Otevřené chladící okruhy

V mnoha průmyslových výrobních procesech je voda nezbytným chladícím médiem díky snadné dostupnosti a velmi dobrým termodynamickým vlastnostem. S ohledem k životnímu prostředí je tato přírodní surovina vhodná jako vynikající zdroj chlazení pro velké zdroje tepla.

Aby mohlo být odvedeno velké množství tepla, které nemůže být technicky využito pro jiné účely, je většinou použito „otevřených chladících systémů“ s odpařovacími chladícími věžemi. Ohřátá chladící voda je rozstřikována v chladících věžích v protiproudu vzduchu. Zchlazení chladící vody je dosaženo odebráním odpařujícího se tepla a konvekcí se vzduchem.  

Využití vody jako chladicího prostředku s sebou však v praxi přináší tři technické problémy:

  • Korozivní účinky vody vůči kovům
  • Zvápenatění / usazování solí na povrchu výměníků tepla
  • Růst mikrobů v trubkách a na stěnách systémů
     

Efektivní provoz

Rozhodujícím požadavkem na efektivní a plynulý provoz otevřených chladicích systémů je maximální míra bezpečnosti provozu a jeho funkčnost. Vzhledem k tomu, že složení a kvalita vody se v různých chladících systémech liší, musí být prováděna individuální úprava vody.

Chladicí voda má obvykle korozivní účinky na materiály obsahující železo, ale také na barevné kovy jako jsou měď a mosaz. Výběr vhodného materiálu je stejně tak důležitý, jako důsledná kontrola a monitorování provozní vody. Pouze kombinace obou těchto faktorů umožní dlouhodobý provoz chladícího systému. Například může být nezbytné během provozu přidávat do vody inhibitory koroze. Ty vytvářejí ochrannou vrstvu na povrchu konstrukčních materiálů a zabraňují tím korozivnímu působení vody.
 

Dále musí látky přidávané do chladící vody působit i proti usazování solí a tvorbě vápence, ke kterým dochází při odpařování vody a kontinuálnímu doplňování nezměkčené nebo jen částečně změkčené přídavné vody. Koncentrace rozpuštěných solí v neošetřované vodě stoupá a po překročení hranice rozpustnosti dochází k vytváření usazenin.

Pro hospodárný provoz, tzn. pro minimální doplňování čerstvé vody při zároveň ekonomicky optimálním režimu zařízení, se osvědčuje zvýšit hranici rozpustnosti přidáním minimálního množství stabilizátorů. Stabilizátor tvrdosti by být průběžně přidáván úměrně k množství čerstvé přídavné vody.
 

Dalším častým problémem v otevřených chladicích systémech bývá růst mikrobů, zvláště v odpařovacích chladicích věžích. Řasy, bakterie a houby se mohou velmi rychle množit vzhledem k vysoké koncentraci živin (vysokému obsahu organického materiálu, přístupu kyslíku apod.) a příznivé teploty vody, což pro ně vytváří ideální podmínky pro jejich růst:

Řasy způsobují zelené zabarvení vody a vytvářejí nežádoucí koberce. Bakterie tvoří nevzhledné hlenové povlaky na povrchu vody a vytvářejí silnou vegetační vrstvu na stěnách systémů. Zvláště na povrchu výměníku tepla jsou tyto povlaky velmi nežádoucí. Také produkty metabolismu bakterií obsažených v těchto usazeninách mohou způsobit korozi kovových povrchů. Houby mohou narušit dřevěné prvky v chladicích věžích. 

Zásadní nedostatky při provozu chladicích zařízení vznikají poté, je-li povrch výměníku pokryt povlakem usazenin, přičemž tyto organické ale i anorganické látky pak působí jako izolátory.
 
Znečištění povrchů a tvorba povlaku zvyšují podstatně spotřebu energie

Pokusy ukázaly, že již u 0,1 mm silného sliznatého povlaku bude zhoršen přechod tepla asi o 5-8 %. Při 1 mm tloušťky sliznatého povlaku se chladicí výkon dále snižuje tak, že může stupeň účinnosti klesnout asi o 20 – 25 %. Srovnatelný pokles účinnosti nastane rovněž při usazování vápence na povrchu výměníku tepla. V těchto případech musí být navýšen průtok chladicí vody, aby bylo odvedeno stejné množství tepla. To vyžaduje následně větší výkon čerpadla, čímž dochází k nárůstu spotřeby elektrické energie.  

Tvorba povlaku a zanesení potrubí jsou častými příčinami nečekaných výpadků chlazení což může znamenat zastavení výroby, pokud teplo vznikající provozem strojů nebude dostatečně odvedeno (stroje, formy, chlazení apod.).

Navíc odstranění koberců z řas, hub a povlaků vápenatých usazenin vždy vyžaduje intenzivní čištění, kterému je vhodné se vyhnout. 

Důsledná péče o vodu v otevřených chladicích okruzích je proto stejně tak nezbytná, jako údržba základních výrobních zařízení.

Proč dochází k vytváření vápenatých povlaků?

K nežádoucí tvorbě vápenatých povlaků (vodní kámen) dochází vlivem teploty a v důsledku chemické rovnovážné reakce
 
(I)      CO2 + H2O     H2CO3            Kyselina uhličitá
(II)     H2CO3 + H2O    H3O+ + HCO3    Hydrogenuhličitan
(III)    2 HCO3-    CO32- + CO2 + H2O     Uhličitan
(IV)    Ca2+ + CO32-    CaCO3        Vápenec (vodní kámen)

Rovnice (I) a (II) popisují reakce, při kterých vzhledem k rozpouštění CO2 ve vodě vznikají kyselina uhličitá a hydrogenuhličitany. Vzhledem k tomu, že chladící voda je v kontaktu s atmosférou a teplota roste, rozpuštěný CO2 uniká a vytváří se uhličitany tak, až dojde k chemické rovnováze dle rovnice (III).
Čím vyšší je teplota vody, tím více CO2 uniká vzhledem tomu, že rozpustnost plynu ve vodě klesá. Jestliže existuje vysoká koncentrace uhličitanu a rozpustnost vápence bude překročena (dojde k překročení rovnováhy uhličitanu vápenatého), začne docházet k usazování vodního kamene z vody a k vytváření rušivých povlaků, např. ve výměnících tepla. 

Souvislost mezi koncentrací a spotřebou vody

Jak je patrno z následujícího grafu, spotřeba přídavné vody může být významně snížena i přes naměřenou koncentraci solí v chladicí vodě. Významným aspektem je velký rozdíl mezi úsporou při 1,2 – násobné koncentrací a 3 – násobné koncentraci. Naproti tomu zahuštění přes stupeň 4 vedou jen k nepatrné úspoře vody a přinášejí s sebou většinou problémy s korozí. Naši specialisté určují optimální hodnotu zahuštění pro Váš systém a pomáhají Vám snižovat náklady na vodu. 
 

Vaše výhody při důsledné péči o vodu v otevřených chladících systémech jsou:

  • Ochrana proti korozi v důsledku vytvoření ochranné vrstvy na kovovém povrchu.
  • Ochrana před vápenatými usazeninami přidáním stabilizátorů tvrdosti a kontrolovanou výměnou vody (řízený odluh).
  • Výrazně zlepšená kvalita vody snižováním zatížení bakteriemi a řasami.
  • Zlepšená kvalita okolního vzduchu životního prostředí snížením zápachu a tvorby zárodků.
  • Lepší vzhled chladicích věží.
  • Snížené náklady na čištění chladícího systému.
  • Úspora energie a nákladů na vodu vzhledem k menší spotřeby čerstvé a odpadní vody.
  • Zachování hodnoty zařízení zabráněním koroze.
  • Úspora energie vzhledem k zamezení tvorby vápenatých povlaků a sliznatých usazenin na povrchu výměníků tepla.

Příklad konceptu ošetřování otevřených chladicích systémů

  • Provést jednorázové počáteční vyčištění pomocí speciálně navržených chem. prostředků
  • Zrevidovat přípravu přídavné vody (np. změkčení)
  • Aplikovat vhodně zvolený inhibitor koroze a/nebo stabilizátor tvrdosti v závislosti na množství přídavné vody
  • Dávkovat příslušný biocid a kontrolovat tzv. vodní hygienu
  • Sledovat pravidelně fyzikálně-chemické parametry okruhu (pH, vodivost, obsah aktivních složek, …)
Nahoru