Применение системы Гидрофлоу для контроля накипи и отложений с экономической точки зрения

Профессор Садан

Об авторе: Эзра Садан – доктор экономических наук, почётный профессор Еврейского Университета. Ранее занимал посты министра финансов и министра сельского хозяйства Государства Израиль.

Профессор Садан является членом совета директоров Электрической Компании Израиля, авиакомпании Эль Аль, входит в состав комиссии по атомной энергии Израиля.

Профессор Садан является управляющим партнёром компании Sadan-Lowental Ltd. Компания специализируется на анализе доходности инвестиций. В 2012 году компания опубликовала обстоятельный отчёт о причинах убыточности инвестиций в строительство железнодорожной ветки в Эйлат.


1. Система Гидрофлоу, её описание и особенности:

А) Система Гидрофлоу – это электронное устройство, которое монтируется в определённом месте трубы водоснабжения, поверх неё.

Система может применяться в домашнем хозяйстве, на предприятиях или в частных компаниях, которые потребляют воду. Гидрофлоу формирует отдельные слабые электрические импульсы, используя воду как проводник для электричества. Электромагнитное поле распространяется на расстояние нескольких сотен метров в обоих направлениях тока воды в трубе. Опыт показал, что магнитное поле предотвращает образование и накопление накипи на стенках трубы, на нагревательных элементах, в теплообменниках и иных устройствах, через которые проходит ток воды. Касательно индуцируемого поля и его влияния на накипь, данную технологию возможно отнести к приборам «магнитной обработки воды» или «магнитного контроля накипи».

Б) Труднорастворимые соли и образование накипи

Простое объяснение принципа работы системы Гидрофлоу будет выглядеть следующим образом: вода, протекающая по трубам, как домашних, так и промышленных потребителей, с практической точки зрения является раствором различных солей. Наиболее характерно содержание в ней хлорида натрия, который мы в нашей повседневной жизни называем «соль» или поваренная соль.

Хлорид натрия не образует накипь, даже когда его концентрация достигает нескольких процентов, подобно его типичным концентрациям в морской воде. В воде содержатся также другие соли, не столь хорошо растворимые. Легко могут образовываться насыщенные растворы этих солей даже при их малой концентрации, что приводит к образованию отложений на стенках труб. Хорошим примером является пресная вода. Наиболее типичными известными нам малорастворимыми солями являются кальциты (известь) и соли магния, которые попадают в воду при протекании её под землёй через меловые породы и известняк, доломиты, гипс. Эти соли называются: карбонат кальция и сульфат кальция, карбонат магния и сульфат магния.

Точка насыщения растворов этих повсеместно распространенных солей, расположена очень низко, поэтому соли и осаждаются в трубах, на рабочих поверхностях нагревательных элементов, теплообменников в форме трудно растворимых отложений или накипи. Особенно это характерно для районов с жёсткой водой, где концентрация этих солей повышена.

Образование накипи приводит к потерям энергии и интенсивной эрозии соприкасающейся с водой поверхности труб, теплообменников и нагревательных элементов.

В) Система Гидрофлоу, её использование для предотвращения образования и устранения существующих отложений (накипи).

Простое изложение принятой модели, поясняющее принцип действия системы Гидрофлоу (и ей подобных) приводится ниже (см. также: [1], [2]).

Растворённые соли, перемещающиеся в потоке воды, находятся в растворе в виде своих компонент, несущих электрический заряд – ионов. Частицы молекул солей, несущие отрицательный заряд – анионы, и положительный заряд – катионы. Например, раствор поваренной соли представлен в виде перемещающихся анионов хлора (несут отрицательный заряд) и катионов натрия (положительный заряд).

Частицы, несущие электрический заряд, чувствительны к действию электрических полей. В системе Гидрофлоу (и ей подобных) используется эта особенность. Электрическое поле, созданное установкой в месте, где находятся заряженные ионы, действует на них, а именно на тот заряд, который они переносят. Действие поля увеличивает частоту встреч между частицами, несущими противоположные заряды (т.е. между анионами и катионами). В этой среде возникают центры кристаллизации труднорастворимых солей. Взвесь, которая образуется при этом, является нерастворимой, и одновременно обладающей слабой адгезией (способностью прикрепляться к поверхностям за счёт прилипания). Взвесь остаётся в виде включений в потоке воды. Таким образом, исключается образование отложений и накипи на стенках труб и т.п.

Кроме того, снижается концентрация растворов солей, приводящих к образованию накипи – таких, как соли кальция и магния. Растворы в движущемся потоке воды, концентрация которых понизилась ниже точки насыщения, со временем размывают уже существующую накипь (отложения), например, отложения, образовавшиеся до начала применения системы Гидрофлоу. Этот процесс устраняет или замедляет действие факторов, приводящих к потерям энергии и ускоренному износу.

Г) Использование установки, практические указания.

Имеется большое количество отчётов, составленных по результатам применения установок, использующих механизм, изложенный выше. Большая часть отчётов содержит схожие выводы, о том, что установка позволила избежать накопления отложений (накипи) в трубе и оборудовании, сообщающихся с ней. Многие пользователи приводят веские причины, которые не позволяли им воспользоваться технологией, пока она еще не доказала свою надёжность.

В 1998 году американской Федеральной комиссией по регулированию Энергетики был составлен документ (отредактирован и переиздан в 2000 году [2]), в котором говорится: «На сегодняшний день, развитие технологий магнитного и электростатического контроля образования накипи (отложений) показало их способность выступать в качестве самостоятельных технологий энергосбережения, и надёжных при применении к определённому кругу задач».

«Наиболее важным аспектом энергосбережения при использовании этой технологии является сокращение затрат энергии в применениях, где происходит нагрев или охлаждение воды. Экономия обусловлена предотвращением образования новых и растворением существующих отложений, в связи с тем, что даже самый тонкий их слой на поверхности, где происходит теплообмен, приводит к росту энергопотребления порядка 10%. Вторичная экономия достигается вследствие снижения нагрузки на насос, и сокращения энергии, необходимой для перекачивания жидкости, если труба свободна от отложений».

Дополнительно достигается экономия за счёт: (1) «ликвидации потребности в химических средствах для смягчения воды и контроля за образованием накипи», (2) «устранения потребности в сезонной очистке от накипи (отложений)» и (3) «сокращения затрат на смену вышедших из строя теплообменников».

Документ также перечисляет крупные общественные организации и коммерческие корпорации, применяющие данную технологию:
NASA
US Coast Guard
US Air Force
US Army Core of Engineers
US Environmental Protection Agency
US Postal Service
Ford Motor Company
General Motors
Chrysler Motors
General Electric
Inland Steel
Bethlehem, Steel
LTV Steel
 

2. Обоснование экономической эффективности установки.

А. Аспекты экономии энергии от применения установки в общественных учреждениях и промышленности.

Американской Федеральной комиссией по регулированию энергетики представлена оценка эффекта от потенциального внедрения установок магнитного умягчения воды и контроля образования накипи. Оценка приведена для систем нагрева воды всех федеральных учреждений страны:

Стоимость, млн. $, в ценах 1998г.
Затраты на оснащение зданий
установками магнитного контроля образования накипи
52,8
Экономия энергии 200,3
Чистая экономия (нетто) 147,5

 

В документе Федеральной комиссии по регулированию энергетики также приводятся результаты следующего виртуального эксперимента: рассматривается промышленная система теплообменников с ежедневным расходом 350 м3 жёсткой воды. Вода содержит 350 мг карбоната кальция на литр. В документе сравнивается текущая стоимость содержания системы теплообменников без установки магнитного контроля накипи, со стоимостью содержания системы, в которой такая установка есть. Продолжительность эксперимента 15 лет.

Следует иметь в виду, что 15 лет – это также полный срок службы системы магнитного контроля накипи. Ставка дисконтирования (реальная) – 3,8% в год. Начальные инвестиции в покупку и инсталляцию установки магнитного контроля оцениваются примерно в 10 000$ в ценах 1998г. Оценка экономии энергии приведена в таблице:

Исходная величина расходов, без применения магнитного контроля накипи Расходы, при наличии магнитного контроля Разница*
A B C = A - B
Затраты на внедрение установки магнитного контроля образования накипи 0 10 360 -10 360
Расход энергии за 15 лет 27 687 200 24 908 850 2 769 350
Чистая разница расходов (нетто), $, текущее абсолютное значение 2 758 990

* - В ценах 1998г, приведено значение на начало эксперимента, доллары США.
 

Чистая разница в расходах составляет около 2,75 млн. $ и достигнута в результате начальных инвестиций порядка всего лишь $10 000. Идет речь о соотношении полученной финансовой выгоды к величине инвестиций порядка десятка тысяч процентов!

Б. Аспекты экономии энергии от применения установки в израильских домохозяйствах.

Элементарный расчёт экономии энергии в типичном израильском домашнем хозяйстве выполнен для компании «WaterPath» учреждением «Rani Fisher Iutz Handasayi» («Инженерная Консультация Рани Фишера») [4].

В составе домашнего хозяйства предполагается наличие электрического водонагревателя*, расчёт базируется на связи толщины образовавшегося слоя накипи и дополнительного количества энергии, необходимого на нагревание воды в баке нагревательным элементом.

* - (прим. переводчика: в Израиле нет централизованного горячего водоснабжения, воду подогревают в индивидуальных бойлерах ёмкостью 80-120 литров)
 

Влияние толщины накипи на расход энергии электрическим водонагревателем
График 1. Влияние толщины накипи на расход энергии электрическим водонагревателем. По вертикали: перерасход энергии, в процентах, по горизонтали: толщина накипи, в мм. Источник: работа [5].

Оценка, сделанная Рани Фишер, основана на следующие параметрах:

  • как правило, в среднем слой накипи имеет толщину от 1 до 6 мм;
  • мощность водонагревателя составляет 2,5 кВт;
  • среднее за год время работы бака - 3,5 часа в сутки;
  • стоимость кВт*часа электрической энергии 0.425 шекеля (примерно 3,72 руб.).

При этих предположениях, взяв в расчёт трехмиллиметровый слой накипи, перерасход энергии, по сравнению с бойлеров, в котором нагревательный элемент полностью свободен от накипи, за год составит 298 шекелей (примерно 2 600 руб.).

365 х 3.5 х 22% х 2.5 х 0.425 = 298
дней в году среднее время работы в день инкремент приращения потребления мощность, киловатт шекеля за кВт*час стоимость перерасхода энергии в год

 

В разделе 2 (В), рассматривается стоимость износа (эррозии) приборов, работающих с водой, включая накопительные водонагреватели. Чтобы адаптировать полученный вывод к реальным условиям, необходимо принять во внимание, что наиболее распространённая конструкция водонагревателей в Израиле, это бак, оснащённый специальными солнечными панелями для нагрева воды, и встроенным электрическим нагревательным элементом для периодов, когда солнечный нагрев не может использоваться.

Дополнительный электрический нагревательный элемент используется в среднем 3,5 часа в сутки в течение 120 дней в году. Соответственно, величина избыточной энергии (за исключением солнечной), затраченной вследствие наличия накипи на нагревательном элементе в типичном домашнего хозяйстве, составит не более третьей части от вышеназванной суммы в 298 шекелей. Это составляет около 100 шекелей в год (примерно 875 руб.). С учётом прогнозного периода, 15-тикратная стоимость сэкономленной за год энергии, при учетной ставке 6,5%, составит примерно 950 шекелей (примерно 8310 руб.).

С общенациональной точки зрения, речь идет не о пренебрежимых суммах. В Израиле примерно 2 000 000 домохозяйств. Если предположить, что в половине из них будет применяться система «Гидрофлоу», то общая экономия составит порядка 100 млн. шекелей (875 млн.руб.) каждый год.

Для домашних хозяйств мотивом применения системы «Гидрофлоу» могут стать текущая экономия в размере 950 шекелей, а также гораздо большие суммы вследствие предотвращения ускоренного износа, сокращения затрат на обслуживание водонагревателя и бытовой техники, как будет показано далее в разделе 2(В).

В) Аспекты экономии для израильской семьи вследствие предотвращения ускоренного износа оборудования.

Накипь приводит к износу (эрозии поверхности) тел, находящихся в соприкосновении с водой. Практически во всех израильских семьях имеется водонагреватель накопительного типа и стиральная машина. А примерно в трети семей есть также и посудомоечная машина. Параметры ускоренного износа бытовой техники были определены компанией «Orim» («Огни») по заказу «WaterPath» [6].

Актуальный диапазон параметров, по данным «Orim», следующий:

Прибор Цена за прибор, шекелей Влияние наличия системы «Гидрофлоу» на срок службы прибора
Диапазон цен Средняя цена По нижней оценке, лет По верхней оценке, лет По средней оценке, лет
Комбинированный солнечно-электрический водонагреватель 2500…7500 5000 5…10 10…15 7,5…12,5
Стиральная машина 2000…3000 2500 5…8 8…12 6,5…10
Посудомоечная машина 2000…3000 2500 5…8 8…12 6,5…10

 

На основании средних параметров износа бытовой техники, с учётом прогнозного периода 15 лет, при учётной ставке 6,5%, получены результаты сокращения номинальной стоимости вложений, приведенные ниже, в таблице 3.

Эта таблица показывает средние текущие значения сокращения инвестиционных затрат в бытовую технику, подверженную действию воды, при использовании установки типа Гидрофлоу. Другими словами, она отражает текущее значение сбережений в домашнем хозяйстве, вследствие уменьшения износа бытовой техники, вызванного использованием установки типа системы Гидрофлоу.

Таблица 3. Величина сокращения стоимости вложений в бытовую технику, в текущих ценах, в разрезе доходов населения, на момент установки системы Гидрофлоу.

Состав бытовой техники Грубая оценка распространённости комплекта приборов в группе Сокращение вложений в комплект приборов в текущих ценах
30% наиболее богатого населения Население со средним достатком, 40% 30% наиболее бедного населения Домашнее хозяйство всех групп населения Весь диапазон Среднее значение
Комбинированный солнечно-электрический водонагреватель и стиральная машина 40% 70% 80% 65% 1350…5000 2 600
Комбинированный солнечно-электрический водонагреватель, стиральная машина и посудомоечная машина 55% 25% 10% 30% 2200…7300 3 965

 

Краткий вывод: для 65% домашних хозяйств, которые отнесены в основном к населению со средним и низким уровнями дохода, прогнозируется снижение износа бытовой техники на сумму в 2600 шекелей (примерно 22 750 руб.) вследствие установки системы Гидрофлоу. Для 30% домашних хозяйств, относящихся в основном к населению с высоким и средним уровнями дохода, прогнозируется снижение износа бытовой техники на сумму в 3550 шекелей (примерно 31 060 руб.), вследствие установки системы Гидрофлоу. Расчёт проведён с учётом прогнозного периода в 15 лет и учётной ставке 6,5%.

Г) Преимущества системы Гидрофлоу для израильской семьи (обобщение).

В дополнение к величине экономии энергии и величине экономии вследствие сокращения износа оборудования, организация «Orim» рассчитала величину снижения годовой стоимости содержания и ремонта труб, что составило 155 шекелей (примерно 1 356 руб.), и экономию на химических средствах для очистки от накипи в 120 шекелей (примерно 1 050 руб.) в год.

В текущих ценах, значение этих двух составляющих в домашнем хозяйстве с прогнозным периодом в 15 лет и учётной ставке 6,5%, составит приблизительно 2 600 шекелей (примерно 22 750 руб.). Поскольку стоимость осуществления этих мероприятий достоверно неизвестна, в приведённой ниже таблице 4 составляющие экономического выигрыша для домашнего хозяйства, проистекающие из использования системы «Гидрофлоу», суммируются без учета стоимости указанных мероприятий.

Таблица 4. Экономическая выгода от использования системы «Гидрофлоу» в домашнем хозяйстве.

Стоимость сокращения износа комплекта приборов в текущих ценах Стоимость экономии энергии в текущих ценах Общая экономия, без учёта ремонта труб и средств удаления накипи
Состав бытовой техники Текущая стоимость, шекелей
Комбинированный солнечно-электрический водонагреватель и стиральная машина 2 600 950 3 550
Комбинированный солнечно-электрический водонагреватель, стиральная машина и посудомоечная машина 3 965 950 4 915

 

Речь идёт об огромной экономической выгоде. Выгода нетто (чистая выгода) может быть получена как разница между обозначенной суммой и стоимостью установки. Стоимость системы «Гидрофлоу» составляет примерно 700 шекелей. Чистая выгода равна 2850 - 4215 шекелей, без учета стоимости ремонта труб и средств удаления накипи.

Чистая выгода остаётся положительной даже на нижней границе диапазона параметров, рассмотренных организацией «Orim». И это также без учета выгоды от снижения износа труб и без учета выгоды от снижения расхода химических средств для удаления накипи.

Мы видим, что соотношение между вложениями и полученной выгодой очень велико. Другими словами, с точки зрения бюджета типичного домохозяйства, это очень хорошая инвестиция.

3. Эффект масштаба.

Инвестиция в систему Гидрофлоу могла бы рассматриваться как хорошая также и в гипотетическом случае, когда единственным доводом является лишь экономия энергии. Стоимость самой установки Гидрофлоу около 700 шекелей, её применеие обещает экономию энергии, стоимость которой в текуших ценах равна 950 шекелей (исходя из прогнозного периода в 15 лет и учётной ставке 6,5%). Также с этой узкой точки зрения, не рассматривающей экономию на сокращении износа техники, остается сумма чистой прибыли в 250 шекелей в качестве чистой прибыли при величине инвестиций в 700 шекелей.

Однако, каким бы впечатляющим не выглядело соотношение: 250/700=35%, оно становится похожим на детскую забаву при сравнении с прибылью промышленного предприятия, рассмотренной в пункте 2А, которая исчисляется десятками тысяч процентов.

Причина наблюдаемого различия определяется размером хозяйства. Разница в масштабах прибыли между этими случаями вытекает из значимого различия между ними. Основа различия основана на феномене, известном как эффект масштаба. Действительно, расход воды в домашнем хозяйстве не превышает 350 м3 в год, а промышленное предприятие, описанное в федеральном документе, цитаты из которого приведены в разделе 2А, расходует 350 м3 воды в сутки.

Об эффекте масштаба уже можно говорить, когда система Гидрофлоу смонтирована на трубе центрального водоснабжения группы домашних хозяйств, например, в населенном пункте, где проживают 300-400 семей, как деревня, село или кибуц (прим. переводчика: кибуц - израильский колхоз). Стоимость системы Гидрофлоу для системы водоснабжения жилого массива такого масштаба составляет примерно 70 тыс. шекелей (примерно 612 500 руб.). Экономия, в сегодняшних ценах (при учетной ставке 6,5% и прогнозном периоде 15 лет) составит порядка 300 тыс. шекелей (примерно 2,625 млн.руб.).

Таким образом, мы видим, что отношение чистой прибыли на инвестиции составляет уже 300/70 = 428%. На этом примере виден разрыв в проценте экономии и преимуществе контроля образования накипи в масштабе промышленного предприятия, по сравнению с жилым массивом из нескольких сотен семей. Это может быть результатом того, что промышленное предприятие имеет высокую удельную потребность в воде, в отличие от эпизодического и сравнительно небольшого потребления воды в домашних хозяйствах.

Так или иначе, процент прибыли 428% можно назвать впечатляющим. И это означает, что устанавливать систему Гидрофлоу в системах централизованного водоснабжения жилых массивов крайне оправдано, даже если не брать в расчёт экономию на обслуживании и ремонте труб и бытовой техники, потребляющих воду. А более точный расчёт сделает график рентабельности инвестиций похожим на старт ракеты.
 

Перевод с иврита. Перевёл Гендельман Борис, инж., г.Иерусалим.

Статья в переводе на английский язык (на сайте компании WaterPath).
 

Список литературы

[1] Avner Adin and Rami Halperin (2001) HydroFLOW Technology. Water, Fluid and Irrigation Engineering, Issue No. 13, May-June. – Авнер Адин и Рами Гальперин (2001) «Технология Гидрофлоу», Инженерия в водоснабжении и орошении, 13, май-июнь 2001.

[2] U.S. Department of Energy, «Non-Chemical Technologies for Scale and Hardness Control, Federal Technology Alert» (1998, amended 2000, reprinted 2004), prepared by Battelle Columbus Operations.

[3] Список 16 отчетов, приведён в документе министерства энергетики [2], а обновлённый список по состоянию на декабрь 2005 года насчитывал более 20 независимых коммерческих публикаций, и около 30 статей. Опубликован в «Science of Descaling and Magnetic Water Treatment», Biophysica Inc.

Отчёт 1994 года посвящен обзору технологий контроля образования био-отложений в системах охлаждения, опубликован департаментом по Охране Окружающей среды штата Коннектикут (США) – Schick. A Pollution Prevention Case Study.

Необходимо отметить отчёт об эксперименте по технологии магнитной обработки воды, который не привел к однозначным результатам: Smothers, K.W.; Strauss, B.T.; Gard, C.D.; Curtiss, R.H. and Hock, V.F. (2001). «Demonstration and Evaluation of Magnetic Descalers», US Army Corps.

[4] Rani Fischer Consulting Engineering Ltd. (2005). «How Limescale Buildup Affects Boiler Energy Costs», a calculation prepared for WaterPath, a Member of the Pazgas Group. – Инженерная Консультация Рани Фишера (2005). «Влияние образования накипи на потребление энергии бойлером». Экономический расчёт произведён для компании WaterPath (группа Пазгаз).

[5] MHD Intergraph Tech Associates, Inc. «How Magnetohydrodynamic Technology Works».

[6] Orim Finances (2006). «Estimated Household Savings from the Prevention of Limescale Buildup», prepared for WaterPath, a Member of the Pazgas Group. – Орим-Финансы (2006) «Оценка экономии от предотвращения образования накипи в домашнем хозяйстве». Подготовлено для компании WaterPath (группа Пазгаз).

См. также: