Вода как охлаждающая жидкость
Свойства воды. Количество растворенных в воде солей, органических веществ и газов, ее цвет, прозрачность и запах зависят от происхождения. Так, атмосферная вода (снеговая, дождевая) наиболее чистая, в ней отсутствуют растворенные соли и органические вещества, но всегда есть растворенные газы (02, С02, N2). Эта вода может загрязняться и другими примесями, находящимися в воздухе.
По своим свойствам поверхностные воды бывают пресные (реки, пруды, озера, болота) и соленые (моря, океаны). В пресных водах количество примесей зависит от грунта и пород, где находится водоем. Обычно в речной воде больше растворенных солей, а в воде болот и прудов — органических веществ. Воды морей и океанов содержат очень большое количество растворенных солей. В грунтовых или подземных водах, как правило, больше растворенных солей, чем в поверхностных. Количество солей зависит от состава пород, почв, через которые проникает вода.
Качество природных вод определяется содержанием различных примесей, которые могут находиться в виде механических взвесей, коллоидов или истинных растворов. Размеры механических примесей в воде от долей микрона и больше; это пылинки, песчинки, ил, остатки растительных и животных организмов. От механических примесей воду очищают отстоем или фильтрацией. Если по внешнему виду вода мутная, то в ней содержатся очень мелкие взвеси (частицы) — до 0,1 мкм, освободиться от которых отстоем и фильтрацией нельзя. Такую воду подвергают коагуляции, т. е. добавляют небольшое количество коагулянтов (сернокислый алюминий, хлорное железо и др.), под действием которых коллоидные частицы образуют хлопья, легко осаждающиеся при отстаивании.
Сложнее освободиться от примесей, если они находятся в растворенном состоянии в виде ионов или молекул. В растворенном состоянии могут находиться многие соли (углекислые, сернокислые, хлористые и др.), различные газы, органические вещества. Действие растворенных веществ разное: одни безвредны, другие вызывают образование накипи, некоторые корродируют металл. Пригодность воды для обеспечения бытовых и производственных нужд зависит от качества и количества содержащихся в ней веществ.
Жесткость воды. Общей жесткостью воды называется суммарное содержание в ней ионов кальция и магния. Жесткость воды измеряется в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л кальция (Са2+) или 12,16 мг/л магния (Mg2+).
Различают общую, карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную) жесткость. Общая жесткость Ж0 обусловливается содержанием в воде всех солей кальция и магния, т. е. Ж0 — это сумма карбонатной Жк и некарбонатной Жнк жесткостей (Жо = Жк + Жнк).
Карбонатная жесткость зависит от количества растворенных в воде двууглекислых солей Са и Mg—[Ca(HC03)2 и Mg(HC03)2b Эти соли при температуре выше 80—85° разлагаются и выпадают в осадок в виде накипи и шлама. Реакции протекают по следующей схеме:
Некарбонатная жесткость зависит от количества растворенных в воде солей: хлористых (СаС12, MgCl2), сернокислых (CaS04, MgS04) и кремнекислых (CaSi03, MgSi03). Эти соли при кипячении воды в осадок не выпадают, если их концентрация не превышает предела насыщения. Общую жесткость воды (мг-экв/л) можно подсчитать по формуле:
,
где Са2+ и Mg2+ — содержание в литре воды ионов кальция и магния в миллиграммах (мг/л).
Вода считается мягкой, если в ней содержится солей до 3 мг-экв/л, средней жесткости — от 3 до 6 мг-экв/л и жесткой — более 6 мг-экв/л.
Раньше жесткость воды выражалась в градусах. Один градус жесткости соответствовал содержанию 10 мг окиси кальция или 7,19 мг окиси магния в 1 л воды: 1 мг-экв/л соответствует 2,804 градуса жесткости.
Кроме жесткости воды, часто определяют ее щелочность Щ0, которую также выражают в мг-экв/л. Щелочность воды зависит от количества всех растворенных бикарбонатов (не только Са и Mg, но и Na), а также некоторых солей слабых органических кислот, называемых гуматами. Обычно щелочность природных вод обусловливается содержанием в них бикарбонатов и гуматов.
Иногда бикарбонатную щелочность воды приравнивают к карбонатной жесткости, но это неправильно. Щелочность воды определяется всеми бикарбонатами, содержащимися в воде, а карбонатная жесткость — только бикарбонатами Са и Mg, поэтому общая щелочность воды больше карбонатной жесткости. При кипячении воды соли Na, К и слабых органических кислот остаются в растворе, в осадок выпадают только соли Са и Mg. На разложении бикарбонатов Са и Mg основано определение карбонатной жесткости и щелочности.
В котлах высокого давления можно использовать только воду, не содержащую растворенных солей. В двигателях внутреннего сгорания и паросиловых установках низкого давления нужно использовать мягкую воду, в этом случае почти не образуется отложений накипи. Мягкие воды перед заполнением котла и двигателя нужно подвергнуть фильтрации для освобождения от взвешенных механических примесей. Воды средней жесткости и жесткие нужно предварительно умягчить. Если этого не сделать, потребуются постоянное наблюдение за системой охлаждения и ее очистка от накипи. Если систему охлаждения двигателей заполнять жесткой водой, то потребуется не только удалять накипь, но при этом будет наблюдаться перегрев двигателя, перерасход топлива и другие нежелательные явления.