16.2. Вимірювання показників якості води і водяної пари

В суднових умовах використовується декілька видів води: живильна вода суднових котлів, дистильована вода, яку отримують в опріснювальних установках, конденсат пари, прісна берегова, забортна вода, тощо. Більшість видів води, які є робочими речовинами в суднових енергетичних установках, вміщують певну кількість розчинених і завислих домішок, які негативно впливають на експлуатаційну надійність і ефективність роботи устаткування. Істотно впливають на процес накипоутворення і корозію металу солі, розчинений у воді кисень, а також концентрація водневих іонів (число рН).

Головними показниками якості, що визначають вміст солей, є: жорсткісить, яка визначається концентрацією катіонів кальцію Са⁺² і магнію Mg⁺²; лужність – концентрацією іонів ОН^-; солоність – концентрацією іонів Cl^-; водневе число рН; загальний солевміст як сума всіх солей у воді – визначається сухим залишком після випаровування профільтрованої води і просушки залишку при температурі 110 ^оС до постійної маси.

Солі жорсткості є головними накипоутворювачами; солі, що зу-мовлюють лужність води, сприяють накипоутворенню і впливають на корозійні процеси; хлориди утворюють сильні електролити, в яких відбувається електрохімічна корозія металів. Водневе число рН і вміст кисню у воді є показниками корозійної активності води.

Насичена пара, яка виробляється судновими котлами і опріснювальними установками, вміщує певну кількість вологи внаслідок виносу крапель води. Вологість насиченої пари погіршує її якість, оскільки з краплями води виносяться солі, які вона вміщує. В суднових енергетичних установках застосовуються автоматичні засоби вимірювання показників якості води і пари.

16.2.1. Вимірювання солевмісту

Солевміст води і пари (конденсату) вимірюється солемірами – кондуктометричними аналізаторами рідини, які відносяться до електрохімічних засобів вимірювань. Принцип дії солемірів грунтується на вимірюванні електричної провідності розчинів електролітів, значення якої визначає концентрацію розчинених речовин. Одиницею електропровідності є сіменс (См) – величина обернена ому (Ом). В розчинах електролітів частина молекул дисоціює на позитивні (катіони) і негативні (аніони) іони. Внаслідок цього розчини здатні проводити електричний струм. Якщо такий розчин є частиною електричного кола, то при певних умовах він поводиться як електричний опір, провідність якого визначається формулою:

(16.11)

де – питомий опір; S і l – відповідно площа перерізу і довжина провідника.

Величина, обернена питомому опору, називається питомою електричною провідністю (питомою електропровідністю):

.

(16.12)

Одиницею питомої електропровідності є См/см. Питома електро- провідність розбавленого однокомпонентного розчину електроліту визначається законом Кольрауша:

(Uк + Uа)

(16.12)

де – ступінь електролітичної дисоціації, що визначає частку дисоційованих молекул електроліту від загальної їх кількості в розчині; – еквівалентна концентрація розчину, тобто концентрація, що вимірюється в грам-еквівалентах розчиненої речовини в 1 см³ розчину, г-екв/см³; U_к і U_а – відповідно рухомості катіонів і аніонів, які залежать від природи дисоційованої речовини і властивостей розчинника; z – валентність іонів.

Питома електропровідність водних розчинів має складну залежність від концентрації, але при невеликому змінюванні концентрації, доки малі сили міжіонної електростатичної взаємодії, (звичайно до концентрацій, які не перевищують 100 мг/л), що має місце в суднових енергетичних установках, ця залежність практично лінійна.

Температура розчину істотно впливає на його електропровідність. На відміну від металів з підвищенням температури електропровідність розчинів збільшується, що зумовлюється збільшенням кількості іонів. Залежність питомої електропровідності від температури визначається рівнянням:

,

(16.14)

де і – температурні коефіцієнти; – питома електропровідність при температурі t₀.

Перетворювачі кондуктометричних солемірів, опір яких визначає концентрацію аналізуємого розчину, називають електролітичними вимірювальними комірками. Найбільш поширені контактні вимірювальні комірки, які являють собою електроди, розміщені в аналізуємому розчині, тобто має місце гальванічний контакт електродів з розчином. Контактні вимірювальні комірки можуть бути дво-, три- чотириелектродними.

Найпростішою є двоелектродна комірка (рис.16.16,а), яка складається з двох інертних металевих електродів 2 і 3, розміщених в камері 1, через яку протікає аналізуєма рідина. При прикладенні до електродів постійної різниці потенціалів в межах метал–електрод–електроліт утворюється, так званий, подвійний електричний шар, в межах якого і відбуваються електрохімічні процеси в комірці. Цей шар можна вважати плоским конденсатором, обкладками якого є заряджені поверхні металевого електрода і шар іонів протилежного знаку, які знаходяться поблизу поверхні електрода. При проходженні струму в одному напрямку катіони і аніони, стикаючись з електродами, розряджуються і виділяються на них як атоми. Струм через розчин постійно зменшується, що можна розглядати як процес зарядки конденсаторів, утворених подвійними електричними шарами біля електродів. Це явище називають поляризацією електродів.

При проходженні через вимірювальну комірку змінного струму поляризація електродів менше впливає на точність вимірювання елек-тропровідності. Тому практично при всіх вимірюваннях електропровідності розчинів застосовують змінний струм. Електричний опір вимірювальної комірки визначається формулою:

(16.15)

де – стала вимірювальної комірки, яка залежить від площі поверхні електродів, відстані між ними та геометричної форми електродів; визначається градуюванням по зразковим розчинам з відомою електропровідністю.

Для зменшення впливу зовнішнього електромагнітного поля на результат вимірювання застосовують триелектродні комірки (рис.16.16,б), в яких середній електрод 3 розміщений між двома зовнішніми 2 і 4. Зовнішні електроди з’єднані між собою і звичайно заземлені. Такі вимірювальні комірки являють собою дві двоелектродні комірки, підключені паралельно.

З метою зменшення похибки, зумовленої поляризацією електродів, застосовують чотириелектродні вимірювальні комірки (рис.16.16,в), в яких функції підведення електричного струму до комірки і отримання сигналу вимірювальної інформації відокремлені. В чотириелектродній комірці 1 до електродів 2 і 5 підведена стабілізована напруга U від джерела змінного або постійного струму і між ними в аналізуємій рідині проходить струм. Електроди 3 і 4 – це зонди для вимірювання спада напруги U_х, який утворюється струмом між цими електродами. При вимірюванні цього спаду напруги компенсаційним методом струм в електричному колі електродів 3 і 4 практично відсутній і вони не поляризуються.

Для вимірювання опору електролітичних вимірювальних комірок застосовують зрівноважені і незрівноважені мости змінного струму. На рис.16.10 показана схема кондуктометричного солеміру. Перетворювач R_x розміщений в корпусі 1, через який протікає аналізуємий водний розчин. Для температурної компенсації застосовується металевий терморезистор R_t в чохлі 3, розміщений в аналізуємій рідині. Перетворювач R_x, резистор R_{t ,} шунт R_ш і постійні опори R, R₁ і R₂ включені в плечі незрівноваженого моста. При цьому резистор R_t підключений до електричної схеми послідовно з перетворювачем R_x , а шунт R_ш – паралельно з ним. Внаслідок того, що температурні коефіцієнти електролітів і провідників протилежні за знаком, це дозволяє при відповідному підборі значення опору R_t і опору шунта R_ш добитися постійності загального опору, підключеного до вимірювального плеча незрівноваженого моста, при змінюваннях температури в заданому інтервалі для деякого, наприклад, середнього значення концентрації компоненту в аналізуємій рідині. В наведеній схемі розбаланс моста вимірюється вольтметром 2, а резистор R_о призначений для установки початкового рівня сигналу.

В суднових умовах застосовуються комплекти показуючих і сигналізуючих солемірів, призначених для вимірювання умовного солевмісту по NaCl водних розчинів і сигналізації граничного солевмісту. Основна похибка вимірювання більшості солемірів складає 1…4 %.