Файл: Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие.pdf

§ 2. Вода и ее очистка

Вода замерзает при 0° и при этом примерно на 10% увеличивается в объеме. Образующийся лед давит на стенкй системы охлаждения, что может привести к разруше­ нию двигателя и радиатора. Поэтому при эксплуатации двигателей в холодное время года во время стоянок перио­ дически приходится прогревать двигатель, а при длитель­ ных остановках — сливать воду из системы охлаждения. Вода при нормальном давлении кипит при 100°. Неболь­ шая разница между температурой кипения воды и опти­ мальной температурой в системе охлаждения (80—85°) также создает ряд дополнительных трудностей при эк­ сплуатации двигателей, так как наблюдаются большие потери воды при ее испарении. Это особенно сильно ска­ зывается при перегрузках двигателя и его работе в высоко­ горных районах, где из-за снижения барометрического давления вода кипит при более низких температурах.

Наличие в воде растворенных газов и некоторых солей вызывает коррозийное разрушение металлов и сплавов. Высокой коррозийной активностью обладают кислород, углекислый газ и сероводород, поэтому пользоваться во­ дой из источников нельзя. Основное наиболее неприятное свойство воды— возможность образования накипи и шламов в системе охлаждения. Накипь уменьшает се­ чение каналов, имеет в 10—15 раз меньшую теплопровод­ ность, чем металл, что ухудшает отвод тепла. Чем плотнее и тверже слой накипи, чем больше ее высота, тем сильнее нарушается тепловой режим двигателя и больше расхо­ дуется топлива и смазочных материалов. Интенсивность образования накипи связана с физико-химическими свой­ ствами используемой воды и тенлонапряженностыо дви­ гателя.

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 (0 2,С 02, N2). Эта вода может за­ грязняться и другими примесями, находящимися в воз­ духе.

По своим свойствам поверхностные воды бывают прес­ ные (реки, пруды, озера, болота) и соленые (моря, океаны). В пресных водах количество примесей зависит от грунта

329

и пород, где находится водоем. Обычно в речной воде боль­ ше растворенных солей, а в воде болот и прудов — орга­ нических 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 раститель­ ных и животных организмов. От механических примесей воду очищают отстоем или фильтрацией. Если по внеш­ нему виду вода мутная, то в ней содержатся очень мел­ кие взвеси (частицы) — до 0,1 мкм, освободиться от которых отстоем и фильтрацией нельзя. Такую воду под­ вергают коагуляции, т. е. добавляют небольшое количество

Сложнее освободиться от примесей, если они находятся в растворенном состоянии в виде ионов или молекул. В ра­ створенном состоянии могут находиться многие соли (угле­ кислые, 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.

‘Ж е с т к о с т ь в о д ы. Общей жесткостью воды называется суммарное содержание в ней ионов кальция и магния. Жесткость воды измеряется в миллиграмм-экви­ валентах па литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л жесткости соот­ ветствует содержанию 20,04 мг/л кальция (Са2+) или

12,16 мг/л магния (Mg2+).

Различают общую, карбонатную (временную) и некар­ бонатную (постоянную) жесткость. Общая жесткость Ж о обусловливается содержанием в воде всех солей каль­

330

Mg—[Са(НС03)2 И Mg(IIC03)2l. Эти соли при температуре выше 80—85° разлагаются и выпадают в осадок в виде накипи и шлама. Реакции протекают по следующей схеме:

количества растворенных в воде солей: хлористых (СаС12, MgCl2), сернокислых (CaS04, MgS04) и кре.мнекислых (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 под­ считать по формуле:

ция 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 щелоч­ ность Що, которую также выражают в мг-экв/л. Щелоч­ ность воды зависит от количества всех растворенных бикар­ бонатов (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 приравни­ вают к карбонатной жесткости, но это неправильно. Ще­ лочность воды определяется всеми бикарбонатами, содер­ жащимися в воде, а карбонатная жесткость — только би­ карбонатами 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.

331

В котлах высокого давления можно использовать толь­ ко 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 филь­ трации для освобождения от взвешенных механических примесей. Воды средней жесткости и жесткие нужно пред­ варительно умягчить. Если этого нс сделать, потребуются постоянное наблюдение за системой охлаждения и ее очи­ стка от накипи. Если систему охлаждения двигателей за­ полнять жесткой водой, то потребуется не только удалять накипь, но при этом будет наблюдаться перегрев двигателя, перерасход топлива и другие нежелательные явления.

Умягчение воды. Известны различные методы умягче­ ния воды, их выбирают в зависимости от свойств природной воды и тех требований, которые предъявляются к ее ка­ честву. Наиболее простой способ умягчения воды — ее предварительное кипячение, при этом основная масса со­ лей карбонатной жесткости разлагается и выпадает в оса­ док. Прокипяченную воду нужно профильтровать через плотную ткань для удаления выпавших осадков и фильтро­ ванной водой заполнить систему охлаждения двига­ теля.

Имеются многочисленные химические способы умягче­ ния воды. К жесткой воде добавляют (предварительно рас­ считанное) количество химических реагентов. Все соли как карбонатной, так и некарбонатной жесткости переводят в осадок, которьга удаляют отстаиванием или фильтрацией. Известно много реагентов, с помощью которых соли жест­ кости переводятся в осадки: умягчение с помощью раство­ ров соды (Na2C03) низвести [Са(ОН)2], широко применяет­ ся трипатрийфосфат (безводный) (Na3P 0 4), его добавляют в количестве 55 мг на каждый мг-экв/л жесткости. Исполь­ зуют гексаметофосфат [(NaP03)e] и другие реагенты.

Наиболее распространены сравнительно новые методы ионного обмена, например катиоиитовьш метод. Катио­ нитами называются вещества, которые могут обменивать свои катионы на катионы солей жесткости. Известны Naкатионирование и Н-катионирование, в первом случае катионы жесткости Са и Mg обмениваются на катионы Na, а во втором — на катионы водорода. При этих спо­ собах умягчения накипь не образуется, но в первом случае повышается щелочность воды, так как в умягченной воде

332

накапливается много легкорастворимых солей натрия, а во втором — кислотность из-за накопления водородных катионов.

Для умягчения применяют активные смолы и полиме­ ры, характеризующиеся сильной адсорбционной способно­ стью по отношению к катионам (пластмассы на основе фор­ мальдегида и фенола) или к анионам (пластмассы на ос­ нове формальдегида и мочевины). При обработке жесткой воды такими ионитами легко получить дистиллированную воду, из морской воды — питьевую, можно опреснить и очистить сильно засоленные воды.

Методы подготовки воды (химические, ионный обмен), применяемые на тепловых станциях, требуют специаль­ ного оборудования, высокой квалификации обслуживаю­ щего персонала, химических реагентов, что затрудняет их внедрение в условиях сельского хозяйства. Имеющиеся более простые методы — умягчение воды настоем сена, золы, золеной травы и др. — несовершенны, поэтому в практике эксплуатации машинно-тракторного парка ши­ рокого распространения не имеют, несмотря на очевидную необходимость умягчения воды.

Для условий сельского хозяйства может быть перспек­ тивным метод магнитной обработки воды, сущность ко­ торого сводится к пропуску воды через силовые линии магнита или электромагнита. При этом соли жесткости, образующие накипь, выделяются в виде твердой фазы — шлама, который легко удалить фильтрацией воды.

Несмотря на простоту метода и более чем десятилетнее его применение, существуют противоречивые мнения о его эффективности, так как при умягчении одних вод резуль­ таты хорошие, а других нет. По-видимому, это объясняется тем, что до сих пор нет достаточно убедительных теорети­ ческих представлений о механизме действия магнитного поля на умягчаемую воду. Нашими и зарубежными уче­ ными разработан ряд гипотез, большинство из которых утверждает, что магнитное поле действует на ионы солей, растворенных в воде, происходит их поляризация, спо­ собствующая образованию центров кристаллизации.

Работами Е. Ф. Табепихина, Б. Т. Гусева [18] показа­ но, что при магнитной обработке воды для снижения кар­

При практическом применении магнитной обработки это обстоятельство обычно не учитывалось, что и приводило к

333

разным результатам. Магнитная обработка эффективна, если вода нестабильна, т. е. пересыщена по карбонату каль­ ция (С02своб< С 0 2еавнов).

С 1962 г. в ГОСНИТИ проводятся большие разносто­ ронние работы по магнитной обработке воды для предот­ вращения накипеобразования в системах охлаждения тракторных двигателей. Исследования по разработке, соз­ данию и эксплуатационной проверке аппаратов для маг­ нитной обработки воды показали очень хорошие результа­ ты. При эксплуатации тракторов, системы охлаждения ко­ торых заполнялись природной водой с общей жесткостью до 10 мг-экв/л, после 1200 мото-часов работы двигателя накипь практически отсутствовала. А если в системе ох­ лаждения накипь имелась до испытаний, то она постепенно размягчалась и подвергалась эрозии.

В1968—1969 гг. И. Ф. Домниковым и др. разработан

ипринят на серийное производство магнитный аппарат ГОСНИТИ-1 для предупреждения образования накипи в тракторных и комбайновых двигателях. При установке

аппарата необходимо учитывать, что эффективность маг­ нитной обработки зависит от многих факторов: напряжен­ ности и зоны воздействия магнитного поля, жесткости во­ ды, концентрации свободной углекислоты, времени обра­ ботки, температуры, скорости пересечения водой магнит­ ных силовых линий и др. Правильно подобранный и отлаженный режим работы аппарата позволяет полностью освободиться от накопления накипи.

Если нет возможности использовать в системе охлажде­ ния мягкую воду, то можно непосредственно в двигатель вводить присадки, предотвращающие образование накипи. В этом случае широко используется хромпик (К2Сг20 7). При жесткости воды 8—9 мг-экв/л его добавляют до 10 г на 1 л воды. Эффективны фосфаты натрия (NaP03)6 и Na3P 04. Эти вещества переводят накипеобразующие соли Са и Mg в рыхлые осадки, циркулирующие вместе с водой и легко удаляемые при промывке системы охлаждения. Кроме того, некоторые присадки на поверхности деталей образуют оксидные пленки, предохраняющие металл от коррозии.

Следует помнить, что в системе охлаждения одну и ту же воду без присадок нужно использовать возможно более длительное время и реже ее сливать. После промывки си­ стемы охлаждения в нее нужно опять заливать ту же воду (слитую), так как накипь, образовавшаяся при первом

S34

использовании воды, в дальнейшем уже увеличиваться не будет (если не добавлять жесткую воду).

Удаление накипи. Несмотря на множество способов и рекомендаций по удалению накипи, быстро и легко осу­ ществимых нет. Легче предупредить образование накипи, чем удалять ее из системы охлаждения. Рекомендуемые способы основаны на разрушении образовавшихся нера­ створимых в воде солей накипи и их частичном переводе в растворимые соли. Используют различные растворы ще­ лочей, соляной кислоты и соды. Наиболее распространен­ ные составы и время обработки приведены в таблице 33.

Обычно при удалении накипи снимают с двигателя тер­ мостат и заливают систему охлаждения выбранным раст­ вором. Лучше использовать молочную кислоту — она не корродирует металл. Наиболее разрушающе на металл действует соляная кислота, поэтому ею можно пользо­ ваться только в крайних случаях. Раствор в двигателе выдерживают заданное время, затем прогревают двигатель и дают ему проработать 15—20 мин. Раствор сливают, а си­ стему охлаждения тщательно промывают водой для уда­ ления образовавшегося шлама.

335