سختی گیر مغناطیسی ویژه چیلر ، برج خنک کن

سختی گیر آب برای جلوگیری از رسوب در سیستم های حرارتی وبرودتی درسایز های متفاوت
بسمعه تعالی
سختی گیری و رسوب زدایی در تاسیسات و صنعت
توسط سختی گیر مغناطیسی (FKT)
بخش مهندسی کنترل در حرارت و برودت گروه فرا کوشان
چکیده :
در چند دهه اخیر تکنولوژی سختی گیری و رسوب زدایی مغناطیسی در صنایع مختلف و به خصوص در حرارت و برودت جایگاه مناسبی پیدا کرده است به طوریکه در بسیاری از موارد جایگزین روشهای دیگر که عمدتا شیمیایی هستند ، شده است.
این روش با برخورداری از مزایایی چون حذف آثار نا مطلوب سختی و رسوب ، جلوگیری از تشکیل رسوب ، حذف رسوبهای پیشین ، افزایش بازدهی مبدلهای حرارتی و نصب و نگهداری آسان تبدیل به یکی از کاربردی ترین راههای مقابله با سختی و رسوب در حرارت و برودت شده است .
در اثر اعمال میدان مغناطیسی با انرژی مناسب می توان شرایطی را ایجاد کرد که فرایند تشکیل بلورهای رسوب در داخل آب رخ داده و از چسبیدن آنها به دیواره ها جلوگیری شود . در این حالت اصطلاحا در آب پدیده دانه برفی رخ داده و هسته های اولیه بلورهای رسوب در آب تشکیل می شود . با گذشت زمان به حجم هسته های اولیه افزوده شده و بلورهای سخت خنثی و معلق در آب که خاصیت چسبندگی خود را از دست داده اند ظاهر می شود . در کنار فرایند فوق افزایش مولکولهای آزاد در آب و شکسته شدن پیوند هیدروژنی بین آنها باعث افزایش حلالیت آب شده و خاصیت رسوب زدایی را نیز به فن آوری فوق می افزاید ، به نحوی که با گذشت زمان رسوب های پیشین نیز در آب حل شده و تبدیل به بلورهای خنثی معلق در آب می شوند .
در این مقاله کاربرد سختی گیرهای مغناطیسی FKT در حرارت و برودت مورد بررسی و ارزیابی قرار داده شده است .
مقدمه :
آب مهمترین سیال در حرارت و برودت است که وظیفه انتقال گرما در مبدلهای حرارتی را به عهده دارد . در برجهای خنک کن ، بویلرها و چیلرها از آب به عنوان مایع مبدل استفاده می شود به طوریکه گردش آب موجب تبادل حرارتی می گردد . معمولا آب استفاده شده در کاربردهای حرارتی و برودتی از نوع آب سخت است ، آبهای سخت تشکیل پوسته کربنات کلسیم می دهند که مشکلات متعددی را بوجود می آورد . این پوسته به شکل رسوب بر روی سطوح داخلی لوله های حامل آب باعث کاهش ظرفیت انتقال جریان آب و انتقال جریان حرارت می شود . هنگامی که آبهای سخت حرارت داده می شوند تشکیل پوسته ، خیلی سریعتر انجام می گیرد که مشکلات زیادی را در بویلرها و آبگرمکن ها به وجود می آورند. یک پوسته به قطر یک میلیمتر بر روی سطوح گرم کننده یک آب گرم کن بصورت عایق حرارتی عمل کرده و در نتیجه تقریبا 10% افزایش هزینه به وجود خواهد آمد. معمولا کاتیونهای کلسیم و منیزیم در آب عامل رسوب هستند کاتیون کلسیم صرفنظر از نمک های آن که شامل سولفات کلسیم ، کلرو کلسیم و سایر نمکهای کلسیم می شود سختی کلسیم را تشکیل می دهند . همانطور کاتیون منیزیم باعث سختی منیزیم می گردد و چون عامل اصلی سختی آب ترکیبات معدنی این دو عنصر است لذا بطور کامل فرض می گردد که سختی کل آب از سبک کردن به کمک آب آهک و خاکستر کربنات سدیم و سبک کردن با استفاده از مبادله کننده های یونی به وجود می آید . روشهای دیگری مانند الکترو دیالیز ، تقطیر ، انجماد و اسمز معکوس وجود دارد که به علت پیچیدگی و گران بودن فقط در شرایط خاص بکار برده می شود . در روشهای معمول از مواد افزودنی استفاده می شود که علاوه بر پایین بودن بازدهی مشکلات زیست محیطی نیز ایجاد می گردد . در حال حاضر سختی گیری و رسوب زدایی مغناطیسی به عنوان یک روش غیر شیمیایی و بدون نیاز به مواد شیمیایی افزودنی به آب و سازگار با محیط زیست با خواص بسیار مفید دیگر برای صنایع مختلف همواره به عنوان جایگزین مناسبی برای روشهای پیشین مطرح است .
اصول سختی گیری و رسوب زدایی مغناطیسی:
در این تکنولوژی از میدان مغناطیسی بعنوان مانعی جهت جلوگیری از تشکیل رسوب بر دیواره سطوح حامل آبهای سخت استفاده می شود . انتقال میدان مغناطیسی به داخل لوله های حاوی آبهای سخت بوسیله یک سختی گیر مغناطیسی با قدرتی معادل 12000گوس صورت میگیرد .
سختی گیر مغناطیسی SFKTاز سرامیک ویژه با خاصیت مغناطیسی بالا ساخته شده است که با میدان قطبی Centeral Reverse Polarity (CRP)}}منحصر به فرد خود و بدون نیاز به نیروی (برق) پشتیبانی عمل رسوب زدایی و حذف رسوبات پیشین را به سهولت انجام می دهد.
برای تحلیل عملکرد رسوب زدایی لازم است که ساختار مولکولی آب مورد توجه بیشتر قرار گیرد . مولکولهای آب ذراتی دو قطبی هستند. اتم اکسیژن با جذب الکترونهای باند کوالانت خاصیتی منفی پیدا کرده و نقش قطب منفی را بازی میکند در حالی که اتمهای هیدروژن با داشتن هسته مثبت تنها یک الکترون در گردش دارد لذا هنگامیکه الکترون آن در باند کوالانت توسط اتم اکسیژن جذب می شود خاصیت مثبت پیدا کرده و نقش قطب مثبت دو قطبی را بازی میکند . به همین دلیل مولکولهای دو قطبی آب یکدیگر را از طرف قطبهای مخالف جذب کرده و تشکیل پیوندهای هیدروژنی یا نیروی واندروالس را میدهند . اشکال سختی آب وابسته به همین پیوند می باشد در فاز بخار این پیوند بسیار ضعیف است در حالیکه در فازهای مایع و جامد این پیوند به ترتیب متوسط و قوی است . هنگامیکه یک نمک در آب حل میشود همین خاصیت دو قطبی بودن باعث تجزیه نمک به یونهای مثبت و منفی و جذب و احاطه آن توسط مولکول آب میشود به این فرایند حل شدن در آب یا هیدراته شدن می گویند هر چه تعداد مولکولهای آزادی که کم تر در پیوند هیدروژنی شرکت کرده باشند بیشتر باشد خاصیت هیدراته شدن بیشتر بوده و حلالیت آب بالاتر میرود . در صورتیکه از سختی گیر مغناطیسی FKT استفاده شود به دو دلیل حلالیت آب افزایش پیدا میکند . اولا با تشکیل کریستالهای خنثی ، فراوانی مولکولهای آزاد آب بیشتر میشود زیرا مولکولهایی که درگیر فرایند حلالیت یا هیدراته شدن بوده اند ، آزاد میشوند علت دیگر افزایش درصد مولکولهای آزاد در اثر میدان مغناطیسی است . میدان مغناطیسی باعث وارد شدن نیرو به مجموعه ای از مولکولهای آب که تشکیل پیوند هیدروژنی داده اند میشود . با افزایش فراوانی مولکولهای آزاد آب ، خاصیت حلالیت به شدت افزایش پیدا کرده و آب شروع به حل کردن رسوبهای پیشین موجود در دیواره ها میکند ، به این ترتیب فرایند رسوب زدایی به مرور زمان تکمیل تر می شود .
عدم استفاده از مواد شیمیایی:
به علت استفاده از میدان مغناطیسی در فرایند سختی گیری مغناطیسی FKT هیچ ماده شیمیایی به آب اضافه نمی شود لذا کاملا سازگار با محیط زیست بوده و یک روش کاملا فیزیکی محسوب می شود و با توجه به اینکه از نوع مغناطیسی می باشد هیچ گونه نگهداری نیاز ندارد و دارای عمر طولانی می باشد .
کاهش هزینه راهبردی:
از نظر هزینه اولیه و راهبردی به علت کوچک بودن دستگاه سختی گیر مغناطیسی FKT و استفاده نکردن از برق شهر بسیار مقرون به صرفه بوده و به علت عدم نیاز به مواد شیمیایی و نگهداری ، بی نیاز از هزینه راهبردی و نگهداری است که این امر باعث افزایش بهره وری اقتصادی منتج از استفاده این فن آوری می شود حال آنکه در روش متداول که استفاده از مبادله کننده های یونی است از مواد مبادله کننده یون مانند رزین های پلی استیرن استفاده می شود که با عبور آب از میان لایه های رزین کاتیونهای کلسیم و منیزیم جانشین کاتیون سدیم می شوند . مبادله کننده های یونی بعد از مدتی مضرب ظرفیت تبادل یونها را از دست می دهند که اصطلاحا به این خاصیت اشباع شدن می گویند و در این حالت نیازمند فرایند بازیابی است لذا برای استفاده از یک سختی گیر رزینی نیاز به نصب تاسیسات اولیه ، مخازن مربوطه ، پیچیدگی های لازم در سیستم همچنین مواد شیمیایی جهت فرایند احیاء می باشد که به این ترتیب از نقطه نظر اقتصادی ، هزینه های اولیه روش مغناطیسی در مقایسه با روشهای دیگر بسیار نازل و مقرون به صرفه است .
فرایند رسوب زدایی و حذف رسوبات پیشین:
در فن آوری سختی گیری مغناطیسی FKT همراه با فرایند سختی گیری فرایند رسوب زدایی نیز رخ می دهد به این ترتیب که به مرور زمان رسوب های قبلی موجود در سیستم نیز در آب حل شده و از دیواره ها جدا می شوند که با فرایند تخلیه آب یا فیلتراسیون در ابعاد میکرونی از سیستم خارج می شود و این در حالیست که تقریبا هیچ یک از روشهای معمول توانایی چنین فرایندی را ندارند و تنها راه حل موجود استفاده از اسید شویی است که این روش علاوه بر خسارت فراوان ناشی از خوردگی ، هزینه تعطیلی و راه اندازی مجدد را نیز به تاسیسات تحمیل می کند در صورتیکه استفاده از سختی گیری مغناطیسی FKT نیاز به اسید شویی را برطرف کرده و سیستم را از راه اندازی مجدد بی نیاز می کند .
سختی گیرهای مغناطیسی FKT و چیلرها:
در تاسیسات حرارتی و برودتی ، چیلر یکی از ضروری ترین و گران قیمت ترین اجزاء سیستم می باشد که در صورتیکه از نوع آب خنک باشد معمولا از یک برج خنک کن در کنار آن استفاده می شود که همین امر باعث انتقال مشکلات سختی و رسوب آب از برج خنک کن به چیلر می شود که زیان حاصل از این فرایند در چیلرها به مراتب سنگین تر و گران تر از برجهای خنک کن است . کاهش بازدهی چیلرها ، ایجاد رسوب در لوله های مسی کندانسور ، ایجاد خوردگی و فرسایش در چیلر ، نیاز به اسید شویی و هزینه ناشی از آن از عمده ترین مشکلاتی است که در اثر سختی و رسوب در چیلرها ظاهر میشود . در صورتیکه از فن آوری سختی گیری مغناطیسی FKT در چیلرها به خصوص در ورودی کندانسور آنها استفاده شود ، نه تنها از بروز لایه های رسوب در آنها جلوگیری می شود بلکه به مرور زمان رسوبهای موجود نیز از بین رفته و نیاز به سختی گیری شیمیایی یا اسید شویی برطرف می شود . همچنین این امر باعث افزایش بازدهی برودتی چیلر شده و به مرور زمان شاهد افت راند مان سیستم نخواهیم بود .
سختی گیری مغناطیسی FKT در بویلرها:
معمولا بین اجزاء موتور خانه دیگ های آب داغ و بخار به علت کاهش حلالیت مواد معدنی در آب با افزایش دما بیشترین رسوب را تولید می کنند . یعنی با افزایش دما میزان حلالیت کربنات کلسیم و منیزیم که عمده ترین مواد سازنده رسوب هستند کاهش پیدا کرده و به صورت لایه ای سخت که عایق حرارتی نیز محسوب می شود در دیواره ها تشکیل می شوند . داده های آماری نشان می دهند که در صورت تشکیل لایه رسوب به اندازه یک شانزدهم اینچ به اندازه پانزده درصد به میزان سوخت مصرفی افزوده خواهد شد . در صورت استفاده از سختی گیر مغناطیسی FKT در بویلر ها میتوان بسیاری از اثرات مضر و مخرب سختی را رفع نمود که از مهمترین مزایای کاربرد فن آوری میتوان به مواد ذیل اشاره نمود .
کاهش مصرف سوخت:
با شروع فرایند سختی گیری مغناطیسی FKT در بویلرها شاهد کاهش مصرف سوخت بین 5% تا 12% خواهیم بود که علت عمده این امر رفع اثرات مخرب سختی کاهش پیوند هیدروژنی مولکولهای آب و افزایش بازدهی بویلرها به دلیل افزایش ضریب تبادل حرارتی مولکولهای آب است .
عدم نیاز به سختی گیرهای معمولی:
با استفاده از روش سختی گیری مغناطیسی FKT میتوان به راحتی سختی گیرهای معمول و تاسیسات مربوط به آنها را که عمدتا از نوع تعویض یونی ( سختی گیرهای رزینی ) هستند را حذف نمود و مهمتر اینکه شاهد فرایند رسوب زدایی نیز خواهیم بود به عبارت دیگر با گذشت زمان رسوب های موجود در سیستم نیز به مرور از بین می روند که این فرایند با روشهای معمول امکان پذیر نیست .
نگهداری آسان و اقتصادی بویلر:
در بویلرها به دلیل بالا بودن دمای آب میزان رسوب تشکیل شده بیشتر از قسمتهای دیگر موتور خانه ها است و با توجه به اینکه تقریبا انرژی اصلی تاسیسات از طریق بویلرها تامین می شود لذا نگهداری و راهبری این قسمت بسیار مهم و حائز اهمیت است معمولا خاموش کردن بویلرها ، سرویس آن و راه اندازی مجدد آنها یکی از پر هزینه ترین مراحل نگهداری است که علاوه بر صرف هزینه مواد شیمیایی و هزینه های انسانی ، هزینه توقف کل تاسیسات را که از انرژی بویلرها استفاده می کردند را نیز به سیستم تحمیل میکند . در صورت نصب سختی گیر های مغناطیسی FKT علاوه بر رفع مشکل سختی و رسوب آب هزینه نگهداری ، مخارج توقف و راه اندازی مجدد سیستم نیز بر تاسیسات تحمیل نمی شود.
کاهش آب مصرفی بویلرها:
با توجه به کمبود آب ، میزان آب مصرفی در تاسیسات یکی از مهمترین مسائلی است که پروژه های مسکونی و صنعتی با آن روبرو هستند . یکی از مهمترین دلایل افزایش مصرف آب در چنین مواردی استفاده از آبهای سخت است که علاوه بر کاهش بازدهی مبدلها جهت حفظ کیفیت آب نیاز تخلیه مقدار زیادی از آب بویلرها است که این امر به نوبه خود باعث مصرف مقدار زیادی آب در تاسیسات میشود .
در صورت استفاده از فن آوری سختی گیری مغناطیسی FKT می توان از آبهای سخت به صورت مستقیم در تاسیسات و بخصوص بویلرها استفاده نمود که به دلیل عدم نیاز به تخلیه حذف فیزیکی مشکلات سختی و رسوب ، میتوان در میزان آب مصرفی به مقدار زیادی صرفه جویی نمود .