Záhada bielej šupiny
Pokovovací kúpeľ vo Watts, ktorý pracuje pri pH 4,0-4,5 a 55 stupňoch, vytvára na rúrkach ponorného ohrievača tvrdú, bielu-sivú stupnicu. Vodný kameň je uhličitan nikelnatý-NiCO₃ – zlúčenina, ktorá by sa nemala vytvárať pri objemovom pH kúpeľa. Uhličitan nikelnatý sa zráža len nad pH 6 v objemovom roztoku. Napriek tomu sa na povrchu ohrievača tvorí trvalo, čo si vyžaduje mechanické odstraňovanie vodného kameňa každých 4-6 týždňov.
Paradox sa vysvetľuje chémiou na povrchu ohrievača. Stena horúcej rúrky-pri 80-95 stupňoch v prípade kovového ohrievača vytvára lokalizované prostredie zásadne odlišné od objemového kúpeľa. Zvýšená teplota na stene odvádza rozpustený oxid uhličitý a lokálne zvyšuje pH. Súčasne horúci povrch urýchľuje oxidáciu organických prísad, pričom vznikajú uhličitanové ióny. Kombinácia lokálne zvýšeného pH a lokálne zvýšenej koncentrácie uhličitanu vytvára podmienky, kedy sa uhličitan nikelnatý zráža priamo na povrchu rúrky, aj keď objemový kúpeľ je ďaleko od nasýtenia.
Výmenník tepla z PTFE s nižšou teplotou steny znižuje odstraňovanie CO₂ a oxidáciu prísad, ktoré spôsobujú zrážanie. Rýchlosť tvorby vodného kameňa uhličitanu nikelnatého sa zníži o 70 až 90 %.
Lokalizovaný zrážkový mechanizmus
Watts niklový kúpeľ obsahuje síran nikelnatý, chlorid nikelnatý, kyselinu boritú a organické prísady. Kúpeľ je nasýtený rozpusteným oxidom uhličitým z atmosféry a z rozkladu organických prísad. Rozpustnosť CO₂ klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Pri teplote steny kovového ohrievača 80 – 95 stupňov sa CO₂ uvoľňuje z roztoku a vytvára bubliny plynu, ktoré sa oddeľujú od povrchu.
Strata CO₂ posúva uhličitan-hydrogenuhličitanovú rovnováhu, spotrebuje vodíkové ióny a lokálne zvyšuje pH na povrchu trubice. pH v hraničnej vrstve môže dosiahnuť 6-7, aj keď objemové pH je 4,0-4,5.
Súčasne horúci povrch urýchľuje oxidačný rozklad organických prísad. Pri rozklade vznikajú uhličitanové ióny ako vedľajší produkt. Lokálne zvýšená koncentrácia uhličitanu sa spája s lokálne zvýšeným pH, čím prekračuje súčin rozpustnosti uhličitanu nikelnatého. NiCO₃ sa vyzráža na povrchu trubice, kde vytvára tvrdý, priľnavý povlak.
Vrstva vodného kameňa izoluje rúrku, čo spôsobuje ďalšie zvyšovanie teploty steny, pretože riadiaci systém zvyšuje prietok pary, aby kompenzoval znížený prenos tepla. Vyššia teplota steny urýchľuje odstraňovanie CO₂ a aditívny rozklad, čím sa zrýchľuje rýchlosť tvorby vodného kameňa v samozosilňujúcej sa spätnej väzbe.
| Parameter škálovania | Ohrievač z nehrdzavejúcej ocele (teplota steny 85 stupňov) | PTFE výmenník tepla (teplota steny 60 stupňov) |
|---|---|---|
| rozpustnosť CO₂ pri teplote steny | Nízka (CO₂ odstránené z roztoku) | Stredný (veľmi zadržaný CO₂) |
| Lokálne pH na povrchu skúmavky | 6-7 | 4.5-5.0 |
| Rýchlosť aditívneho rozkladu | Vysoká | Nízka |
| Miestna koncentrácia uhličitanu | Vyvýšený | Takmer hromadne |
| Miera zrážok NiCO₃ (relatívna) | 1,0 (základná hodnota) | 0.1-0.3 |
| Frekvencia odstraňovania vodného kameňa | 4-6 týždňov | 6-12 mesiacov |
| Slučka spätnej väzby | Zrýchľujúci (vodný kameň izoluje, zvyšuje teplotu steny) | Minimálne (malý vodný kameň, stabilná teplota steny) |
Vplyv teploty steny PTFE
Stena trubice z PTFE funguje pri teplote približne 60 stupňov -25 stupňov chladnejšej ako kovový ekvivalent. Táto nižšia teplota je kľúčom k prevencii vodného kameňa. Pri 60 stupňoch je rozpustnosť CO₂ výrazne vyššia ako pri 85 stupňoch. Z roztoku sa odstráni menej CO₂. Lokálne zvýšenie pH v hraničnej vrstve je minimálne - možno 0,5 jednotky pH skôr ako 2-3 jednotky.
Nižšia teplota tiež znižuje rýchlosť rozkladu prísad. Na povrchu trubice sa vytvára menej uhličitanových iónov. Kombinácia takmer -hromadného pH a takmer -objemovej koncentrácie uhličitanu udržuje roztok na povrchu skúmavky pod limitom rozpustnosti uhličitanu nikelnatého. Zrážky sa nevyskytujú.
Prispieva aj povrchová energia PTFE. Kryštály uhličitanu nikelnatého, ktoré nukleujú-možno v dôsledku dočasného narušenia procesu-slabo priľnú k nízkoenergetickému-povrchu PTFE a pri normálnej cirkulácii kúpeľa sa ľahko uvoľnia. Netvoria tvrdý, mechanicky priľnavý povlak, ktorý charakterizuje znečistenie kovového ohrievača.
Prevádzkový a ekonomický prínos
Zníženie tvorby vodného kameňa uhličitanu nikelnatého predlžuje interval medzi čistením ohrievača z mesačných na ročné alebo dlhšie. Ročné hodiny údržby na odstraňovanie vodného kameňa sa skrátia o 80-90 %. Eliminácia tvorby vodného kameňa-slučky spätnej väzby izolácie udržuje stabilný prenos tepla a stabilnú spotrebu energie. Chemické zloženie kúpeľa zostáva konzistentnejšie bez lokálnej deštrukcie prísad a posunov pH na povrchu ohrievača.
Zhrnutie
Zrážanie uhličitanu nikelnatého na povrchoch ohrievača vo Wattsových niklových kúpeľoch je spôsobené lokalizovaným stripovaním CO₂ a aditívnym rozkladom na stene horúcej kovovej rúrky, čím sa vytvárajú podmienky zvýšeného pH a koncentrácie uhličitanu, ktoré neexistujú v objemovom kúpeli. Výmenník tepla PTFE so svojou o 25 stupňov nižšou teplotou steny znižuje stripovanie CO₂ a aditívny rozklad, čím udržuje chémiu hraničnej vrstvy pod limitom rozpustnosti uhličitanu nikelnatého. Miera tvorby vodného kameňa sa zníži o 70 – 90 %, čím sa predĺžia intervaly čistenia z týždňov na mesiace.
Technická podpora pre špecifikáciu PTFE výmenníka tepla v poniklovacích kúpeľoch s problémami s tvorbou vodného kameňa je k dispozícii po predložení chémie kúpeľa, prevádzkovej teploty, aktuálnej frekvencie odstraňovania vodného kameňa a tlaku pary.
