Методы защиты емкостных водонагревателей от разрушающего воздействия воды

Конструкция, принцип действия емкостных водонагревателей. Основные причины выхода из строя. Методы защиты от коррозии. Образование накипи, снижение кпд водонагревателя. Предотвращение образования накипи

В предыдущих статьях («Строительная Инженерия № 11, 12, 2006) были рассмотрены методы организации тепловых узлов горячего водоснабжения (ГВС) на базе использования различных водонагревателей.

 

 

При всем многообразии по принципу действия водонагреватели разделяются всего на два типа – проточные и емкостные (они же аккумулирующие, то есть накопительные). Конструкции и принципы действия различных водонагревателей тоже рассматривались в рамках этих статей. Напомним основные конструктивные особенности и принципы действия водонагревателей.

Проточные водонагреватели применяются при наличии мощности, которая может обеспечить пиковое водопотребление. К достоинствам этих водонагревателей можно отнести их компактность, недостатков практически нет, кроме одного – установленная мощность проточного водонагревателя должна соответствовать потреблению максимального пикового часа. Например: для пикового расхода 12 м³/ч необходим проточный водонагреватель (например, пластинчатый теплообменник) тепловой мощностью 0,6 Гкал/ч, или 698 кВт.

Это условие не всегда выполнимо, например, при реконструкции уже существующего объекта, на котором по новым условиям требуются дополнительные мощности на ГВС, или на новостройке в уже заселенном районе, где тепловые (или электрические) сети не имеют запаса по подключению дополнительных мощностей. Тогда введение дополнительных мощностей ГВС влечет за собой полную реконструкцию снабжающих тепловых сетей. Именно для этих условий и подходят тепловые узлы ГВС на базе емкостных водонагревателей.

Аккумулирующие водонагреватели при меньшей установленной мощности накапливают во внутреннем теплоизолированном баке необходимое количество воды, обеспечивающее пиковый расход. Это их основное преимущество – аккумулировать тепло в виде горячей воды при относительно небольшой часовой мощности. Поскольку на большинстве объектов пиковое водопотребление носит не постоянный, а циклический характер, то зачастую дополнительных лимитов на отпуск тепла для ГВС не требуется. За 3–4 ч на небольшой тепловой мощности можно подготовить и аккумулировать горячую воду для полного максимального пика. Понятно, что аккумулятор горячей воды должен иметь объем, обеспечивающий максимальное пиковое потребление.

В этом кроется небольшой недостаток – аккумулирующему водонагревателю требуется больше места в тепловом узле, чем проточному. Поэтому аккумулирующие водонагреватели промышленных объемов обычно изготавливаются в виде цилиндра диаметром 1–2 м и высотой 1,5–3 м, чтобы они занимали меньшую площадь пола. Можно применить практически все принципы энергоресурсосбережения, используя аккумулирующие водонагреватели:

• аккумулировать горячую воду нужного объема с использованием меньшей, чем задано проектом, мощностью;
• минимизировать потери аккумуляции за счет эффективной теплоизоляции;
• при наличии встроенных в бак комбинированных нагревателей использовать «бросовое» тепло.

Конструкция и принцип действия этих водонагревателей практически одинаковы независимо от производителя (рис. 1). Это внутренний бак, защищенный от тепловых потерь эффективной теплоизоляцией (пенополиуретаном, полиуретаном, минватой или любой термически стойкой теплоизоляцией), в котором накапливается горячая вода. В бак встроены нагреватели воды.

Рис. 1. Накопительный водонагреватель в разрезе

В зависимости от вида поставляемого энергоносителя для нагрева воды используются топливные горелки, встроенные водяные или паровые теплообменники, электрические трубчатые нагреватели. Многие производители предлагают комбинацию из этих нагревателей: один используется как основной источник нагрева, другой – как резервный. Для использования в схемах ГВС утилизированного тепла (например, от кондиционеров) в аккумулирующие водонагреватели встраиваются теплообменники или эксплуатируются внешние пластинчатые.

Основными причинами, сокращающими срок эксплуатации емкостного водонагревателя и приводящими к выходу из строя, являются коррозия, а также накипь, в результате которой снижается кпд прибора.

Перед тем как подробно рассматривать эти причины, необходимо остановиться на некоторых свойствах воды. Вода – не только составляющая всех живых организмов и всего живого, это одновременно электролит (электропроводящий раствор) и универсальный растворитель.

При наличии даже небольшого электрического поля в воде емкостного нагревателя обязательно будут протекать гальванические токи. Кроме того, вода как универсальный растворитель растворяет даже то, что не может растворить такая агрессивная среда, как кислота. И если в емкости нагревателя присутствуют хотя бы два различных металла, то оба металла будут передавать свои ионы электролиту, то есть воде.

Если бы электромагнитное поле было постоянным, а раствор электролита не пополнялся, то тогда наступил бы момент равновесия – раствор электролита стал бы насыщенным и все ионы перешли бы в раствор и на противоположно заряженные электроды. Но поскольку в емкостных водонагревателях вода обновляется, то коррозия ввиду постоянного переноса ионов в электролит будет всегда.

Итак, первая причина, сокращающая срок службы емкостного водонагревателя, – это коррозия, напрямую связанная со свойствами воды.

Гальваническая коррозия

Отдельный вид коррозии, возникающий даже в отсутствие электромагнитного поля, то есть во всех водонагревателях, даже неэлектрических. Эта коррозия происходит из-за прямого контакта в электролите двух различных металлов. Металл, имеющий больший отрицательный потенциал, разрушается быстрее. Железо имеет потенциал –0,63 В, медь –0,2 В. При соединении железа с медью разрушаться будет железо, даже при отсутствии воды как электролита.

Если металлы соприкасаются с водой, разрушение будет еще более быстрым, ввиду того что вода является хорошим электролитом. Поэтому так важно при гидравлической обвязке водонагревателя использовать трубы и фитинги из того же металла, к которому они присоединяются (табл. 1).

Таблица. Потенциалы некоторых металлов, наиболее часто используемых в водонагревателях и гидравлической обвязке

Металл Потенциал (в вольтах) Магний –1,73 Магний + 4% алюминия –1,68 Алюминий + 4% цинка –1,02 Алюминий + 4% магния –0,87 Алюминий + 4% меди –0,69 Железо –0,63 Железо + 5% хрома –0,5 Железо + 12% хрома –0,27 Медь + 30% цинка –0,25 Медь –0,2 Нержавеющая сталь –0,15 Никель –0,07

Как вариант можно использовать пластиковые трубы и фитинги при условии, что они подходят по параметрам температуры воды и давления в магистралях.

Электролитическая коррозия

Если разнородные металлы находятся в одной емкости с водой, возникает электролитическая коррозия, даже если металлы не контактируют друг с другом, так как вода – электролит и ионы металла передаются в раствор электролита. В этом случае металл, имеющий больший отрицательный потенциал, становится анодом; металл, имеющий меньший отрицательный потенциал, выступает в роли катода. В процессе коррозии анод имеет большую тенденцию к переходу в раствор электролита, чем катод. Кстати, на этой же теоретической базе и основана анодная защита водонагревателей. Это наиболее распространенная защита осуществляется путем установки внутрь емкости металла с большим электроотрицательным потенциалом. В основном применяют магний, алюминий и их сплавы, так как они развивают в растворе электролита (воды) наибольший потенциал в отличие от металлов, из которых производятся внутренние емкости водонагревателей. Таким образом, анод будет снабжать электронами корпус емкости и нагревателя, и коррозия будет переноситься с металла емкости на анод, который постепенно разрушится. Такой анод часто называют жертвенным. Поэтому анод делается быстросъемным, рекомендуется периодически его проверять.

Если рассматривать подвергшуюся коррозии внутреннюю емкость аккумулирующего водонагревателя, освобожденного от теплоизоляции, то в месте, где внутренняя емкость соприкасалась посредством точечной сварки с поддоном оболочки (на стыке двух разнородных металлов), можно увидеть сквозное ржавление. Это случилось именно в этом месте, поскольку флюс сварки содержал несоответствующий металл, а жертвенный анод к этому времени уже имел большой износ и не был вовремя заменен.

Наименее подвержены коррозии водонагреватели, корпус которых сделан из нержавеющей стали или покрыт чистой листовой медью. Это основной принцип, которым необходимо руководствоваться при выборе водонагревателя. Как правило, на водонагреватели, выполненные из нержавейки и меди, производители дают беспрецедентно большие сроки гарантий на внутренний бак емкости.

Защита внутренней емкости водонагревателя от коррозии

Защита, называемая барьерной, применяется всеми производителями, выпускающими водонагреватели из обычной стали. На внутреннюю поверхность бака наносится состав, поддерживающий высокое электрическое сопротивление на поверхности. Это ограничивает доступ ионных частиц к подверженному коррозии металлу, а также доступ кислорода, который участвует в катодной электрохимической коррозии, поскольку внутренняя, соприкасающаяся с водой поверхность бака выступает в роли катода. Поэтому такая защита иногда называется катодной.

Для защитных покрытий внутренних поверхностей стальных баков используются неметаллические вещества, имеющие хорошее сопротивление: эмали, кремнеорганические соединения, стеклофарфор, многокомпонентные органические и неорганические соединения. Такой способ вместе с жертвенным анодом позволяет продлить срок службы внутреннего бака-аккумулятора, обезопасив его от сквозного ржавления. Но в любом случае это рано или поздно произойдет.

Пока что не существует стопроцентной барьерной защиты по причине разных тепловых расширений у металла и барьерного покрытия. Если циклы нагрева сменяются полным опустошением бака, в котором холодная вода быстро заменяет горячую, то покрытие стремительно растрескивается. Через микротрещины вода все-таки достигает железной поверхности, и коррозии не избежать.

Потому аккумулирующие водонагреватели, баки которых сделаны из цельного металла, мало- подверженного коррозии, служат не один десяток лет. Это баки из нержавеющей стали и меди. Такие аккумулирующие водонагреватели дороже, но в данном случае затраты оправданны.

Это два взаимосвязанных понятия. Образование накипи, снижающей теплопередачу водонагревателя, является одной из распространенных причин выхода оборудования из строя. Накипь образуется при работе водонагревателя с так называемой жесткой водой, содержащей соли кальция и магния, которые при нагревании выпадают в твердый осадок. Изначально этот осадок мягкий и пористый, но с течением времени накипь, захватывая микрочастицы глины и силикатов, превращается в твердое соединение, похожее на керамику. Эти отложения сложно удалить, и со временем проблема становится трудноразрешимой.

Рассмотрим механизм образования накипи подробнее для того, чтобы понимать, что происходит с водонагревателем и какими методами можно противостоять процессу.

При нагреве жесткой воды образуются осадки солей кальция и магния. При этом, чем выше температура воды, тем больше осадок, который в ней образуется. Опытным путем выяснено, что количество накипи, образующейся при температуре воды около 80 °С, в семь раз превышает количество накипи при температуре нагрева до 60 °С. Понятно, что самые большие отложения образуются на поверхностях, которые нагревают воду, поскольку это самая горячая часть в аккумулирующем водонагревателе. В электрических водонагревателях наибольшие отложения образуются на трубчатых электронагревательных элементах. Затвердевшая накипь имеет хорошие теплоизолирующие свойства. У нагревательного элемента, покрытого такими отложениями, уменьшается способность нагревать окружающую его воду. Отсюда и снижение кпд нагревающей части, в свою очередь ведущее к перерасходу энергоносителя. Исследования этого процесса показывают, что накипь толщиной 3 мм снижает теплопередачу на 25–30% (в зависимости от того, какой энергоноситель используется), что и ведет к перерасходу энергии. И в результате большое количество накипи приводит к полной изоляции нагревательного элемента от воды, нагревающая часть во внутренней емкости перегревается и выходит из строя.

Существует несколько методов, позволяющих бороться с негативными процессами, связанными с образованием накипи.

Как упоминалось выше, толщина слоя накипи зависит от температуры воды. Если никакие другие методы защиты недоступны, необходимо не греть воду выше 65 °С. Недостаток такой простой превентивной защиты состоит в том, что приходится аккумулировать меньшее количество горячей воды из-за снижения ее температуры. В этом случае требуется также периодически убирать твердые отложения на нагревательном элементе емкости. Многие производители нагревательные элементы делают быстросъемными – на резьбе или на фланцевых соединениях.

Есть специально сконструированные для жесткой воды аккумулирующие водонагреватели, в которых изолирована нагревающая часть от расходной горячей воды. Конструкция представляет собой двойной бак (рис. 2). Первый нижний бак – изолированный от расходной горячей воды замкнутый контур, в который погружены нагреватели. Этот нагревающий воду закрытый бак находится под основным баком, в котором и нагревается расходная вода. Такой принцип нагрева можно сравнить с известным способом нагрева воды на «водяной бане». Достаточно хорошая конструкция для того, чтобы надолго забыть о проблеме накипи. Кроме того, если периодически использовать умягчители воды для промывки расходного бака от отложений, то такой емкостной водонагреватель прослужит весь гарантированный срок.

Рис. 2. Конструкция емкостного водонагревателя для жесткой воды

1 – выход горячей расходной воды; 2 – термостат (или указательный термометр); 3 – патрубок входа контура нагревающего бака; 4 – подача холодной воды; 5 – патрубок выхода контура нагревающего бака; 6 – электрические трубчатые нагревательные элементы, встроенные в нагревающий бак

Установка умягчителя воды или устройства для удаления гидрокарбонатов кальция и магния – эффективный и зачастую единственный способ предотвращения образования накипи.

В последнее время все большее распространение получили так называемые магнитные поляризаторы, абсорбирующие на своей поверхности растворенные в воде соли кальция и магния до поступления их в бак. Такой поляризатор имеет магнитное поле небольшого отрицательного потенциала, позволяющее удерживать на поверхности растворенные в воде анионы (Са⁺ и Mg⁺).

Еще один способ борьбы с накипью заключается в увеличении скорости потока жесткой воды до такой степени, чтобы все изначально мягкие отложения вымывались. И чем жестче вода, тем скорость потока должна быть выше. Вспомним конструкцию пластинчатого теплообменника: для увеличения скорости применяется особая конфигурация каналов, по которым идет расходная вода. Ламинарный поток расходной воды для увеличения скорости разбивается на несколько турбулентных потоков. Но, чтобы теплообмен был более эффективным при высоких скоростях, применяется метод встречных потоков нагревающего и расходного контуров. К сожалению, для емкостных водонагревателей такой метод защиты неприменим, поскольку вода в них плавно подогревается в режиме накопления, то есть в практически неподвижном состоянии.

Для емкостных водонагревателей существуют две опасности, сокращающие срок их службы: коррозия и накипь. Самые надежные водонагреватели, противостоящие коррозии, это цельнометаллические приборы из нержавеющей стали или стальные, покрытые изнутри сплошной листовой медью. Встроенные в них водонагревательные элементы также должны быть выполнены из меди или нержавейки.

Если для предприятия такие водонагреватели неоправданно дороги, следует выбирать стальные водонагреватели с наиболее стойкими к термическому расширению внутренними барьерными покрытиями. При использовании обычных стальных водонагревателей с внутренним барьерным покрытием необходимо наличие жертвенного анода. В этом случае надо быть готовым к тому, что придется часто проверять его состояние – приблизительно раз в полгода и при необходимости заменять его.

Если используемая вода обладает повышенной жесткостью, самым лучшим способом обезопасить водонагреватель от разрушительных последствий накипи будет предварительная водоподготовка с умягчителем воды или магнитным поляризатором. Благодаря этому из воды удаляются все инициаторы появления накипи до поступления ее в емкость. Встроенные в емкость нагреватели должны быть быстросъемными, что позволит при необходимости проводить плановую ревизию и очистку их от накипи.

При работе водонагревателя необходимо своевременно обращать внимание на увеличение времени нагрева воды. Если время нагрева стало больше, это означает, что встроенный нагреватель уже имеет твердые отложения накипи. В этом случае надо демонтировать нагреватель и очистить его поверхность от отложений механическим способом. Лучший метод защиты – выбор модели водонагревателя, специально разработанной производителем для жесткой воды.

Вячеслав ПШЕНИЧНИКОВ
технический директор Группы компаний «Нортех»,
эксперт по энергосбережению в отоплении и ГВС

Источник: Строительная инженерия