Каква максимална концентрация на калциева твърдост при 85 градуса температура на насипната вода предотвратява кипенето-предизвикано залепване върху нагревателни обвивки от неръждаема стомана 316

Граница на разтворимост на варовия камък, променящ се от прахообразен към полепнал

Простите изчисления на разтворимостта не дават максималната концентрация на калциева твърдост (ppm CaCO3) при 85 градуса насипна температура, която няма да доведе до образуване на залепнал котлен камък върху 316 електрически нагревателни тръби, обвити от неръждаема стомана, потопени в твърда вода. Продуктът на разтворимост на калциевия карбонат (CaCO3) намалява с повишаване на температурата, но ключовият критерий за ефективността на нагревателя е формата и силата на адхезия на утаената скала. При 85 градуса с CaCO 3 еквивалентни концентрации около 200-300 ppm котлен камък се утаява като меко прахообразно отлагане, което може лесно да бъде отстранено чрез поток от течност или умерено четкане. При повече от 400-500 ppm образуването на котлен камък се получава като твърд, кристален арагонит или калцит, който прилепва здраво към металната повърхност. Това създава изолационен слой, който повишава температурата на обвивката и насърчава допълнително образуване на котлен камък. Този документ оценява нивата на калциева твърдост за производството на адхезивна скала върху 316 обвивки и предоставя предложения за пречистване на водата за поддържане на дългосрочна ефективност на нагревателя.

Адхезия на котлен камък върху нагрети метални повърхности: Механизмът

Ако твърдата вода се нагрее над 60 градуса, разтворимостта на калциевия карбонат пада и той се утаява. Валежите са предимно върху горещи повърхности, тъй като граничният слой в близост до обвивката е пренаситен по отношение на обемната вода. Основната разлика между мекия незалепнал и твърдия прилепнал нагар е скоростта на утаяване в сравнение със скоростта на развитие на кристалите. При леко пренасищане (калциева твърдост 200-300 ppm при 85 градуса), утаяването е бавно, като се получават множество малки, отделни кристали, които не се свързват силно. Тези кристали лесно се отделят от флуидните и топлинните цикли. При високо свръхнасищане (над 400-500 ppm) утаяването е бързо, образувайки масивни преплитащи се кристали, които създават непрекъснат плътен слой. Силата на адхезия на този слой може да бъде повече от 1-2 MPa, така че да не може да бъде отстранен от скорости на флуида по-ниски от 2-3 m/s. След като слой от котлен камък се залепи, повишеното термично съпротивление води до повишаване на температурата на обвивката, което води до увеличаване на свръхнасищането на металната повърхност, което ускорява отлагането на котлен камък в цикъл на самовлошаване.

Количествено определяне на праговете за образуване на прилепнали люспи при 85 градуса

Систематичните тестове за замърсяване върху 316 обвивки от неръждаема стомана (Ra=0.4 µm полирано покритие) в синтетична твърда вода при 85 градуса насипна температура и топлинен поток от 5 W/cm² определиха праговете на калциева твърдост за образуване на адхезивен котлен камък след 1000 часа непрекъсната работа.

Калциева твърдост (ppm като CaCO3) Алкалност (ppm като CaCO3) pH скала Морфология след 1000 часа Якост на адхезия (MPa, тест на срязване) Добавена термична устойчивост (m2-K/W) Препоръчва се за непрекъснато обслужване при 85C<100 100-200 7.5-8.5 <.0001 No apparent scale N/AYes 100-200 100-200 7.5-8.5 Powdery, easily wiped off <0.1 0.0001-0.0003 Yes 200-300 150-250 7.5-8.5 Soft crystalline, removed by brushing 0.1-0.3 0.0003-0.0008 Acceptable with frequent cleaning
300-400 200-300 7.5-8.5 Mixed soft/hard, partial adhesion 0.3-0.8 0.0008-0.002 Marginal, needs water softening 400-500 250-350 7.5-8.5 Hard aragonite, very adherent 0.8-1.5 0.002-0.005Not Recommended 500-700 300-400 7.5-8.5Hard calcite, dense Layer 1.5-2.5 0.005-0.010 Unacceptable >700 >400 >8.0 Rapid scaling, total coverage >2.5 >0,010 Неприемливо
Други фактори на химията на водата, които влияят на твърдостта

Таблица , границите на калциевата твърдост се влияят от три други параметъра на химията на водата. Първоначалната е алкалност (съдържание на бикарбонат). За образуването на котлен камък са необходими както калций, така и алкалност. Вода с високо съдържание на калций, но ниска алкалност (напр. твърдост на калциев хлорид без бикарбонат) няма да създаде карбонатен котлен камък. Праговите стойности се основават на бикарбонатна алкалност, почти еквивалентна на калциевата твърдост (балансирана вода). Алкалността, по-малка от половината от калциевата твърдост, води до 40-60% намаление на потенциала за образуване на котлен камък. Вторият проблем е pH. Калциевият карбонат е разтворим при pH под 7,0 и котлен камък не се образува, независимо колко твърда е водата. Потенциалът за мащабируемост нараства рязко над pH 8,5. Трети аспект е наличието на инхибитори на котления камък, като полифосфати, фосфонати или полимери. Развитието на полепнал котлен камък може да бъде предотвратено при нива до 800-1000 ppm чрез добавяне на 2-5 ppm от търговски инхибитор на котлен камък, повишаващ допустимата калциева твърдост с фактор 2-3.

Практически насоки за пречистване на вода от 316 нагреватели при 85 градуса

Следващите насоки за пречистване на водата ще сведат до минимум адхезията на котлен камък и ще увеличат максимално дългосрочната топлинна ефективност за нагреватели с обвивка 316, работещи при 85 градуса температура на водата в насипно състояние. Твърдостта на калция под 200 ppm не изисква никакво третиране освен честа проверка (на всеки 6-12 месеца). За твърдост от 200-300 ppm се препоръчва месечно четкане или химическо почистване (промиване с разредена киселина). Омекотяване на водата (йонен обмен) или добавяне на инхибитор на котления камък е силно препоръчително за твърдост между 300-400 ppm. Омекотяването на водата е от съществено значение, за да се избегне бърза загуба на производителност при твърдост над 400 ppm. При всяко ниво на твърдост тенденцията към образуване на котлен камък се намалява, когато pH се поддържа под 8,0 и се избягва локализирано кипене (топлинният поток е ограничен до 5-6 W/cm2). За нагреватели, които трябва да работят при по-висок топлинен поток (8-10 W/cm2) или по-висока обемна температура (90-95 градуса), допустимите стойности на твърдост в таблицата трябва да бъдат намалени с 30-50%.

Полева диагностика на-причинено прегряване

Три полеви знака ни казват кога полепването на котлен камък се е превърнало в проблем за нагревателите при работа с твърда вода. Първият е повишаването на температурата на повърхността на нагревателя при същата входяща мощност, което може да бъде открито от инфрачервен термометър. Повишаване на температурата с 10 до 15 градуса над чистото състояние означава слой от котлен камък от около 0,1 до 0,2 mm. Вторият индикатор е по-дългото време за достигане на зададена температура, тъй като изолационният мащаб ограничава преноса на топлина към обемната вода. Третият индикатор е звуково пукане или съскане, което сигнализира за локално кипене под отлагания от котлен камък, докато уловената вода се изпарява и изтича. Ако има някой от тези индикатори, нагревателят трябва да се отстрани и почисти чрез химическо отстраняване на котления камък (с 5-10% разтвор на лимонена или сулфамова киселина) или чрез механично четкане. Ако почистването възстанови ефективността, но котлен камък се възстанови в рамките на 1-2 месеца, е необходимо омекотяване.

Заключение: Ограничения за твърдост за-работа без котлен камък при 85 градуса

В 85 градуса наливна вода, калциева твърдост<200 ppm produces a soft, non-adherent scale on 316 stainless steel encased heaters that has no effect on performance. Hardness of 200-300 ppm is tolerable with periodic cleaning. When the hardness exceeds 400 ppm, hard adhering aragonite or calcite scale forms fast insulating the heater and promoting additional deposition. When specifying 316 sheaths for hot water service the engineers should get the calcium hardness and alkalinity analysis of the feed water and compare this to the thresholds in the table. If the hardness is greater than 400 ppm, water softening or addition of a scale inhibitor is essential to avoid loss of performance and premature failure of the heater. This framework relates calcium hardness to observable scale morphology and adhesion strength so that the buyer can design water treatment plans for maintaining thermal efficiency and life extension of the heater in a hard water application.