Quale concentrazione massima di durezza del calcio a una temperatura dell'acqua di 85 gradi impedisce l'ebollizione-Adesione indotta dal calcare sulle guaine del riscaldatore in acciaio inossidabile 316

Limite di solubilità della scala che cambia da polveroso ad aderente

Semplici calcoli di solubilità non producono la concentrazione massima di durezza del calcio (ppm CaCO3) a una temperatura complessiva di 85 gradi che non comporterà la produzione di incrostazioni aderenti su tubi riscaldanti elettrici avvolti in acciaio inossidabile 316 immersi in acqua dura. Il prodotto di solubilità del carbonato di calcio (CaCO3) diminuisce con l'aumentare della temperatura, ma il criterio chiave per le prestazioni del riscaldatore è la forma e la forza di adesione delle incrostazioni precipitate. A 85 gradi con concentrazioni equivalenti di CaCO 3, la scaglia di circa 200-300 ppm precipita come un deposito morbido e polveroso che può essere facilmente rimosso mediante flusso di fluido o spazzolatura moderata. A livelli superiori a 400-500 ppm le incrostazioni si presentano sotto forma di aragonite o calcite dura e cristallina che aderisce saldamente alla superficie metallica. Questo crea uno strato isolante che aumenta la temperatura della guaina e favorisce ulteriori incrostazioni. Questo documento stima i livelli di durezza del calcio per la produzione di incrostazioni aderenti sulle guaine 316 e fornisce suggerimenti per il trattamento dell'acqua per mantenere l'efficienza del riscaldatore a lungo termine.

Adesione delle incrostazioni su superfici metalliche riscaldate: il meccanismo

Se l'acqua dura viene riscaldata oltre i 60 gradi, la solubilità del carbonato di calcio diminuisce e precipita. La precipitazione avviene prevalentemente su superfici calde, poiché lo strato limite vicino alla guaina è sovrasaturo rispetto alla massa d'acqua. La differenza fondamentale tra la scaglia morbida non-aderente e la scaglia dura aderente è la velocità di precipitazione rispetto alla velocità di sviluppo dei cristalli. Con una leggera sovrasaturazione (durezza del calcio 200-300 ppm a 85 gradi), la precipitazione è lenta e produce numerosi cristalli minuscoli e separati che non si incastrano fortemente. Questi cristalli vengono facilmente staccati dai cicli del fluido e del calore. Ad alta sovrasaturazione (superiore a 400-500 ppm) la precipitazione è veloce, formando massicci cristalli ad incastro che creano uno strato denso e continuo. La forza di adesione di questo strato può essere superiore a 1-2 MPa, per cui non può essere rimosso da velocità del fluido inferiori a 2-3 m/s. Una volta che uno strato di incrostazioni aderisce, l'aumento della resistenza termica porta ad un aumento della temperatura della guaina che porta ad un aumento della sovrasaturazione sulla superficie metallica che accelera la deposizione di incrostazioni in un ciclo di autopeggioramento.

Quantificazione delle soglie per la formazione di scaglie aderenti a 85 gradi

Test sistematici di incrostazione su guaine in acciaio inossidabile 316 (finitura lucida Ra=0.4 µm) in acqua dura sintetica a una temperatura di massa di 85 gradi e un flusso di calore di 5 W/cm² hanno determinato le soglie di durezza del calcio per lo sviluppo di incrostazioni aderenti dopo 1.000 ore di funzionamento continuo.

Durezza del calcio (ppm come CaCO3) Alcalinità (ppm come CaCO3) Scala del pH Morfologia dopo 1.000 ore Forza di adesione (MPa, test di taglio) Resistenza termica aggiunta (m2-K/W) Consigliata per servizio continuo a 85°C<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 Inaccettabile
Altri fattori chimici dell'acqua che influenzano la durezza

Nella tabella , i limiti di durezza del calcio sono influenzati da altri tre parametri chimici dell'acqua. Il primo è l'alcalinità (contenuto di bicarbonato). Per la formazione del calcare sono necessari sia il calcio che l'alcalinità. L'acqua con un alto contenuto di calcio ma una bassa alcalinità (ad esempio, durezza del cloruro di calcio senza bicarbonato) non creerà incrostazioni di carbonato. I valori soglia si basano su un'alcalinità del bicarbonato quasi equivalente alla durezza del calcio (acqua bilanciata). Un'alcalinità inferiore alla metà della durezza del calcio determina una riduzione del 40-60% del potenziale di incrostazione. Il secondo problema è il pH. Il carbonato di calcio è solubile a pH inferiore a 7,0 e il calcare non si sviluppa, indipendentemente dalla durezza dell'acqua. Il potenziale di scalabilità aumenta notevolmente al di sopra del pH 8,5. Un terzo aspetto è l'esistenza di inibitori delle incrostazioni, come polifosfati, fosfonati o polimeri. Lo sviluppo di incrostazioni aderenti può essere prevenuto a livelli fino a 800-1.000 ppm aggiungendo 2-5 ppm di un inibitore di incrostazioni commerciali che aumentano la durezza del calcio ammissibile di un fattore di 2-3.

Linee guida pratiche per il trattamento dell'acqua di 316 riscaldatori a 85 gradi

Le seguenti linee guida per il trattamento dell'acqua ridurranno al minimo l'adesione del calcare e massimizzeranno l'efficienza termica a lungo termine per i riscaldatori inguainati 316 che funzionano a una temperatura dell'acqua di massa di 85 gradi. La durezza del calcio inferiore a 200 ppm non richiede alcun trattamento oltre all'ispezione frequente (ogni 6-12 mesi). Per una durezza di 200-300 ppm, si consiglia una spazzolatura mensile o una pulizia chimica (lavaggio con acido diluito). L'addolcimento dell'acqua (scambio ionico) o l'aggiunta di un inibitore del calcare sono altamente consigliati per una durezza compresa tra 300 e 400 ppm. L'addolcimento dell'acqua è essenziale per evitare una rapida perdita di prestazioni per una durezza superiore a 400 ppm. A qualsiasi livello di durezza, la tendenza alla formazione di incrostazioni è ridotta quando il pH viene mantenuto al di sotto di 8,0 e si evita l'ebollizione localizzata (flusso di calore limitato a 5-6 W/cm2). Per i riscaldatori che devono funzionare a un flusso di calore più elevato (8-10 W/cm2) o a una temperatura complessiva più elevata (90-95 gradi), i valori di durezza consentiti nella tabella devono essere ridotti del 30-50%.

La scala-ha causato il surriscaldamento diagnosi sul campo

Tre segnali sul campo ci dicono quando l’adesione del calcare è diventata un problema per i riscaldatori nel servizio con acqua dura. Il primo è l'aumento della temperatura superficiale del riscaldatore a parità di potenza assorbita, che può essere rilevato da un termometro a infrarossi. Un aumento della temperatura da 10 a 15 gradi sopra lo stato pulito significa uno strato di incrostazioni da circa 0,1 a 0,2 mm. Il secondo indicatore è il tempo più lungo per raggiungere la temperatura impostata, poiché la scala isolante limita il trasferimento di calore all'acqua sfusa. Il terzo indicatore è uno schiocco o un sibilo udibile, che segnala l'ebollizione localizzata sotto i depositi di calcare mentre l'acqua intrappolata vaporizza e fuoriesce. Se è presente uno qualsiasi di questi indicatori, il riscaldatore deve essere rimosso e pulito mediante disincrostazione chimica (con una soluzione di acido citrico o solfammico al 5-10%) o mediante spazzolatura meccanica. Se la pulizia ripristina le prestazioni ma il ridimensionamento ritorna entro 1-2 mesi, è necessario l'ammorbidimento.

Conclusione: limiti di durezza per il funzionamento senza incrostazioni-a 85 gradi

In acqua sfusa da 85 gradi, durezza del calcio<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.