Ce concentrație maximă de duritate a calciului la temperatura apei în vrac de 85 de grade previne fierberea-Aderența indusă a scârmei pe teaca de încălzire din oțel inoxidabil 316

Limita de solubilitate a scalei care se schimbă de la pulbere la aderent

Calculele simple de solubilitate nu dau concentrația maximă de duritate a calciului (ppm CaCO3) la o temperatură în vrac de 85 de grade, care nu va avea ca rezultat producerea de scară aderentă pe tuburi de încălzire electrice învelite din oțel inoxidabil 316 scufundate în apă dură. Produsul de solubilitate al carbonatului de calciu (CaCO3) scade odată cu creșterea temperaturii, dar criteriul cheie pentru performanța încălzitorului este forma și puterea de aderență a solzii precipitate. La 85 de grade, cu concentrații echivalente de CaCO 3, scara de aproximativ 200-300 ppm precipită ca un depozit de pulbere moale care poate fi îndepărtat cu ușurință prin curgere de fluid sau periere moderată. La o concentrație mai mare de 400-500 ppm, se produce detartrarea sub formă de aragonit sau calcit dur, cristalin, care aderă ferm la suprafața metalică. Acest lucru creează un strat izolator care crește temperatura învelișului și promovează detartrarea suplimentară. Această lucrare estimează nivelurile de duritate a calciului pentru producția de scară aderentă pe 316 teci și oferă sugestii pentru tratarea apei pentru a menține eficiența încălzitorului pe termen lung.

Aderența la scară pe suprafețe metalice încălzite: mecanismul

Dacă apa dură este încălzită peste 60 de grade, solubilitatea carbonatului de calciu scade și precipită. Precipitația are loc în mare parte pe suprafețe fierbinți, deoarece stratul limită din apropierea învelișului este suprasaturat față de apa în vrac. Diferența esențială dintre scara moale ne-aderentă și scara aderentă dură este rata precipitațiilor în comparație cu rata de dezvoltare a cristalelor. La o suprasaturare ușoară (duritate de calciu 200-300 ppm la 85 de grade ), precipitațiile sunt lente, producând numeroase cristale minuscule, separate, care nu se împletesc puternic. Aceste cristale sunt tăiate cu ușurință de ciclurile fluidului și căldurii. La suprasaturare ridicată (peste 400-500 ppm) precipitarea este rapidă, formând cristale masive care se întrepătrund care creează un strat dens continuu. Forța de aderență a acestui strat poate fi mai mare de 1-2 MPa, astfel încât nu poate fi îndepărtată prin viteze ale fluidului mai mici de 2-3 m/s. Odată ce un strat de calcar aderă, rezistența termică crescută duce la o creștere a temperaturii învelișului care duce la o creștere a suprasaturației la suprafața metalului care grăbește depunerea calcarului într-un ciclu de auto-agravare.

Cuantificarea pragurilor pentru formarea scărilor aderente la 85 de grade

Testele sistematice de murdărire pe 316 teci din oțel inoxidabil (finiș lustruit Ra=0.4 µm) în apă dură sintetică la o temperatură de 85 de grade și un flux de căldură de 5 W/cm² au determinat pragurile de duritate a calciului pentru dezvoltarea calității aderente după 1.000 de ore de funcționare continuă.

Duritatea calciului (ppm ca CaCO3) Alcalinitatea (ppm ca CaCO3) Morfologia scării pH-ului după 1.000 h Rezistenta de aderență (MPa, test de forfecare) Rezistență termică adăugată (m2-K/W) Recomandat pentru service continuu 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 Inacceptabil
Alți factori chimici ai apei care afectează duritatea

Tabelul , limitele de duritate a calciului sunt influențate de alți trei parametri chimici ai apei. Cea inițială este alcalinitatea (conținutul de bicarbonat). Pentru formarea calcarului, sunt necesare atât calciul, cât și alcalinitatea. Apa cu calciu ridicat, dar cu alcalinitate scăzută (de exemplu, duritatea clorurii de calciu fără bicarbonat) nu va crea depuneri de carbonat. Valorile de prag se bazează pe o alcalinitate a bicarbonatului aproape echivalentă cu duritatea calciului (apă echilibrată). Alcalinitatea mai mică de jumătate din duritatea calciului are ca rezultat o reducere cu 40-60 % a potențialului de detartrare. A doua problemă este pH-ul. Carbonatul de calciu este solubil la pH sub 7,0 și depunerile nu se dezvoltă indiferent de cât de tare este apa. Potențialul de scalabilitate crește abrupt peste pH-ul 8,5. Un al treilea aspect este existența inhibitorilor de calcar, cum ar fi polifosfați, fosfonați sau polimeri. Dezvoltarea calcarului aderent poate fi prevenită la niveluri de până la 800-1.000 ppm prin adăugarea a 2-5 ppm dintr-un inhibitor comercial care crește duritatea de calciu admisă cu un factor de 2-3.

Ghid practice pentru tratarea apei a încălzitoarelor 316 la 85 de grade

Următoarele linii directoare de tratare a apei vor minimiza aderența calcarului și vor maximiza eficiența termică pe termen lung pentru 316 încălzitoare cu manta care funcționează la o temperatură a apei de 85 de grade. Duritatea calciului sub 200 ppm nu necesită alte tratamente decât inspecții frecvente (la fiecare 6-12 luni). Pentru duritatea de 200-300 ppm, se recomandă periajul lunar sau curățarea chimică (clătire cu acid diluat). Dedurizarea apei (schimb de ioni) sau adăugarea de inhibitor de calcar este foarte recomandată pentru durități între 300-400 ppm. Dedurizarea apei este esențială pentru a evita pierderea rapidă a performanței pentru duritatea care depășește 400 ppm. La orice nivel de duritate, tendința de detartrare este redusă atunci când pH-ul este menținut sub 8,0 și se evită fierberea localizată (fluxul de căldură limitat la 5-6 W/cm2). Pentru încălzitoarele care trebuie să funcționeze la un flux de căldură mai mare (8-10 W/cm2) sau la o temperatură în vrac mai mare (90-95 grade), valorile de duritate admise din tabel ar trebui să fie scăzute cu 30-50 %.

Scară-Diagnoza câmpului de supraîncălzire cauzată

Trei semne de câmp ne indică când aderența calcarului a devenit o problemă pentru încălzitoarele din serviciul de apă dură. Prima este creșterea temperaturii suprafeței încălzitorului pentru aceeași putere de intrare, care poate fi detectată de un termometru cu infraroșu. O creștere a temperaturii cu 10 până la 15 grade peste starea curată înseamnă un strat de sol de aproximativ 0,1 până la 0,2 mm. Al doilea indicator este timpul mai lung pentru atingerea temperaturii de referință, deoarece scara izolatoare limitează transferul de căldură către apa în vrac. Cel de-al treilea indicator este pocnitul sau șuieratul audibil, care semnalează fierberea localizată sub depunerile de calcar, pe măsură ce apa prinsă se vaporizează și scapă. Dacă oricare dintre acești indicatori este prezent, încălzitorul trebuie îndepărtat și curățat prin detartrare chimică (cu o soluție de 5-10 % acid citric sau sulfamic) sau prin periere mecanică. Dacă curățarea își revine performanța, dar detartrarea revine în 1-2 luni, este necesară înmuierea.

Concluzie: limite ale durității pentru funcționarea fără calcar la 85 de grade

În apă de 85 de grade, duritate de calciu<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.