Водоподготовка для систем отопления и кондиционирования. // Сантехника, АВОКПресс. — 2003. — № 4. — C. 11-15.

Одним из наиболее сложных и наукоемких процессов в области вентиляции и кондиционирования воздуха является его увлажнение, определяемое рядом основополагающих документов нормативно-справочного характера . Успешная инженерно-техническая реализация систем увлажнения воздуха требует правильного выбора используемых методов и средств генерации пара, соблюдения достаточно строгих требований по его раздаче внутри обслуживаемого помещения, либо внутри приточной части вентиляционной системы, а также правильной организации дренажа избыточной влаги. Имеет место ряд других, важных с практической точки зрения моментов, призванных избежать возможных нежелательных явлений, сопутствующих работе увлажнителя.
Особое значение имеет использование питающей воды соответствующего качества. Требования, предъявляемые при этом кардинальным образом различны между собой для увлажнителей, принцип действия и конструктивное исполнение которых отличаются весьма большим многообразием. К сожалению, данный вопрос до настоящего времени не нашел должного освещения в литературе, что в ряде случаев приводит к эксплуатационным ошибкам и преждевременному выходу из строя дорогостоящих технических средств.
Предлагаемая вниманию статья является попыткой дать разъяснения сути предъявляемых требований к качеству питающей воды для основных типов увлажнителей путем анализа физико-химических особенностей поведения веществ различной степени растворимости при переходе воды в пар, реализуемом тем или иным способом. Изложенные материалы имеют достаточно общий характер, охватывая практически все известные методы увлажнения воздуха. Однако, исходя из личного опыта автора, рассмотренные конкретные конструктивные исполнения агрегатов ограничены номенклатурой, поставляемой фирмой CAREL, в состав которой входят увлажнители воздуха различного типа в широком диапазоне используемых принципов действия .

Как правило, для увлажнения воздуха используется вода централизованных систем питьевого водоснабжения, качество которой регламентируется СанПиН 2.1.4.559-96 [12], ГОСТ 2874-82 [13], ГН 2.1.5.1315-03 [14] и ГН 2.1.5.1316-03 [15]. 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. Общие требования к разработке методов их определения регламентируются ГОСТ 8.556-91 [16]. С точки зрения использования воды в системах увлажнения воздуха далеко не все упомянутые выше показатели имеют существенное значение. Наиболее важными являются всего десять показателей, подробно рассмотренных ниже.

Общее количество растворенных в воде твердых веществ (Total Dissolved Solids, TDS)
Количество растворенных в воде веществ зависит от их физико-химических свойств, минерального состава почв, сквозь которые происходит их инфильтрация, температуры, времени контакта с минералами и pH среды инфильтрации. TDS измеряется в мг/л, что в весовых количествах эквивалентно одной части на миллион (parts per million, ppm). В природе TDS воды колеблется в пределах от десятков до 35000 мг/л, что соответствует наиболее соленой морской воде. Согласно действующим санитарно-гигиеническим требованиям, питьевая вода должна содержать не более 2000 мг/л растворенных веществ.

На рис. 1 в логарифмическом масштабе представлена в зависимости от температуры растворимость ряда химических веществ (электролитов), наиболее часто присутствующих в воде в естественных условиях.

Обращает на себя внимание тот факт, что, в отличие от большинства солей (хлориды, сульфаты, карбонат натрия), присутствующих в воде, две из них (карбонат кальция, CaCO3, и гидроксид магния, Mg(OH)2) имеют относительно малую растворимость. В результате данные химические соединения формируют основную часть твердого остатка.

Другая характерная особенность касается сульфата кальция (CaSO4), растворимость которого, в отличие от большинства других солей, снижается с ростом температуры воды.

Общая жесткость (Total Hardness, TH)
Общая жесткость воды определяется количеством солей кальция и магния, растворенных в ней, и подразделяется на следующие две части:

постоянная (некарбонатная) жесткость, определяемая содержанием сульфатов и хлоридов кальция и магния, остающихся растворенными в воде при повышенной температуре;

переменная (карбонатная) жесткость, определяемая содержанием бикарбонатов кальция и магния, которые при определенной температуре и/или давлении участвуют в указанныхниже химических процессах (1), играющих ключевую роль в формировании твердого остатка.

При снижении содержания растворенной двуокиси углерода химический баланс указанных процессов смещается вправо, приводя к образованию из бикарбонатов кальция и магния малорастворимых карбоната кальция и гидроксида магния, выпадающих из раствора воды с образованием твердого остатка.

Интенсивность протекания рассмотренных процессов зависит также от pH воды, температуры, давления и некоторых других факторов. Следует иметь в виду, что растворимость двуокиси углерода резко снижается с ростом температуры, в результате чего при нагревании воды смещение баланса процессов вправо сопровождается образованием, как указано выше, твердого остатка.

Концентрация двуокиси углерода уменьшается также при понижении давления, что, например, в силу отмеченного выше смещения рассмотренных процессов (1) вправо служит причиной образования твердых отложений в устьях сопел увлажнителей воздуха распылительного типа (атомайзеров). Причем, чем больше скорость в сопле и, соответственно, согласно закону Бернулли, глубже разрежение, тем интенсивнее происходит формирование твердых отложений. В особенности это касается атомайзеров без использования сжатого воздуха (humiFog), которые характеризуются максимальной скоростью в устье сопла диаметром не более 0,2 мм.

Удельная проводимость при 20 °С (Specific conductivity at 20 °С, 20)
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 рис. 2.

Вследствие этого удельная проводимость указывается при стандартном 20ó20. Если óзначении температуры 20 °С (реже 25 ° ) и обозначаетсясимволом t°С, соответствующие температуре t, выра- женной в °С,óизвестна, то значения определяются по формуле:

где:
20 — температурный коэффициентó
0,025). 20 ≈ó(
Зная 20 , ориентировочно могут быть оценены значения TDS и R180 с использованиемó эмпирических формул:

Eсли оценка таким образом TDS имеет небольшую погрешность, то оценка R180 имеет значительно меньшую точность и существенным образом зависит от содержания бикарбонатов по отношению к другим электролитам.

Кислотность и щелочность (Acidity and alkalinity, pH)
Кислотность определяется ионами H+, которые крайне агрессивны по отношению к металлам, особенно к цинку и углеродистой стали. Нейтральная вода имеет значение pH, равное 7. При более низких значениях проявляются кислотные свойства, и наоборот, при более высоких значениях — щелочные.

Кислотная среда приводит к растворению защитной окисной пленки, что способствует развитию коррозии. Как показано на рис. 3, при значениях pH ниже 6,5 интенсивность коррозии значительно возрастает, в то время как в щелочной среде при pH более 12 интенсивность коррозии также несколько увеличена. Коррозионная активность в кислотной среде увеличивается с ростом температуры.
Следует иметь в виду, что при pH < 7 (кислотная среда) латунный сплав теряет цинк, в результате чего образуются поры и латунь становится ломкой. Интенсивность данного вида коррозии зависит от процентного содержания цинка.

Алюминий ведет себя иным образом, поскольку на его поверхности образуется защитная пленка, сохраняющая устойчивость при значениях pH от 4 до 8,5.

Хлориды (Chlorides, Cl)
Присутствующие в воде ионы хлоридов вызывают коррозию металлов, особенно цинка и углеродистой стали, вступая во взаимодействие с атомами металлов после разрушения поверхностной защитной пленки, формируемой смесью оксидов, гироксидов и других щелочных солей, образуемых благодаря присутствию в воде растворенной CO2 и наличию примесей в атмосферном воздухе.

Наличие электромагнитных полей, характерных для изотермических (паровых) увлажнителей с погружными электродами, усиливает указанный выше эффект. Хлориды особенно активны при недостаточной жесткости воды. Ранее указывалось, что присутствие ионов кальция и магния оказывает пассивирующее действие, ингибируя коррозию, особенно при повышенной температуре.

На рис. 4 схематично показано ингибирующее влияние временной жесткости с точки зрения коррозионного воздействия хлоридов на цинк.

Кроме того, необходимо отметить, что значительное количество хлоридов интенсифицирует пенообразование, негативно сказывающееся на работe изотермических увлажнителей всех типов (с погружными электродами, с электронагревательными элементами, газовые).

Железо + Марганец (Iron + Manganese, Fe+Mn)
Присутствие этих элементов вызывает образование взвешенной суспензии, поверхностных отложений и/или вторичную коррозию, что предполагает необходимость их удаления, особенно при работе с адиабатическими увлажнителями, использующими водоподготовку методом обратного осмоса, поскольку в противном случае имеет место быстрое засорение мембран.

Диоксид кремния (Silica, SiO2)
Диоксид кремния (кремнезем) может содержаться в воде в коллоидальном или частично растворенном состоянии. Количество SiO2 может варьироваться от следовых количеств до десятков мг/л. Обычно количество SiO2 является повышенным в мягкой воде и при наличии щелочной среды (pH >> 7). Присутствие SiO2 особенно негативно сказывается на работе изотермических увлажнителей ввиду образования твердого, трудно удаляемого твердого осадка, состоящего из диоксида кремния или образуемого силиката кальция.

Остаточный хлор (Residual chlorine, Cl-)
Присутствие в воде остаточного хлора обычно обусловлено дезинфекцией питьевой воды и для всех видов увлажнителей ограничивается минимальными значениями во избежание появления резких запахов, поступающих в увлажняемые помещения вместе с парами влаги. Кроме того, свободный хлор путем образования хлоридов приводит к коррозии металлов.

Сульфат кальция (Calcium sulphate, CaSO4)
Сульфат кальция, присутствующий в природной воде, имеет невысокую степень растворимости, в связи с чем он склонен к образованию осадка. Сульфат кальция присутствует в двух стабильных формах:

безводный сульфат кальция, носящий наименование ангидрит;

двухводный сульфат кальция CaSO4.2 H2O, известный как мел, который при температуре, превышающей 97,3 °С, дегитдратируется с образованием CaSO4.1/2 H2O (полугидрат).

Как показано на рис. 5, при температуре ниже 42 °С двухводный сульфат обладает пониженной растворимостью по сравнению с безводным сульфатом кальция.

В изотермических увлажнителях при температуре воды, соответствующей точке кипения, сульфат кальция может присутствовать в следующих формах:

полугидрат, который при 100 °С имеет растворимость около 1650 ppm, что соответствует приблизительно 1500 ppm в пересчете на ангидрит сульфата кальция;

ангидрит, который при 100 °С имеет растворимость около 600 ppm. Избыточное количество сульфата кальция при этом выпадает в осадок, образуя пастообразную массу, при определенных условиях имеющую склонность к затвердеванию.