Poważnym problemem pojawiającym się w trakcie eksploatacji układów chłodzenia, w których rolę czynnika chłodzącego spełnia woda, jest występowanie niekorzystnych procesów, prowadzących do pogorszenia efektywności wymiany ciepła, korozyjnego niszczenia elementów konstrukcyjnych instalacji, a nawet w skrajnych przypadkach skażenia mikrobiologicznego.

 Do najbardziej niepożądanych procesów zachodzących w instalacjach chłodzenia zalicza się:

• korozję,
• ƒƒprocesy narastania osadów na elementach wymiany ciepła,
• ƒƒniekontrolowany rozwój mikro- i makroflory.

Korozja może przybierać różne formy na rurach skraplaczy natryskowo wyparnych, niemniej w przypadku rur ocynkowanych może występować jako tzw. „biała rdza”. Obraz pokazany na rysunku 1 stanowi białe grudki wypełnione mazistą pastą stanowiącą produkty korozji cynku. Jest to niebezpieczny rodzaj korozji nowych skraplaczy z powłoką cynkową, gdzie nie nastąpiła pasywacja cynku, a woda w obiegu wodnym jest zbyt zasolona natomiast odczyn wody jest wyższy niż 8,7 pH. 

Rys. 1. Przykład „białej rdzy” na nowym skraplaczu z rur ocynkowanych

Natomiast uzupełnianie układów chłodzenia wodą o podniesionej wartości twardości i przy dodatnim indeksie Langeriera, będzie skutkować odkładaniem się osadów kamienia wodnego na rurach skraplacza.

Na rysunku 2 pokazano rury skraplacza zasilanego wodą nieuzdatnioną, gdzie po 3 latach eksploatacji grubość warstwy kamienia osiągnęła w niektórych miejscach 4 mm.

Rys. 2. Fragment wężownicy skraplacza natryskowo wyparnego z osadami kamienia wodnego

Grubość warstwy kamienia wodnego ma bezpośredni wpływ na pracę skraplacza. Wraz ze wzrostem grubości kamienia wzrastają opory cieplne i ilość odprowadzanego ciepła przez skraplacz maleje, co z kolei objawia się wzrostem temperatury skraplania amoniaku. Współczynnik przewodzenia ciepła kamienia wodnego jest około 25÷40 razy niższy niż analogiczny współczynnik dla stali. Ilość przenikającego ciepła od amoniaku do wody obiegowej zależy od współczynnika przenikania ciepła, powierzchni wymiany ciepła oraz różnicy temperatury amoniaku i wody obiegowej. Współczynnik przenikania ciepła zależy od współczynników wnikania ciepła w ośrodku amoniakalnym i wodnym oraz oporów cieplnych.

Z obliczeń wynika, że warstewka kamienia o grubości 0,6 mm powoduje spadek wydajności skraplacza o 25%, natomiast o grubości 1,65 mm spadek wydajności o 50%. Zależność grubości osadu na rurach skraplacza od jego wydajności przedstawiono na wykresie słupkowym na rysunku 3.

Rys. 3. Zależność wydajności cieplnej skraplacza natryskowo wyparnego od grubości warstwy osadów na jego rurach

Klasyczna metoda uzdatniania wody w otwartych obiegów chłodzenia

(...)

Metoda CDI demineralizacji wody zasilającej obiegi chłodzenia

Prezentowana metoda demineralizacji wody CDI, nie posiada jeszcze ustalonej nazwy w Polsce ze względu na jej innowacyjny charakter. W nomenklaturze międzynarodowej jej nazwa jest przeważnie określana jako pojemnościowa demineralizacja (CDI – Capasitive Deionization). Czasami w literaturze komercyjnej występuje pod nazwą CapDI, jak np. w przypadku firmy VOLTEA z Holandii, producenta urządzeń do pojemnościowej demineralizacji. Metoda znajduje zastosowanie w procesie odsalania wody o umiarkowanym przewodnictwie jak np. polskie wody wodociągowe (studnie, woda z ujęć powierzchniowych). Z reguły tą metodą nie odsala się wody tak jak w odwróconej osmozie, a więcniemalże do zera.

Metoda CDI obecnie jest stosowana do zasilania układów chłodzenia zastępując głównie sodowe zmiękczacze jonitowe. Woda po przejściu przez moduł CDI posiada przewodnictwo na poziomie 30÷70 μS/cm. W ten sposób uzyskuje się wodę o bardzo niskim poziomie zasolenia w sposób znacznie tańszy aniżeli poprzez filtrację membranową (RO, UF, NF). Technologia CDI usuwa z wody sole, przy małym ubytku samej wody (w przeciwieństwie do metody RO). Nakłady energetyczne w CDI są o ok. 40% niższe niż podczas filtracji membranowej. Dlatego pierwsze zastosowania zostały wykorzystane w kierunku odsalania wody dla zasilania obiegów chłodzenia.

Mechanizm odsalania zachodzi w komórce (celi) w której znajdują się 2 porowate węglowe elektrody (węgiel aktywny) rozdzielone przekładką spełniającej rolę rozpórki ustanawiającej szczelinę dla przepływu wody. Do elektrod przykładane jest napięcie prądu stałego niższe niż 1,5 V, a więc poniżej potencjału rozkładu elektrochemicznego wody (brak elektrolizy wody). 

Podstawowa celka przygotowana do pracy wygląda jak obok na rysunku 5.

Rys. 5. Schemat budowy podstawowej celi elektrochemicznej w metodzie CDI

Rys. 6. Schemat pracy celi elektrochemicznej w procesie odsalania (adsorpcji jonów)

Rys. 7. Schemat pracy celi elektrochemicznej w procesie regeneracji (desorpcji jonów): a) Faza neutralizacji ładunków, b) Faza płukania celi

Po przyłożeniu odpowiedniego znaku napięcia prądu stałego proces pracy komórki elektrochemicznej będzie odbywał się w dwóch głównych etapach:

• ƒƒetap sorpcji jonów na porowatym węglu aktywnym – jest to etap pracy – odsalania,
• ƒƒetap desorpcji jonów z porowatego węgla aktywnego do ścieku – jest to etap regeneracji celi.

(...)

Podziękowanie: Autorzy dziękują Panu dr inż. Piotrowi Długołęckiemu R&D Menadżerowi w firmie VOLTEA w Holandii za przesłane materiały firmowe metody CapDI jak też za spotkania w Gdańsku, które wiele wniosły w zrozumieniu metody.

mgr inż. Jan MARJANOWSKI
Przedsiębiorstwo MARCOR w Gdańsku

mgr Arkadiusz NALIKOWSKI
Przedsiębiorstwo MARCOR w Gdańsku

mgr inż. Marta MARJANOWSKA
Przedsiębiorstwo MARCOR w Gdańsku