęczków konwekcyjnych kotłów nowy system, Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 4/2010. Zuber A.: Usuwać skutki czy eliminować przyczyny, Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 5/2010. Zuber A.: Falą uderzeniową w osady, Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 7,8/2010. 46 Energetyka Cieplna i Zawodowa 9/2010 9_2010_energetyka.indd 46 2010-09-14 14:36:10