Која максимална концентрација калцијума на тврдоћи на 85 степени температуре воде у расутом стању спречава пријањање каменца изазвано кључањем-на 316 омотача грејача од нерђајућег челика

Граница растворљивости скале која се мења од прашкастог до адхерентног

Једноставни прорачуни растворљивости не дају максималну концентрацију тврдоће калцијума (ппм ЦаЦО3) на температури од 85 степени која неће резултирати стварањем лепљиве скале на електричним грејним цевима умотаним од нерђајућег челика 316 потопљеним у тврду воду. Производ растворљивости калцијум карбоната (ЦаЦО3) опада са повећањем температуре, али кључни критеријум за перформансе грејача је облик и чврстоћа пријањања исталоженог каменца. На 85 степени са еквивалентном концентрацијом ЦаЦО 3 од око 200-300 ппм скале се таложи као меки прашкасти наслага који се лако може уклонити протоком течности или умереним четкањем. При већим од 400-500 ппм долази до скалирања у облику тврдог, кристалног арагонита или калцита који чврсто приања на металну површину. Ово ствара изолациони слој који повећава температуру омотача и промовише додатно скалирање. Овај рад процењује нивое тврдоће калцијума за производњу лепљивог каменца на 316 омотача и даје предлоге за третман воде како би се одржала дугорочна ефикасност грејача.

Адхезија скале на загрејаним металним површинама: механизам

Ако се тврда вода загреје преко 60 степени, растворљивост калцијум карбоната опада и он се таложи. Падавине су углавном на врућим површинама, јер је гранични слој близу омотача презасићен у односу на масу воде. Кључна разлика између меке не-нелепљиве скале и тврдо прилепљене скале је стопа таложења у поређењу са брзином развоја кристала. При благом презасићењу (тврдоћа калцијума 200-300 ппм на 85 степени), преципитација је спора, дајући бројне ситне, одвојене кристале који се не спајају снажно. Ови кристали се лако одвајају током циклуса течности и топлоте. При високој презасићености (изнад 400-500 ппм) падавине су брзе, формирајући масивне испреплетене кристале који стварају непрекидни густ слој. Чврстоћа адхезије овог слоја може бити већа од 1-2 МПа, тако да се не може уклонити брзинама флуида мањим од 2-3 м/с. Једном када се слој каменца залепи, повећана топлотна отпорност доводи до пораста температуре омотача што доводи до повећања презасићености на површини метала што убрзава таложење каменца у циклусу самопогоршавања.

Квантификација прагова за формирање адхерентних скала на 85 степени

Систематски тестови загађивања на 316 омотача од нерђајућег челика (Ра=0.4 µм полирани завршни слој) у синтетичкој тврдој води на 85 степени запреминске температуре и топлотног флукса од 5 В/цм² утврдили су прагове тврдоће калцијума за развој лепљиве скале након 1000 сати непрекидног рада.

Тврдоћа калцијума (ппм као ЦаЦО3) Алкалност (ппм као ЦаЦО3) Морфологија пХ скале након 1000 х Чврстоћа приањања (МПа, тест смицања) Додатна топлотна отпорност (м2-К/В) Препоручена за континуирани сервис на 85Ц<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 Неприхватљиво
Други хемијски фактори воде који утичу на тврдоћу

У табели, на границе тврдоће калцијума утичу три друга хемијска параметра воде. Почетни је алкалитет (садржај бикарбоната). За формирање каменца неопходни су и калцијум и алкалност. Вода са високим садржајем калцијума, али ниским алкалитетом (нпр. тврдоћа калцијум хлорида без бикарбоната) неће створити карбонатни каменац. Граничне вредности су засноване на алкалности бикарбоната која је скоро еквивалентна тврдоћи калцијума (уравнотежена вода). Алкалност мања од половине тврдоће калцијума доводи до смањења потенцијала стварања каменца за 40-60%. Друго питање је пХ. Калцијум карбонат је растворљив при пХ испод 7,0 и каменац се не развија без обзира колико је вода тврда. Потенцијал за скалабилност нагло расте изнад пХ 8,5. Трећи аспект је постојање инхибитора каменца, као што су полифосфати, фосфонати или полимери. Развој адхезивног каменца може се спречити на нивоима до 800-1.000 ппм додавањем 2-5 ппм комерцијалног инхибитора каменца који повећава дозвољену тврдоћу калцијума за фактор 2-3.

Практичне смернице за третман воде 316 грејача на 85 степени

Следеће смернице за третман воде ће минимизирати адхезију каменца и максимизирати дугорочну топлотну ефикасност за 316 грејача са плаштом који раде на температури воде од 85 степени. Тврдоћа калцијума испод 200 ппм не захтева никакав третман осим честих прегледа (сваких 6-12 месеци). За тврдоћу од 200-300 ппм, саветује се месечно четкање или хемијско чишћење (испирање разблаженом киселином). Омекшавање воде (јонска размена) или додавање инхибитора каменца се препоручује за тврдоћу између 300-400 ппм. Омекшавање воде је од суштинског значаја да би се избегао брз губитак перформанси за тврдоћу већу од 400 ппм. На било ком нивоу тврдоће, склоност ка скали се смањује када се пХ одржава испод 8,0 и избегава се локализовано кључање (топлотни ток ограничен на 5-6 В/цм2). За грејаче који треба да раде на већем топлотном току (8-10 В/цм2) или вишој запреминској температури (90-95 степени), дозвољене вредности тврдоће у табели треба смањити за 30-50%.

Скале{0}}изазвао дијагностику поља прегревања

Три знака на терену нам говоре када је лепљење каменца постало проблем за грејаче у сервису тврде воде. Први је пораст температуре површине грејача за исту улазну снагу, што се може детектовати инфрацрвеним термометром. Повећање температуре од 10 до 15 степени изнад чистог стања значи слој каменца од око 0,1 до 0,2 мм. Други индикатор је дуже време да се постигне задата температура, пошто изолациона скала ограничава пренос топлоте до воде. Трећи индикатор је звучно пуцање или шиштање, што сигнализира локализовано кључање испод наслага каменца док заробљена вода испарава и излази. Ако је присутан било који од ових индикатора, грејач треба уклонити и очистити хемијским уклањањем каменца (са 5-10% раствором лимунске или сулфаминске киселине) или механичким четкањем. Ако чишћење поврати перформансе, али се скалирање врати у року од 1-2 месеца, потребно је омекшавање.

Закључак: Ограничења тврдоће за рад-без каменца на 85 степени

У води од 85 степени, тврдоћа калцијума<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.