Quina concentració màxima de duresa de calci a una temperatura de l'aigua a granel de 85 graus impedeix l'ebullició-adhesió d'escala induïda a les beines d'escalfador d'acer inoxidable 316

Límit de solubilitat de l'escala que canvia de pols a adherent

Els càlculs simples de solubilitat no donen la màxima concentració de duresa de calci (ppm CaCO3) a una temperatura a granel de 85 graus que no donarà lloc a la producció d'escala adherent en tubs de calefacció elèctrica embolicats d'acer inoxidable 316 immersos en aigua dura. El producte de solubilitat del carbonat de calci (CaCO3) disminueix amb l'augment de la temperatura, però el criteri clau per al rendiment de l'escalfador és la forma i la força d'adhesió de l'escala precipitada. A 85 graus amb concentracions equivalents de CaCO 3 al voltant de 200-300 ppm d'escala precipita com un dipòsit en pols suau que es pot eliminar fàcilment mitjançant un flux de fluid o un raspallat moderat. A més de 400-500 ppm, es produeix una escalada com aragonita o calcita dura i cristal·lina que s'adhereix fermament a la superfície metàl·lica. Això crea una capa aïllant que augmenta la temperatura de la funda i afavoreix l'escalat addicional. Aquest article estima els nivells de duresa del calci per a la producció d'escala adherent en 316 beines i ofereix suggeriments per al tractament de l'aigua per mantenir l'eficiència de l'escalfador a llarg termini.

Adhesió a escala sobre superfícies metàl·liques escalfades: el mecanisme

Si l'aigua dura s'escalfa a més de 60 graus, la solubilitat del carbonat de calci cau i precipita. La precipitació és majoritàriament en superfícies calentes, perquè la capa límit propera a la beina està sobresaturada respecte a l'aigua a granel. La diferència clau entre l'escala suau no-adherent i l'escala adherent dura és la taxa de precipitació en comparació amb la velocitat de desenvolupament del cristall. A una sobresaturació lleu (duresa del calci 200-300 ppm a 85 graus), la precipitació és lenta i produeix nombrosos cristalls petits i separats que no s'entrellacen amb força. Aquests cristalls es tallen fàcilment pels cicles de fluid i calor. A alta sobresaturació (per sobre de 400-500 ppm) la precipitació és ràpida, formant cristalls massius entrellaçats que creen una capa densa contínua. La força d'adhesió d'aquesta capa pot ser superior a 1-2 MPa, de manera que no es pot eliminar amb velocitats del fluid inferiors a 2-3 m/s. Un cop s'adhereix una capa d'escala, l'augment de la resistència tèrmica condueix a un augment de la temperatura de la coberta que condueix a un augment de la sobresaturació a la superfície metàl·lica que accelera la deposició d'escala en un cicle d'autoempitjorament.

Quantificació de llindars per a la formació d'escales adherents a 85 graus

Les proves sistemàtiques d'incrustació en beines d'acer inoxidable 316 (acabat polit Ra=0.4 µm) en aigua dura sintètica a una temperatura de massa de 85 graus i un flux de calor de 5 W/cm² han determinat els llindars de duresa del calci per al desenvolupament d'escala adherent després de 1.000 hores de funcionament continu.

Duresa càlcica (ppm com a CaCO3) Alcalinitat (ppm com a CaCO3) Escala de pH Morfologia després de 1.000 h Resistència d'adhesió (MPa, prova de cisalla) Resistència tèrmica afegida (m2-K/W) Recomanada per al servei continu de 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 Inacceptable
Altres factors químics de l'aigua que afecten la duresa

A la taula , els límits de duresa del calci estan influenciats per altres tres paràmetres de la química de l'aigua. La inicial és l'alcalinitat (contingut en bicarbonat). Per a la formació d'escales, calen tant calci com alcalinitat. L'aigua amb un alt calci però amb poca alcalinitat (p. ex., duresa de clorur de calci sense bicarbonat) no crearà incrustacions de carbonat. Els valors de llindar es basen en una alcalinitat de bicarbonat gairebé equivalent a la duresa del calci (aigua equilibrada). L'alcalinitat inferior a la meitat de la duresa del calci provoca una reducció del 40-60% del potencial d'escala. El segon problema és el pH. El carbonat de calci és soluble a pH inferior a 7,0 i l'escala no es desenvolupa per molt dura que sigui l'aigua. El potencial d'escalabilitat augmenta fortament per sobre del pH 8,5. Un tercer aspecte és l'existència d'inhibidors de cal, com ara polifosfats, fosfonats o polímers. El desenvolupament d'escala adherent es pot prevenir a nivells de fins a 800-1.000 ppm afegint 2-5 ppm d'un inhibidor d'escala comercial augmentant la duresa del calci admissible en un factor de 2-3.

Pautes pràctiques per al tractament d'aigua de 316 escalfadors a 85 graus

Les següents directrius de tractament de l'aigua minimitzaran l'adhesió de l'escala i maximitzaran l'eficiència tèrmica a llarg termini per a 316 escalfadors enfundats que funcionen a una temperatura de l'aigua a granel de 85 graus. La duresa del calci per sota de 200 ppm no requereix cap altre tractament que no sigui una inspecció freqüent (cada 6-12 mesos). Per a una duresa de 200-300 ppm, s'aconsella un raspallat mensual o una neteja química (retorn àcid diluït). Es recomana el suavització de l'aigua (intercanvi d'ions) o l'addició d'inhibidor d'escales per a una duresa entre 300 i 400 ppm. El suavització de l'aigua és essencial per evitar una ràpida pèrdua de rendiment per a una duresa superior a 400 ppm. A qualsevol nivell de duresa, la tendència a l'escala es redueix quan el pH es manté per sota de 8,0 i s'evita l'ebullició localitzada (flux de calor limitat a 5-6 W/cm2). Per als escalfadors que necessiten funcionar a un flux de calor més alt (8-10 W/cm2) o a una temperatura a granel més alta (90-95 graus), els valors de duresa permesos a la taula s'han de reduir entre un 30 i un 50 %.

Escala-Diagnòstic del camp de sobreescalfament causat

Tres senyals de camp ens indiquen quan l'adhesió de l'escala s'ha convertit en un problema per als escalfadors en el servei d'aigua dura. El primer és l'augment de la temperatura superficial de l'escalfador per a la mateixa potència d'entrada, que es pot detectar amb un termòmetre infrarojo. Un augment de temperatura de 10 a 15 graus per sobre de l'estat net significa una capa d'escala d'uns 0,1 a 0,2 mm. El segon indicador és el temps més llarg per aconseguir la temperatura de consigna, ja que l'escala aïllant limita la transferència de calor a l'aigua a granel. El tercer indicador és un esclat audible o un xiuxiueig, que indica l'ebullició localitzada sota els dipòsits d'escala mentre l'aigua atrapada es vaporitza i s'escapa. Si hi ha algun d'aquests indicadors, l'escalfador s'ha de treure i netejar mitjançant una descalcificació química (amb una solució d'àcid cítric o sulfàmic al 5-10%) o mitjançant un raspallat mecànic. Si la neteja recupera el rendiment però l'escala torna en 1-2 mesos, cal suavitzar.

Conclusió: límits de duresa per al funcionament lliure d'escala{0}a 85 graus

En aigua a granel de 85 graus, duresa de calci<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.