Czy istnieją inne niż chemiczne metody uzdatnia wody, które nie miałyby zgubnego wpływu na środowisko naturalne, nie były rakotwórcze, niszczyły szkodliwe bakterie (Legionella), usuwały osadzony kamień i zapobiegały przed jego osadzaniem się na rurach skraplacza i wieży chłodniczej?

Rys. 1. Skraplacz z otwartym obiegiem wody chłodzącej

W praktyce chłodniczej mamy do czynienia ze skraplaczami powietrznymi, wodnymi i natryskowo-wyparnymi. Skraplacze wodne mogą być podzielone na dwie kategorie: z otwartym obiegiem wody chłodzącej (rys. 1.) i z zamkniętym obiegiem wody chłodzącej (rys. 2.). W skraplaczach z otwartym obiegiem wody chłodzącej, woda pobierana jest z sieci wodociągowej (bardzo drogie i obecnie bardzo rzadkie rozwiązanie) lub z otwartego zbiornika wodnego. Natomiast w skraplaczach z zamkniętym obiegiem wody, woda opuszczająca skraplacz przepływa do wieży chłodniczej, gdzie następuje jej wychłodzenie i wychłodzona woda wraca do skraplacza.

Przebieg zmian temperatury wody chłodzącej skraplacz obrazuje rysunek 3. Średnia temperatura skraplania czynnika w skraplaczu wodnym jest zależna od temperatury wody wpływającej do skraplacza i jej masowego natężenia przepływu, które jest stałe dla danego typu skraplacza. Z reguły projektant skraplacza stara się utrzymać temperaturę wody chłodzonej na jak najniższym, możliwym z praktycznego punktu widzenia, poziomie. Wynika to z faktu, że im niższa temperatura skraplania czynnika, tym niższe ciśnienie tłoczenia, niższy pobór mocy przez sprężarkę i wyższa sprawność układu chłodniczego. W praktyce, woda opuszczająca wieżę chłodniczą powinna być schłodzona od 3 do 6°C poniżej temperatury termometru wilgotnego powietrza, tłoczonego przez wentylatory do wieży. Wynika to z faktu, że za niska temperatura wody wpływającej do skraplacza ma niekorzystny wpływ na ciśnienie tłoczenia sprężarki i samą sprężarkę. Ważnym zagadnieniem jest ilość wody krążącej w skraplaczu (masowe natężenie przepływu wody przez skraplacz), które nie powinno być niższe niż 0,7 m3/godz. na każde 3500 W wydajności skraplacza. Wartość ta jest najlepszą wielkością z ekonomicznego punktu widzenia i bilansuje energię niezbędną do napędu pompy wodnej oraz sprężarki chłodniczej. Należy pamiętać, że zbyt duże masowe natężenie przepływu wody przez skraplacz powoduje wzrost szybkości przepływu wody, która prowadzi do erozji rur skraplacza, szczególnie w miejscach zmiany kierunku przepływu wody. Z tego też powodu, szybkość przepływu wody przez skraplacz wodny powinna być niższa niż 3 m/s.

Rys. 2. Skraplacz z zamkniętym obiegiem wody

Zadaniem projektanta instalacji chłodniczej oraz obsługi jest utrzymanie zużycia energii elektrycznej przez sprężarki, skraplacze wodne i skraplacze wyparne na możliwie najniższym poziomie. Prowadzi to bezpośrednio do wniosku, że musimy utrzymać jak najniższą temperaturę skraplania czynnika chłodniczego, bez doprowadzenia do problemów związanych z ruchem instalacji chłodniczej. A więc powinniśmy:
• utrzymać jak najczystszą powierzchnię wymiany ciepła poprzez właściwe przygotowanie wody chłodzącej skraplacz i utrzymanie jej parametrów na właściwym poziomie,
• stosować kontrolę wydajności wież chłodniczych, co pozwoli na obniżenie zużycia energii przez wentylatory, wymuszające ruch powietrza,
• dobrać skraplacz i wieżę chłodniczą o wystarczająco dużej powierzchni wymiany ciepła, aby zapewnić wymagane dochłodzenie czynnika chłodniczego na wypływie ze skraplacza,
• zabezpieczyć skraplacz przed gromadzeniem się nieskraplających się gazów (np. powietrze), które powodują wzrost ciśnienia skraplania).

Najważniejszym jednak elementem utrzymania wysokiej sprawności energetycznej skraplacza oraz wieży chłodniczej jest właściwe i staranne przygotowanie wody chłodzącej skraplacz. Ogólne zasady przygotowania wody dla skraplaczy i wież chłodniczych (...)

Jonizacyjne uzdatnianie wody
W tym momencie powinniśmy zadać sobie pytanie, czy istnieją inne niż chemiczne metody uzdatnia wody, które nie miałyby zgubnego wpływu na środowisko naturalne, nie były rakotwórcze, niszczyły szkodliwe bakterie (Legionella), usuwały osadzony kamień i zapobiegały przed jego osadzaniem się na rurach skraplacza oraz wieży chłodniczej. I, co bardzo ważne, ta odmienna metoda uzdatniania wody powinna być dużo tańsza w eksploatacji od dotychczas stosowanych środków i metod.

W latach 60. Amerykańska Agencja Lotów Kosmicznych (NASA) rozpoczęła prace nad wprowadzeniem jonizacji wody i jej odpadów dla statku kosmicznego Apollo. Wynikiem tych prac było opracowanie, wyprodukowanie i zastosowanie w lotach kosmicznych jonizatorów do uzdatniania wody. Pierwszy jonizator miał wagę 270 g i rozmiary pudelka papierosów. Pozytywne wyniki zastosowania jonizatorów wody w lotach kosmicznych zachęciły placówki naukowo badawcze i laboratoria do dalszych prac badawczych nad jonizacją wody, który to proces po raz pierwszy został z sukcesem zastosowany w instalacji chłodniczej na początku lat 90. Okazało się, że użycie na jonizator płytek wykonanych z miedzi, srebra lub stopu miedzi i srebra, daje najlepsze efekty. Warto nadmienić, że jedną z dużych zalet jonizacji miedzią, jest to, ze jony miedzi są bardzo stabilne i charakteryzuje je długa żywotność w wodzie. Długa żywotność jonów miedzi w wodzie zapewnia całkowite nasycenie systemu wodnego (w naszym przypadku, systemu wodnego chłodzenia skraplaczy) jonami miedzi. Jonizacja miedzią powoduje całkowite zniszczenie organizmów żywych, takich jak: algi, bakterie, wirusy i pierwotniaki, poprzez niszczenie zewnętrznej ścianki komórek. W czasie procesu jonizacji wody, poza jonami miedzi lub srebra tworzą się jony wodoru. Jony wodoru usuwają kamień kotłowy drogą niskiego poziomu elektrolizy. Bazując na badaniach, stwierdzono, że najlepsze wyniki wyeliminowania alg, bakterii, wirusów i pierwotniaków, a także zabezpieczenia rur skraplacza i wieży chłodniczej przed osadzaniem się kamienia daje utrzymanie pH wody pomiędzy 7,4 i 8,4, a poziomu miedzi pomiędzy 0,7 ppm i 1,0 ppm.

Rys. 6. Przykład odpadów zebranych na dnie wanny wieży chłodniczej po 8 tygodniach pracy jonizatora

Korzyści wynikające z jonizacji wody dla skraplaczy i wież chłodniczych
Omawiany poniżej system jonizacji wody posiada certyfikaty niezależnych Agencji i Labolatoriów. Pozwolę sobie przytoczyć tylko kilka z nich: NASA, EPA, M&G Instrumentation Service, Analitycal Environmental Service International, University of Pittsburg. Wszystkie te instytucje są zlokalizowane w USA. Na podstawie badań laboratoryjnych i jonizatorów zainstalowanych w rzeczywistych instalacjach chłodniczych stwierdzono, że jonizacja wody przynosi następujące korzyści dla jego użytkowników:
• niszczy bakterie, wirusy, algi i pierwotniaki; jest szczególnie efektywna w niszczeniu bakterii Legionella; rozpuszcza kamień; redukuje zużycie wody o około 95 proc.; eliminuje całkowicie chemikalia; zdecydowanie obniża koszty pracy instalacji chłodniczej ze skraplaczami wodnymi; obniża zużycie energii przez sprężarki chłodnicze; nie wymaga kłopotliwego i częstego serwisu instalacji wodnej, a więc jej obsługi; wydłuża żywotność sprężarek przez obniżenie ciśnienia tłoczenia czynnika chłodniczego; eliminuje zrzut wody (blow down); eliminuje szkodliwy wpływ chemikaliów na zdrowie i środowisko naturalne; eliminuje szkodliwy wpływ chemikaliów na lokalne źródła wody;
• pH i przewodność elektryczna wody są monitorowane przez całą dobę; eliminuje kłopotliwe chemiczne i ręczne czyszczenie skraplaczy.

Jak wcześniej wspomniałem, między płytkami jonizatora (rys. 5.) przepływa niskonapięciowy prąd, wytwarzający jony miedzi i wodoru, które są bardzo stabilne w wodzie, zapewniając układowi jego całkowite nasycenie jonami. Generalnie, osad na rurach skraplacza jest pochodzenia mineralnego, głównie węglanu wapniowego (CaCO3) i magnezu (Mg). Osad może również zawierać związki pochodzenia nieorganicznego, takie jak krzemionka i dwutlenki krzemu, jak również pochodzenia organicznego, takie jak: algi, bakterie i wirusy. Przedstawiony na rysunku 5. jonizator produkuje jony wodoru (H+), które wiążą się chemicznie z węglanem wapnia (CaCO3), tworząc węglan wapniowy (CaHCO3), który jest rozpuszczalny w wodzie. Węglan wapniowy ponownie reaguje z jonem wodoru: CaHCa3 + H+ → Ca2 + HCO3. Związki te osiadają na dnie wanny wieży chłodniczej (rys. 6.). Jest to wynikiem reakcji jonów wodoru z kamieniem osadzonym na rurach skraplacza wodnego. Reakcja ta całkowicie oczyszcza rury skraplacza z osadzonego na nich kamienia. Działanie jonów miedzi ma nieco inny przebieg. Jony miedzi (jak i srebra) niszczą głównie organizmy żywe. Pozytywne działanie jonów miedzi/srebra jest szczególnie wyraźnie widoczne w wieży chłodniczej (rys. 7. i 8.). Na rysunku 7. przedstawiona jest wieża chłodnicza przed zainstalowaniem jonizatora. Wyraźnie widać różnego rodzaju narosty, szczególnie algi, glony i narosły kamień. Natomiast na rysunku 8. przedstawiona jest ta sama wieża chłodnicza po 5 tygodniach pracy jonizatora. Widać na nim, jaki wpływ na organizmy żywe i kamień ma połączone działanie jonów wodoru i miedzi. Bazując na pomiarach i obserwacjach skraplaczy wodnych i wież chłodniczych, można stwierdzić, że średnio już po 4 tygodniach są widoczne zmiany w układzie wodnym skraplaczy. Po 8 tygodniach pracy jonizatora skraplacze oraz wieże chłodnicze są całkowicie pozbawione wszelkiego rodzaju niepożądanych „narostów” na rurach skraplacza i powierzchniach wież chłodniczych. Zalecane jest usuwanie zanieczyszczeń, które gromadzą się w wannach wież chłodniczych po pierwszych 8 tygodniach pracy jonizatora. Po tym czasie, w około 80 proc. przypadków, skraplacze wodne i wieże chłodnicze odzyskują pełną sprawność cieplną. Oczywiście efekty pracy jonizatora i czas odzyskania przez układ pełnej sprawności cieplnej zależą od zanieczyszczenia układu kamieniem, algami i pierwotniakami.

Rys. 7. Wygląd wieży chłodniczej przed zainstalowaniem jonizatora

Układy chłodnicze z zainstalowanymi jonizatorami (...)

Efekty ekonomiczne pracy jonizatora (...)

Rys. 12. Układ przebiegu rur w jonizatorze wraz ze skrzynką zwierającą zainstalowany jonizator (na dole skrzynki górnego rysunku), jego elementy sterującopomiarowe i przebieg rur wodnych

Wnioski i zalecenia
Po pierwsze, należy przeanalizować stan techniczny naszej instalacji chłodniczej ze skraplaczami chłodzonymi wodą. Niezbity jest fakt, że każda instalacja ze skraplaczami chłodzonymi wodą, których utrzymanie w ruchu zależy od środków chemicznych, wymaga wymiany skraplaczy po okresie około 12 do 15 lat pracy. Średni koszt skraplacza wodnego (zależny od ich wydajności) zawiera się w granicach od 25 do 55 tys. euro, a często i więcej. Mając również ten koszt na uwadze, należy bardzo poważnie pomyśleć o zazaniechaniu stosowania szkodliwych dla zdrowia i środowiska środków chemicznych i zastąpienia ich jednym lub kilkoma jonizatorami. Ilość jonizatorów zależy od konstrukcji układu chłodzenia i zasilania skraplaczy. Jeżeli nasz układ chłodniczy ma – tak jak w powyższym przykładzie – jedną pompę wodną, zasilającą kilka skraplaczy i jedną wieżę chłodniczą, wówczas wystarcza jeden jonizator o dużej wydajności. Jeżeli natomiast mamy kilka skraplaczy i każdy z nich ma własną pompę i wieżę chłodniczą, wówczas potrzebny jest jeden jonizator na każdy skraplacz/ wieżę chłodniczą.

Widoczne efekty pracy jonizatora będą nam znane już po pierwszych 4 do 6 tygodni i zależą od stopnia zanieczyszczenia układu wodnego.

Zdaję sobie sprawę z faktu, że ze względu na stosowanie chemikaliów przez wiele lat, nabraliśmy do nich swoistego „zaufania” i trudno nam myśleć, że jonizator jest dużo lepszym oraz oszczędniejszym rozwiązaniem. Poza tym, przy stałym stosowaniu chemikaliów, w przypadku awarii, nikt nie jest w stanie zarzucić osobie odpowiedzialnej za utrzymanie w ruchu instalacji chłodniczej, że został popełniony błąd. Nie lubimy zmian i zbytniego ryzyka. W tym jednak przypadku wyeliminowanie środków chemicznych i zastąpienie ich jonizatorem nie przynosi żadnego ryzyka. Wynika to z faktu, że zainstalowany jonizator może pracować z układem wodnym, w którym pozostawiliśmy chemikalia i sole. Po pewnym czasie, zostaną one usunięte z układu obiegu wody i zgromadzą się, wraz z rozpuszczonym kamieniem, na dnie wanny wieży chłodniczej.

LITERATURA
[1] Materiały firmy ChemFreePro – www. ChemFreePro.com
[2] LIN Y. E., VIDIC R. D., LANDEN I. K., YAHYA M. T., GERBA C. P.: Efficacy of copper and silver ions and reduced levels of free chlorine in inactivation of legionella pnemophila. Applied and Environmental Microbiology. Vol. 55. 1989.
[3] Legionella: Human Health Criteria Documents. EPA. November 1999.
[4] PITA E. G.: Refrigeration Principles and Systems. Business News Publishing Company. Troy. Michigan, 1991.
[5] STOUT J. E., YU V. L: Experience of the first 16 hospitals using copper – silver ionization for legionella control. Infection Control and Hospital Epidemiology. Vol. 24. 2003.
[6] Non-Chemical Technologies for Scale and Hardness Control. The US Department of Energy. January 1998.