Właściwe parametry pracy agregatów chłodniczych i klimatyzacyjnych zapewnia profesjonalny serwis. Jak pokazuje praktyka, powinien on także obejmować usuwanie osadów eksploatacyjnych z powierzchni wymiany ciepła poprzez chemiczne czyszczenie.

W teorii przygotowania wody w obiegach chłodniczych i klimatyzacyjnych znajduje odzwierciedlenie pogląd, że jej uzdatnienie zapobiega tworzeniu się osadów eksploatacyjnych. Jednak praktyka serwisowa wskazuje, że pogląd ten nie jest do końca słuszny. Świadczy o tym fakt, iż firmy wykonujące usługi chemicznego czyszczenia wodnych obiegów chłodniczych mają się coraz lepiej, zwłaszcza w czasie kryzysu, gdy inwestorzy kalkulują koszty szczególnie starannie.

Mechanizm powstawania osadu
Osady kamienia wodnego, ze względu na duże ciepło parowania, najszybciej tworzą się w recyrkulacyjnych obiegach chłodniczych, gdzie efekt chłodzenia uzyskuje się w wyniku odparowania części wody. Jednak odparowanie wody oraz ciągłe uzupełnianie powoduje jej zatężanie, co z kolei skutkuje przekroczeniem iloczynów rozpuszczalności niektórych zawartych w niej związków. Wynikiem jest wytrącanie się osadów. Ze względu na liczne zanieczyszczenia, osady te nie są zazwyczaj jednorodne.
W wodzie chłodniczej występują następujące zanieczyszczenia:
• Mechaniczne organiczne i nieorganiczne, które w czasie filtrowania są zatrzymywane na bibule filtracyjnej;
• Koloidalne, przechodzące przez bibułę filtracyjną, które mogą łączyć się z cząsteczkami wody, tworząc tzw. hydraty;
• Cząsteczkowodyspersyjne, głównie rozpuszczone w wodzie sole i gazy oraz niektóre substancje organiczne. Najczęściej występujące sole to: sole wapniowe, siarczany wapnia, chlorek wapnia, sole magnezu, sole żelaza i manganu, sole sodowe i potasowe, krzemionka oraz krzemiany. Natomiast główne zanieczyszczenia gazowe wody stanowią: azot, tlen i dwutlenek węgla;
• Bakteriologiczne i organizmy żywe np. glony, bakterie, małże, ptasie pióra i odchody, które nie zostały zatrzymane przez filtry.

Frakcje węglanu wapnia mogą powstawać zarówno ze skłonności wytrącania osadów pod wpływem zmian temperatury, która ma wpływ na rozpuszczalność CaCO₃, jak i zmiany pH wody, co narusza równowagę węglanowo-wapniową i powoduje strącanie CaCO₃ lub jego rozpuszczanie. Węglan wapnia może krystalizować się w trzech formach: kalcytu, aragonitu i waterytu. W większości przypadków w instalacjach chłodniczych powstaje węglan wapnia w formie kalcytu i monohydratu, ponieważ krystalizacja aragonitu następuje w temperaturze powyżej 60°C. Na proces krystalizacji ma także wpływ przesycenie roztworu, jak również obecność jonów magnezu.
Jedną z pożądanych właściwości wody w obiegach chłodniczych jest jej stabilność, tj. właściwość polegająca na tym, że woda nie wytrąca ani nie rozpuszcza węglanu wapnia. Jednak w warunkach obiegu wodnego np. skraplacza natryskowo-wyparnego zachowanie stabilności jest praktycznie niemożliwe, ponieważ woda chłodnicza ma temperaturę około 30°C, natomiast gorące rurki wężownicy skraplacza mogą mieć temperaturę nawet 50÷60°C, co powoduje dogodne warunki tworzenia się na nich osadu kamienia wodnego. Sprzyja temu także zjawisko zatężania jonów soli w wodzie obiegowej, na skutek jej odparowania.

Uzdatnianie wody w układach otwartych
Praktyka wielu chemicznych czyszczeń obiegów wodnych w instalacjach oraz agregatach chłodniczych i klimatyzacyjnych, zrealizowanych przez PPH KAMIX Sp. J., wskazuje, że w zależności od jakości wody, powstają różne osady eksploatacyjne. Należy przy tym obiektywnie zauważyć, iż dzieje się tak niezależnie od faktu, czy woda została uzdatniona, czy też nie. Różnice, które występują, dotyczą raczej skutków w postaci określonych osadów, które zaburzając przepływ ciepła, obniżają parametry pracy i zwiększają koszty energetyczne.
Ilustracją tej tezy są rysunki 1. i 2. Na rysunku 1. widać skraplacz zakamieniony łatwo roztwarzalnym osadem z wody surowej, natomiast na rysunku 2. jest skraplacz schładzany wodą zmiękczoną, ale zakamieniony wyjątkowo trudno roztwarzalnym osadem z dużą zawartością krzemianów i siarczanów. Widoczne są ślady skuwania przecinakiem twardych fragmentów kamienia, pobieranych do badań symulacyjnych.
Jednak problem osadów eksploatacyjnych nabiera rzeczywistego znaczenia dopiero podczas ich usuwania. Wówczas istotne staje się prozaiczne pytanie – jaki jest koszt czyszczenia układu i w jakim stopniu uzyskany efekt pokryje te koszty oraz, dodatkowo, wygeneruje spodziewane oszczędności?
Znam wiele przypadków, gdy po 3–4 latach eksploatacji nowych, wydajnych skraplaczy natryskowo-wyparnych BAC, w wyniku ich całkowitego zakamienienia osadem nieroztwarzalnym w niskiej temperaturze roztworu jedynym rozwiązaniem była bardzo kosztowna wymiana wszystkich pakietów rurek części ciśnieniowej. W innym przypadku, w jednej z największych maszynowni chłodniczych w Polsce, w wyniku znacznego zakamienienia powierzchni rurek skraplaczy amoniakalnych i wzrostu temperatury skraplania, silniki elektryczne sprężarek pracowały pod zdecydowanie większym obciążeniem niż nominalne, co spowodowało skrzywienie ich wałów i pękanie fundamentów maszynowni.
Należy zaznaczyć, że w przeciwieństwie do zjawiska tworzenia i sposobów usuwania kamienia kotłowego w energetyce oraz ciepłownictwie, w układach wymiany ciepła w chłodnictwie istotne jest odstąpienie od złożonych systemów uzdatniania wody. Wynika to z faktu, że im czystsza woda występuje w obiegu1, tym twardszy kamień z niej powstanie. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że zwiększa się wówczas procentowa zawartość tych składników, do roztworzenia których wymagana jest wyższa temperatura roztworów czyszczących, nie tylko kwaśnych, lecz i alkalicznych2. Dodatkowo, przy uwzględnieniu faktu, że większość otwartych obiegów wodnych wykonana jest ze stali ocynkowanej, łatwo narażonej na zniszczenie podczas chemicznego czyszczenia z zastosowaniem nieodpowiednich preparatów3, problem staje się bardzo poważny. Ponadto, w odróżnieniu od podobnych osadów, występujących w kotłach parowych w układach chłodniczych (np. wieżach i skraplaczach wyparnych), niemożliwe jest wykonanie czyszczenia polegającego na zanurzeniu zakamienionych fragmentów urządzenia w cyrkulowanych roztworach, a jedynie ich zraszanie. To znacząco zmniejsza skuteczność usuwania osadu oraz wydłuża czas czyszczenia i jego koszt. Pojawiają się także problemy technologiczne samego czyszczenia, np. wpływ wyższej temperatury roztworu czyszczącego, przyśpieszającej reakcję roztwarzania, w opozycji do jednoczesnego wzrostu prędkości ubytku ocynku oraz szybszego odparowania kwasów i inhibitorów korozji.
Tezę, zgodnie z którą proponuje się zaprzestania uzdatniania wody w otwartych obiegach chłodniczych, potwierdza praktyka wielu przeprowadzonych chemicznych czyszczeń, gdzie osady powstałe z wody nieuzdatnionej, były łatworoztwarzalne. Nie wchodząc w szczegóły, wynika to z warstwowej struktury osadów. Gdy większość masy kamienia tworzą osady łatworoztwarzalne w roztworach kwaśnych, stanowiące często nawet 70 proc. całości, wówczas ich szybkie usunięcie burzy całą konstrukcję, która narosła np. na rurkach skraplacza. Wówczas duża część osadu, także ta nieroztwarzalna w kwasach, w postaci luźnych płatków, wypłukiwana jest z układu, a więc usuwana mechanicznie
Aby zilustrować ten problem, na rysunku 3. przedstawiono strukturę osadu kamienia wodnego, który powstał mimo właściwej pracy stacji uzdatniania wody typu jonitowego.
W warstwie kamienia o grubości 11 mm zidentyfikować można aż sześć różnych typów kamienia wodnego. Uwzględniając zatem fakt, iż mimo zmiękczania wody osady i tak powstają, w tempie około 0,5 mm na rok, koszt usunięcia osadu kamienia z wody niezmiękczonej jest znacznie niższy. Ponadto, porównując koszty usuwania osadu powstałego z wody uzdatnionej, należy uwzględnić koszt amortyzacji SUW oraz regeneracji złoża jonitowego solą tabletkową, powiększony o koszt serwisu samej stacji.

Możliwe oszczędności (...)

Kamień wodny w układach zamkniętych (...)

Podsumowując temat, warto zauważyć, że serwis urządzeń oraz instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych ma sens tylko wówczas, gdy obok sprawdzenia automatyki, następuje oczyszczenie z osadu powierzchni wymiany ciepła. Wówczas prawdą jest to, że usuniecie warstwy kamienia wodnego o grubości 0,6 mm, powodującego wzrost wydajności cieplnej skraplacza o 25 proc., przy jednoczesnym obniżeniu temperatury skraplania, co skutkować będzie zmniejszeniem zużycia energii elektrycznej przez silniki sprężarek o 2÷4 proc. na 1 K, a także zmniejszeniem obciążenia i stopnia zużycia urządzeń, a więc wydłużenia ich resursów.
Artykuł ten stanowi jedynie wprowadzenie do problemu usuwania osadów eksploatacyjnych. W kolejnych częściach zostaną zaprezentowane sprawdzone i bezpieczne sposoby wykonania chemicznych czyszczeń różnych złożonych instalacji oraz urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych.

LITERATURA
[1] T. HAJDUK: Woda w obiegach chłodzących skraplacze urządzeń chłodniczych.
[2] H. JACKMANN: Fürstenfeldbruck. Güntner AG & Co. KG. (tłumaczenie A. GIRDWOYŃ, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska).
[3] Ł. MIKA, W. ZALEWSKI: Właściwości fizyczne i termodynamiczne lodu binarnego (zawiesinowego). Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna. Vol. 9, No 3. ss. 87–91. 2002.
[4] T. SZYMURA, K. POMORSKA: Zastosowanie modelu chłodnicy wyparnej do badań inkrustacji. Katedra Technologii Chemicznej. Politechnika Lubelska
[5] Zdjęcia Leszek ZIÓŁKOWSKI

AUTOR:
Leszek ZIÓŁKOWSKI
– kierownik Działu Chemicznych Czyszczeń w PPH KAMIX Sp. J.