Príručka o kvalite vody pre meďou spájkované doskové tepelné výmenníky
O Zhrnutie
Spoločnosť Danfoss, Divízia Centrálneho zásobovania teplom, vytvorila túto Príručku o kvalite
pitnej vody z vodovodného rozvodu a vody zo systému CZT, ktorá sa používa v doskových
tepelných výmenníkoch z ušľachtilej ocele (1.4404, X2CrNiMo17-12-2 podľa EN 10088-2:2005 ~
AISI 316L), spájkovaných čistou meďou.
Kvalita vody, ktorá preteká cez takéto spájkované doskové tepelné výmenníky (PHEX) sa
v
jednotlivých aplikáciách značne mení, pričom v niektorých prípadoch sa môže stať
problémom korózia. Táto príručka vychádza z rozsiahleho prehľadu literatúry a z našich
skúseností s dlhoročným používaním meďou spájkovaných nerezových doskových
tepelných vý m enníkov.
Na tomto mieste treba upozorniť, že definovanie určitej kvality vody ešte nezaručuje, že
nevznikne korózia. Túto príručku treba považovať viac-menej za pomocníka na zabránenie
najkritickejším aplikáciám s vodou. Prehľad parametrov vody na sekundárnej strane
doporučenýchhraničných hodnôt je uvedený v Tabuľke 2 (voda z vodovodného rozvodu,
a ich
pitná
voda) a vody na primárnej strane (dodávka tepla, voda zo systému CZT) v Tabuľke 3. Tieto
obmedzenia platia iba pre doskové tepelné výmenníky z ušľachtilej ocele (1.4404), spájkované
čistoumeďou.
1 Úvod
Spoločnosť Danfoss, Divízia C entrálneho zá sobovania te plom, vytvorila túto Príručku o kvalite
pitnej vody z vodovodného rozvodu a vody
tepelných
2:2005 ~ AISI
výmenníkoch z ušľachtilej ocele (1.4404, X2CrNiMo17-12-2 podľa EN 10088-
316L), spájkovaných čistou meďou. Obyčajne prúdi voda (pitná voda) na
zo systému CZT, ktorá sa používa v doskových
sekundárnej strane, zatiaľčo vykurovacie médium
na primárnej strane tepelného výmenníka.
(napr. vykurovacia voda zo systému CZT) prúdi
Zmáčané povrchy môžu byť vystavené dvom problémom: usadzovaniu minerálnych látok
a
korózii. Hlavnú úlohu pritom hrajú vo vode rozpustené plyny a soli. Riziko usadzovania a/ alebo
korózie okrem toho ovplyvňujú samotné komponenty (napr. konštrukcia, použité
výrobné procesy) a ich prevádzkové podmienky (napr. teplota, pomery pri
materiály,
prúdení, časy bez
prúdenia vody).
Okrem toho si treba uvedomiť, že rýchlosť chemických reakcií, napr. aj rýchlosť korózie, sa
zväčšuje s teplotou. Podľa pravidla van´t Hoffa zodpovedá každému zvýšeniu teploty o 10 °C
2- až 3- násobný nárast.
Riziko usadzovania minerálov a vzniku korózie možno určiť na základe znalostí o zložení
chemikálií a vody ako aj o prevádzkových podmienkach vykurovacieho systému. Na základe
toho možno poskytnúťodporučenia na zabránenie problémom s komponentmi v
dôsledku
usadzovania a/alebo korózie. To bolo cieľom vytvorenia tejto špecifikácie vody.
Neupravená voda na výrobu pitnej vody (voda z vodovodného rozvodu) obsahuje v závislosti od
geologických daností v oblasti jej získavania rôzne množstvá rozpustených plynov a solí.
rozdiely spôsobuje aj rôzne zloženie upravenej pitnej vody. Pre vytváranie
rozhodujúca najmä karbonátová tvrdosť (= obsah hydrogénuhličitanu) a celková
súčet iónov vápnika a horčíka. Okrem toho môžu mať vplyv aj iné ióny, napr.
usadenín je
tvrdosť, teda
síranové.
Tieto
Z vyššie uvedených zložiek sa môžu pri zvyšujúcej sa teplote a/alebo pri strate kysličníkauhličitého, napr. v dôsledku odplyňovaniavytvárať usadeniny vápnika (vodný kameň,uhličitan
vápenatý, CaCO3). Ďalšie zvyšovanie teploty môže spôsobiť usadzovanie rôznych solí, napr.
sadry (síran vápenatý; CaSO4).
Ďalšie zložky, ktoré môžu zapríčiniť zablokovanie prvkov, sú usadeniny s obsahom železa ako
"hrdza", čiže oxid železnatý a hydroxid železný alebo magnetit (oxid železnato- železitý). Tieto
môžu vytvárať v samotných meďou spájkovaných doskových tepelných výmenníkoch alebo sa
do nich dostať aj z iných častí systému, v ktorých už nastali procesy korózie.
môžu
1.2Korózia
Koróziu aktivujú rôzne mechanizmy, z čoho vyplývajú rôzne druhy korózie. Niektoré z nich môžu vzniknúť aj počas prevádzky meďou spájkovaných doskových tepelných výmenníkov.
sa
Väčšina mechanizmov korózie je spôsobená chemicky, pričom chemické zloženie vody rôznym
spôsobom ovplyvňuje rôzne materiály.
Popri už uvedených faktoroch (materiál, prevádzkové podmienky ...) má pri korózii kovov
najdôležitejšiu úlohu obsah kyslíka. Pre vznik korózie sú okrem toho dôležitými parametrami
hodnota pH (koncentrácia kyseliny- "kyslosť"), kyselinová tlmivá neutralizačná kapacita
(pufračná kapacita) ako aj obsah solí. Z tohto dôvodu je na hodnotenie možného rizika vzniku
korózie rozhodujúcou znalosť týchto parametrov.
Podrobné vysvetlenie rôznych druhov korózie by prekročilo rozsah tejto príručky.
V nasledujúcej Tabuľke 1 je preto uvedený stručnýprehľadnajčastejšie sa vyskytujúcich druhov
korózie.
Pri meďou spájkovanom doskovom tepelnom výmenníku sa
Tepelný výmenník je obyčajne bez štrbín a trhlín. Štrbiny sa
Dôsledkom kovového kontaktu medzi meďou a ušľachtilou
nastať
elektronegatívneho)
V prípade existencie ťahových napätí ako aj veľkého množstva
čo
Tabuľka 1 Typické druhy korózie pri meďou spájkovaných doskových tepelných
výmenníkoch z ušľachtilej ocele
Druh korózie
Všeobecná korózia
Popis
[12]
všeobecná korózia týka typicky medi a nie ušľachtilej ocele.
Prípadná korózia medenej spájky spôsobuje stratu
mechanickej pevnosti ako aj možné netesnosti v tepelnom
výmenníku.
Štrbinová korózia
Galvanická korózia
Korózia napätím (vločková)
Medzikryštalická korózia
však môžu objaviť pod usadeninami vápnika a inými druhmi
usadenín ako aj z dôvodu nedostatočnej kvality spájkovaných
spojov.
oceľou vo vode s vysokou elektrickou vodivosťou môže
korozívne napadnutie neušľachtilého (viac
kovu, v tomto prípade medi
.
chloridu sa môže pri ušľachtilej oceli vyskytnúť korózia
napätím (SCC: stress corrosion cracking). Riziko korózie
napätím sa naviac zvyšuje zvyšovaním teploty; často sa
objavuje pri teplote nad 60 °C.
[14]
Medzikryštalická korózia sa môže vyskytnúť pri ušľachtilej
oceli, ak sa počas neodborného tepelného spracovania
vytvára na hraniciach zŕn karbid chrómu. Oblasti
s redukovaným obsahom chrómu sa tak stávajú citlivejšie na
koróziu.
Krehkosť spôsobená
roztaveným kovom
Ak sa proces spájkovania realizuje pri
teplotách, môže meď difundovať do ušľachtilej ocele,
znižuje pevnosť dosiek z ušľachtilej ocele.
príliš vysokých
3
2
Špecifik á cie vody
2.1
Sekundárna strana – pitná voda z vodovodného rozvodu
Nasledujúce parametre určujú pri normálnej pitnej vode z vodovodného rozvodu všeobecnú
koróznu
(alkalinita), celková
výsledný parameter na
tvrdosť ako aj koncentrácia chloridov, síranov a dusičnanov. Ako
vyjadrenie celkového obsahu iónov (solí) sa často používa vodivosť.
Nakoľko má meď v pitnej vode z vodovodného rozvodu vo všeobecnosti menšiu koróznu stabilitu ako
ušľachtilá oceľ (1.4404), sú špecifikácie vody v podstate určené koróziou medi. Korózia
ušľachtilej ocele v pitnej vode z vodovodného rozvodu vzniká vo všeobecnosti iba pri
vysokej
Ďalej budú popísané najdôležitejšie parametre vody ako aj ich špecifikácie.
•
koncentrácii chloridov pri vysokej teplote.
Teplota:
Vo väčšine prípadov zvýšenie teploty zrýchľuje intenzitu korózie. Pravdepodobnosť
existencie jamkovej korózie medi v teplej vode sa zvyšuje pri teplotách nad 60 °C. Pri teplote
60 °C sa zvyšuje aj riziko napäťovej korózie ušľachtilej ocele; teplotne závislá je aj
nad
štrbinová
korózia ušľachtilej ocele (pozri časť o chloridoch).
[1, 2, 14]
Hodnota pH
•
korózie je pri udržiavaní hodnôt pH nad 7,5 a pod 9,0.
: Všeobecná korózia medi závisí najmä od hodnoty pH, pričom najnižšie riziko
[1, 10, 12]
Pri normálnej pitnej vode
z vodovodného rozvodu treba však počítať s hodnotou pH cca 7; malo by sa zabrániť hodnotám
pH vody pod 7. Voda v systéme CZT je často alkalická, s hodnotou pH až do 10.
•
Alkalinita
: Ak je obsah hydrogénuhličitanu (HCO
-
) vo vode veľmi nízky, t.j. pod 60 mg/l, môžu
3
[4, 5, 6, 8]
sa výrobky korózie medi rozpustiť a uvoľniť do systému. Preto sa aj doporučujeneprekročiť
koncentráciu HCO
-
300 mg/l .
3
[1, 10, 12]
Vodivosť
•
: Vysoká vodivosť pitnej vody z vodovod ného rozvodu znamená vysokú koncentráciu iónových
látok. U väčšiny kovov spôsobuje zvýšenie vodivosti vody z potrubia zrýchlenie korózie.
požadovanou hraničnou hodnotou je maximálna vodivosť n 500 μS/cm.
•
•
Tvrdosť:
[HCO
Chlorid
Meď je náchylná na koróziu v mäkkej vode; preto by mal byť pomer [Ca2+, Mg2+] /
-
] väčší ako 0,5 (počítané v molárnych množstvách).
3
: Prítomnosť chloridu v pitnej vode zvyšuje riziko jamkovej korózie ušľachtilej ocele.
[9, 12]
[13]
[14, 15]
Hraničná hodnota v závislosti od teploty je uvedená v tabuľkách 2 a 3 .
•Síran: Vysoké koncentrácie síranov zvyšujú riziko jamkovej korózie medi.
Doporučuje sa maximálna koncentrácia síranu 100 mg/l, pričom korózia môže
vzniknúť aj pri nižších koncentráciách, ak je pomer [HCO
[1, 10]
] / [SO
3
2-
] menší ako 1
4
(počítané v molárnych množstvách).
•
Dusičnan
koncentrácia dusičnanu 100 mg/l.
•
Chlór
pridáva chl ór. Chlór
Analýzy výrobcu
(1.4404) by
Danfoss District Heating
: Vplyv dusičnanových iónov je podobný ako síranových. Doporučuje sa maximálna
[10, 13]
: V mnohých systémoch pi tnej vody z vodovod ného rozvodu sa z bakteriologických dôvodov
má vysoký oxidačnýúčinok a redukuje odolnosťušľachtilej ocele voči korózii.
ušľachtilej ocele Outukumpu Oy ukázali, že na zabránenie korózii ušľachtilej ocele
bolo treba udržiavať koncentráciu voľného aktívneho chlóru pod 0,5 mg/l.
V nasledujúcej tabuľke je uvedené zhrnutie špecifikácií, doporučených pre sekundárnu stranu (strana
pitnej vody) meďou spájkovaných doskových tepelných výmenníkov.
Tabuľka 2 Doporučenéhraničné hodnoty pre kvalitu pitnej vody
z vodovodného rozvodu na sekundárnej strane meďou
spájkovaných doskových tepelných výmenníkov
Parameter Poznámky Hodnota
Vzhľad
Zápach
Nečistoty
Olej a tuk
Hodnota pH
Elektrická vodivosť
Karbonátová tvrdosť *)
Celková tvrdosť ***)
Chlorid
Síran
číra
bez zápachu
bez usadenín / častíc
< 1 mg/l
medzi 7 a 10
pri T ≤ 20 °C
pri T ≤ 50 °C
pri T ≤ 80 °C
pri T > 100 °C
2500 μS/cm
1 mmol/l < K
[Ca2+, Mg2+]/[HCO
1000 mg/l
400 mg/l
200 mg/l
100 mg/l
[SO
[HCO
2
] < 100 mg/l a
4
-
]/[ SO
3
< 5 mmol/l **)
s 4.3
-
] > 0,5
3
2
-
] > 1,5
4
Dusičnan
Dusitan
Amoniak
Voľný chlór
Mangán
< 100 mg/l
nie je dovolený
< 2,0 mg/l
< 0,5 mg/l
< 0,05 mg/l
*) = obsah hydrogenuhličitanu,dočasnátvrdosť, (karbonátová) alkalinita
**) K
Špecifikácie pre vodu v systéme CZT definujú viaceré vnútroštátne smernice, ktoré boli využité pre túto
špecifikáciu
[4, 5, 6, 7, 8]
. Každá z týchto smerníc sa zaoberá aspektmi zabránenia vzniku korózie
a usadzovania vodného kameňa v systémoch CZT.
Hraničné hodnoty, uvedené v Tabuľke 3, predstavujú primeraný kompromis na zabránenie
korózie a usadzovania vodného kameňa na primárnej strane doskového tepelného výmenníka.
mierou zodpovedajú hodnotám pre pitnú vodu z vodovodného rozvodu na jeho sekundárnej
Najdôležitejšie parametre, ktoré ovplyvňujú odolnosťušľachtilej ocele voči korózii vo vode
systému CZT sú chlorid, teplota a obsah kyslíka. Akceptovateľný obsah chloridu závisí od
maximálnej teploty, ktorá pôsobí na meďou spájkovaný doskový tepelný výmenník.
vzniku
Značnou
strane.
Najdôležitejšie parametre pre obmedzenie rizika korózie medi je vytvorenie skoro bezkyslíkového (pod
0,01 mg/l) a alkalického prostredia (pod pH 10) a obmedzenie koncentrácií amoniaku a
hraničné hodnoty (pozri Tabuľku 3).
síranu pod
V systémoch CZT sa často používa zmäkčená alebo deionizovaná voda, upravená na hodnotu pH od 9 do
9,5. Obsah kyslíka je buď odstránený alebo chemicky viazaný. Zvláštnu pozornosťtreba venovať
niektorým chemickým látkam, používaným na úpravu pH resp. na viazanie kyslíka.
Z dôvodu rizika korózie medi (a mosadze) by sa malo vylúčiť použitie amoniaku na úpravu pH. Namiesto
neho by sa mal na zvýšenie hodnoty pH použiť hydroxid sodný (NaOH) alebo
(Na
PO4).
3
Na viazanie kyslíka sa často používa siričitan sodný (Na2SO3). Táto látka by sa však nemala
fosforečnan sodný
používať
v systémoch s prvkami z medi resp. z ušľachtilej ocele. Na základe viazania kyslíka sa
síran. Síran môžu využiť niektoré baktérie, ktoré redukujú síran na sírnik
korozívne prostredie pre meď a ušľachtilú oceľ. Na viazanie
organické látky, napr. tanín.
kyslíka by sa mali namiesto toho použiť
(sírovodík) a pritom vytvárajú
siričitan mení na
Vysoká koncentrácia sírnika vo vode indikuje vo všeobecnosti bakteriálne znečistenie systému CZT.
Obsah sírnika vo vode by sa mal teda obmedziť na minimum.
Niekedy sa na viazanie kyslíka pridávajú do vody aj iné látky ako napr. C- vitamín a metyl-etyl-ketoxim
(MEKO). Na obmedzenie rozmnožovania baktérií v systéme CZT sa do vody môžu
prípravky. Na redukciu trenia v systéme sa niekedy do vody pridávajú
Tabuľka 3 Doporučenéhraničné hodnoty pre kvalitu vody zo systému CZT
na primárnej strane
Vzhľad
Zápach
Olej a tuk
Hodnota pH pri 25°C
Zostatková tvrdosť vody
Kyslík
pri T ≤ 20 °C 1000 mg/l
pri T ≤ 50 °C 400 mg/l
pri T ≤ 80 °C 200 mg/l
pri T > 100 °C 100 mg/l
číra
bez zápachu
bez usadenín / častíc
< 1 mg/l
7 až 10
[Ca2+, Mg2+]/[HCO
< 0,5 mmol/l (2,8 °dH)
<0.1 mg/l
(čo možno
3
najmenej)
] > 0,5,
2
-
] < 100 mg/l a
Síran
4
-
]/[ SO
3
2
-
] > 1,5
4
napr. použitie látok
Siričitan
Sírnik
Dusičnan
Amoniak
Organické uhľovodíky
celkom(TOC)
viazanie kyslíka
na
< 10 mg/l
< 0,02 mg/l
< 100 mg/l
< 2,0 mg/l
< 30 mg/l
2.3
Tvrdosť, vytváranie vodného kameňa a záruka
Prenos tepla v doskových tepelných výmenníkoch negatívne ovplyvňuje usadzovanie látok, ktoré obsahuje
voda (napr. vápnik), ako aj nečistôt. Usadeniny vápnika sa obyčajne vytvárajú v prípade
vápnika a horčíka.
Výsledná tvrdosť je daná najmä súčtom iónov vápnika (Ca++) a horčíka (Mg++) vo vode. Podiel
uhličitanu vápenatého (CaCO3) sa vo všeobecnosti udáva v miligramoch na liter (mg/l), v ppm (parts
obsahu solí
per million) alebo v stupňoch tvrdosti (°dH). "Nemecký" stupeň tvrdosti (°dH)
CaCO
Od roku 2004 je v Európskom spoločenstvetvrdosť vody odstupňovanápodľa "Nariadenia
Európskeho parlamentu a Rady (ES) č. 648/2004 o detergentoch"
Tabuľka 4 Odstupňovanie tvrdosti vody podľa "Nariadenia ES č. 648/2004
o detergentoch"
Rozsah tvrdosti
Uhličitan vápenatý
1
)
Uhličitan vápenatý
2
)
°dH
)
pod 8,4 °dH
Stredná 1,5 až 2,5 150 až 250
Tvrdá
1
)
podľa sústavy SI (Systèmeinternational d’unités) z roku 1971 sa množstvo alkalických zemín
udáva v mmol/l .
2
)
Hodnoty v mg/l a „stupeň nemeckej tvrdosti °dH“ sú iba informatívne.
nad 2,5
nad 250
8,4 do 14 °dH
nad 14 °dH
Pri ohrievaní vody s vysokou tvrdosťou sa vylučuje vápnik (CaCO3), čo sa prejavuje vo forme vrstvy
na povrchu dosiek výmenníka. Pri teplotách nad 55°C môže byťvylučovanie /
vápnika intenzívnejšie. Tým sa redukuje prenos tepla v doskových výmenníkoch.
usadzovanie
Z tohto dôvodu je dôležitý výber správnej dimenzie tepelného výmenníka Danfoss, aby sa zabezpečila čo
možno najväčšiarýchlosť prúdenia vody. Tým sa redukuje riziko usadzovania vápnika.
Aj nečistoty sa môžu usadzovať vo forme vrstvy na povrchu dosky.
Nečistoty a usadeniny vápnika možno odstrániť prepláchnutím tepelného výmenníka rôznymi
chemikáliami v závislosti od zloženia usadeniny. Danfoss doporučuje realizáciu
s preukázateľne overenou technológiou a skúsenosťami v oblasti čistenia tepelných výmenníkov.
Takéto prepláchnutie môže na jednej strane odstrániť usadeniny a zlepšiť prenos tepla, na druhej strane
však ale môže aj skrátiť životnosť tepelného výmenníka.
Spoločnosť Danfoss, Divízia Centrálneho zásobovania teplom nemôže uznať nároky
na plnenie záruky, keď tepelný výmenník
:
•
vykazuje redukciu výkonu v dôsledku vytvárania a usadzovania vápnika
• po prepláchnutí na odstránenie vápnika a usadením vykazuje vonkajšie
alebo interné
netesnosti
•
vykazuje vonkajšie alebo interné netesnosti v dôsledku vodou spôsobenej
korózie, keď neboli
Príručke.
splnené odporučenia o kvalite vody, uvedené v tejto