Woda dla celów chłodniczych. Równowaga wskazana.
Woda przeznaczona dla celów chłodniczych powinna spełniać dwa podstawowe warunki, a mianowicie: umożliwiać odprowadzenie odpowiedniej ilości ciepła, nie stanowić zagrożenia dla systemu chłodniczego.
I czynnik decydujący o wielkości zużycia wody
O ilości odprowadzanego ciepła, a w konsekwencji o wielkości zużycia wody chłodzącej, decyduje jej temperatura. Zużycie wody jest odwrotnie proporcjonalne do różnicy temperatur wody wprowadzanej do systemu chłodniczego i opuszczającej ten system [1]. Opisuje to następująca zależność [1]:
W= Q/(CAT) [kg/h],
gdzie:
W = zużycie wody chłodzącej
Q = ilość odprowadzanego ciepła (J/h)
C = ciepło właściwe wody (J/K« kg)
AT = różnica temperatur wody
II czynnik decydujący o wielkości zużycia wody
Innym czynnikiem decydującym o wielkości zużycia wody jest rodzaj obiegu chłodzącego. Najbardziej wodochłonne są obiegi otwarte, w których woda jest wykorzystywana jednokrotnie. W mniej wodochłonnych obiegach zamkniętych wodę po ogrzaniu w systemie chłodniczym poddaje się schłodzeniu i zawraca do systemu, a straty powstające wskutek parowania uzupełnia się wodą dodatkową.
Obieg bezprzeponowy i przeponowy
Jeśli woda chłodząca styka się bezpośrednio z medium chłodzonym, to taki obieg określa się mianem obiegu bezprzeponowego, a wskutek tego kontaktu woda chłodząca może ulegać zanieczyszczeniu. W systemach przeponowych woda nie kontaktuje się bezpośrednio z chłodzonym medium, co pozwala uniknąć tego rodzaju problemów, ale z kolei sama woda może stanowić zagrożenie dla elementów systemu chłodzącego.
Zagrożenia dla systemu chłodniczego, jakie może stanowić woda chłodząca:
- powstawanie osadów i korozja,
- głównym czynnikiem decydującym o możliwości powstawania osadów bądź też agresywności względem betonu lub innych materiałów pozostających w kontakcie z wodą jest stan równowagi węglanowo-wapniowej.
Stan ten określa się najczęściej w oparciu o obliczenia indeksu Langeliera Jl:
Jl = PH - PHs
w którym:
pH = rzeczywista wartość pH wody,
pHs = pH wody w stanie nasycenia, obliczane w oparciu o współczynniki będące funkcjami temperatury, suchej pozostałości, twardości i zasadowości ogólnej wody.
Wartości indeksu Langeliera interpretowane są następująco:
Jl < 0 - woda zawiera agresywny dwutlenek węgla i jest agresywna względem betonu,
Jl = 0 - woda nie ma agresywnego charakteru względem betonu i nie ma tendencji do wytrącania węglanu wapnia (jest stabilna),
Jl > 0 - woda jest nieagresywna i ma tendencję do wytrącania węglanu wapnia w postaci osadu.
Ca(HCO3)2 -* CaCOsl + CO2T + H2O
Stałych Czytelników odsyłam tu do artykułu w „Magazynie Instalatora" [3], w którym przedstawione zostały szerzej podstawowe informacje o sposobie obliczania indeksu Langeliera i interpretacji otrzymanych tą drogą wyników.
Uwaga:
Jakkolwiek ocena stabilności wody w oparciu o określenie stanu równowagi węglanowo-wapniowej jest powszechnie stosowana, to jednak informacje uzyskane tą drogą należy traktować jako orientacyjne, gdyż nie zawsze wody ocenione jako nieagresywne są nimi w rzeczywistości, a skłonność do wytrącania węglanu wapnia nie zawsze oznacza skłonność do tworzenia tzw. kamienia wapiennego na chłodzonej powierzchni.
Termostabilność wody
W systemach zamkniętych stosuje się dodatkowo wymóg termostabilności wody, tj. braku skłonności do wytrącania węglanu wapnia w warunkach kolejno po sobie następujących cykli jej ogrzewania i schładzania. Oceny termostabilności dokonuje się w oparciu o obliczenia indeksu termostabilności i indeksu wytrącania [ 1 ].
Kiedy wodę można uznać za termostabilną?
Nie wchodząc w szczegóły wyznaczania tych wskaźników, w praktyce uznaje się wody naturalne za termostabilne, jeśli charakteryzują się twardością węglanową 2,86 mval/l (ok. 150 mg CaCOa/l), a nie termostabilne o twardości węglanowej > 5,71 mval/l (ok. 285 mg CaCO3/l); wody o twardości węglanowej pomiędzy tymi wielkościami określa się mianem wód o ograniczonej termostabilności [1]. Obecność w wodzie koloidalnych substancji organicznych poprawia niekiedy jej termostabilność [1],
Jakie są dodatkowe czynniki wpływające na tworzenie się osadów w systemach chłodniczych?
Są to zawiesiny odkładające się na chłodzonych powierzchniach, a także większe ilości związków żelaza i manganu, tworzące wraz z innymi substancjami rozpuszczonymi trudno rozpuszczalne związki dające podobne efekty [1].
Obecność w wodzie substancji biogennych
Odrębnym problemem jest obecność w wodzie substancji biogennych (nieorganiczne związki fosforu i azotu), które sprzyjają masowemu rozwojowi organizmów żywych i w konsekwencji powstawaniu obrostów biologicznych. W praktyce trudno jest obniżyć zawartość biogenów w wodzie do poziomu, który radykalnie zapobiegnie powstawaniu obrostów. Z tego względu problem obrostów rozwiązuje się zazwyczaj, stosując dezynfekcję wód chłodniczych. Spośród powszechnie stosowanych dezynfektantów najlepszych efektów należy oczekiwać, stosując dwutlenek chloru, który bardzo aktywnie reagując z chlorofilem, powoduje jego destrukcję, co w konsekwencji prowadzi do niszczenia fitoplanktonu (planktonu roślinnego) tworzącego obrosty [2].
Inne zagrożenie - korozja
Oprócz odkładania się osadów innym zagrożeniem dla systemów chłodzących jest korozja, na którą mają wpływ korozyjne własności wody. Analizę czynników wpływających na korozję materiałów stosowanych w instalacjach wodociągowych można znaleźć w jednym z poprzednich artykułów w „Magazynie Instalatora" [4]. Tu warto jedynie przypomnieć, że czynnikami sprzyjającymi korozji betonu i żelaza mogą być -oprócz ujemnej wartości indeksu Langeliera informującej o obecności w wodzie agresywnego dwutlenku węgla - również jony chlorkowe i siarczanowe, które utrudniają tworzenie warstw pasywnych na powierzchni materiałów stykających się z wodą [4]. Czynnikami stymulującymi korozję są też rozpuszczone w wodzie gazy, przede wszystkim omówiony wyżej agresywny dwutlenek węgla, a także tlen [4]. Korozyjność betonu można ograniczyć, utrzymując pH wody na poziomie nie niższym niż 8,5. Korekta pH do poziomu 8,0-8,5 zapobiega też korozji miedzi [4]. Wysokie pH wody zapobiega również korozji cynku, szczególnie w przypadku niskiej zasadowości wody, która sprzyja korozji tego metalu; w takich przypadkach pH należy podnieść co najmniej do poziomu 8,5. Z kolei korozję żelaza można ograniczyć, utrzymując pH wody w przedziale 6,8-7,3, twardość i zasadowość na poziomie nie niższym niż 40 mg/l (w przeliczeniu na CaCCh), a przesycenie węglanem wapnia w granicach 4-10 mg/l. Ponadto zaleca się stosowanie inhibitorów korozji (polifosforany, krzemiany) [4].
Metody wstępnego uzdatniania wody
W zależności od parametrów jakościowych wody przeznaczonej dla celów chłodniczych można zastosować różne metody jej wstępnego uzdatniania. Zagrożenia wynikające ze skłonności wody do wytrącania osadów węglanu wapnia można wydatnie zmniejszyć przez zamianę twardości węglanowej na nie węglanową. Uzyskuje się to, stosując tzw. szczepienie kwasem, polegające na dawkowaniu do wody odpowiedniej ilości silnego kwasu mineralnego, zazwyczaj kwasu solnego lub (rzadziej) kwasu siarkowego. Zamianę wapniowej twardości węglanowej na niewęglanową ilustrują poniższe równania:
- szczepienie kwasem solnym: Ca(HCO3)2 + 2HG1 -* CaCl2 + 2GO2 + 2H2O,
- szczepienie kwasem siarkowym: Ga(HGO3)2 + H2SO4^ GaSO4 + 2GO2 + 2H2O.
Istnieje inny sposób zapobiegania tworzeniu się osadów?
Tak, innym sposobem zapobiegania tworzeniu się osadów jest zmiękczanie wody. W przypadku wody dla celów chłodniczych wybiera się najczęściej zabieg najtańszy, jakim jest zmiękczanie na drodze dekarbonizacji. Polega ono na dawkowaniu wapna w postaci wody wapiennej lub mleka wapiennego i usuwaniu wytrąconego z wody węglanu wapnia, a przebieg reakcji w przypadku wapniowej twardości węglanowej przedstawia się następująco:
Ga(HGO3)2 + Ga(OH)2 -* 2Ca-CO31 + 2H2O.
Źródło: www.instalator.pl
Autor: dr Sławomir Biłozor
Literatura:
1. A.L. Kowal, M. Świderska - Bróż. Oczyszczanie wody. Wyd. Naukowe PWN Warszawa - Wroctaw 1997.
