O sprawności całego układu klimatyzacji decyduje głównie czystość powierzchni wymiany ciepła płyt wymiennika, który energię chłodu skumulowaną w medium po stronie pierwotnej, przekazuje do układu strony wtórnej i dalej do innych urządzeń. Systematyczne czyszczenie znacznie zwiększa zarówno przepływ medium, jak i obniża straty energetyczne podczas przepływu ciepła.

Specyfika płytowego wymiennika ciepła
W układach chłodzenia, ze względu na niewielką różnice temperatury medium po stronie niskich i wysokich parametrów (od kilku do kilkunastu stopni), zachodzi konieczność stosowania wymienników o bardzo dużej powierzchni wymiany ciepła oraz bardzo dużym przepływie wody chłodniczej. Dodatkowo, dla obniżenia kosztu instalacji, często stosowane są rury ze stali czarnej, co powoduje, że obok związków organicznych z lameli wieży chłodniczej, powstający na płytach wymiennika kamień wodny, przerastany jest także produktami korozji.
Głównymi elementami wymiennika płytowego (rys. 1.) są:
• rama nośna,
• płyty wymiennikowe,
• uszczelki
• śruby ściągające.

Każda z płyt roboczych jest jednolitą wytłoczką, bez jakichkolwiek części lub spoin. Materiały, z których wykonywane są płyty to z reguły: AISI 304, AISI 316, Avesta 254 SMO oraz tytan.
Płyty wymiennikowe posiadają zazwyczaj cztery wykrojone okrągłe otwory, którymi przepływa medium strony pierwotnej (zasilanie i powrót) oraz wtórnej (zasilanie i powrót). Króćce w mniejszych wymiennikach są wykonywane w postaci rur gwintowanych, a w większych mocowane są przyłącza kołnierzowe bezpośrednio do płyty oporowej. Optymalny przepływ mediów w wymienniku ilustruje rysunek 2.
Obok strat energetycznych powstałych na skutek pogorszenia przepływu ciepła z medium strony pierwotnej do wtórnej, a spowodowanych powstaniem osadu kamienia wodnego, znacznemu zmniejszeniu ulega także strumień przepływu mediów. Dla zobrazowania problemu zauważmy, że przy szerokości kanałów 5 mm, już osad o grubości 0,5 mm na każdej płycie, spowoduje zmniejszenie przepływu aż o 20%. Widok zdemontowanych, bardzo zakamienionych płyt, przedstawiono na rysunku 3.
Dla zilustrowania specyfiki chemicznego czyszczenia wymiennika wielkopowierzchniowego oraz zaprezentowania poszczególnych czynności oraz sposobu rozwiązywania powstałych problemów, dalsze rozważania będą przedstawione w formie wniosków z wykonanej w sierpniu br. usługi chemicznego czyszczenia dużego wymiennika płytowego w zakładach przemysłu chemicznego. Do czyszczenia przeznaczono wymiennik firmy TRANTER (rys. 4.) o powierzchni 476 m² i pojemności wodnej: strony wody technologicznej 785,64 dcm³ i strony wody chłodniczej 782,34 dcm³. Jego zadaniem było schłodzenie wody technologicznej z temperatury +60°C do temperatury constans +50°C.
Przy okazji warto w tym miejscu określić kryterium celowości czyszczenia wymiennika. Można przyjąć, że odpowiednim momentem do tego jest niedotrzymywanie parametrów temperaturowych o ponad 20% lub wzrost oporów przepływu o ponad 40%. Praktyka wskazuje jednak, że parametry te są nagminnie przekraczane. O ile wyczyszczenie mniejszego wymiennika ciepła jest proste, to w przypadku wymiennika wielkopowierzchniowego sprawa się komplikuje. Okazuje się bowiem, że w skręcanym wymienniku płytowym pracującym w dużej instalacji, jego powierzchnia wymiany ciepła wynosić może kilkaset, a nawet kilka tysięcy metrów kwadratowych, przy jednocześnie niewielkiej pojemności wodnej jego kanałów. Niestety przed czyszczeniem często brak jest możliwości wykonania rewizji wewnętrznej, pobrania próbek osadu i wykonania badań symulacyjnych roztwarzania osadu w celu opracowania technologii chemicznego czyszczenia. W tej sytuacji, w prezentowanym przykładzie, stosownych obliczeń dokonano sposobem pobieżnym, uwzględniając jedynie grubość osadu, jaką empirycznie określono przed poprzednim czyszczeniem. Po stronie wody chłodniczej (zdekarbonizowanej) cyrkulowanej w rurach DN 300 wykonanych ze stali nierdzewnej przyjęto grubość kamienia 0,6÷1 mm, a po stronie wody technologicznej, cyrkulowanej w rurach DN 300 wykonanych ze stali czarnej 0,3÷0,5 mm. Gęstość kamienia ze strony chłodniczej przyjęto jako 2,0 g/cm³, a ze strony technologicznej – w związku możliwością pojawienia się w składzie kamienia dodatkowo produktów korozji 2,5 g/cm³. W oparciu o powyższe, obliczono masę osadu do usunięcia, która równa jest iloczynowi zakamienionej powierzchni [m2], grubości osadu [mm] i jego gęstości [g/cm3]. Szacunkowa masa osadu po stronie technologicznej m_{o st} i chłodniczej m_{o sch} wynosiła:

m_{o st} = 476 x 0,4 x 2,5 = 476 kg

m_{o sch} = 476 x 0,8 x 2,0 = 762 kg

Przedstawione dane pokazują, że podczas czyszczenia wymiennika wielkopowierzchniowego dochodzi do sytuacji, że przy niewielkiej pojemności instalacji pomocniczej obejmującej objętość kanałów wymiennika V_k, rurociągów V_r oraz zbiornika i pompy agregatu V_a, do jego skutecznego odkamienienia potrzeba zużyć nawet tonę preparatu, którego optymalny roztwór wodny wyniesie nawet dziewięć metrów sześciennych objętości. Wymaga to więc wykonania czyszczenia w kilku cyrkulacjach. Ich ilość determinowana jest objętością instalacji pomocniczej. W omawianym przykładzie objętość ta wynosiła:

V_ip = V_k + V_r + V_a = (785 · 0,8) + 30 + 280 = 938 dcm³

co umożliwiałoby zużycie tylko 938/9 = 104 kg preparatu i 834 dcm³ wody, dla przygotowania 10% roztworu czyszczącego. W związku z potrzebą zużycia 1000 kg preparatów Kamix, zachodziłaby konieczność wykonania 10 cyrkulacji, co z uwagi na ograniczony czas wyłączenia wymiennika z eksploatacji było niemożliwe.

W tej sytuacji, aby zmniejszyć ilość cyrkulacji i tym samym skrócić czas czyszczenia do dwóch dniówek roboczych po 12 godzin (tj. maksymalnego czasu ważności polecenia pracy w danym dniu), instalację pomocniczą powiększono o zbiornik retencyjny o objętości 1000 dcm3. Tym samym w jednej cyrkulacji można było zużyć 1938/9 = 215 kg preparatu, a ilość cyrkulacji zmniejszyć do pięciu. Dzięki takiemu rozwiązaniu w dniu D1 wykonano 3 cyrkulacje, a w dniu D2 dwie cyrkulacje, odmulanie końcowe oraz rewizje wewnętrzną.

Należy podkreślić, że zużycie w jednej cyrkulacji większej ilości preparatu jest niecelowe i absolutnie nie spowoduje uzyskania lepszego efektu. Wynika to z szybkiego zasolenia roztworu czyszczącego, co znacząco obniża prędkość reakcji chemicznej podczas usuwania osadu.

Innym uwarunkowaniem może być także skład osadu, który często jest niejednorodny i może zawierać frakcje kamienia węglanowego, żelazistego i organiki. Taki swoisty „przekładaniec” wymaga zastosowania do jego usunięcia kilku (2÷3) różnych preparatów i roztworów, o krańcowo odmiennym odczynie pH oraz sposobie działania.

Na pytanie co gwarantuje powodzenie w chemicznym czyszczeniu wymienników wielkopowierzchniowych wykonanych ze stali nierdzewnej (tytanu), odpowiedź jest prosta – potrzebna jest APTEKA, czyli prosty w obsłudze Agregat, skutecznie wydajne Preparaty, optymalna i bezpieczna TEchnologia oraz przeszkolona KAdra serwisowa. Obecnie – wraz z zastąpieniem inhibitowanych roztworów dość agresywnych kwasów organicznych i nieorganicznych, nie tylko znacznie skuteczniejszymi, ale również bezpieczniejszymi dla ludzi i środowiska specjalistycznymi preparatami – chemiczne czyszczenia są dużo prostsze i z powodzeniem mogą być realizowane przez mniej doświadczonych pracowników firm serwisowych.

Rys. 2. Optymalny przepływ mediów w wymienniku

Agregaty do czyszczenia wymienników (...)

Preparaty do chemicznego czyszczenia (...)

Technologia czyszczenia wymienników
Podstawowymi wymogami technologii stosowanej podczas czyszczenia wymienników jest:
1. Duża skuteczność i pewność całkowitego usunięcia osadu;
2. Jak najkrótszy czas czyszczenia, co bezpośrednio wynika z p.3.;
3. Jak największa prędkość liniowa roztwarzania osadu przy użyciu danego preparatu;
4. Podgrzewu roztworu czyszczącego;
5. Znikoma korozyjność w stosunku do stali nierdzewnej, R35 i metali kolorowych oraz neutralność w stosunku do uszczelek;
6. Niewielka masa i łatwość transportu preparatu w miejsce czyszczenia;
7. Brak zagrożenia w zakresie niebezpieczeństwa poparzeń pracowników;
8. Brak przykrego zapachu;
9. Możliwość spuszczania zneutralizowanych po chemicznym czyszczeniu popłuczyn do kanalizacji.

Rys. 15. Okresowe pomiary przy cyrkulowaniu roztworu

Niewątpliwie największym problemem jest określenie ilości osadu do usunięcia. Przeprowadzenie rewizji wewnętrznej jest kłopotliwie oraz wymaga demontażu przylg kołnierzowych i rur wody obiegowej, które najczęściej posiadają dużą średnicę i masę. Dlatego można wykorzystać metodę szacunkową.

Gdy brak jest danych dotyczących grubości kamienia, stosuje się kryterium objętości osadu, w zależności od zmieniającej się wielkości różnicy ciśnienia przed i za wymiennikiem w czasie eksploatacji. Z doświadczenia wiadomo, że zakamieniony wymiennik płytowy może zawierać osad, który zajmuje od 20 do nawet 50% jego pojemności wodnej. Tak więc wówczas masa kamienia wodnego wyniesie:

m_o = q · V

gdzie:
q – gęstość kamienia (określona w trakcie badań symulacyjnych lub aproksymowana na podstawie kamienia występującego na danym terenie),
V – objętość kamienia [dcm3] równa iloczynowi pojemności kanałów pomnożonej przez współczynnik wypełnienia, w tym przypadku 0,35.

m_o = 2 g/cm³ · (782 cm³ · 0,3) = 547 kg

W razie braku możliwości pobrania próbki osadu do badań symulacyjnych, skuteczność działania zastosowanego preparatu ocenia się na podstawie wyników przebiegu reakcji chemicznej, objawem której jest m. in. intensywność gazowania roztworu, intensywność piany i tempo zmiany na ciemniejszą barwy roztworu, a także wyników pomiaru pH i zmiany stężenia roztworu. Wówczas można dokonać niezbędnej korekty preparatu lub wykonać kolejną cyrkulację. Przebieg reakcji chemicznej w roztworze preparatu Kamix z jednoczesnym barbotażem parą przedstawia rysunek 11., a w roztworze Kamix S+ – rysunek 12.

Czas każdej cyrkulacji uzależniony będzie od temperatury roztworu oraz tempa ciemnienia roztworu i zaniku piany. Należy podkreślić, że pogrzanie roztworu do 60°C może skrócić czas reakcji nawet o połowę. Orientacyjnie można przyjąć, że wyniesie on wówczas do 4 godzin.

Rys. 20. Wyniki czyszczenia wymiennika odczytane z komputera

Sposób podłączenia agregatu (...)

Sposób realizacji czyszczenia (...)

Podsumowując temat czyszczenia płytowych wielkowierzchniowych wymienników ciepła, należy podkreślić, że dla ich chemicznego czyszczenia nie ma innej alternatywy. Aby udowodnić taką tezę posłużę się przykładem z czyszczenia wymienników w dużym centrum handlowym. Otóż z doświadczenia wiadomo, że w ciągu nocy (od 22.00 do 7.00), po wyłączeniu klimatyzacji, możliwe jest wykonanie z zachowaniem wszystkich reżimów technologicznych, czyszczenia wymiennika ciepła nawet o powierzchni 200 m2. Po zakończeniu czyszczenia i uruchomieniu systemu klimatyzacji (chillerów lub pomp ciepła oraz wież chłodniczych) pozostają jeszcze dwie godziny na osiągniecie przez system odpowiednich parametrów temperaturowych. W tak krótkim czasie czyszczenie mechaniczne wymiennika, wymagające demontażu wszystkich płyt i odklejenia uszkodzonych uszczelek, czyszczenie mechaniczne i chemiczne każdej płyty oraz montaż końcowy z pasowaniem uszczelek jest po prostu niemożliwy.