Das Kesselhaus

Bevor die Kesselabschlammung besprochen und verstanden werden kann, ist es erforderlich, eine Definition für Wasser in Zusammenhang mit seinen Verunreinigungen und damit verbundenen Begriffen wie Härte, pH-Wert etc. festzulegen.

Wasser ist der wichtigste Rohstoff auf der Erde. Es ist eine Grundvoraussetzung für Leben, wird für das Transportwesen genutzt und speichert Energie. Es wird auch das „universelle Lösungsmittel“ genannt.

Reines Wasser (H₂0) ist in seinem reinen Zustand geschmack-, geruch- und farblos; dies ist jedoch sehr selten. Alle natürlichen Wasser beinhalten unterschiedliche Arten und Anteile an Verunreinigungen.

Gutes Trinkwasser ist nicht zwangsläufig gutes Kesselspeisewasser. Die Mineralien in Trinkwasser werden vom menschlichen Körper ohne Weiteres aufgenommen und sind für dessen Wohlbefinden sehr wichtig. Kessel kommen damit aber weniger zurecht, und dieselben Mineralien werden Schäden in einem Dampfkessel verursachen, wenn man zulässt, dass sie noch vorhanden sind.

97 % des Weltwasserbestands befindet sich in den Ozeanen und ein wesentlicher Teil davon ist in den Polargletschern gespeichert – nur 0,65 % stehen für den häuslichen und industriellen Gebrauch zur Verfügung.

Dieser geringe Anteil wäre schnell verbraucht, wenn es den Wasserkreislauf nicht gäbe (siehe Abbildung 3.9.1). Nach der Verdunstung wandelt sich das Wasser zu Wolken um, welche auf ihrem Weg teilweise kondensieren und als Regen zurück auf die Erde fallen.

Dennoch ist es falsch anzunehmen, dass Regenwasser rein sei; auf seinem Weg zur Erde nimmt es Fremdstoffe wie Kohlendioxid, Stickstoff und – in Industrieregionen –Schwefeldioxid auf.

Mit diesen Bestandteilen angereichert durchdringt das Wasser die oberen Erdschichten bis zum Grundwasserspiegel oder fließt über die Erdoberfläche und löst und sammelt dabei zusätzliche Verunreinigungen.

Diese Verunreinigungen können auf Wärmeübertragungsflächen Ablagerungen bilden, welche

• Metallkorrosion verursachen können.
• die Wärmeübertragungsmengen reduzieren, was zu Überhitzung und Verlust der mechanischen Festigkeit führt.

Tabelle 3.9.1 listet die technischen und allgemein verwendeten Namen der Verunreinigungen, ihre chemischen Symbole und ihre Auswirkungen auf..

Brauchwasserqualität und seine regionalen Unterschiede

Die Wasserqualität kann sich in Abhängigkeit vom Wasserursprung und vorhandenen Mineralien von einer Region zur anderen erheblich unterscheiden (siehe Abbildung 3.9.2). Tabelle 3.9.2 zeigt ein paar typische Werte für verschiedene Regionen in einem relativ kleines Land wie Großbritannien.

Die üblichen Verunreinigungen in Brauchwasser können wie folgt eingeteilt werden:

• Gelöste Feststoffe – Dies sind Substanzen, die sich in Wasser lösen. Die wichtigsten sind die Karbonate und Sulfate von Kalzium und Magnesium, welche bei Erwärmung Kesselstein bilden.
  Es gibt auch andere gelöste Feststoffe, welche keinen Kesselstein bilden.
  In der Praxis sollten alle Salze, die im Dampfkessel Kesselstein bilden, chemisch umgewandelt werden, so dass sie Schwebstoffe oder Schlamm anstelle eines Belages erzeugen.
• Schwebstoffe – Dies sind Substanzen, die in Wasser als suspendierte Partikel vorkommen.
  Sie sind normalerweise mineralischen oder organischen Ursprungs.
  Diese Substanzen stellen im Allgemeinen kein Problem dar, da sie herausgefiltert werden können.
• Gelöste Gase – Sauerstoff und Kohlendioxid können leicht in Wasser gelöst werden.
  Diese Gase sind aggressive Korrosionsinitatioren.
• Schlammbildende Substanzen – Dies sind mineralische Verunreinigungen, die Schaum oder Schlamm bilden.
  Ein Beispiel dafür ist Natron in Form eines Karbonats, Chlorids oder Sulfats.

Die Menge der vorhandenen Verunreinigungen ist sehr gering und sie wird normalerweise in allen Wasseranalysen als Teile pro Million (parts per million/ppm), als Gewicht oder alternativ in Milligramm pro Liter (mg/l)) dargestellt.

Die folgenden Abschnitte in diesem Modul beschreiben die Eigenschaften von Wasser.

Härte

Wasser wird entweder als „hart“ oder „weich“ bezeichnet. Hartes Wasser beinhaltet Kesselsteinbildende Verunreinigungen, wohingegen in weichem Wasser davon wenig oder keine enthalten sind. Der Unterschied ist leicht bei der Wirkung von Wasser auf Seife zu erkennen. Mit hartem Wasser ist viel mehr Seife erforderlich, um Schaum zu erzeugen, als mit weichem Wasser.

Die Härte wird durch das Vorhandensein der Mineralsalze von Kalzium und Magnesium verursacht, und es sind dieselben Mineralien, welche die Bildung von Kesselstein begünstigen.

Es gibt zwei gebräuchliche Klassifizierungen der Härte:

• Karbonat-Härte (auch bekannt als temporäre Härte) – Kalzium und Magnesiumbikarbonat verursachen Karbonat-Härte. Die in Wasser gelösten Salze bilden eine alkalische Lösung. Wenn Wärme angewendet wird, lösen sie sich auf, um Kohlendioxid und Ablagerungen oder Schlamm freizusetzen. Der Ausdruck „temporäre Härte“ wird manchmal deswegen verwendet, da die Härte beim Kochen beseitigt wird. Dieser Effekt kann oftmals als Ablagerung im Inneren eines Wasserkochers betrachtet werden.

Siehe Abbildungen 3.9.3 und 3.9.4 - letztere stellt die Situation im Kessel dar.

• Nichtkarbonat-Härte und Karbonate (auch als permanente Härte bekannt) – Diese beruht auch auf dem Vorhandensein der Salze von Kalzium und Magnesium, aber in Form von Sulfaten und Chloriden. Diese fallen auf Grund ihres mit steigender Temperatur reduzierten Lösungsvermögens aus der Lösung aus und bilden harten Kesselstein, der nur schwer zu entfernen ist.
  
  Zusätzlich kann das Vorhandensein von Kieselsäure im Kesselwasser auch zu hartem Kesselstein führen, welcher mit den Kalzium- und Magnesiumsalzen reagieren kann und Silikate bildet, welche die Wärmeübertragung über die Flammrohre stark behindern und eine Überhitzung verursachen können. 

Gesamthärte

Die Gesamthärte ist nicht als eine Art von Härte zu verstehen, sondern als Summe der vorhandenen Konzentrationen von Kalzium- und Magnesiumionen, wenn sie beide als CaCO3 dargestellt werden. Wenn das Wasser alkalisch ist, ist ein Teil dieser Härte gleich der Menge der gesamten Alkalität und wird auch als CaCO3 dargestellt. Sie wird als alkalische Härte bezeichnet und der Rest als nicht alkalische Härte (siehe Abbildung 3.9.5).

Salze, die keinen Kesselstein bilden

Nicht harte Salze wie beispielsweise Natriumsalze sind ebenfalls vorhanden und wesentlich löslicher als die Salze von Kalzium und Magnesium, weswegen sie, wie in Abbildung 3.9.6 dargestellt, im Allgemeinen keinen Kesselstein bilden.

Vergleichseinheiten

Wenn sich Salze in Wasser lösen, bilden sie elektrisch geladene Teilchen, welche Ionen genannt werden. 

Die metallischen Teilchen (Kalzium, Natrium, Magnesium) kann man als Kationen bezeichnen, da sie von der Kathode angezogen werden und positive elektrische Ladungen tragen. 

Anionen sind nichtmetallisch und tragen negative Ladungen - Bikarbonate, Karbonate, Chloride, Sulfate werden von der Annode angezogen. 

Jede Verunreinigung wird normalerweise als chemischer Gegenwert zu Kalziumkarbonat ausgedrückt, welches ein Molekulargewicht von 100 besitzt.

pH-Wert

Ein weiterer zu berücksichtigender Begriff ist der pH-Wert; dabei handelt es sich nicht um eine Verunreinigung oder einen Bestandteil, sondern nur um einen Zahlenwert, welcher den potentiellen Wasserstoffgehalt von Wasser darstellt – er ist eine Maßzahl für den sauren oder alkalischen (basische) Zustand des Wassers. Wasser, H₂O, besteht aus zwei Arten von Ionen - Wasserstoffionen(H+) und Hydroxidionen (OH-). 

Wenn die Wasserstoffionen überwiegen, ist die Lösung sauer mit einem pH-Wert zwischen 0 und 6. Wenn die Hydroxidionen überwiegen, ist die Lösung alkalisch mit einem pH-Wert zwischen 8 und 14. Wenn die gleiche Anzahl an Hydroxid- und Wasserstoffionen vorhanden ist, dann ist die Lösung neutral bei einem pH-Wert von 7. 

Säuren und Basen bewirken, dass die Leitfähigkeit von Wasser über die einer neutralen Probe ansteigt. Zum Beispiel wird eine Wasserprobe mit einem pH-Wert von 12 eine höhere Leitfähigkeit als eine Probe mit einem pH-Wert von 7 haben. 

Die Tabelle 3.9.3 zeigt eine pH-Aufstellung und Abbildung 3.9.7 gibt die bereits erwähnten pH-Werte sowohl zahlenmäßig als auch im Bezug auf alltägliche Stoffe wieder.