Qual concentração máxima de dureza de cálcio a uma temperatura de água a granel de 85 graus evita a fervura-Adesão de incrustações induzida em bainhas de aquecedor de aço inoxidável 316

Limite de solubilidade da escala mudando de pulverulento para aderente

Cálculos simples de solubilidade não produzem a concentração máxima de dureza de cálcio (ppm CaCO3) a uma temperatura aparente de 85 graus, o que não resultará na produção de incrustações aderentes em tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 imersos em água dura. O produto de solubilidade do carbonato de cálcio (CaCO3) diminui com o aumento da temperatura, mas o critério chave para o desempenho do aquecedor é a forma e a força de adesão da incrustação precipitada. A 85 graus com concentrações equivalentes de CaCO 3, cerca de 200{14}}300 ppm de incrustações precipitam como um depósito pulverulento macio que pode ser facilmente removido por fluxo de fluido ou escovação moderada. Acima de 400-500 ppm a incrustação ocorre como aragonita ou calcita dura e cristalina que adere firmemente à superfície do metal. Isso cria uma camada isolante que aumenta a temperatura da bainha e promove descamação adicional. Este artigo estima os níveis de dureza do cálcio para a produção de incrustações aderentes em bainhas 316 e fornece sugestões para o tratamento da água para manter a eficiência do aquecedor a longo prazo.

Adesão de incrustações em superfícies metálicas aquecidas: o mecanismo

Se a água dura for aquecida acima de 60 graus, a solubilidade do carbonato de cálcio diminui e ele precipita. A precipitação ocorre principalmente em superfícies quentes, porque a camada limite próxima à bainha está supersaturada em relação ao volume de água. A principal diferença entre a incrustação suave não{3}}aderente e a incrustação duramente aderente é a taxa de precipitação comparada à taxa de desenvolvimento do cristal. Em supersaturação moderada (dureza do cálcio 200-300 ppm a 85 graus), a precipitação é lenta, produzindo numerosos cristais minúsculos e separados que não se interligam fortemente. Esses cristais são facilmente cortados pelos ciclos de fluido e calor. Em alta supersaturação (acima de 400-500 ppm) a precipitação é rápida, formando enormes cristais interligados que criam uma camada densa e contínua. A força de adesão desta camada pode ser superior a 1-2 MPa, de modo que não pode ser removida por velocidades de fluido inferiores a 2-3 m/s. Uma vez que uma camada de incrustação adere, o aumento da resistência térmica leva a um aumento na temperatura da bainha, o que leva a um aumento na supersaturação na superfície do metal, o que acelera a deposição de incrustações em um ciclo de auto-agravamento.

Quantificação de Limiares para Formação de Escalas Aderentes a 85 graus

Testes sistemáticos de incrustação em bainhas de aço inoxidável 316 (acabamento polido Ra=0.4 µm) em água dura sintética a uma temperatura aparente de 85 graus e fluxo de calor de 5 W/cm² determinaram os limites de dureza de cálcio para desenvolvimento de incrustações aderentes após 1.000 horas de operação contínua.

Dureza do cálcio (ppm como CaCO3) Alcalinidade (ppm como CaCO3) Morfologia da escala de pH após 1.000 h Resistência de adesão (MPa, teste de cisalhamento) Resistência térmica adicionada (m2-K/W) Recomendado para serviço contínuo a 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 Inaceitável
Outros fatores químicos da água que afetam a dureza

Tabela , os limites de dureza do cálcio são influenciados por três outros parâmetros químicos da água. O inicial é a alcalinidade (teor de bicarbonato). Para a formação de incrustações, são necessários cálcio e alcalinidade. Água com alto teor de cálcio, mas baixa alcalinidade (por exemplo, dureza de cloreto de cálcio sem bicarbonato) não criará incrustações de carbonato. Os valores limite baseiam-se numa alcalinidade de bicarbonato quase equivalente à dureza de cálcio (água equilibrada). Alcalinidade inferior a metade da dureza do cálcio resulta numa redução de 40-60% no potencial de incrustação. A segunda questão é o pH. O carbonato de cálcio é solúvel em pH abaixo de 7,0 e a incrustação não se desenvolve, não importa quão dura seja a água. O potencial de escalabilidade aumenta acentuadamente acima de pH 8,5. Um terceiro aspecto é a existência de inibidores de incrustações, tais como polifosfatos, fosfonatos ou polímeros. O desenvolvimento de incrustações aderentes pode ser evitado em níveis de até 800-1.000 ppm pela adição de 2-5 ppm de um inibidor de escala comercial, aumentando a dureza de cálcio permitida por um fator de 2-3.

Diretrizes Práticas para Tratamento de Água de Aquecedores 316 a 85 graus

As seguintes diretrizes de tratamento de água minimizarão a adesão de incrustações e maximizarão a eficiência térmica a longo prazo para aquecedores revestidos 316 operando a uma temperatura de água a granel de 85 graus. A dureza do cálcio abaixo de 200 ppm não requer nenhum tratamento além de inspeção frequente (a cada 6-12 meses). Para dureza de 200-300 ppm, recomenda-se escovação mensal ou limpeza química (lavagem com ácido diluído). O amaciamento da água (troca iônica) ou a adição de inibidor de incrustações é altamente sugerido para dureza entre 300-400 ppm. O amaciamento da água é essencial para evitar rápida perda de desempenho para dureza superior a 400 ppm. Em qualquer nível de dureza, a tendência à formação de incrustações é reduzida quando o pH é mantido abaixo de 8,0 e a ebulição localizada é evitada (fluxo de calor limitado a 5-6 W/cm2). Para aquecedores que precisam funcionar com fluxo de calor mais alto (8-10 W/cm2) ou temperatura interna mais alta (90-95 graus), os valores de dureza permitidos na tabela devem ser reduzidos em 30-50%.

Diagnóstico de campo de superaquecimento-causado por escala

Três sinais de campo nos informam quando a adesão de incrustações se tornou um problema para aquecedores em serviços de água dura. A primeira é o aumento da temperatura da superfície do aquecedor para a mesma potência de entrada, que pode ser detectada por um termômetro infravermelho. Um aumento de temperatura de 10 a 15 graus acima do estado limpo significa uma camada de incrustações de cerca de 0,1 a 0,2 mm. O segundo indicador é o tempo mais longo para atingir a temperatura nominal, pois a escala isolante limita a transferência de calor para a água a granel. O terceiro indicador é um estalo ou assobio audível, que sinaliza ebulição localizada sob depósitos de incrustações à medida que a água retida vaporiza e escapa. Se algum destes indicadores estiver presente, o aquecedor deve ser removido e limpo por descalcificação química (com solução de ácido cítrico ou sulfâmico a 5-10%) ou por escovação mecânica. Se a limpeza recuperar o desempenho, mas a incrustação retornar dentro de 1 a 2 meses, será necessário amaciar.

Conclusão: limites de dureza para operação-sem escala a 85 graus

Em água a granel de 85 graus, dureza de cálcio<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.