Системы теплоснабжения могут быть однои двухконтурные. В первом случае сетевая вода циркулирует в системе теплоснабжения непосредственно через водогрейный котёл. Во втором случае она проходит через сетевой подогреватель, в котором подогревается котловой водой. Последняя циркулирует непосредственно через водогрейный котёл, нагреваясь в котле и отдавая тепло сетевой воде непосредственно в подогревателе.
В первом случае качество подпиточной воды должно соответствовать жёстким требованиям, предъявляемым для водогрейных котлов. Во втором случае к её качеству принято предъявлять несколько менее жёсткие требования, так как подпитывается только сетевой контур. Котловой контур замкнут и при правильной эксплуатации не требует подпитки.
Сначала давайте рассмотрим одноконтурную систему теплоснабжения, в котором вся вода в системе теплоснабжения проходит через водогрейный котёл.
В контуре теплоснабжения вода нагревается. При этом из воды начинают активно выделяться растворённые в ней газы.
Так, при температуре 100°C при атмосферном давлении растворимость газов в воде равна нулю. Таким образом, при нагреве воды в котловом контуре происходит выделение кислорода и диоксида углерода. Уменьшение диоксида углерода в воде смещает углекислотное равновесие воды котлового контура в сторону выделения твёрдого карбоната кальция. В подпиточной воде наблюдалось углекислотное равновесие, то есть карбонат кальция не выделялся из воды, потому что карбонаты находились в форме бикарбонатов.
Удаление углекислоты за счёт повышения температуры воды вызвало переход бикарбонатов в карбонаты и, соответственно, выпадение карбоната кальция в осадок.
Чем меньше в воде растворённой углекислоты, тем выше значение рН такой воды. Это происходит из-за того, что диоксид углерода удаляется из воды при нагревании и больше не участвует в процессе гидролиза с образованием угольной кислоты. В результате бикарбонат кальция, который был получен в воде в процессе его растворения угольной кислотой из твёрдой осадочной породы карбоната кальция, снова переходит в карбонат кальция и выделяется из воды.
При значении рН = 8,37 в воде практически полностью отсутствует углекислота, поэтому в воде начинают образовываться карбонаты, которые стремятся перейти в твёрдую фазу в виде карбоната кальция. При небольших концентрациях карбонат-иона этому препятствуют, вероятно, дипольные свойства воды и её ионная сила. Чем выше ионная сила воды, тем больше в воде может находиться карбонат-ионов. Но при увеличении температуры воды концентрация растворённого карбоната (аниона карбоната) значительно уменьшается. Произведение растворимости для карбоната кальция при температуре 25°C составляет 4,4×10–9, при 100°C составляет 0,47×10–9.
Это означает, что при концентрации кальция, равной 0,1 ммоль/л, при температуре 25°C концентрация карбоната составит 0,06 ммоль/л. При той же концентрации кальция, но при температуре 100°C концентрация карбоната составит 0,0065 ммоль/л. Выше этих концентраций начнётся выделение твёрдой фазы карбоната кальция.
Как видно, при высокой температуре в котловом контуре в воде даже при небольших концентрациях карбоната и кальция может начать образовываться твёрдый осадок карбоната кальция. Напрашивается простой вывод — необходимо обеспечить глубокое умягчение подпиточной воды котлового контура, чтобы исключить образование отложений карбоната кальция в котловом контуре.
Говорить о каком-либо остаточном количестве кальция в котловом контуре можно только в том случае, если значение рН котловой воды значительно ниже, чем 8,37. В этом случае в воде практически отсутствует карбонат-ион (существуют только бикарбонаты), и кальций находится в виде катиона. Но можем ли мы говорить о том, что рН воды котлового контура будет ниже 8,37?
В контуре происходит нагрев воды и интенсивное выделение углекислоты через воздушники. В условиях отсутствия подпитки или низкой подпитки углекислоты в котловом контуре практически не будет, и значение рН такой воды будет держаться в диапазоне от 8,0 до 8,5 и больше (в зависимости от температуры и расхода подпитки). Поэтому в такой воде достижение термодинамического равновесия определённо приведёт к выделению карбоната кальция даже в случае их небольших концентраций. Следовательно, для котлового контура при любых условиях необходимо производить глубокое умягчение подпиточной воды.
Надо отметить, что при значениях рН около 8,5 карбонат кальция выпадает в осадок в виде тонкого плотного слоя на поверхностях нагрева. В отличие от паровых котлов с водяным пространством, где высокое значение рН котловой воды (около 12) переводит растворённый бикарбонат кальция питательной воды (если произойдёт проскок солей жёсткости) в шлам в котловой воде. В водогрейном котле (при относительно низких значениях рН) карбонат кальция выпадет в виде твёрдого осадка.
В двухконтурной системе теплоснабжения котловой контур не требует подпитки, и это позволяет котлу работать даже при заполнении его водой с повышенной жёсткостью. Через определённое время работы вода в котловом контуре достигнет термодинамического равновесия для условий повышенной температуры, и часть солей жёсткости выпадет в осадок. Но количество этого осадка будет небольшое.
Например, если объём котлового контура равен 20 тыс. л, то концентрация кальция в воде составит 1,5 ммоль/л (то есть 1,5×40 = 60 мг/л), карбоната — 1,5 ммоль/л (1,5×60 = 90 мг/л), итого СаСО3 = 60 + 90 = 150 мг/л. Если весь кальций выпадет в осадок с карбонатом, то масса осадка составит 20000×150 = 3 кг.
Тем не менее, даже при таком незначительном количестве карбоната кальция он будет равномерно откладываться на поверхностях нагрева котла. В том случае, если котловой контур заполнять водой с низким значением рН, будет наблюдаться активная водородная коррозия. Естественно, процессы коррозии и осадкообразования будут проходить только на этапе достижения водой нового термодинамического равновесия в котловом контуре. Затем при достижении равновесия коррозионные и осадкообразующие процессы прекратятся, но получившиеся продукты осядут на поверхностях нагрева, дополнительно скрепляя друг друга. В этом случае эффективность теплообмена понизится, но котёл сможет вполне неплохо работать. Это будет происходить только в случае отсутствия подпитки котлового контура.
Сетевой контур системы теплоснабжения не имеет поверхностей нагрева с высоким температурным напряжением, как в водогрейном котле. Поэтому принято считать, что качество подпиточной воды сетевого контура может быть значительно ниже, чем котлового. Это обстоятельство отражает критерий оценки качества сетевой воды, называемый карбонатным индексом. Но необходимо помнить, что данный критерий не говорит о том, что в сетевом контуре не идёт выделение карбоната кальция. Критерий лишь предполагает, что выделение осадка будет иметь определённую низкую скорость.
Это обстоятельство требует периодических осмотров сетевых подогревателей и регулярных химических промывок.
Можно сделать вывод, что при подпитке контура водогрейного котла всегда требуется глубоко умягчённая вода, как и в случае с паровыми котлами. При подпитке сетевого контура жёсткость подпиточной воды может быть несколько выше, но из-за выделения диоксида углерода будет происходить выделение карбоната кальция с большей или меньшей скоростью. При большом расходе подпиточной воды сетевого контура может быть экономически невыгодно производить её умягчение и подщелачивание. Тогда необходима организация периодических осмотров и промывок теплообменного оборудования. Также в случае большой подпитки сетевого контура следует быть готовым к постоянным протечкам трубопроводов, вызванных коррозионными процессами.
Большой расход подпитки сетевого контура не позволяет достигнуть термодинамического равновесия воды в зависимости от температуры. Поэтому в теплоагрегате постоянно будут происходить коррозионные и осадкообразующие процессы. Скорость этих процессов будет напрямую зависеть прежде всего от расхода подпиточной воды, температуры сетевой воды и от концентрации бикарбоната кальция в ней.
В заключение необходимо сказать, что лучшая водоподготовка для системы теплоснабжения — это организация двухконтурной системы и максимально возможное уменьшение подпитки сетевого контура, а также отсутствие подпитки котлового контура.
В этом случае система может работать вообще без водоподготовки при условии ежегодного осмотра сетевых подогревателей и, при необходимости, проведения химических промывок теплообменной поверхности подогревателей. Данные рассуждения представлены для систем теплоснабжения с температурой сетевой воды не более 100°C.
