Водоподготовка для систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и холодильных установок

Bennett P. Boffardi

Градирни производятся в различном конструктивном исполнении, с использованием разнообразных материалов для насадок. Существуют две основные проблемы, связанные с их эксплуатацией. В градирнях, выполненных из оцинкованного металла, наблюдается особый вид коррозии - белая ржавчина. В высокоэффективных насадках накапливаются биологические загрязнения, образующие отложения или наросты. Обе эти проблемы могут быть решены средствами водоподготовки.

Рисунок 1. Выбор ингибиторов коррозии в зависимости от уровня pH воды

Процесс работы градирни несложен. Вода нагревается в технологических теплообменных аппаратах, затем поступает в градирню, где подвергается испарительному охлаждению. В результате испарения концентрация растворенных в воде веществ повышается. Недостаток воды, возникающий вследствие испарения и утечек, восполняется за счет поступления свежей воды. Процесс подпитки стабилизирует концентрацию примесей.

Испарение сопровождается поглощением из воздуха газов, аэрозольных частиц и веществ, способствующих росту бактерий. Кроме того, уменьшается растворимость примесей, имеющихся в циркулирующей воде. Совместное воздействие этих факторов повышает коррозионную активность воды, вызывает образование осадков, которые ухудшают теплопроводность аппаратов, создает благоприятные условия для размножения бактерий. Добавка химических веществ - ингибиторов - в системах с открытым контуром циркуляции воды обеспечивает комплекс защитных воздействий:

• уменьшение коррозии металлов;
• предотвращение адгезии растворимых примесей на поверхности теплообменных аппаратов, вызывающих снижение эффективности теплообмена;
• предотвращение образования осадков из нерастворимых примесей на теплообменных поверхностях ;
• биологическое воздействие, замедляющее рост бактерий, грибков, плесени, водорослей.

Химическая обработка должна быть высокоэффективной при небольших концентрациях ингибиторов и обладать минимальным токсическим воздействием на окружающую среду.

В системах водяного охлаждения с замкнутым контуром циркуляции обычно используют парокомпрессионные или абсорбционные холодильные машины. Качество воды (включая подпитку) может быть различным: от предварительно умягченной воды (в которой удалены соли жесткости) до питьевой воды из городских сетей. В системах обогрева вода в качестве теплоносителя циркулирует между бойлером и обслуживаемым помещением. В замкнутых системах утечки воды минимальны: около 5% подпитки в год.

Полноценная водоподготовка необходима для всех трех типов систем. При этом системы с открытым контуром циркуляции требуют наибольшего внимания, тогда как требования к замкнутым системам менее жестки. Для открытых систем необходима защита от коррозии и образования осадков, а также биологический контроль; для замкнутых систем, благодаря более высокому качеству воды и незначительному объему подпитки, следует уделять внимание в основном защите от коррозии.

Системы с открытым контуром циркуляции

Нормальное значение pH для открытых систем составляет от 6,5 до 9. Чаще всего величина pH находится в пределах от 7,8 до 8,8. Чем выше значение pH, тем меньше коррозионная активность воды. Однако за счет этого ухудшаются другие показатели. Появляется тенденция к образованию осадков таких слаборастворимых веществ как углекислый кальций и фосфат кальция. Выпадение осадка на поверхности теплообменных аппаратов ухудшает процесс теплопередачи и способствует коррозии под слоем осадка. Исходное качество воды для заполнения и подпитки системы имеет большое значение для производительности системы. Жесткая вода при содержании CaCO₃ более 500 мг/л, обладает меньшей коррозионной активностью, чем умягченная вода с концентрацией CaCO₃ менее 100 мг/л. С увеличением жесткости коррозионная активность воды снижается. С увеличением pH в жесткой воде возрастает тенденция к выпадению труднорастворимых солей.

Другим важным фактором, который следует принимать во внимание, является температура воды. При увеличении температуры на 10°С скорость коррозии возрастает вдвое. При этом свойство растворимости таких веществ как CaCO₃ и CaSO₄ также зависит от температуры. С возрастанием температуры растворимость этих веществ уменьшается.

Поддержание распределительных устройств и теплоообменных поверхностей чистыми повышает коррозионную стойкость и общую эффективность системы.

Предотвращение коррозии в системах с открытой циркуляцией предусматривает использование 5 или 6 ингибиторов в отдельности или в сочетаниях друг с другом для защиты различных металлов - углеродистой стали, медных сплавов и др.

Ортофосфат

В настоящее время в системах ОВК используется множество различных фосфорсодержащих веществ в качестве ингибиторов коррозии. Ортофосфат является самым простым из ингибиторов. Он обеспечивает эффективную защиту от коррозии углеродистых сталей при концентрации от 10 до 20 мг/л при pH воды более 7,5. Если pH ниже этой величины, ортофосфат неэффективен. Эффективность этого ингибитора зависит от качества воды, в частности, от содержания хлора. Высокая концентрация хлора (выше 300 мг/л) снижает эффективность ортофосфата и способствует развитию язвенной коррозии.

В тех случаях, когда существуют оптимальные условия для использования ортофосфата, он быстро образует устойчивую защитную пленку на поверхности. Совместное использование ортофосфата с другими ингибиторами обеспечивает эффективное антикоррозионное воздействие. Например, могут быть использованы сочетания цинк/ортофосфат, полифосфат/ортофосфат, фосфонат/ортофосфат. При обработке воды ортофосфатом следует учитывать возможность выпадения осадков в жесткой воде при высоких значениях pH. Для таких условий следует применять ортофосфат кальция (см. ниже).

Полифосфаты

Полифосфаты также относятся к группе фосфатов. Они обеспечивают коррозионную защиту углеродистых сталей при концентрации от 10 до 20 мг/л, если pH воды находится в пределах от 6,5 до 7,5. Жесткость воды является существенным фактором, влияющим на эффективность защиты. Поэтому в случае применения полифосфатов воду для подпитки системы умягчать не следует. Содержание хлора в воде не имеет существенного значения для эффективности полифосфатов. Повышения эффективности можно добиться путем добавки цинка. Однако необходимо иметь в виду, что полифосфаты могут переходить в ортофосфаты, и при этом возможно выпадение в виде осадка фосфата кальция.

Фосфонаты

Фосфонатами называют органические соединения фосфора. Они редко применяются отдельно, обычно - в сочетании с неорганическими соединениями (ортофосфатами и полифосфатами). Наиболее употребительными фосфонатами являются: гидроксиэтилен-дифосфорная кислота (HEDP), аминотрил (метилен-фосфорная кислота) (AMP), фосфоро-бутан-трикарбоновая кислота (PBTC) и гидроксифосфорно-уксусная кислота (HPA). Эти фосфонаты в сочетании друг с другом или с цинком создают антикоррозионный эффект. Рабочая концентрация этих веществ составляет 10-20 мг/л , при pH воды от 7 до 9. При использовании HPA для защиты углеродистых сталей необходимо добавлять кальций. Как правило, на эффективность фосфонатов не влияет качество воды. Поскольку фосфонаты являются органическими соединениями, они не вырождаются в ортофосфаты и поэтому можно не опасаться появления осадка ортофосфата кальция.

Молибдат

Молибдат обеспечивает коррозионную защиту как углеродистых сталей, так и алюминия, однако при отдельном применении этого вещества требуются высокие концентрации - от 75 до 150 мг/л. Для того, чтобы снизить необходимую концентрацию, к молибдату обычно добавляют фосфорный ингибитор. Рекомендуемый уровень pH воды составляет от 5,5 до 8,5. Молибдат кальция может выпадать в осадок при среднем уровне жесткости воды. На эффективность антикоррозионного воздействия молибдата оказывает влияние содержания в воде хлора и сернистых примесей. К преимуществам молибдата относится защита от язвенной коррозии и от коррозии, возникающей под слоем осадка.

Молибдат в концентрации от 2 до 4 мг/л иногда используется как индикатор при исследовании химической обработки воды. Индикаторы помогают определить концентрацию других веществ, использующихся при химобработке. В производственных условиях бывает трудно непосредственно измерить концентрацию других веществ, поэтому она определяется косвенным образом по уровню легко измеряемой концентрации индикатора.

Силикат

Это неорганическое вещество обычно используется в мягкой воде для защиты от коррозии углеродистых сталей и медных сплавов. Рабочая концентрация определяется как избыточная по отношению к фоновой концентрации силиката в воде - в пределах от 10 до 20 мг/л. Эффективная защита от коррозии обеспечивается при pH воды свыше 7. Защитная пленка на поверхности образуется достаточно медленно, обычно в течение нескольких недель. Для сравнения, при использовании фосфатов этот процесс длится несколько дней. В системах охлаждения воды с открытой циркуляцией силикат редко используется в качестве ингибитора коррозии.

Цинк

Добавка цинка повышает эффективность других веществ, применяемых для антикоррозионной защиты. Применение цинка создает следующие преимущества:

• усиливает защитное воздействие;
• увеличивает прочность защитной пленки, хотя замедляет скорость ее образования;
• уменьшает требуемую концентрацию основного ингибитора по сравнению с необходимым уровнем при отдельном применении.

Концентрация цинка в сочетании с другими ингибиторами обычно составляет от 0,5 до 2 мг/л. Эффективный уровень pH при использовании цинка - ниже 7,5; в противном случае в состав химреактивов следует добавлять стабилизаторы цинка. Цинк никогда не применяется отдельно в качестве ингибитора коррозии в системах охлаждения воды с открытой циркуляцией. Наиболее часто используемые смеси с содержанием цинка: цинк/ортофосфат, цинк/полифосфат, цинк/фосфонат, цинк/молибдат. Не содержащие цинк ингибиторы: ортофосфат/полифосфат, ортофосфат/молибдат, смесь фосфонатов. Для защиты углеродистых сталей можно использовать различные смеси как включающие, так и не включающие цинк.

Ингибиторы коррозии для меди

В системах охлаждения воды с открытой циркуляцией для защиты поверхностей из медных сплавов чаще всего используются два ингибитора: бензотриазол и толитриазол. Эти вещества обеспечивают надежную защиту при концентрации от 1 до 2 мг/л при уровне pH от 6 до 9. Добавка их необходима, если в системе имеются медные теплообменники или трубы из медных сплавов.

Борьба с образованием накипи и осадков

Вероятность образования осадков на теплообменных поверхностях градирни тем больше, чем выше интенсивность испарения воды. На формирование осадков и накипи влияют следующие факторы:

• температура воды на поверхности теплообменика;
• щелочность воды;
• концентрация веществ - источников накипи.

Осадок в водоохлаждающих системах, как правило, состоит из карбоната и фосфата кальция.

Карбонат кальция

Традиционный способ удаления карбоната кальция - добавка серной кислоты, превращающей осадок в растворимое вещество - сульфат кальция, с помощью следующей химической реакции:

Ca(HCO₃)₂ + H₂SO₄ CaSO₄ + CO_2(газ) + 2H₂O

Недостатком этого способа является необходимость соблюдения мер предосторожности при работе с серной кислотой, а также возможность коррозии трубопроводов при перебоях в подаче кислоты.

Новый подход к этой проблеме предусматривает добавки специальных химреактивов, ограничивающих выпадение осадков - полифосфатов, фосфонатов и некоторых полимеров, в частности, полиакрила. Концентрация противоосадочных ингибиторов находится в пределах 2-3 мг/л.

Индекс Ланжелье

Вышеописанная химическая обработка эффективна при значении индекса Ланжелье около 2 - типичное значение для водоохлаждающих систем. Этот индекс является показателем, определяющим возможность выпадения осадка. Он представляет собой разность между фактическим значением pH воды и значением pH для насыщенного раствора. Величина pH насыщения зависит от жесткости воды по кальцию, щелочности, температуры и наличия других растворенных веществ. Отрицательное значение индекса Ланжелье соответствует ненасыщенному раствору карбоната кальция, при этом выпадение осадка вообще не происходит. Индекс Ланжелье, равный нулю, соответствует насыщенному раствору, когда дальнейшее растворение невозможно, но выпадение осадка еще не началось. При положительных значениях раствор является перенасыщенным и возникает потенциал для выпадения осадка.

Индекс Ланжелье был впервые предложен В.Ф. Ланжелье в 1936 году как показатель возможности растворения или осаждения карбоната кальция в питьевой воде. При этом имелось в виду, что тонкий слой осадка на внутренней поверхности труб может служить защитой от коррозии. В дальнейшем использование этого индекса было распространено на смежные области - технологии, использующие теплообменные аппараты, однако это не вполне правомерно. В теплообменниках температура воды существенно изменяется по длине. В связи с этим выпадение осадка возможно в первую очередь на наиболее нагретой части поверхности. Кроме того, неизвестными величинами являются скорость осаждения и толщина осадка. Применение индекса Ланжелье для водоохлаждающих систем имеет и другие недостатки; так например, отсутствует связь между этим индексом и коррозионной активностью воды. Воообще в настоящее время не существует какого-либо единого показателя, характеризующего коррозионный потенциал воды.

Ортофосфат кальция

Увеличение pH и концентрации кальция, а также добавка фосфатов повышает вероятность выпадения осадка из фосфата кальция на поверхности теплообменников. Растворимость фосфата кальция уменьшается с увеличением pH. Кроме того, растворимость до некоторой степени зависит от температуры воды в диапазоне от 24 до 71°С. Раньше возникали большие затруднения в борьбе с осадками фосфатов кальция; в настоящее время эта проблема решается с помощью полимеров. Полимеры изменяют морфологию и размер частиц осадка, препятствуя их налипанию на поверхность теплообменников. Стандартная концентрация полимеров составляет 10-15 мг/л.

Борьба с биологическим загрязнением

Биологически активные вещества, имеющиеся в воде, также образуют осадки на теплообменных поверхностях и вызывают коррозию. К этой группе загрязнений относятся аэрозольные частицы, поглощаемые из воздуха, продукты коррозии, ил, тина, загрязнения нефтепродуктами, микроорганизмы.

Для борьбы с этими загрязнениями в качестве растворителей используются синтетические полимеры. Это - полиакрилаты, полималеаты, частично гидролизованные полиакриламиды и некоторые другие вещества на основе акрилатов. Рабочая концентрация этих веществ составляет 2-3 мг/л.

Биологические примеси - водоросли, плесень, грибки проникают вместе с водой в теплообменники и трубопроводы, загрязняя их поверхность. Эти загрязнения уменьшают эффективность теплообмена, способствуют развитию коррозии, что, в свою очередь, снижает срок службы водоохлаждающей системы. Для устранения этих явлений используются бактерициды направленного действия. Применяются как окислительные, так и неокислительные вещества. К наиболее распространенным бактерицидам-окислителям относятся хлор и бром. Эти вещества в большинстве случаев обеспечивают высокий уровень защиты от микроорганизмов.

Эффективность биологической обработки воды также зависит от pH. Хлор рекомендуется применять при уровне pH до 8. При превышении этого уровня эффективность хлора катастрофически падает. В этом случае наиболее эффективное воздействие оказывает бром. Необходимая для обработки концентрация составляет от 0,1 до 0,5 мг/л свободного хлора или брома.

Существует ряд неокисляющих веществ, применяемых в первую очередь в системах с замкнутым контуром циркуляции воды. В системах с открытой циркуляцией их применение ограничено - лишь для тех случаев, когда окислители неэффективны. Основанием для этого является снижение эффективности неокисляющих бактерицидов при длительном применении за счет развития у микроорганизмов иммунитета к их воздействию. Частично компенсировать этот недостаток можно с помощью переменного употребления различных бактерицидов. В табл. 1 и 2 приведен перечень наиболее распространенных бактерицидных препаратов. В настоящее время разрабатываются более эффективные препараты с меньшими ограничениями по применению.

Охлаждающие системы с замкнутым контуром

Для систем охлаждения воды с замкнутым контуром циркуляции требуется подпитка не более 5% в год. Обычно для этой цели используется вода питьевого качества или предварительно умягченная цеолитами. Наибольшее внимание при обработке уделяется борьбе с коррозией. Выпадение минеральных осадков практически не происходит вследствие постоянной обработки воды при подпитке. Контроль биологических загрязнений очень важен, поскольку образование илистой пленки ухудшает эффективность теплообмена, а под пленкой возникают очаги коррозии. Перед использованием ингибиторов коррозии систему следует опорожнить и очистить все поверхности. Необходимость этой процедуры вызвана тем, что эффективное воздействие ингибитора возможно только при его непосредственном контакте с металлической поверхностью, на которой должна формироваться защитная пленка. Затраты времени на антикоррозионную обработку предварительно очищенных поверхностей существенно уменьшаются.

Нитрит

Применяется преимущественно в закрытых системах водоохлаждения. Защитные свойства ионов нитрита заключаются в том, что на стальной поверхности образуется устойчивая к коррозии пленка, состоящая из окисла железа Fe₂O₃. Обычно обработка воды нитритом сопровождается добавкой "буфера" с высоким значением pH (буры), чтобы обеспечить pH воды на уровне 9-9,5. Рабочая концентрация ингибитора составляет 250-1000 мг/л. Концентрация нитрита может быть снижена путем добавки молибдата. В этом случае требуется по 300 мг/л каждого компонента плюс "буфер".

Основная проблема, связанная с применением нитритов, состоит в том, что эти вещества разлагаются под действием бактерий. Продукты распада - нитраты или аммиак, в зависимости от типа бактерий.

В качестве дополнительных компонентов для обработки воды в системах с закрытым контуром необходимо использовать ингибиторы коррозии меди и полимерный диспергатор. Для борьбы с азотобактериями рекомендуется применение неокисляющих бактерицидов.

Водонагревательные системы с замкнутым контуром

Для подпитки используется вода, умягченная цеолитами. Основное внимание в таких системах следует уделять защите от коррозии, поскольку подпитка осуществляется качественной водой в небольшом объеме.

Контроль уровня pH

Для уменьшения вероятности коррозии, pH воды должна быть на уровне 9-10,5. Это достигается путем добавки щелочей (каустической соды или золы). При этом необходим постоянный контроль величины pH горячей воды.

Нитрит

Применение смеси химикатов, например, нитрит-бура или нитрит-молибдат с добавкой ингибитора коррозии меди и диспергатора позволяет обеспечить надежную защиту от коррозии углеродистых сталей и медных сплавов. При использовании этих компонентов нет необходимости в добавке каустической соды или золы для контроля pH. При наличии буры в качестве "буфера" pH поддерживается на уровне от 9 до 10,5. Концентрация нитрита должна быть около 500 мг/л.

Устройства для магнитной обработки воды

Эти устройства предназначены для предотвращения выпадения осадка из солей жесткости без химической обработки. Эффективность магнитной обработки на протяжении долгого времени была предметом дискуссий. Существует множество конструктивных решений, в основе которых лежит один и тот же принцип. Согласно этому принципу, магнитное поле, направленное перпендикулярно потоку воды, создает волны интерференции, которые препятствуют движению ионов или коллоидальных частиц и таким образом предотвращают формирование осадка.

Большинство исследований, проведенных в университетах и в больших корпорациях, показывает, что эти устройства не работают. Производители установок при этом утверждают, что исследования проведены некорректно и дают ошибочные результаты. Однако эти заявления не подтверждены практикой.

Сведения об авторе

Bennett P. Boffardi, Ph.D., пользующийся международной известностью эксперт по борьбе с коррозией с 30-летним опытом работы в области антикоррозионной обработки воды. Он имеет ряд публикаций и патентов в этой области как в США, так и за рубежом. Член Международной Ассоциации специалистов по коррозии. Владелец фирмы, предоставляющей консультации по технологии обработки воды.

Перепечатано из журнала ASHRAE (май 1999 г.)

Перевод с английского О.П. Булычевой