Wyzwania w uzdatnianiu wody chłodzącej

Co oznacza pojęcie „obieg chłodniczy”?

Na początek wyjaśnijmy, co oznacza pojęcie „obieg chłodniczy”. Obieg chłodniczy to zamknięty lub otwarty układ urządzeń, w którym cyrkuluje czynnik chłodzący. W jego skład wchodzą przede wszystkim rurociągi rozdzielcze, pompy obiegowe, chłodnice oraz wymienniki ciepła. Zadaniem płynu chodzącego, który przepływa przez te urządzenia, jest odprowadzanie nadmiaru ciepła z procesów technologicznych.

W większości przypadków płynem chłodzącym jest właśnie woda, a aby obieg chłodzący spełniał prawidłowo swoją funkcję, konieczne jest jej uzdatnianie.
Rozróżniamy dwa podstawowe typy obiegów chłodniczych:

• przepływowy, w którym woda chłodząca wykorzystywana jest tylko raz;
• cyrkulacyjny, w którym woda chłodząca krąży w obiegu zamkniętym, przez co jest wykorzystywana wielokrotnie w procesach chłodzenia.

Systemy chłodzenia cyrkulacyjnego dzielimy również na obiegi zamknięte ciśnieniowo i otwarte ciśnieniowo. W obiegach tych stosuje się wieże chłodnicze, skraplacze, parowniki, sprężarki, chłodnice atmosferyczne i oczywiście wymienniki. Jakość wody chłodzącej znacząca wpływa na pracę, wydajność oraz żywotność tych urządzeń.

Wymagania dotyczące jakości wody chłodzącej

Parametry wody w obiegach przemysłowych muszą spełniać rygorystyczne normy. Wymagania jakościowe dotyczą zarówno wody będącej już w obiegu, jak i wody dodawanej do obiegu w celu uzupełnienia strat wynikających z odparowania lub odpływu.

Zapewnienie prawidłowej jakości wody jest niezbędne dla zapewnienia prawidłowej pracy urządzeń. Woda wykorzystywana w obiegach chłodniczych powinna być klarowna, pozbawiona mętności oraz cząstek stałych. Jej odczyn pH powinien mieścić się w optymalnym zakresie od 6,5 do 8,5. Innymi ważnymi parametrami jakości wody chłodzącej jest jej twardość oraz zasłonienie.

Najczęstsze problemy związane z jakością wody chłodzącej

Mineralizacja wody

Pierwszym problemem jest zbyt wysoka mineralizacja wody. Wysoka zawartość węglanów wapnia i magnezu, a także innych soli, takich jak chlorki i siarczany, wpływa na tworzenie osadów, które blokują przepływ wody, a także zmniejszają wydajność urządzeń.

Podgrzewanie wody chłodzącej w wysokiej mineralizacji stanowi duże ryzyko dla układu chłodzenia. W podgrzanej wodzie dochodzi do tzw. przesunięcia równowagi wapniowo-węglanowej w kierunku wydzielania soli – przede wszystkim węglanu wapnia.

Osady wapnia i magnezu tworzą warstwę izolacyjną (tzw. kamień kotłowy), która według niektórych obliczeń, już przy grubości 1 mm może powodować spadek wydajności wymiany ciepła nawet o 50%. Z biegiem czasu warstwa osadów powiększa się do tego stopnia, że urządzenie chłodnicze może całkowicie stracić swoją funkcję.

Sole te są najczęściej pochodzenia naturalnego, z podłoża skalnego. Jednak ich źródłem może być również dodatkowe zanieczyszczenie.

Korozja instalacji

Drugim wyzwaniem związanym z minerałami zawartymi w wodzie chłodzącej jest ich korozyjny wpływ na urządzenia. Obecny w wodzie tlen i jony chlorkowe działają korozyjnie zarówno na żelazo, jak i na metale kolorowe i ich stopy. Korozja więc dotyczy każdego rodzaju metali, również metali szlachetnych i ich stopów, na przykład miedzi lub mosiądzu.

Zagrożenia mikrobiologiczne

Trzecim wyzwaniem w kontekście jakości wody chłodzącej jest rozwój glonów, pleśni, grzybów oraz bakterii. Systemy chłodzenia zapewniają idealne warunki dla rozwoju mikroorganizmów. Woda jest bogata w składniki odżywcze, a jej temperatura często mieści się w zakresie optymalnym dla rozwoju wielu gatunków bakterii. Obiegi te są doskonałym środowiskiem zarówno dla organizmów tlenowych, jak i beztlenowych.

Osady powstające na ściankach instalacji sprzyjają tworzeniu się biofilmów, które stanowią warstwę ochronną dla mikroorganizmów. Podobnie jak osady wapienne czy produkty korozji, biofilm zmniejsza wydajność wymiany ciepła. Przyjmuje się, że śluzowata powłoka o grubości zaledwie 1 mm powoduje spadek wydajności urządzenia o 20 do 25%.

Konsekwencje nieprawidłowej jakości wody chłodzącej

Jednym ze skutków nieprawidłowej jakości wody chłodzącej, jest już wcześniej wspominany spadek wydajności urządzenia przez powstające osady i produkty korozji. Aby zapewnić prawidłowy proces chłodzenia przy zmniejszonej wydajności urządzeń, najczęściej należy zwiększyć przepływ wody chłodzącej, co oznacza zwiększenie wydajności pompy. Wiąże się to z większym obciążeniem pomp oraz wzrostem zużycia energii elektrycznej.

Poza aspektami ekonomicznymi należy również pamiętać o bezpośrednim zagrożeniu dla zdrowia publicznego. Największa epidemia legionellozy we Francji miała swoje źródło właśnie w obiegu chłodzącym z wieżą chłodniczą. W 2004 roku, w mieście Pas-de-Calais zmarło 18 osób, które zaraziły się bakterią Legionella rozprzestrzeniającą się wraz z aerozolem z wieży chłodniczej zakładu petrochemicznego.

Uzdatnianie wody chłodzącej

Uzdatnianie wody chłodzącej można podzielić na dwie części: zmianę jej parametrów fizykochemicznych (np. poprzez procesy zmiękczania, usuwania niepożądanych jonów czy demineralizację) oraz dozowanie środków chemicznych. Do tych środków chemicznych należą inhibitory korozji, środki sekwestrujące, dyspergatory i środki biobójcze. Ich głównym zadaniem jest ochrona instalacji przed korozją, osadami oraz rozwojem mikroorganizmów.

Należy podkreślić, że dozowanie środkó4. chemicznych wymaga fachowej kontroli, a uzdatniona woda musi podlegać regularnej i dokładnej analizie jakościowej. Do monitorowanych parametrów należą przede wszystkim odczyn pH, twardość ogólna, przewodność elektryczna oraz zawartość chlorków, żelaza i siarczanów.

Jak ograniczyć tworzenie się osadów?

Do wody chłodzącej dodaje się środki chemiczne zawierające substancje zapobiegające wytrącaniu się osadów mineralnych, w szczególności węglanu wapnia (CaCO3). Najczęściej stosuje się związki na bazie polifosforanów oraz kwasów fosfonowych. Ich działanie polega na stabilizowaniu jonów twardości w wodzie, co uniemożliwia im wytrącanie się do postaci stałej, a tym samym tworzenie kamienia kotłowego.

Jak zapobiegać korozji?

Jedną z metod ochrony instalacji jest dozowanie do wody inhibitorów korozji. W przeszłości stosowano głównie chromiany oraz związki cynku, obecnie dominują organiczne inhibitory korozji.

Jak ograniczyć sedymentację osadu?

W celu zapobiegania osadzaniu się zanieczyszczeń, do wody chłodzącej dodaje się dyspergatory. Powodują one, że nierozpuszczone cząstki uzyskują taki sam ładunek elektryczny i zaczynają się wzajemnie odpychać. Dzięki temu pozostają w zawieszeniu, co zapobiega ich sedymentacji na powierzchniach instalacji.

Jako dyspergatory mogą służyć substancje naturalne, takie jak garbniki (taniny), lignina (aromatyczny polimer będący składnikiem drewna) lub skrobia. Alternatywą są syntetyczne polimery na bazie poliestrów lub poliacrylanów.

Jak zapobiegać powstawaniu biofilmów i namnażaniu się bakterii?

Aby zapobiec rozwojowi mikroorganizmów, stosuje się biocydy nieutleniające, będące mieszaninami substancji organicznych oraz biocydy utleniające (np. związki chloru, bromu, nadtlenki czy dwutlenek chloru). W celu zapewnienia pełnej ochrony zazwyczaj stosuje się oba rodzaje środków w odpowiedniej kombinacji. Zaletą biocydów nieutleniających jest ich niska korozyjność oraz mniejsza toksyczność.
Bardzo skutecznym i popularnym biocydem utleniającym jest dwutlenek chloru (ClO2). Substancja ta posiada szereg zalet w porównaniu z innymi środkami biobójczymi. Charakteryzuje się lepszą rozpuszczalnością w zimnej wodzie oraz wysoką skutecznością nawet w wodzie o odczynie zasadowym.

Uzdatnianie wody chłodzącej za pomocą elektrolizy

Wnioski

Nieprawidłowa jakość wody chłodzącej prowadzi do korozji urządzeń, tworzenia się osadów i biofilmów, w których rozmnażają się mikroorganizmy. Wszystkie te zjawiska prowadzą do izolacji powierzchni wymiany ciepła, większego zużycia energii, a ostatecznie do utraty funkcjonalności całego systemu chłodzenia.

Jedynym z uniwersalnych i ekologicznych rozwiązań jest instalacja elektrolitycznej stacji uzdatniania wody KEUV-CV. Metody chemiczne polegające na dozowaniu środków chemicznych, również mają na celu zapobieganie niepożądanym zjawiskom. Jest to jednak rozwiązanie nie wpisujące się w ekologiczną politykę firm i zakładów produkcyjnych.

Zapewnienie prawidłowego procesu uzdatniania wody chłodzącej oraz regularnej kontroli jej jakości jest elementem strategii zapewnienia urządzeniom odpowiedniej wydajności oraz żywotności. Inwestycja w technologie uzdatniania to krok w stronę bezpieczeństwa, ekologii i ekonomii.