CC BY
169
УДК 621.373:628.164
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ НАКИПИ
1 МЕЛЬНИКОВ М. В., 1,2корепанов м. а., 3калинин а. с.
1ООО «Экосистемы», 426000, г. Ижевск, ул. К. Маркса, 437, литер в, офис 5 2Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 ООО ТПК «ЭнергоСветПрогресс», 426063, г. Ижевск, ул. Мельничная, 45, офис 1
АННОТАЦИЯ. Рассмотрена электромагнитная обработка воды, как способ борьбы с образованием накипи. Предложен прибор для такой обработки. Проведены испытания прибора. Показано, что электромагнитная обработка воды позволяет предотвратить образование накипи на нагревательных элементах водогрейных приборов. Предотвращение образования накипи происходит за счет гомогенной кристаллизации карбоната кальция в потоке воды, вместо гетерогенной кристаллизации на поверхностях нагревательных элементов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: накипь, электромагнитное поле, гидратация ионов, гомогенная кристаллизация.
Природная вода (артезианская, грунтовая, из поверхностных источников) содержит
в себе растворенные минералы, как правило, это соли различных металлов. Основными
соединениями, растворенными в воде, являются катионы натрия, калия, магния, кальция + + 2+ 2+ 2 (№ , К , М^ , Са ) и анионы хлора, сульфаты и гидрокарбонаты (С1-, Б04 -, НС03-).
Когда речь заходит о питьевом водоснабжении, то, как правило, воду классифицируют по классу жесткости. В соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 [1] жесткость питьевой воды должна быть не более 7 мг-экв/л, однако, в соответствии с БШ 19643, такая вода считается уже очень жесткой.
Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО3)2; М§(НСО3)2, и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и М§ (СаБ04, СаС12, М§Б04, М§С12).
Все дело в том, что различные соединения имеют различную растворимость в воде, так их растворимость меняется при изменении термодинамических условий: давления, температуры. При неизменных условиях (давлении, температуре) водный раствор (минеральная вода) находится в состоянии равновесия, как и любая система. Однако, при изменении условий химическое равновесие нарушится и в воде пойдут процессы, которые призваны найти новую точку равновесия. Одним из способов нарушения равновесия является нагрев или кипячение.
Процесс образования накипи при нагревании можно описать следующим образом. В природном состоянии ионы растворенных в воде соединений находятся в гидратных оболочках, образование которых связано с тем, что молекула воды несимметрична и обладает дипольным моментом, т.е. сторона молекулы, куда смещены атомы водорода имеет положительный заряд, а сторона с атомом кислорода - отрицательный, и, поэтому молекулы воды как бы прилипают к ионам растворенных в воде соединений. При нагревании воды усиливается тепловое движение молекул, в результате чего происходит деформация и разрушение гидратных оболочек ионов растворенных в воде соединений, что ведет к снижению гидратации. В результате на поверхностях нагрева протекает реакция преобразования растворенного в воде гидрокарбоната кальция Са(НСО3)2 в нерастворимый карбонат кальция СаС03 и угольную кислоту Н2С03, которая в водных растворах неустойчива и распадается на воду и углекислый газ. Этот процесс (рис. 1) можно описать следующей химической реакцией:
Са2+ + 2НС03- « С02(а^ + СаС03(Ю + Н20.
При этом образующийся карбонат кальция выпадает в осадок на неровностях поверхностей нагрева (нагреваемых стенках посуды, стенках газовых котлов или, в случае электрических котлов, на ТЭНах). Выпадающий на горячей поверхности карбонат кальция образуется в форме кальцита (одной из полиморфных модификаций карбоната кальция), который отличается высокой адгезией (прилипанием) и в результате создает слой накипи.
Рис. 1. Схематичное представление образования накипи
При этом из-за того, что теплопроводность накипи намного ниже, чем у металла, время на нагрев воды значительно увеличивается, а нагревательные элементы начинают работать в условиях перегрева. Все это приводит к ускоренному износу оборудования и значительным потерям энергии. Величина потерь энергии зависит от свойств накипи - минеральный состав, пористость, адгезия к поверхности, но, как правило, потери энергии составляют 3 - 8 % на каждый миллиметр накипи.
Как правило, накипь образуется из-за выпадения в осадок карбоната кальция СаС03, на практике это около 98 % случаев.
Существуют различные способы борьбы с накипью. Их основная задача - снизить жесткость (умягчение) воды, что предотвратит образование накипи и снизит потери энергии нагрева, продлит срок службы оборудования и увеличит межремонтный интервал. Умягчение воды (снижение накипеобразования) может быть осуществлено следующими основными способами: реагентным, катионитовым, термическим, ультразвуковым, электромагнитным (магнитным).
Одним из самых эффективных и дешевых является магнитная или электромагнитная обработка воды. Электромагнитная обработка воды как средство борьбы с накипью и коррозией получила известность еще в 1945 году (бельгийский патент № 460560, выданный Т. Вермайрену). Однако, в России подобные системы защиты от накипи не получили широкого распространения [2 - 5].
Нами разработан противонакипный прибор (заявка на полезную модель № 2017115615/20(027072) от 03.05.2017 [6]), работа которого основана на усовершенствовании электромагнитного принципа обработки воды электромагнитными импульсами для предотвращения образования накипи.
Конструктивно прибор для электромагнитной обработки воды состоит из корпуса с размещенным в нем генератором электромагнитных импульсов, контактных разъемов и многожильного плоского кабеля. При монтаже устройства замыкаются половинки контактных разъемов, образуя из многожильного плоского кабеля катушку индуктивности с числом витков по числу жил кабеля. Устройство устанавливается на трубопровод без разборки последнего, и может быть зафиксировано, например, хомутами. Внешний вид прибора и его монтаж на трубопровод представлены на рис. 2.
Рис. 2. Монтаж прибора на трубопровод
Механизм воздействия переменного электромагнитного поля на воду можно описать следующим образом:
- как было сказано выше, ионы растворенных в воде соединений находятся в гидратных оболочках, образование которых связано с тем, что молекула воды обладает дипольным моментом, т.е. сторона молекулы, куда смещены атомы водорода имеет положительный заряд, а сторона с атомом кислорода - отрицательный, и, поэтому молекулы воды как бы прилипают к ионам растворенных в воде соединений;
- под действием переменного электромагнитного поля электрически заряженная частица (ионы растворенных солей или молекулы воды, имеющие два центра с положительным и отрицательным зарядами) подвергается силе Лоренца, в результате чего происходит деформация и разрушение гидратных оболочек ионов растворенных в воде соединений, что ведет к снижению гидратации и повышению возможности сближения и агрегации;
- в результате в объеме воды при протекании реакции преобразования растворенного в воде гидрокарбоната кальция Са(НСО3)2 в СаС03 и угольную кислоту Н2С03 достаточно легко образуются центры фазовых превращений карбоната кальция с дальнейшим образованием кристаллов СаС03 в потоке воды. При этом карбонат кальция образуется в форме арагонита (еще одной из полиморфных модификаций карбоната кальция), который не имеет высокой адгезии и в результате легко выносится из системы (теплообенника) с потоком воды в виде микроразмерных кристаллов.
Несущественное отличие в принципе и месте разрушения гидратных оболочек и, соответственно, месте протекания реакции образования карбоната кальция, приводит к серьёзному различию получаемого результата. Дело в том, что кристаллический карбонат кальция имеет в природе несколько различных полиморфных модификаций (кристаллы, отличающиеся структурой кристаллической решетки), основными являются кальцит и
арагонит. Различие в структуре кристаллической решетки приводит к существенному различию в физических свойствах. Арагонит имеет большую плотность и температуру плавления. Но главным обстоятельством является то, что адгезионные свойства, определяющие способность к слипанию и прилипанию к поверхностям конструкций, выше у кальцита, т.к. он имеет более развитую поверхность кристаллов (рис. 3, а) в отличие от арагонита (рис. 3, б).
Рис. 3. Внешний вид кристаллов кальцита (а) и арагонита (б) [7]
Так вот на горячей поверхности (ТЭНы, теплообменники) образуется кальцит, который и создает слой накипи, а при гомогенной кристаллизации (образовании центров фазовых превращений) в объеме воды, что имеет место при (электро)магнитной обработке, образуется арагонит. Кристаллы арагонита, образовавшиеся в результате электромагнитной обработки воды, не прилипают к стенкам конструкции и выносятся с потоком. Исследованиям гомогенной кристаллизации карбоната кальция СаС03 при электромагнитной обработке воды посвящен ряд работ зарубежных авторов [8, 9], в которых приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований.
Таким образом, электромагнитная обработка предотвращает образование накипи, однако у этого воздействия есть еще один эффект - удаление уже существующей накипи. Дело в том, что большинство химических реакций обратимы при изменении термодинамических условий, если не разъединить вещества участвующие в реакции. Как было отмечено выше, карбонат кальция образуется в результате реакции преобразования растворенного в воде гидрокарбоната кальция в СаСО3, образующийся в результате которой углекислый газ при наличии свободной поверхности (контакта с воздухом) улетучивается из воды, т.е. вещества, участвующие в реакции, разделяются. Однако, если дело происходит в трубе, когда углекислому газу некуда выйти (нет контакта воды с воздухом), в воде происходит образование угольной кислоты:
С02 + Н20 « Н2С03.
Это слабая кислота и, как отмечено выше, неустойчивое соединение. Но при отсутствии открытой поверхности, когда у углекислого газа нет возможности улетучиться из воды, эта кислота существует. И, соответственно, реакция образования карбоната кальция может пойти в обратную сторону, т.е. угольная кислота начнет растворять уже существующий карбонат кальция.
При этом следует отметить, что в природе наибольшее распространение получил кальцит, и это связано с тем, что энергия образования его меньше, чем у арагонита. Следовательно, и энергия его разложения так же меньше. Таким образом, находящаяся в воде угольная кислота в первую очередь начнет растворять не арагонит, а кальцит, из которого и состоит накипь.
Здесь еще раз необходимо отметить, что угольная кислота - слабая, а накопившийся слой накипи может быть достаточно толстым, поэтому для появления эффекта (заметного улучшения работы водогрейного котла) должно пройти достаточно длительное время -от нескольких дней до двух-трех месяцев. Кроме того, многое зависит и от используемой воды.
Разработанный прибор прошел испытания на Ижевском заводе тепловой техники. 22 марта 2017 г. был взят бытовой электрический водонагреватель, проработавший 2 месяца. На трубе перед входом холодной воды установлен прибор для электромагнитной обработки воды и подключен к сети 220 - 230 В через блок питания. Водонагреватель был подключен к системе водоснабжения, заполнен и включен на полную мощность. Каждые 4 часа с водонагревателя сливали горячую воду и заполняли его холодной. Испытания проводились в течение недели. По истечении недели вода с водонагревателя была слита через плотную ткань для оценки шлака и накипи. После проведения испытаний в течение месяца водонагреватель был оставлен на 2 месяца прогона, при этом вода так же сливалась, но ТЭН не извлекался. 28 июня 2017 г. был произведен разбор и оценка изменений состояния ТЭНа. ТЭН был очищен при помощи протирания его поверхности рукой под слабой струей воды. Внешний вид ТЭНа до и после испытаний приведен на фото (рис. 4).
а)
а) - исходное состояние ТЭНа после 2-х месяцев эксплуатации, б) - через 3 месяца испытаний прибора
Рис. 4. Внешний вид ТЭНа до и после испытаний
Таким образом, после 3 месяцев испытаний налет на ТЭНе стал мягким, его можно удалить руками, протерев поверхность ТЭНа, не прилагая больших усилий.
Еще одной особенностью прибора является использование для обработки воды импульсного воздействия, т.е. электромагнитное поле прибора действует не постоянно, а реализовано в виде затухающих импульсов, следующих с переменной частотой (рис. 5). Это позволяет существенно снизить энергопотребление прибора - до 1 Вт.
Hantek ШШЕ
0.000s га
rnmrn И 4o.ous cursor ■
I ii
Ufc*
CH1 f 8.00V
Type
О Off ©Time
О Voltage О T rack
,-Sou rce
OCH1 A
OCH2 О Math О Ref A (off) О Ref В (off) j Se lect cursor
dt 76.00us 1/dt 13.1 KHz
Рис. 5. Осциллограмма электромагнитных импульсов прибора для обработки воды
Таким образом, электромагнитное воздействие на воду позволяет разрушить гидратацию ионов, растворенных в воде солей, вследствие чего кристаллизация карбоната кальция протекает в воде по гомогенному механизму с образованием арагонита, который не прилипает к стенкам нагревательных элементов и не образует накипь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. URL: http://docs.cntd.ru/document/901798042 (дата обращения 17.05.2017).
2. Stefanini D. Method and apparatus for treating fluid with radio frequency signals // Патент EP 0720588,
1999.
3. Bradler H. Anlage zur elektromagnetischen Kalkbehandlung im Leitungswasser // Патент DE 4241756 A1,
1994.
4. Schulze C. Water treatment using switched magnetic fields // Патент GB 2333727 A, 1999.
5. Holland H. W. Method and apparatus for preventing scale deposits and removing contaminants from fluid columns // Патент US 2012267312 А1, 2012.
6. Мельников М. В., Корепанов М. А. Устройство для электромагнитной обработки воды // Заявка на полезную модель № 2017115615/20(027072) от 03.05.2017 г.
7. Calmat. Gebrauchsanweisung Gerät zur physikalischen Wasser-aufbereitung. Berlin, Germany. URL: http://www.calmat.net/calmat/images/stories/Download/calmat/Manuals/calmat_Manual_I.pdf (дата обращения 15.02.2017).
8. Alimi F., Tlili M., Ben Amor M., Gabrielli C., Maurin G. Influence of magnetic fields on calcium carbonate precipitation // Desalination, 2007, vol. 206, iss. 1-3, pp. 163-168.
9. Kobe S., Drazic G., Cefalas A. C., Sarantopoulou E., Strazisar J. Nucleation and crystallization of CaCO3 in applied magnetic fields // Crystal Engineering, 2002, vol. 5, iss. 3-4, pp. 243-253.
ELECTROMAGNETIC WATER TREATMENT FOR THE LIMESCALE PROTECTION
Melnikov M. V., Korepanov M. A., Kalinin A. S. :LTD «Ecosystems», Izhevsk, Russia
2Institute of Mechanic, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia 3LTD TPK «EnergoSvetProgress», Izhevsk, Russia
SUMMARY. The electromagnetic treatment of water is considered as a way to prevent the formation of scale. The device for such processing is proposed. The device has been tested. It is shown that electromagnetic treatment of water can prevent the formation of scale on the heating elements of hot water appliances. The prevention of scale formation is due to the homogeneous crystallization of calcium carbonate in the water stream, instead of heterogeneous crystallization on the surfaces of the heating elements.
KEYWORDS: limescale, electromagnetic field, ion hydration, homogeneous crystallization. REFERENCES
1. Sanitarno-epidemiologicheskie pravila i normativy SanPiN 2.1.4.1074-01. Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody tsentralizovannykh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva. Gigienicheskie trebovaniya k obespecheniyu bezopasnosti sistem goryachego vodosnabzheniya [Sanitary and epidemiological rules and standards SanPiN 2.1.4.1074-01. Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control. Hygienic requirements for ensuring the safety of hot water systems]. URL: http://docs.cntd.ru/document/901798042 (accessed May 17, 2017).
2. Stefanini D. Method and apparatus for treating fluid with radio frequency signals. Patent EP 0720588, 1999.
3. Bradler H. Anlage zur elektromagnetischen Kalkbehandlung im Leitungswasser. Patent DE 4241756 A1,
1994.
4. Schulze C. Water treatment using switched magnetic fields. Patent GB 2333727 A, 1999.
5. Holland H. W. Method and apparatus for preventing scale deposits and removing contaminants from fluid columns. Patent US 2012267312 Ä1, 2012.
6. Mel'nikov M. V., Korepanov M. A. Ustroystvo dlya elektromagnitnoy obrabotki vody [Device for electromagnetic water treatment]. Zayavka na poleznuyu model' № 2017115615/20(027072), 03.05.2017 [Application for utility model No. 2017115615/20 (027072) of May 3, 2017].
7. Calmat. Gebrauchsanweisung Gerät zur physikalischen Wasser-aufbereitung. Berlin, Germany. URL: http://www.calmat.net/calmat/images/stories/Download/calmat/Manuals/calmat_Manual_I.pdf (accessed February 15, 2017).
8. Alimi F., Tlili M., Ben Amor M., Gabrielli C., Maurin G. Influence of magnetic fields on calcium carbonate precipitation. Desalination, 2007, vol. 206, iss. 1-3, pp. 163-168. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.02.064
9. Kobe S., Drazic G., Cefalas A. C., Sarantopoulou E., Strazisar J. Nucleation and crystallization of CaCO3 in applied magnetic fields. Crystal Engineering, 2002, vol. 5, iss. 3-4, pp. 243-253. https://doi.org/10.1016/S1463-0184(02)00035-7
Мельников Михаил Викторович, директор ООО «Экосистемы», тел. 8(912)8541111
Корепанов Михаил Александрович, доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ИМ УрО РАН, научный консультант ООО «Экосистемы», e-mail: kma@,udman.ru
Калинин Андрей Сергеевич, генеральный директор ООО ТПК «ЭнергоСветПрогресс»
