Почему миллиметр накипи перегревает стенку котла на десятки градусов? Меняй жесткость воды, грей ее и пропускай через фильтры.
Дождевая вода почти чистая, но, пока она идет через известняк и доломит, в ней растворяются ионы кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺. Их суммарное количество называют жесткостью. В мягкой горной воде жесткость около 1 мг-экв/л, в артезианской бывает 10 и больше. Пить такую воду можно, а вот греть в котле или гонять по двигателю нельзя.
При нагреве растворенный гидрокарбонат кальция распадается, и на горячей стенке нарастает слой карбоната кальция CaCO₃: накипь. Она проводит тепло в 40 раз хуже стали. Пламя по-прежнему греет стенку, а вода охлаждает ее уже через слой камня. Металл перегревается, теряет прочность, и труба вздувается или лопается. Поэтому воду для котлов и двигателей сначала умягчают.
ⓘ Теплопроводность накипи CaCO₃ взята 1 Вт/(м·К). Пористая или силикатная накипь проводит тепло еще хуже, и перегрев от нее больше.
Первая формула переводит анализ воды в жесткость. Вторая считает, на сколько слой накипи перегревает металл. Третья говорит, сколько воды умягчит ионообменный фильтр до регенерации солью. Числа берутся из опыта, а карточка, которая сейчас работает, подсвечена.
Как посчитать жесткость по анализу воды?
Массу каждого иона в миллиграммах на литр делим на его эквивалент: молярную массу, деленную на заряд 2. Получаем миллиграмм-эквиваленты, их и складываем.
На сколько накипь перегревает стенку?
Тепло идет через слой, как вода через узкую трубу: чем толще слой и хуже он проводит, тем больше нужен перепад температуры, чтобы протолкнуть тот же поток.
Сколько воды умягчит фильтр?
Каждый литр смолы может забрать определенное число эквивалентов кальция и магния, отдав взамен натрий. Чем жестче вода, тем быстрее смола насытится, и ее надо промыть раствором соли.
Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Гидрокарбонат кальция хорошо растворим и живет в воде только вместе с растворенным углекислым газом. При нагреве CO₂ улетает, равновесие сдвигается, и нерастворимый карбонат кальция выпадает. Растворимость CaCO₃ к тому же падает с ростом температуры, поэтому он оседает именно на самой горячей поверхности: на стенке котла, гильзе цилиндра, пластине теплообменника. Сульфат кальция ведет себя так же и дает самую твердую накипь.
В системе охлаждения дизеля вода крутится годами, а горячее всего у гильз цилиндров. Если доливать водопроводную воду, каждый литр приносит новую порцию кальция, и он копится на гильзах. Кроме того, кальций и магний реагируют с силикатными и фосфатными присадками антифриза, и выпадает гель, который забивает соты радиатора. Поэтому концентрат охлаждающей жидкости разводят только дистиллированной или деминерализованной водой, а доливают готовую смесь.
Подпиточную воду паровых котлов умягчают на Na-катионитовых фильтрах до 0,02 мг-экв/л и меньше, удаляют кислород деаэратором и регулярно делают продувку, чтобы соли не копились в барабане. Отказ умягчителя за несколько недель покрывает трубы накипью.
Дизели самосвалов, экскаваторов и генераторов заправляют готовой охлаждающей жидкостью или концентратом, разведенным дистиллятом. Накипь на гильзах ведет к их перегреву, задиру поршня и кавитационному разрушению.
В пластинчатых теплообменниках накипь быстро съедает теплопередачу. Их промывают раствором кислоты, которая растворяет CaCO₃ с выделением CO₂, а на входе ставят умягчитель или дозируют ингибитор накипи.
Обратный осмос убирает почти все соли, около 98%. Им готовят воду для лабораторий, аккумуляторных, мойки оборудования и питания котлов высокого давления, а концентрат с солями идет в сброс.
На обогатительной фабрике вода ходит по кругу, испаряется, и соли в ней накапливаются. На трубах пульпопроводов и в форсунках растет гипс и карбонат. Жесткость и pH оборотной воды контролируют, а часть воды сбрасывают и заменяют свежей.
Жесткость определяют титрованием трилоном Б с индикатором эриохромом черным: пока в пробе есть Ca и Mg, она винно-красная, а когда трилон связал их все, становится синей. По объему трилона считают жесткость.
Тепловой поток считается через последовательные сопротивления: газ к стенке, сталь, накипь, стенка к воде, с постоянными коэффициентами теплоотдачи для каждого аппарата. В котле вся подпиточная вода испаряется, и 15% ее жесткости оседает на поверхности нагрева, остальное уходит со шламом и продувкой. В двигателе жесткость приносят заправка 60 л и доливы по 15 л в месяц, и вся она оседает на самой горячей зоне гильз площадью 0,15 м². В теплообменнике на стенке оседает 0,5% временной жесткости протекающей воды, примерно 24 м³ в сутки на квадратный метр пластин. Плотность накипи 2000 кг/м³, теплопроводность 1 Вт/(м·К). Кипячение оставляет постоянную жесткость и около 0,4 мг-экв/л временной, ионный обмен 0,02 мг-экв/л, обратный осмос 2% от исходной, дистиллят 0,01 мг-экв/л. Объем смолы в фильтре подобран так, чтобы на исходной воде 7 мг-экв/л фильтр работал между регенерациями около суток. Реальные скорости роста накипи сильно зависят от pH, щелочности, скорости воды и режима продувки.