Актуальность темы
Темой магистерской работы является “Обоснование структуры прибора для измерения жесткости воды систем отопления ” на основе
измерения удельной электропроводности. Актуальность выбранной темы я вижу в том, что по
данным электропроводности можно судить о жесткости воды, а это в свою очередь дает возможность
определить качество воды для системы отопления. Поскольку к воде предъявляются высокие требования,
необходимо обосновать нужна ли предварительная водоподготовка или нет. Водоподготовка - физико - химическая
обработка воды, исключающая или существенно снижающая накиепобразование и коррозию теплотехнического оборудования.
Современные компактные теплообменники характеризуются узкими каналами для прохода теплоносителя и высокими тепловыми потоками,
поэтому более чувствительны к воздействию коррозии и образованию накипи. Оксиды железа могут образовываться в результате коррозии повсеместно:
внутренняя коррозия стальных радиаторов, чугунных или стальных котлов нередко приводит к накоплению железоокисного шлама
в нижней части радиаторов,а также в вентилях, клапанах и насосах. Это не только уменьшает теплоотдачу отопительных
приборов, но и создает препятствия для водного потока в системе, из-за чего падает ее КПД и утрачиваются преимущества,
связанные с использованием регулирующих устройств. Поэтому водоподготовка является неотъемлемой частью современной
теплотехнической системы. Любой технологический процесс водоподготовки представляет собой воздействие на подпиточную
или сетевую воду, приводящее к целенаправленному изменению объективных физический и химических свойств воды.
Цель и задачи работы
Целью магистерской работы является разработка системы определения жесткости воды систем водоотопления по данным
электропроводности. На основании полученных результатов необходимо обосновать метод умягчения воды, ее комплексной
водоподготовки.
К задачам можно отнести следующие:
- построение математической модели измеремой среды;
- исследование температурной зависимости жесткости воды,а также зависимости жесткости от концентрации растворенных солей.
Обзор существующих исследований в области проблемы жесткости
Особое значение для систем отопления, как было сказано ранее, имеет использование питающей воды соответствующего качества.
Как правило используется вода централизованных систем питьевого водоснабжения, качество которой регламентируется СанПиН 2.1.4.559.
Питьевая вода., ГОСТ 2874.82 Вода питьевая. Указанными документами качество воды регламентируется по целому ряду количественных показателей,
таких как микробиологические, паразитологические, органолептические, радиологические и др. Только по содержанию вредных веществ
в питьевой воде нормируются 724 показателя.
В таблице 1 представлены некоторые нормируемые показатели воды
В свою очередь качество питательной воды прямоточных котлов должно удовлетворять нормам, представленным в таблице 2.
Таблица 2 . Качество питательной воды прямоточных котлов
Количество растворенных в воде веществ зависит от их физико - химических свойств, минерального состава, температуры,
времени контакта с минералами . TDS измеряется в мг/л, что в весовых количествах эквивалентно одной части на миллион (parts per million, ppm).
Согласно действующим санитарно - гигиеническим требованиям, питьевая вода должна содержать не более 2000 мг/л растворенных веществ.
На рисунке1 в логарифмическом масштабе представлена в зависимости от температуры растворимость ряда электролитов, наиболее
часто присутствующих в воде.
Общая жесткость (Total Hardness, TH)
Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+).
В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами,
образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством не обладают.
Различают следующие виды жесткости.
Общая жесткость.
Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния.
Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.
Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния.
Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью.
При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния. Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).
На данный момент известно много способов умягчения воды, осуществленно большое количество
исследований в этой области. Рассмотрим основные из них.
Умягчение воды
Данный метод снижает жесткость воды без изменения количества электролита, растворенного в воде.
При этом осуществляется замещение ионов, ответственных за избыточную жесткость.
В частности, ионы кальция (Ca) и магния (Mg) замещаются ионами натрия (Na), что предотвращает образование
известковых отложений при нагревании воды, поскольку в отличие от карбонатов кальция и магния, формирующих переменную
составляющую жесткости, карбонат натрия остается растворенным в воде при повышенной температуре.
Обычно процесс умягчения воды реализуется с использованием ионообменных смол.
Образуемые хлориды кальция или магния являются растворимыми и уносятся вместе с промывающей водой.
Вместе с тем, следует учитывать, что умягченная вода обладает повышенной химической коррозионной активностью,
а также увеличенной удельной проводимостью, что интенсифицирует имеющие место электрохимические процессы.
На рисунке 2 показано в сравнительном плане коррозионное воздействие жесткой, умягченной и деминерализованной воды.
Полифосфататная обработка
Данный метод позволяет на время «связать» соли жесткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи.
Полифосфаты обладают способностью образовывать связи с кристаллами CaCO3, сохраняя их в состоянии суспензии и, тем самым,
приостанавливая процесс их агрегирования (образование хелатных связей). Однако следует иметь ввиду, что данный механизм
работоспособен только при температурах, не превышающих 70-75 °С. При более высоких температурах имеет место
к гидролиз и эффективность метода резко снижается.
Магнитное или электрическое кондиционирование
Под действием сильных магнитных полей происходит аллотропная модификация кристаллов солей, ответственных за переменную жесткость,
в результате чего соли накипеобразователей превращаются в мелкодисперсный шлам, который не откладывается на поверхностях и не склонен
к образованию компактных форм.
Сходные явления имеют место при использовании электрических разрядов, снижающих способность выпадающих в осадок солей к
их агрегатированию. Однако до настоящего времени отсутствуют достаточно надежные данные, касающиеся эффективности работы
подобного рода устройств, особенно при высоких темпратурах, близких к точке кипения.
Обратный осмос
В соответствии с этим методом, вода прокачивается под высоким давлением через полупроницаемую мембрану с порами,
имеющими диаметр менее 0,05 мкм. Большинство растворенных ионов фильтруются на мембране.
В зависимости от используемой мембраны и других характеристик осуществляемого процесса фильтрации от 90 до 98 %
растворенных в воде ионов удаляются. Достижение более высокой эффективности деминерализации при этом является проблематичной.
Возможность осуществления процесса обратного осмоса полностью автоматически, а также отсутствие необходимости в использовании
химических реагентов делают его особо привлекательным в рассматриваемых целях. Процесс является достаточно экономичным,
потребляя электроэнергию в количестве 1-2 кВт.час на 1 м3 обрабатываемой воды. Стоимость оборудования постоянно
снижается в связи с увеличением объема его выпуска за счет постоянного расширения сфер использования.
Обратный осмос, однако, уязвим если обрабатываемая вода является очень жесткой и/или содержит большое
количество механических загрязнений. В связи с этим в целях увеличения срока службы используемых мембран
зачастую требуется предварительное умягчение воды или ее полифосфататная обработка, или магнитное/электрическое
кондиционирование и фильтрация.
Деионизация
В соответствии с этим методом, для удаления растворенных веществ используются слои ионообменных смол (колонки ионитов),
которые обладают способностью обменивать ионы водорода на катионы и гидроксильные ионы на анионы растворенных солей.
Катионовые ионообменные смолы (катиониты, полимерные кислоты) обменивают один ион водорода на катион вступающего
в контакт со смолой растворенного вещества (например, Na++, Ca++, Al+++). Анионные ионообменные смолы
(аниониты, полимерные основания) обменивают один гидроксильный ион (гидроксильную группу) на соответствующий анион (например, Cl-).
Ионы водорода, освообождаемые катионитами, и гидроксильные группы, освобождаемые анионитами, образуют молекулы воды.
На примере карбоната кальция (CaCo3) химические реакции выглядят следующим образом:
в колонке катионита
в колонке анионита
По мере расходования ионообменными смолами ионов водорода и/или гидроксильных групп они
должны быть подвергнуты процессу регенерации, используя обработкуколонки катионита соляной (хлористо-водородной) кислоты
Колонка анионита обрабатывается гидроокисью натрия (каустической содой)
Процесс регенерации завершается промывкой, которая обеспечивает удаление солей, образуемых
в результате рассмотренных химических реакций. В современных деминерализаторах поток воды
организуется «сверху вниз», что предотвращает разделение гравийного слоя и обеспечивает непрерывную
работу установки без ухудшения качества очистки. Кроме того, слой ионита работает как фильтр очистки
воды от механических загрязнений.
Эффективность деминерализации данным методом сопоставима с дистилляцией. При этом эксплуатационные
расходы, свойственные деионизации, существенно ниже по сравнению с дистилляцией.
Теоретически, вода, деминерализованная рассмотренными методами (обратный осмос, деионизация),
является химически нейтральной (pH = 7), но в ней легко растворяются различные вещества, с
которыми она впоследствии контактирует. На практике, деминерализованная вода является слабо к
ислой благодаря процессу деминерализации как таковому. Указанное происходит в результате того,
что остаточные количества ионов и газовых примесей понижают pH. В случае обратного осмоса это
объясняется дифференциальной селективностью мембран. В случае деионизации указанные
остаточные количества объясняются истощением или нарушением целостности колонок ионитов.
В случае повышенной кислотности вода может растворять окислы металлов, открывая путь коррозии.
Особенно подверженными коррозии оказываются углеродистая сталь и цинк. Типичным явлением служит,
как отмечалось ранее, потеря латунным сплавом цинка. Вода, имеющая удельную проводимость менее 20-30 мкС/см,
не должна контактировать с углеродистой сталью, цинком и латунью
Планируемые собственные результаты
Объем контроля жескости воды систем отопления предполагает измерение этого показателя в несколких
контрольных точках: на входе в систему отопления, в линии подпитки, на выходе из системы.
С этой целью планируется установка кондуктометрических датчиков удельной электропроводности
в контрольных точках.
Четырехэлектродный датчик удельной электропроводности выполнен в форме
цилиндра с керамики с маленьким температурным коэффициентом расширения, электроды нанесены в виде
тонких металлических полосок.Два электрода такого датчика подключаются к источнику переменного напряжения,
а с двух других снимаются значения разности потенциалов,пропорциональные электропроводности воды.
Удельная проводимость воды характеризует сопротивление протекающему электрическому току, будучи зависима
от содержания растворенных в ней электролитов, которыми в природной воде служат, в основном, неорганические соли.
Единицей измерения удельной проводимости служат мкСименс/см (мкС/см). Удельная проводимость чистой воды
чрезвычайно низка (около 0,05 мкС/см при 20 °С), увеличиваясь существенным образом в зависимости
от концентрации растворенных солей. Следует заметить, что удельная проводимость находится в сильной
зависимости от температуры, как показано на рисунке 3.
Гидравлическая схема типичной системы отопления с указанием точек установки датчиков представлена на рисунке 4:
Литература :