Современные энергосберегающие и экологичные технологии ремонта и восстановления систем коммунального хозяйства


В. П. Родионов






Современные энергосберегающие и экологичные технологии ремонта и восстановления систем коммунального хозяйства



Монография












Инфра-Инженерия Москва - Вологда 2019

УДК 62.276.1/.4+622.279.23/.4 (075.8)
ББК 33.36
    Р 60









ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.2ст. 1

     Родионов В. П.
Р 60 Современные энергосберегающие и экологичные технологии ремонта и восстановления систем коммунального хозяйства: монография / В. П. Родионов. -М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 120 с.


     ISBN 978-5-9729-0275-0



      Представлены технологии очистки поверхностей объектов ЖКХ от наслоений и обрастаний экологически чистым способом — с помощью высоконапорных потоков воды и вибротехнологий; описаны соответствующие устройства. Рассмотрены направления использования экологичных технологий для очистки систем канализации, котлов и теплообменников, фильтров водозаборных сооружений. Приведены примеры практического применения авторских разработок в данной области.
      Для специалистов, чья деятельность связана с ремонтом и восстановлением систем ЖКХ, а именно с очисткой внешних и внутренних поверхностей труб котлов, канализации и оборудования водоносных скважин от наслоений и обрастаний.


© Родионов В. П., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

      ISBN 978-5-9729-0275-0

                Оглавление





Введение.................................................5
ГЛАВА 1. Высоконапорные гидроструйные потоки и создающее их оборудование...........................6
      1.1. Общее понятие о струйных потоках..............6
      1.2. Кавитация и суперкавитация в струйных потоках.9
      1.3. Агрегаты и системы для создания высоконапорных струйных потоков...............................17
      1.4. Технологические аспекты взаимодействия струйных потоков с преградой............................19
      1.5. Качественные аспекты струйных систем.........23
ГЛАВА 2. Современные технологии ремонта котлов и теплообменников....................................25
      2.1. Краткий обзор тепловых энергетических систем коммунального хозяйства.........................25
      2.2. Проблема потери тепла в системах нагрева котлов и теплообменников...............................30
      2.3. Общие методы, инструмент и приспособления для восстановления работоспособности котлов и теплообменников..............................35
      2.4. Примеры использования экологически чистых технологий очистки поверхностей котлов и теплообменников..............................41
ГЛАВА 3. Технологии восстановления систем водоотведения и канализации.............................59
      3.1. Канализационные сети городов.................59
      3.2. Современные способы очистки канализационных труб...........................65
      3.3. Часто встречающиеся проблемы общегородских систем канализации и их решение................70
      3.4. Телевизионные комплесы контроля и вспомогательные элементы при проведении очистки канализации.....73
      3.5. Способы очистки домовых систем...............74

3

ГЛАВА 4. Современные экотехнологии для восстановления дебита водозаборных скважин..................................77
      4.1. Водозаборные скважины.......................77
      4.2. Методики ремонта артезианских водоносных скважин...............................82
      4.3. Технологии восстановления дебита водоносных скважин...............................87
      4.4. Современная гидрокавитационная экотехнология обработки продуктивных пластов и фильтров........92
ГЛАВА 5. Примеры мобильных гидродинамических комплексов.....................................99
      5.1. Мобильный комплекс для очистки котлов, теплообменников и канализации....................99
      5.2. Мобильные комплексы, активно работающие в России.........................................107
        5.2.1. Мобильный комплекс для очистки канализации на базе КрАЗа с насосным агрегатом Грозненского насосного завода................107
        5.2.2. Мобильный комплекс для очистки водоносных скважин ООО «Крона плюс» (г. Москва)...........107
        5.2.3. Мобильные комплексы, выпускаемые
             ООО «Доркомтехника» (г. Москва) для разнообразного применения...........108
Список литературы......................................118

4

                Введение





      XXI век диктует нам новые правила игры, ускоренный темп жизни. Новейшие высокие технологии стремительно врываются во все сферы нашей жизни. Планета живет и пульсирует, а вместе с ней и все мы. Решая глобальные проблемы, люди подчас не задумываются о том, что происходит рядом с ними, в домах и на предприятиях.
      Воспринимая как должное то, что в кране всегда есть чистая вода, и в домах зимой тепло, рядовые обыватели не беспокоятся о том, как все это хозяйство функционирует. Сегодня любой современный город пронизан разнообразными инженерными системами, как организм сосудами. И для нормальной жизни города необходима бесперебойная и слаженная работа всех этих систем.
      Системы тепло- и водоснабжения, канализации и прочие коммуникации часто работают на пределе, что приводит к их износу, засорению, уменьшению пропускной способности, снижению работоспособности, и, как следствие, либо к полному разрушению системы, либо к бытовой катастрофе. И в том и в другом случае нарушается цивилизованная жизнедеятельность города.
      Если представить на минуту, что может произойти с городом, если в нем одновременно откажут все инженерные коммуникации систем жизнеобеспечения, а именно канализация, отопление, водоснабжение и т. д., актуальность своевременной профилактики этих жизненно важных артерий города будет очевидной.
      В процессе эксплуатации внутренние поверхности трубопроводов обрастают ржавчиной, грязью, различного рода наслоениями и отложениями промышленных и бытовых отходов. Большое количество отложений приводит к тому, что инженерные системы и оборудование работают с низким КПД.
      Например, теплопроводность любой накипи более чем в 40 раз ниже теплопроводности металла. Слой накипи величиной 0,3-0,4 мм для котлов серии ДКВР очень опасен, а при толщине отложений более 0,5 мм эксплуатация котла практически невозможна, так как может привести к взрыву. Кроме того, накипь приводит к увеличению расхода топлива в несколько раз.
      Одним из эффективных средств удаления отложений является комплексная очистка оборудования и коммуникаций с применением современных экологически чистых способов, к примеру, гидродинамического, гидрокавитационного и других методов.
      Как правило, заменить систему дороже, чем ее очистить, а часто замена просто невозможна, и тогда очистка является единственным способом восстановления работоспособности системы.

5

                ГЛАВА 1. Высоконапорные гидроструйные потоки и создающее их оборудование





            1.1. Общее понятие о струйных потоках



     Незатопленная струя имеет место при истечении жидкости в среду с меньшей плотностью, чем плотность вещества струйного потока (к примеру, воды — в воздушную среду).
     При турбулентном режиме истечения из сопла в струе возникают беспорядочные движения вихревых масс, приводящие к интенсивному массообмену между струей и «неподвижной» средой, в результате чего масса струи растет, наружный диаметр ее увеличивается, скорость течения у границ падает. На рис. 1.1 представлена структура струйного потока жидкости, истекающей в воздушную среду.


1н                               loot                                      1незф

Рис. 1.1. Принципиальная схема истечения незатопленного струйного потока

     Подторможенная часть струи вместе с присоединенными объемами частиц окружающей среды образует струйный турбулентный поток. На величину длины начального участка и пограничного слоя потока струи существенное влияние оказывает неравномерность профиля скорости в начальном сечении струи, обусловленная наличием пограничного слоя на внутренней поверхности сопла.


6

     Согласно исследованиям Абрамовича Р.И., начальная неравномерность потока струи, приводящая к более сильному расширению струи, может быть учтена путем переноса начала пограничного слоя струи (полюса начального участка) внутрь сопла.
     Одним из важнейших параметров струи, связанных с динамикой ее распространения в истекающую область и характеризующих ее энергетическую способность, является величина осевого динамического давления.
     На начальном участке струйного потока продольная скорость в ядре постоянна и в его пределах динамическое давление струи остается неизменным и равным исходному давлению. За пределами начального участка статический напор постепенно уменьшается по гиперболической зависимости.
     Когда установившаяся цилиндрическая струя жидкости ударяется о твердую преграду, она превращается в слой жидкости, прилегающей к ней, в котором течение направлено от точки удара вдоль поверхности преграды. Общий поток струи на преграде распадается на большое количество струйных потоков, растекающихся на поверхности. На рис. 1.2 представлен вид на истечение незатопленной струи воды из соплового насадка на вертикальную плоскую преграду и затопленной струи воды с развитой степенью кавитации.
     Затопленная струя имеет место при истечении жидкости в пространстве с той же плотностью, что и плотность вещества струи. При турбулентном режиме истечения из сопла (когда число Рейнольдса Re больше 2320) в струе возникают беспорядочные движения вихревых масс, приводящие к интенсивному массообмену между струей и неподвижной средой, в результате чего масса струи растет, наружный диаметр ее увеличивается, скорость у границ падает.


Рис. 1.2. Истечение незатопленной и затопленной струи воды с развитой степенью кавитации на плоскую поверхность

     Подторможенная часть струи вместе с увлеченными частицами окружающей среды образует турбулентный пограничный слой, в котором осевая скорость движения меняется от нуля на внешней границе до максимальной скорости

7

внутренней границы пограничного слоя. Во внутренней зоне (потенциальном ядре) скорость движения равняется скорости истечения. С увеличением расстояния от начала истечения из сопла толщина пограничного слоя в потоке увеличивается, а радиус потенциального ядра уменьшается до нуля.
     Участок струи с потенциальным ядром называется начальным, за ним следует переходный участок, в пределах которого происходит незначительное изменение скорости на оси струи. На последующем участке пограничный слой заполняет все поперечное сечение вплоть до оси струи. На этом участке, называемом основным, увеличение диаметра струи сопровождается существенным падением осевой скорости. Точка пересечения внешних границ основного участка струи называется полюсом.
     Исследования [9] истечения турбулентных струй свидетельствуют о непрерывной деформации профиля динамического напора. Чем дальше от начала струи выбрано сечение, тем ниже и шире профиль динамических давлений.
     В струях с развитой кавитацией в отличие от автомодельных турбулентных струй происходит деформация струйного потока, уменьшение величины переходного участка, расположенного между начальным и основным участками, а также появление неавтомодельного основного участка, как показано на рис. 1.3. При истечении затопленной струи наблюдается образование каверны, содержащей скопление газопаровых пузырьков, которые находятся в строго ограниченной зоне.

Рис. 1.3. Структура распределения скоростей затопленного струйного кавитационного потока

8

     Причиной деформации потока затопленных струй и их существенным отличием от автомодельных струй, вероятнее всего, является то, что внутри кавитационного потока происходит схлопывание массы газопаровых пузырьков.


            1.2. Кавитация и суперкавитация в струйных потоках


     Для того чтобы кавитация возникла в жидкости, необходимо создать в ней такие растягивающие напряжения, которые смогли бы вызвать местный разрыв ее сплошности.
     Прочность на растяжение чистой, без примесей жидкости определяется межмолекулярными силами, связывающими отдельные молекулы друг с другом.
     Если преодолеть эти силы, то можно разорвать жидкость. Чаще всего разрыв может произойти в том месте жидкости, где образовались какие-либо пустоты. В реальных жидкостях в течение достаточного времени могут существовать пустоты или трещины, в которых могут находиться газовые пузырьки, являющиеся ядрами кавитации. Присутствие в реальных жидкостях твердых частиц также может служить ядром возникновения кавитации.
     Многие исследователи пришли к выводу, что прочность жидкостей на растяжение пренебрежимо мала вследствие присутствия газообразных и твердых ядер возникновения кавитации, которых в жидкости существует немалое количество.
     Микроскопические газовые и твердые ядра кавитации, имеющиеся в обычных жидкостях, могут развиваться, образуя большие пузырьки, содержащие пары жидкости или неконденсирующийся газ. В зависимости от преобладающего содержания в них той или иной среды пузырьки можно разделить на паровые, газовые или газопаровые.
     Рост и схлопывание пузырьков зависит от инерционных и диффузионных эффектов.
     Так, в перегретых жидкостях пузырьки растут главным образом вследствие испарения с поверхности жидкости, поддерживаемого выделением скрытой теплоты парообразования в тонком тепловом пограничном слое вблизи стенки пузырька. Такое образование пузырьков характерно для кипения жидкости.
     В холодных жидкостях давление насыщенного пара и плотность малы, и пузырьки могут образоваться вследствие падения давления в быстропротека-ющих гидродинамических процессах. В этом случае инерционные эффекты приводят к взрывоподобному росту пузырьков из малых ядер кавитации. Пузырьки затем схлопываются там, где возрастает окружающее их давление. Такие пузырьки называются кавитационными.


9

     В процессе роста пузырьков содержание газа в них становится пренебрежимо малым по сравнению с содержанием пара, и поэтому образование кавитационных пузырьков называют часто паровой кавитацией.
     Изучение многими исследователями [24, 25, 27] процессов схлопывания кавитационных пузырьков показало, что в большинстве случаев для схлопывания пузырьков содержание пара и газа в них не имеет значения. Пузырьки можно рассматривать как пустые каверны вследствие того, что скорость обратной конденсации пара велика, а содержание газа очень мало. Содержание пара и газа в пузырьках играет существенную роль только на конечной стадии их схлопывания.
     Вязкость жидкости может существенно влиять на рост и время схлопывания кавитационных пузырьков. Так, замечено, что при большой вязкости жидкости время роста и время схлопывания сильно зависят от вязкости [25].
     Наличие кавитации и величину степени ее развития в любой среде определяют по следующим признакам: по кавитационному шуму, рассеиванию света, влиянию на распределение давлений, измеряемых вдоль границы существования кавитации, влиянию на характеристики элемента конструкции (эрозии материала), по изменению электрической проводимости жидкости (при появлении полостей), усилению и появлению химических реакций (не протекающих без кавитации) или с помощью непосредственного наблюдения кавитации при помощи видео- и фотоаппаратуры.
     Существует множество методов воспроизводства кавитации в лабораторных условиях. Для исследования наличия и степени развития кавитации широко применяют в настоящее время три метода, основанных на эрозионной способности кавитации.
     В первом методе используют устройство с вращающимся диском, во втором — гидродинамическую трубу, в третьем применяют магнитострикционный или пьезоэлектрический вибратор.
     К одному из первых устройств, используемых для создания кавитации в лабораторных условиях, можно отнести установку, которая представляет собой диск, к которому прикреплены два или более образцов, симметрично расположенных около его обода. Диск вращается с большой частотой, при этом в областях низкого давления (вблизи передней кромки образцов) в специальных «возбудителях» кавитации, расположенных перед образцами, образуется скопление пузырьков.
     Возбудители кавитации могут быть выполнены в виде выступов или отверстий в диске.

10

     Для воспроизведения гидродинамической кавитации широко используют конструкцию гидродинамических труб. Рабочая жидкость в таких устройствах протекает через сужение в виде сопла Лаваля, в котором увеличивается скорость и, соответственно, уменьшается давление, что приводит к образованию ядер кавитации [27].
     Кавитация в потоках жидкостей возникает тогда, когда местное давление падает ниже давления насыщенного пара. Минимумы давления возникают на криволинейных твердых границах, а при наличии сильной завихренности — во внутренних областях жидкости [25].
     Интенсивное звуковое поле, генерируемое в жидкости колебаниями твердого тела, нормальными к его поверхности, при достаточно больших амплитудах и частотах может вызывать кавитацию. Эта вибрационная или акустическая кавитация, она, по существу, не связана с течением, и каверны многократно образуются и схлопываются в одном и том же объеме жидкости.
     Составной частью устройств, создающих вибрационную кавитацию, является магнитострикционный или пьезометрический преобразователь, который колеблется с частотой нескольких килогерц. К этому элементу прикреплен металлический наконечник прямоугольной, экспоненциальной или катеноидной формы для усиления амплитуды колебаний, который на конце наконечника достигает 20-100 мкм. Когда нижняя часть наконечника погружена в рабочую жидкость, под ним создается область низкого давления во время хода вверх, при этом образуется и растет скопление пузырьков, а во время хода наконечника вниз давление возрастает и пузырьки схлопываются [24].
     Кавитация может возникать под действием звуковых волн. На практике используют волны ультразвукового диапазона частот от 10кГц до 10 МГц. При распространении звуковых волн в жидкости создается поле переменного давления, под влиянием которого пузырьки периодически возникают и схлопываются.
     Как показали исследования [27], под действием кавитации в воде и водных растворах происходят сложные физико-химические процессы, классифицируемые следующем образом:
     •  окислительно-восстановительные реакции, которые идут в воде между растворенными веществами и продуктами расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;
     •  реакции между растворенными газами внутри кавитационных пузырьков;

11

     •  цепные реакции в растворе, инициируемые продуктами расщепления в кавитационных пузырьках приемных веществ;
     •  деструкция макромолекул и инициированная полимеризация.
     Протекание этих реакций может сопровождаться явлением сонолюминесценции .
     Пульсационные эффекты кавитации превращают каждый пузырек в кавитационно-гидродинамический микрореактор, в котором протекают химические реакции.
     Возникновению кавитации способствует присутствие в жидкости твердых примесей и различных микроорганизмов. Неровности обтекаемой поверхности также стимулируют появление кавитации.
     К основным факторам, влияющим на степень развития кавитации в потоках жидкости, можно отнести: форму границ течения, параметры течения (давление, скорость), физические свойства жидкости (вязкость, поверхностное натяжение, параметры, характеризующие испарение), любые твердые или газообразные примеси, силу тяжести.
     Чем больше кривизна поверхностей каналов, тем больше отклоняющая от основного потока сила, действующая на жидкость.
     Возникновение кавитации в потоке препятствует дальнейшему увеличению отклоняющей силы, действующей на жидкость, и поэтому при большой кривизне стенки жидкость отрывается от нее, и между стенкой и жидкостью образуется заполненная газом или паром присоединенная каверна, расположенная в области минимума давления.
     В области, где начинается присоединенная каверна, непрерывно образуется большое число перемещаюшихся кавитационных пузырьков. Они взрывоподобно растут на переднем конце присоединенной каверны, затем переносятся тонким слоем жидкости вдоль поверхности раздела присоединенной каверны к ее нижнему по потоку концу [24].
     Эти перемещающиеся пузырьки играют важную роль в таком явлении кавитации, как эрозия.
     Примером присоединенной каверны является каверна, наблюдаемая на судовых гребных винтах [25]
     Перемещающиеся нестационарные каверны вихревого типа наблюдаются в струях [26].
     При истечении струйного потока в неподвижную жидкость в сдвиговом слое между струей и окружающей жидкостью возникает при определенных

12