VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Цель работы:

1. Изучение правил безопасной эксплуатации электродных котлов и водонагревателей.

2. Экспериментальное определение солесодержания воды и ознакомление с методиками ее нормализации.

Введение

Известно, что работа электродных электронагревательных установок (далее ЭНУ) зависит от наличия в воде растворенных солей, кислот и щелочей. Эти растворенные вещества диссоциируют на ионы и от их наличия зависит проводимость воды. Проводимость воды принято оценивать при температуре 20⁰ с. (σ₂₀) – сименс на метр.

На практике чаще используют обратную проводимости величину – удельное сопротивление воды при 20⁰ с. – ρ₂₀, Ом·м.

Удельное сопротивление воды разных источников (скважина, водоем, колодец) может существенно отличаться. Вода одного источника в различные периоды года нередко имеет разные значения удельного сопротивления. Диапазон значений удельного сопротивления воды при 20⁰ с разных источников по литературным данным составляет от 10 Ом·м до 100 Ом·м.

Правила технической эксплуатации (ПТЭ) и Правила техники безопасности (ПТБ) предписывают для безопасной эксплуатации электродных котлов и водонагревателей (наряду с другими требованиями) следующее:

Мощность работающих электродных котлов не должна превышать номинальную. Для этого удельное электрическое сопротивление воды должно находиться в пределах, указанных в паспорте котла.

Мощность электродных ЭНУ находится в обратной зависимости от удельного сопротивления воды. Для большинства ЭНУ номинальная мощность, указанная в технической характеристике, рассчитана для воды с удельным электрическим сопротивлением равным 3000 Ом·м при 20⁰ с. При ином сопротивлении воды мощность ЭНУ отличается от номинальной. Допустимый предел изменения ρ₂₀ составляет 1000…5000 Ом·м. Если ρ₂₀ ниже 1000 Ом·м, то работа ЭНУ недопустима из-за чрезмерного увеличения плотности тока на электродах и возможного образования гремучего газа. При большой величине ρ₂₀ мощность ЭНУ резко снижается. Так, например, у котла КЭВЗ мощностью 25 кВт при величине ρ₂₀ = 5000 Ом·м мощность котла составляет всего 5 кВт.

Включение электродных ЭНУ без предварительного определения электропроводности воды может привести к аварии. В процессе эксплуатации ЭНУ необходимо периодически контролировать удельное электрическое сопротивление воды. Это необходимо делать для ЭНУ, работающих на замкнутый контур (без разбора воды) и для ЭНУ, работающих на разомкнутый контур (с разбором воды).

Если в результате измерений электропроводности воды оказалось, что ее удельное сопротивление больше, чем указано в паспорте ЭНУ, то в систему следует добавить любую из перечисленных солей: тринатрий фосфатная (Na₃PO₄), глауберову соль, техническую соду (Na₂SO₄) или в крайнем случае поваренную соль (NaCl) (увеличивает накипь).

При низком значении удельного сопротивления добавляют дистиллированную или дождевую воду.

Количество соли или дистиллята, необходимых для доведения удельного электрического сопротивления воды до нормы, определяется расчетом на основании измерения уровня общей минерализации (солесодержания) воды. Такая методика нормализации удельного сопротивления воды приведена ниже.

В действующих электродных ЭНУ нормализация удельного сопротивления воды осуществляется расчетом на основании показаний электроизмерительного прибора.

При высоком удельном сопротивлении воды потребляемая мощность будет меньше номинальной. Количество соли, которое необходимо добавить в систему на каждый кубометр воды рассчитывают по формуле, г/м³:

где I_ф – номинальный ток (фазный), А;

I_ф.ф. – фактическое значение тока, А.

Если удельное сопротивление воды меньше требуемого, то в систему добавляют на каждый кубометр дождевой или дистиллированной воды, л/м³:

Следует иметь в виду, что некоторые модификации электродных ЭНУ в зависимости от исполнения пакета фазных электродов рассчитаны на ρ₂₀ не 3000 Ом·см, а на другие значения и эти значения обязательно указываются в технической характеристике.

Оборудование работы

1. Прибор COM-100 (рис. 1) – предназначен для измерения уровня общей минерализации (солесодержания), электропроводности и температуры воды.

2. Весы лабораторные типа ВЛР-200 или ВЛТК-500 – для взвешивания расчетного количества соли или дистиллированной воды.

3. Емкости для воды на 1, 2 или 3 литра.

Техническая характеристика COM-100:

1.  

   • диапазон измерения электропроводности (0…9990) μС (микросименс);

   • диапазон измерения минерализации (0…8560) ppm (количество частиц растворенных в воде веществ на миллион) или в мг/л (количество растворенных в воде веществ на литр). 1 ppm = 1 мг/л;

   • диапазон измерения температуры (0…80) ⁰с.

Рис. 1. Прибор COM-100 для измерения уровня общей минерализации (солесодержания), электропроводности и температуры воды

Показания измеряемых величин отражаются на дисплее COM-100. Ниже дисплея расположены три кнопки. Верхняя кнопка ON/OFF осуществляет включение и выключение прибора. Средняя кнопка TEMP/CAL предназначена для калибровки прибора. Пользоваться ею при выполнении лабораторной работы запрещается, так как это может привести к нарушению выполнения калибровки изготовителем прибора. Калибровка прибора является довольно сложной и требует приготовления специальных калибровочных растворов.

Нижняя кнопка HOLD/MODE обеспечивает выполнение нескольких функций:

1. При продолжительном нажатии кнопки осуществляется автоматическое переключение между режимами измерения электропроводности и солесодержания. Текущее значение переключаемого режима отображается в верхней части дисплея символами ppm (слева) и μS (справа). Одновременно при нажатой кнопке происходит переключение символов KCl, 442, NaCl – это профили режима измерения:

KCl – для проведения измерений в воде, где преимущественное содержание солей калия;

NaCl – для проведения измерений в воде, где преимущественное содержание солей натрия;

442 – стандарт, соответствующий свойствам природной воды с содержанием 40 % бикарбоната соды, 40 % сульфата соды и 20 % хлоридов.

При отпускании нажатой кнопки HOLD/MODE прибор автоматически останавливается на выбранном режиме и профиле измерений.

При измерениях нижнюю часть прибора COM-100 погружают в воду.

2. Кратковременное одноразовое нажатие на кнопку HOLD/MODE приводит к фиксации численных значений измеряемых величин - температуры воды и ее электропроводности или минерализации. Эти цифровые значения сохраняются на дисплее при извлечении нижней части прибора из воды.

Режим фиксации отображается в нижней левой части дисплея мигающим прямоугольным штрих-кодом.

При повторном кратковременном нажатии кнопки HOLD/MODE прибор возвращается в исходное состояние. Мигание штрих-кода прекращается.

Порядок выполнения работы

1. Налить в емкость воды (1, 2 или 3 литра).

2. Ознакомиться с описанием прибора COM-100 и правилами работы на нем при проведении измерений.

3. Измерение электропроводности воды.

3.1. Снять с прибора защитный колпачок закрывающий электроды.

3.2. Включить прибор, нажав кнопку ON/OFF.

3.3. Включить режим измерения электропроводности природной воды. Для этого нажать кнопку HOLD/MODE и удерживать ее до тех пор, пока на экране дисплея не появятся символы μS и 442.

3.4. Опустить нижнюю часть прибора в емкость с водой. (Слегка помешать нижней частью прибора в емкости с водой для удаления пузырьков воздуха от электродов).

3.5. Измерения осуществлять в течение 30 секунд. Затем, не вынимая прибор из воды, кратковременно нажать кнопку HOLD/MODE. Мигающий в нижней левой части дисплея штрих-код сообщит о том, что на дисплее зафиксированы измеренные величины.

3.6. Извлеките прибор из воды и запишите в табл. 1 значения температуры и электропроводности.

Показания приборов Таблица 1.

Измеряемые величины	Измерения
	1	2	3	4	5
температура воды t, 0с
электропроводность воды γ, мкСм/см

3.7. Нажмите кратковременно кнопку HOLD/MODE, возвратив прибор в исходное состояние.

3.8. Стряхните оставшуюся воду и оботрите нижнюю часть прибора сухой тряпкой.

3.9. Повторите измерения, начиная с пункта 3.4. Результаты измерений необходимо записать в табл. 1. Для получения достоверного результата измерений обычно требуется 3-х кратная их повторность. Температура воды за время измерений практически не изменится. Если значения трехкратных измерений электропроводности значительно отличаются, то следует выполнить 5 измерений. В дальнейших расчетах из пяти измерений не используют наибольшее и наименьшее из полученных результатов и находят среднее значение электропроводности по трем оставшимся измерениям.

3.10. Выключите прибор нажатием кнопки ON/OFF и закройте нижнюю часть прибора колпачком.

4. Измерение общей минерализации воды

4.1. Измерения проводить в той же емкости и с тем же объемом воды, который был в предыдущем опыте.

4.2. Выполните действия, указанные в пунктах 3.1 и 3.2.

4.3. Выберите режим измерения минерализации воды. Для этого нажмите кнопку HOLD/MODE и удерживайте ее до тех пор, пока на экране дисплея не появятся символы ppm и 442. При их появлении нажатую кнопку отпустите.

4.4. Выполните действия по пунктам 3.4 – 3.9. Данные измерений запишите в табл. 2.

Данные измерений Таблица 2.

Измеряемые величины	Измерения
	1	2	3	4	5
t, 0с
ppm

Расчет удельного сопротивления воды при 20 ⁰с (ρ₂₀)

Из табл. 1 определите среднее значение электропроводности и температуры:

; .

Рассчитайте усредненное удельное сопротивление воды при расчетной средней температуре, Ом·см:

.

Пересчитайте усредненное удельное сопротивление ρ_ср на удельное сопротивление при 20 ⁰с, Ом·см:

.

Расчет общей жесткости воды

Расчет выполните двумя методами:

1) по показаниям минерализации воды измеренной прибором COM-100;

2) по измеренной прибором COM-100 электропроводности воды.

Метод оценки общей жесткости воды по минерализации дает приблизительное представление об общей жесткости воды. Показания прибора и показатели жесткости воды связаны соотношением

1 мг. экв./л = 50,05 ppm.

За расчетное значение ppm возьмите из табл. 2 усредненную из трех измерений величину, предварительно исключив максимальное и минимальное значения измерений (если они существенно отличаются).

Метод оценки общей жесткости воды по электропроводности является более точным, так как электропроводность воды зависит от количества растворенных в воде солей. Эта зависимость представлена графически (рис. 2) на основе анализа образцов природных вод.

На оси ординат указаны значения удельной электропроводности (микросименс на сантиметр)? полученные в результате измерения прибором COM-100.

На оси абсцисс – градусы общей жесткости (по зарубежной классификации).

Рис. 2. Зависимость электропроводности от жесткости воды

По измеренному среднему значению электропроводности, γ_ср найдите из графика соответствующее этому значению градус общей жесткости и пересчитайте его из условия

1 мг. экв./л = 2,804 dH (градус жесткости)

Расчет потребности соли для нормализации электропроводности воды

Если измеренное значение удельного сопротивления воды окажется больше нормированного для электродного водонагревателя , то необходимо в воду добавлять соль.

Нормированное значение удельного сопротивления воды и формула используемой соли выбираются по табл. 3 в соответствии с порядковым номером бригады.

Таблица 3.

Номер бригады	1	2	3	4	5
, Ом·см	2000	2500	3000	3500	4000
формула используемой соли	NaCl	Na3PO4	NaCl	Na3PO4	NaCl

Расчет производится в следующем порядке:

1. Рассчитайте электропроводность воды соответствующую нормированному значению (табл. 3) удельного сопротивления , мкСм/см:

.

2. По графику (рис. 2) найдите соответствующие градусы жесткости воды и переведите их в мг. экв./л.

3. Найдите разность между требуемым х_н и фактическим х_ф солесодержанием воды, мг. экв./л.:

.

4. Количество соли С в мг/л зависит от молекулярной массы соли:

для поваренной соли, NaCl: С = Δх·58,5; для тринатрийфосфата, Na₃PO₄: С = Δх·164

Расчет потребности дистиллята для нормализации электропроводности воды

Если измеренные значения удельного сопротивления воды окажется меньше нормированного для электродного водонагревателя, , то необходимо в воду добавлять расчетное количество дистиллированной или дождевой воды.

Расчет проводится в следующем порядке:

1. Определите требуемое х_н и фактическое х_ф солесодержание воды, мг. экв./л.

2. Рассчитайте потребное количество дистиллированной воды с помощью графического правила «креста», применяемого в химии для получения растворов требуемых концентраций.

По правилу «креста» требуемое солесодержание записывают в месте пересечения двух линий. Слева записывают солесодержание исходных растворов. Вдоль каждой из линий вычитают меньшее число из большего. Полученные разности записывают у свободных концов тех же линий справа. Численные значения этих разностей показывают какое количество массовых частей каждого компонента (соответственно «верхнего» и «нижнего») надо взять, чтобы после их смешивания получить итоговый раствор требуемого солесодержания.

Применение этого правила рассмотрим на конкретном примере:

Фактическое солесодержание воды по данным измерений составляет 4,3 мг. экв./л. Расчетное солесодержание должно быть 2,8 мг. экв./л., что соответствует нормированному значению удельного сопротивления воды .

Следуя правилу «креста»,

получаем, что для нормализации солесодержания на 2,8 массовые части минерализованной (жесткой) воды требуется 1,5 массовые части дистиллированной воды.

Проверка электропроводности «нормализованной» воды

1. Рассчитать потребное количество соли для исследуемого объема воды (1, 2 или 3 литра).

2. Взвесить расчетное количество соли и тщательно размешать его в объеме воды до полного растворения.

3. Измерить прибором COM-100 электропроводность воды и рассчитать удельное сопротивление воды при 20 ⁰с.

4. Сделать выводы по работе и рассчитать погрешность полученного результата.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Задание к работе.

3. Таблицы опытных данных.

4. Расчеты и пояснения к ним.

5. Выводы по работе.

Вопросы для самопроверки

1. Почему для электродных ЭНУ необходимо обеспечивать указанное в паспортных данных значение удельного сопротивления воды?

2. В каких единицах измеряется жесткость воды?

3. Как рассчитать необходимое количество соли для уменьшения удельного сопротивления воды?

4. Как и почему изменяется удельное сопротивление воды с увеличением ее температуры?

5. Почему вода различных источников имеет разную электропроводность?

6. Как пользоваться правилом «креста» при расчете количества дистиллированной воды для изменения электропроводности воды в электродных ЭНУ?

7. Как изменится мощность электродной ЭНУ если сопротивление воды изменилось (а. увеличилось; б. уменьшилось) на 20 %?

Код для цитирования: Скопировать