Индекс Ланжелье: как понять, будет ли вода давать накипь в системе охлаждения

Накипь на трубках теплообменника — самая частая причина, по которой оборотная система теряет производительность. Миллиметр карбонатных отложений заметно ухудшает теплопередачу: растёт температура на выходе, растут расход электроэнергии и риск аварийной чистки. Предсказать, будет ли вода откладывать карбонат кальция, можно заранее, по обычному анализу воды. Для этого и придуман индекс Ланжелье.

Что показывает индекс Ланжелье

Индекс предложил американский химик Вилфред Ланжелье в 1936 году. Идея простая: для каждой воды есть pH, при котором она находится в равновесии с карбонатом кальция, — pH насыщения, pHs. Если фактический pH выше, вода пересыщена и карбонат выпадает в осадок. Если ниже — вода недонасыщена и, наоборот, растворяет карбонаты.

LSI = pH − pHs

Знак индекса показывает направление процесса, величина — насколько вода далека от равновесия:

LSI	Что происходит
ниже −2	Сильно агрессивная вода, высокий риск коррозии
от −2 до −0,5	Агрессивная вода, склонность к коррозии
от −0,5 до +0,5	Вода близка к равновесию
от +0,5 до +2	Склонность к отложениям карбоната кальция
выше +2	Сильная склонность к отложениям

Важно: индекс говорит о склонности, а не о количестве накипи и не о скорости её роста. Две воды с одинаковым LSI могут давать отложения с разной интенсивностью.

Как рассчитать индекс по анализу воды

Для расчёта нужны пять показателей: pH, температура, кальциевая жёсткость, общая щёлочность и солесодержание. Жёсткость и щёлочность берутся в мг/л в пересчёте на CaCO₃ (1 мг-экв/л = 50,04 мг/л CaCO₃).

pH насыщения считается так:

pHs = 9,3 + A + B − (C + D), где

• A = (lg[солесодержание, мг/л] − 1) / 10;
• B = −13,12 · lg(t, °C + 273) + 34,55;
• C = lg[Ca²⁺, мг/л CaCO₃] − 0,4;
• D = lg[общая щёлочность, мг/л CaCO₃].

Считать вручную необязательно: в нашем калькуляторе индексов стабильности достаточно ввести анализ — он сразу покажет LSI, индексы Ризнера, Пукориуса и Ларсона — Скольда с оценкой.

Почему в градирне индекс растёт

Здесь кроется главная ошибка: индекс считают по подпиточной воде и успокаиваются. Но в открытой оборотной системе вода испаряется, а соли остаются. Во сколько раз солесодержание оборотной воды выше, чем у подпиточной, показывает коэффициент упаривания. Одновременно в градирне из воды уходит углекислота, и pH поднимается.

Пример. Подпиточная вода: pH 7,8, кальциевая жёсткость 150 мг/л CaCO₃, щёлочность 120 мг/л CaCO₃, солесодержание 300 мг/л, 20 °C.

Вода	pH	t, °C	pHs	LSI
Подпиточная	7,8	20	7,77	+0,03
Оборотная, коэффициент упаривания 3	8,6	35	6,58	+2,02
Та же вода у стенки теплообменника	8,6	50	6,31	+2,29

Подпиточная вода почти идеальна — индекс около нуля. В оборотном контуре та же вода уже имеет индекс +2: без обработки накипь неизбежна. Поэтому:

• индекс считают по оборотной воде — по фактическому анализу или по подпиточной, умноженной на коэффициент упаривания;
• температуру берут максимальную — на выходе горячей воды из теплообменника. С ростом температуры pHs падает, и отложения начинаются именно там.

Коэффициент упаривания, продувку и подпитку для своей системы можно посчитать в калькуляторе водного баланса градирни.

Какие значения допустимы

Без реагентной обработки оборотную воду держат около равновесия — от 0 до +0,5. Это возможно только при небольшом коэффициенте упаривания, то есть при большой продувке и большом расходе свежей воды.

С ингибитором накипеобразования система работает с заметно более высоким индексом: ингибиторы на основе фосфонатов и полимерных дисперсантов не дают кристаллам карбоната кальция расти и прилипать к поверхности. В отраслевой литературе для оборотной воды приводят целевые значения около LSI +0,5 (RSI ≈ 6, PSI ≈ 6,5). Энергетический кодекс Калифорнии требует рассчитывать предельный коэффициент упаривания градирен из условия LSI не выше +2,5.

Верхнюю границу для конкретной системы определяют не только по индексу, но и по температуре теплообменников, скорости воды, содержанию кремниевой кислоты, сульфатов и железа.

Ограничения индекса: Ризнер и Пукориус

Индекс Ланжелье описывает только равновесие карбоната кальция. Он ничего не говорит о силикатных, сульфатных или фосфатных отложениях, а также о биообрастании. Кроме того, у мягкой и жёсткой воды индекс может совпасть, хотя накипи они дают разное количество.

Поэтому LSI используют вместе с другими индексами:

• Индекс Ризнера, RSI = 2·pHs − pH (1944 год). Лучше показывает интенсивность отложений: ниже 6,2 — склонность к накипи (ниже 5,5 — сильные отложения), 6,2–6,8 — равновесие, выше 6,8 — склонность к коррозии.
• Индекс Пукориуса, PSI = 2·pHs − pHeq. Вместо измеренного pH берётся равновесный, рассчитанный по щёлочности: pHeq = 1,465·lg(щёлочность) + 4,54. Удобен для упаренной воды градирен, где измеренный pH «гуляет» из-за дозирования кислоты и потери углекислоты.
• Индекс Ларсона — Скольда показывает коррозионную агрессивность хлоридов и сульфатов относительно щёлочности — то, чего индексы карбонатного равновесия не видят.

Все четыре индекса считаются одновременно в нашем калькуляторе.

Что делать, если индекс высокий

1. Проверить расчёт по оборотной воде и при температуре теплообменника, а не по подпитке.
2. Снизить коэффициент упаривания — увеличить продувку. Это работает, но стоит воды и сбрасывает в канализацию реагент.
3. Подобрать ингибитор коррозии и накипеобразования. Для открытых оборотных систем охлаждения — PUROFLOCK 110 или PUROFLOCK 41 на основе цинкового комплекса ОЭДФ: они работают в широком диапазоне pH и солесодержания и защищают сразу от накипи и от коррозии. Для оборотной воды средней и высокой жёсткости — PUROFLOCK 48 на основе полифосфатов, фосфонатов и дисперсантов (тормозит коррозию и стали, и медных сплавов) или PUROFLOCK 43. Ингибитор позволяет обойтись без многоступенчатого умягчения подпиточной воды.
4. Если накипь уже есть — сначала промыть. Ингибитор не даёт расти новым отложениям, но старые не снимает. Для кислотной промывки теплообменников и трубопроводов подходит PUROFLOCK 72: он разрыхляет плотную карбонатную накипь и удаляет продукты коррозии без механической чистки.
5. Дозировать пропорционально подпитке. Ингибитор должен держаться в системе в постоянной концентрации, а реагент, поданный «раз в смену ведром», то в избытке, то в недостатке. Дозу устанавливают по составу подпиточной воды, а для постоянной подачи подойдут станции дозирования СТОРКТЭК с насосами-дозаторами E01.
6. Контролировать. Концентрацию ингибитора проверяют по содержанию фосфора в оборотной воде, у цинковых ингибиторов — ещё и по цинку. Индекс меняется с сезоном, качеством подпитки и нагрузкой, поэтому анализ оборотной воды и пересчёт индексов делают регулярно.

Если не уверены, какой режим подходит вашей системе, пришлите анализ подпиточной и оборотной воды или заполните опросный лист по охладительным системам — подберём реагентную программу и рассчитаем расход.