اثرات منفی رسوب املاح معدنی و بایوفیلم در برج‌های خنک کن
رسوبگذاری املاح معدنی و رسوبات بایوفیلم دو شکل عمده و مهم در ارتباط با مدارهای کولینگ و برج خنک کن است که هزینه‌های بسیار زیادی در بهره برداری ایجاد نموده که در این مقاله به آن می‌پردازیم. افزایش هزینه‌های بهره برداری ناشی از رسوب عموماً در بحث صرفه جویی انرژی مغفول مانده اما بررسی نکات حائز اهمیت در این مقاله باعث می‌شود تا بهره برداران با آگاهی کامل تصمیمات به موقع و مناسبی جهت مقابله با این مشکل اتخاذ نمایند.
تعریف رسوب
عموماً در آب برج‌های خنک کن مواد معدنی گوناگونی نظیر کلسیم و منیزیم که نسبتاً غیر قابل حل در آن هستند وجود دارد که بر روی سطوح انتقال حرارت و مدار لوله کشی تشکیل رسوب می‌دهند. در برج خنک کن، رسوب به لایه سختی از مواد معدنی تشکیل شده بر روی سطوح اطلاق می‌گردد. با توجه به رابطه معکوس حلالیت کلسیم و منیزیم در آب با دما هر چقدر که دما افزایش می‌یابد رسوب بیشتری در سیستم خنک کاری و برج خنک کن تشکیل می‌شود و این رسوبات ابتدا بر روی سطوح انتقال حرارت که گرمتر هستند ایجاد می‌شود. رایج‌ترین رسوب در برج‌های خنک کن کربنات کلسیم است که اغلب سایر رسوبات نظیر فسفات کلسیم، اکسید آهن و سیلیکات منیزیم نیز همراه آن دیده می‌شوند.
عوامل مهم در تشکیل رسوب در برج‌های خنک کن عبارتند از :
1- غلظت املاح معدنی در آب
2- دمای سیال خنک کننده
3- PH
مشکلات رسوب
رسوب از انتقال حرارت جلوگیری می‌کند. لایه‌های رسوب هدایت حرارتی پایینی حدود 1 الی 3 وات بر متر کلوین دارند. سطوح فلزی هدایت حرارتی بالایی دارند به عنوان مثال هدایت حرارتی مس 400 وات بر متر کلوین است که مشخص می‌گردد که رسوب کاملاً مانند لایه عایق عمل می‌نماید. در نمودار زیر هدایت حرارتی فلزات مختلف در مقایسه با رسوب نمایش داده شده است.
حتی تشکیل لایه نازکی از رسوب بر روی سطوح داخلی تیوبهای مسی کندانسور نیز انتقال حرارت را به شدت کاهش می‌دهد. جهت جبران این انتقال حرارت در سیستم‌های تبرید و چیلرهای تراکمی به عنوان مثال، کمپرسورها می‌بایست مدت زمان بیشتری کار کنند و به همین علت افزایش مصرف برق به ساختمان تحمیل می‌گردد. حتی مقدار بسیار جزئی از رسوب، تاثیر زیادی بر افزایش هزینه‌های روزانه دارد.
تشکیل رسوب باعث افزایش خوردگی زیر سطحی در سیستم مدار آب کولینگ و تیوبهای مبدل حرارتی نیز می‌گردد. در خوردگی زیر رسوبی فلز زیر حفره رسوب به شدت خورده شده و ایجاد حفره یا پیت در جداره لوله می‌نماید. نرخ خوردگی و تشدید پوسیدگی فلز در حالت زیر رسوبی بیشتر از حالت عادی خوردگی یا General Corrosion است و تا زمانی که باعث سوراخ شدن لوله یا تیوب گردد ادامه پیدا می‌کند.
نکته آخر اینکه حذف رسوبی که به جداره لوله چسبیده بسیار سخت و دشوار بوده و عموماً نیاز به تمیز کاری فیزیکی و استفاده از مواد شیمیایی و اسید قوی است. روش‌های فیزیکی و شیمیایی حذف رسوبات از داخل تیوب‌ها موجب استهلاک شدید و کاهش عمر تجهیزات و کندانسورها می‌گردد و معمولاً تعدادی از تیوب‌ها پس از تمیز کاری‌های فوق بدلیل خطر نشست، کور می‌شوند.
تعریف بایوفیلم :
برج خنک کن محیط بسیار مناسبی برای رشد میکروارگانیسم‌ها هستند که در آن آب، انرژی و مواد مغذی برای رشد آنها وجود دارد. جلبک‌ها و باکتری‌ها دو خطر آلوده کننده اصلی در برج‌های خنک کن هستند و هر یک مشکلات خاص خود را در برج خنک کن ایجاد می‌کنند. بایوفولینگ در قلمرو برج‌های خنک کن به تجمع رسوبات آلی و میکروارگانیسم‌ها اطلاق می‌گردد که به شکل خزه و جلبک یا لجن بر روی سطوح انتقال حرارت دیده می‌شود.
مشکلات بایوفیلم :
تجمع بایوفیلم بر روی سطوح انتقال حرارت ایجاد لایه بسیار عایق می‌نماید و تبادل حرارت کاهش می‌یابد. همچنین بایوفیلم می‌تواند محل تشکیل باکتری‌های آهن خوار یا کاهنده سولفات شود که ایجاد خوردگی میکروبی نموده و در سطوح فلزی به شدت خوردگی ایجاد می‌کنند. اگر هدایت حرارتی 1 میلیمتر پلاستیک که عایق حرارتی بسیار خوبی است، را 1 وات بر کلوین فرض کنیم، هدایت حرارتی 1 میلیمتر بایوفیلم 4/0 وات بر متر کلوین و 5/2 برابر پلاستیک از انتقال حرارت جلوگیری می‌نماید. از سوی دیگر چنانچه در برج خنک کن و مدار کولینگ تجمع خزه و جلبک و باکتری اتفاق بیوفتد، امکان پخش این آلودگی میکروبی در فضای اطراف وجود دارد.
در برج‌های خنک کن جلبک به سرعت رشد می‌کند. نور کافی و غذا در این سیستم یافت می‌شود و با رشد آن در تمامی‌نقاط سیستم پخش می‌شوند، بر روی پکینگ‌ها و فیلم‌ها و دال نازل‌ها جمع شده و دبی آب در گردش برج خنک کن را کاهش می‌دهند. تکه‌های جدا شده جلبک و خزه در صافی پمپ‌ها و صافی برگشت برج خنک کن باعث گرفتگی و انسداد مسیر می‌شدند و به طور دائمی می‌بایست تمیز کاری و سرویس انجام شود.
رشد باکتری در مبدل‌های حرارتی که دما بالاتر است انجام شده و یک لایه لزج بایوفیلم داخل کندانسور تشکیل می‌گردد. همانطور که در بالا اشاره شد، تشکیل لایه رسوب مواد معدنی معضل بسیار بزرگی است اما تشکیل لایه بایوفیلم از لایه رسوب معدنی نیز بدتر است. جدول زیر هدایت حرارتی رسوبات را نشان می‌دهد.
جدول فوق به خوبی نشان می‌دهد که لایه نازک بایوفیلم به اندازه لایه ضخیم رسوب معدنی انتقال حرارت را کاهش می‌دهد با رشد بایوفیلم و تشکیل لایه لزج اکسیژن در زیر لایه کاهش یافته و محل بسیار مناسبی برای باکتری‌های بی هوازی کاهنده سولفات یا SRB گردیده که خوردگی شدید بر روی سطوح فلزی ایجاد می‌نمایند. به این فرایند در خوردگی میکروبی یا MIB اخلاق می‌گردد.
هزینه‌های رسوب و بایوفیلم
تشکیل رسوب و بایوفیلم در داخل سیستم خنک کننده و مدار برج‌های خنک کن هزینه‌های بهره برداری را افزایش می‌دهد. هزینه‌های بهره برداری روزانه با افزایش مصرف انرژی ناشی از کاهش انتقال حرارت و افزایش هزینه‌های سرویس و نگهداری اضافه می‌گردد. هزینه استهلاک تجهیزات نیز باید به مواد فوق اضافه گردد که باعث کاهش عمر مفید تجهیزات می‌گردد.
افزایش مصرف انرژی
تشکیل رسوب تاثیر منفی بر انتقال حرارت گذاشته و هزینه‌های بهره برداری چیلر افزایش می‌یابد. جدول ذیل افزایش مصرف انرژی در چیلرهای تراکمی‌ناشی از تشکیل رسوب در کندانسور را نمایش می‌دهد.
به عنوان مثال برای یک چیلر 1200 تن تراکمی، ضخامت 0.9 میلیمتر رسوب مصرفی در سال 363/53 دلار مصرف انرژی الکتریکی را افزایش می‌دهد. قبلاً هم اشاره شد که بایوفیلم حدوداً 4 برابر بیشتر از رسوب موجب کاهش انتقال حرارت می‌گردد. جدول ذیل رابطه افزایش مصرف انرژی الکتریکی در چیلر‌ها با ضخامت بایوفیلم در داخل تیوبهای کندانسور را نمایش می‌دهد.
همان چیلر 1200 تن تراکمی‌که با ضخامت 0.9 میلیمتر رسوب حدود 50000 دلار افزایش مصرف برق را تجربه می‌کرد با 0.3 میلیمتر با یوفیلم 63000 دلار افزایش مصرف برق خواهد داشت.
سایر هزینه‌های نگهداری :
هزینه مصرف انرژی سالیانه افزایش می‌یابد و می‌بایست هزینه‌های مازاد مصر انرژی ناشی از رسوب و بایوفیلم به مجموع هزینه بهره برداری سالیانه اضافه گردد. همچنین هزینه‌های اسیدشویی و تمیز کاری دوره‌ای نیز می‌بایست در نظر گرفته شود. با هر بار اسید شویی چیلر و یا سیخ زنی تیوب‌ها امکان آسیب دیدگی و خرابی وجود دارد.
هزینه تعمیرات و ری تیوب
جدول ذیل هزینه‌های تعویض یا ری تیوب چیلرهای سانتریفیوژ را نمایش می‌دهد.
عمر مفید برای چیلر سانتریفیوژ 18 سال در نظر گرفته می‌شود. با مراجعه به جدول فوق می‌توان هزینه سالیانه تعویض یا ری تیوب را محاسبه نمود، به عنوان مثال هزینه ری تیوب برای چیلر 1200 تن حدود 333/16 دلار در سال و هزینه تعویض این چیلر 666/46 دلار در سال می‌بایست لحاظ گردد.
هزینه‌های ناشی از رسوب در چیلر 1200 تن سانتریفیوژ در بازه زمانی 18 سال بشرح ذیل است :
575/35 دلار افزایش مصرف انرژی برق
2000 دلار هزینه ماد شیمیایی و اسید شویی
جمعاً 575/37 دلار در سال
مجموع هزینه‌های ناشی از رسوب در چیلر 1200 تن در بازه 18 سال بالغ بر 000/675 دلار است. هزینه تعویض چیلر 1200 تن 000/84 دلار است.
نتیجه گیری :
هزینه‌های ناشی از رسوب و بایوفیلم در چیلر‌ها و برج‌های خنک کن غیر قابل اغماض بوده که مالکین و بهره برداران می‌بایست برای آن اهمیت ویژه ای قائل شوند. یکی از بهترین راهکار‌ها برای حذف رسوب و بایوفیلم در کندانسور چیلر و برج خنک کن رسوبزدای هیدروفلو است. رسوب
زدای هیدروفلو مبتنی بر امواج رادیویی ایمن در طول مدار لوله کشی از تشکیل رسوب و بایوفیلم در مدار جلوگیری می‌نماید.
مقالات تکمیلی:
هیدروفلو جایگزین سختی گیر رزینی
صرفه جویی در مصرف آب چیلر