Skraplacz amoniakalny wyparno-natryskowy Oszczędności z wdrożenia metody amonowej w układzie chłodzenia
Ocena użytkowników: / 10
SłabyŚwietny 
Data dodania: 31.10.2015

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,
  • procesy narastania osadów na elementach wymiany ciepła,
  • niekontrolowany rozwój mikro- i makrofl ory.

 

Autorzy niniejszego artykułu położyli duży nacisk na wybór nowej metody, która może być praktycznie stosowana w chłodnictwie i która zapewni oszczędność wody i ścieków w układzie chłodzenia wskutek mniejszego odsalania. 

 

 

Dotychczasowe znane techniki uzdatniania wody w chłodnictwie

 

Znane metody przygotowania wody dla otwartych układów chłodzenia opierają się w 99% na jonitowych urządzeniach do zmiękczania wody, w celu eliminacji wytrącania się osadów węglanowych. Nie zabezpieczają natomiast przed korozją i stąd należy dozować inhibitory korozji i antyskalanty.

 

Zmiękczacz przeciwdziała wytrącaniu się osadów kamienia wodnego w układzie wodnym. Woda częściowo zmiękczona, do poziomu twardości 2-4 stopni niemieckich, nie tworzy i nie wytrąca dużych ilości osadów wapniowo-magnezowych i jednocześnie nie wzmaga procesów korozyjnych.

 

Za pomocą zmiękczacza, a dokładniej – złoża jonowymiennego w formie silnie kwaśnego kationitu regenerowanego NaCl usadowionego wewnątrz kolumny, jest usuwana twardość węglanowa i stała, gdyż podmieniane są jony wapnia i magnezu na rzecz jonów sodowych w myśl reakcji:

 

Kt – Na2 + Ca(HCO3)2 -> Kt – Ca + 2NaHCO3 (1)

Kt – Na2 + CaCl2 -> Kt – Ca + 2NaCl (2)

 

Usunięcie z wody jonów wapnia i magnezu, a więc kationów osadotwórczych i zastąpienie ich jonem sodowym, posiadającym wysoką rozpuszczalność w połączeniu z wieloma anionami, np. CO32-, SO42-, gwarantuje wyeliminowanie możliwości wytrącania się osadów w wodzie. Wymieniony przez jonit kation sodu tworzy w wodzie wodorowęglan sodowy NaHCO3. Związek ten, zarówno na gorąco jak i na zimno, hydrolizuje w wodzie, prowadząc do wzrostu jej odczynu. W reakcji hydrolizy (3) powstaje wodorotlenek sodu, który jest bezpośrednio odpowiedzialny za alkalizację wody. Reakcja przesuwa się cały czas z lewej na prawą stronę, gdyż ulatnia się uwolniony dwutlenek węgla, powstały wskutek przedmuchu wody powietrzem z rozkładu słabego kwasu węglowego.

 

NaHCO3 + H2O -> NaOH + H2O + CO2 ^ (3)

 

Stąd też uzdatnianie wody tą metodą prowadzi do jej alkalizacji – wzrasta zasadowość m i zasadowość p wody, o ile jest równocześnie w instalacji prowadzony przedmuch wody np. skraplacze wyparne, chłodnie wyparne. W środowisku o podwyższonym pH wody ponad 8,3 pH będzie natomiast łatwo wypadał osad węglanu wapnia w formie kamienia wodnego, jeśli woda będzie charakteryzowała się twardością powyżej 2,8° niem. bez dozowania antyskalantów. Zbytnia alkalizacja wody – ponad pH 8,3 może doprowadzić elementy ocynkowane do korozji zwanej potocznie „białą rdzą” przedstawionej na rysunku 1.

 

 

2015 10 62 1

Rys. 1. Przykład tzw. „białej rdzy” na rurkach ocynkowanego skraplacza w stadium początkowym

 

 

Poza tym, aby zapewnić prawidłową jakość wody w obiegu układu chłodniczego, stopień odsalania wynosi najczęściej 2,5÷3, co powoduje duże zużycie wody zasilającej oraz wymaga odprowadzenia znacznej ilości ścieków. Bezpieczne sposoby pozyskiwania oszczędności w zużyciu wody w układach chłodzenia w zależności od metod przygotowania wody uzupełniającej i sposobu odsalania wody obiegowej

 

Kontrola jakości wody obiegowej w trakcie normalnej eksploatacji układu chłodzenia, czyli tzw. monitoring operacyjny, daje możliwość wpływania nie tylko na bezawaryjną pracę instalacji, ale również na ekonomikę jej eksploatacji, poprzez efektywną regulację zużycia wody (odsalanie), czy też optymalizację dawek dozowanych chemikaliów.

 

Użytkownicy otwartych wodnych systemów chłodzenia czasami w źle pojętej idei oszczędności wody uzupełniającej rezygnują z procesu odsalania. Jest to błędne i nieekonomiczne rozwiązanie. Działając w ten sposób, użytkownik naraża się na straty spowodowane spadkiem wydajności cieplnej urządzeń, na których pojawił się osad z mocno zasolonej wody. Na rysunku 2. przedstawiono obraz skraplacza natryskowo-wyparnego zniszczonego korozyjnie właśnie wskutek braku odsalania.

 

Procesy korozyjne materiałów konstrukcyjnych również będą działały na niekorzyść użytkownika systemu. Zyski z zaoszczędzonej wody kończą się w momencie osiągnięcia określonej liczby cykli zatężania, po jej przekroczeniu realna oszczędność wody jest znikoma. Na rysunku 3. przedstawiono wykres obrazujący zależność pomiędzy ilością wody obiegowej a ilością cykli zatężania

 

Błędna jest również eksploatacja układu chłodzenia na tzw. „przelew”. Dla tego rozwiązania zawór spustowy zostaje otwarty cały czas. Ubytki wody w systemie są uzupełniane świeżą wodą, w sposób ciągły utrzymując stałą ilość wody w systemie. Najczęściej rozwiązania tego typu stosowane są w sytuacji, gdy woda uzupełniająca jest wodą nieuzdatnioną, o dużej twardości lub z ujęć powierzchniowych dużej dostępności. Unikając w ten sposób zatężania wody w obiegu, można spowolnić i wydłużyć czas odkładania się osadów na powierzchniach wymienników ciepła. Jednak procesu tego nie da się całkowicie uniknąć. Ten rodzaj eksploatacji systemu chłodzenia wiąże się z bardzo dużym marnotrawstwem wody i zwiększa znacząco koszty. Należy również uwzględnić straty związane z pogorszeniem się wydajności cieplnej układu, spowodowane odłożonymi osadami. Metoda „na przelew” jest nieoszczędna, dlatego też należy unikać jej stosowania.

 

Aby ustalić optymalne warunki pracy układu chłodzenia, korzystając z systemu kontroli i monitoringu należy:

  • określić właściwy stopień wymiany wody,
  • uzupełnianie wody połączyć ściśle z procesem odsalania (a więc przewodnictwem wody obiegowej),
  • dozowanie i kontrole chemikaliów korekcyjnych przeprowadzać zgodnie z opracowanym programem na podstawie analizy wody.

 

 

Metoda amonowa do zasilania obiegów chłodzenia, wprowadzenie teoretyczne

 

(...)

 

Oszczędności z wdrożenia metody amonowej w układzie chłodzenia skraplacza natryskowo-wyparnego w ZPM Mlekpol w Radomiu

 

Układ chłodzenia skraplacza natryskowo-wyparnego w SM Mlekpol oddział w Radomiu składa się z:

  • skraplacza amoniakalnego produkcji Baltimore typ BAC VXC 620 (seria H120586401). Skraplacz posiada zdolność wymiany ciepła rzędu 2209 kW w warunkach pracy temperatury czynnika chłodniczego tj. wody Tk /Tm = 35/23°C pokazanego na rysunku 7;
  • układu chłodzenia wodnego zawierającego zbiornik retencyjny o objętości V = 14 m3, pompy wodnej FHS 80-160/110/P o mocy 11 kW i wydajności Q = 20÷90 m3/h oraz H = 12÷27 m sł. H2O oraz zestawu natrysków i dysz usytuowanych nad rurami amoniakalnymi skraplacza, woda spływa od natrysków poprzez wkład rurowy chłodzący do wanien skraplacza, skąd grawitacyjnie dalej do zbiornika retencyjnego;
  • układu przepływu powietrza wymuszonego pracą wentylatorów o wydajności 50 m3/s przy pracy dwóch wentylatorów każdy o mocy 18,5 kW,
  • układu uzupełniania wody składającego się z dwóch zmiękczaczy pracujących w układzie duplex, regenerowanych roztworem chlorku amonu o wydajności nominalnej 16 m3/h (rys. 8.);
  • układu podczyszczania wody obiegowej (rys. 9.); 
  • stacji dozowania inhibitora korozji, antyskalanta oraz biocydu;
  • układu automatycznego odsalania wody obiegowej w zestawie z zaworem odsalającym i z regulatorem przewodnictwa (rys. 10.).

 

 

2015 10 67 2

Rys. 7. Skraplacz natryskowo-wyparny BAC VXC 620 widoczny z prawej strony

 

2015 10 67 3

Rys. 8. Układ uzupełniania wody przez zmiękczacze regenerowane chlorkiem amonu

 

2015 10 66 1

Rys. 9. Układ podczyszczania wody w obiegu skraplacza natryskowo-wyparnego

 

 

2015 10 67 4

 

Rys. 10. Układ odsalania wody w obiegu skraplacza natryskowo-wyparnego

 

 

W okresie od 2012 do lutego 2015 roku stacja uzdatniania wody uzupełniająca wodę do obiegu chłodzenia pracowała na starych prawie 20 letnich zmiękczaczach regenerowanych tradycyjnie chlorkiem sodowym. W tabeli 3. przedstawiono analizę wody wodociągowej zasilającej SUW. Istotnym problemem wody zasilającej zmiękczacze sodowe była wysoka zawartość w wodzie zasilającej chlorków (około 40÷50 mg/l) oraz siarczanów (około 80÷95 mg/l). Są to jony agresywne korozyjnie i powodujące korozję nawet stali ocynkowanej, jeśli stężenie sumy chlorków i siarczanów wynosi ponad 150 mg/l. Nie było zatem możliwości wyższego zatężania i stopień zatężenia wynosił 1,2÷1,3. Ponadto wysoka zasadowość m wskutek zatężania powodowała wzrost pH ponad 8,3, co przy oddziaływaniu korozyjnym jonów chlorków i siarczanów prowadziło do korozji ocynkowanych powierzchni w formie tzw. „białej rdzy”. Aby zmniejszyć korozję wprowadzano wodę o twardości w zakresie twardości 4÷7°d. Utrzymywanie odsalania wody obiegowej na poziomie przewodnictwa 850 μS/cm (woda wodociągowa – 750 μS/cm) przy niskim współczynniku zatężania chroniło układ przed korozją, tym bardziej, że dozowano inhibitor korozji i antyskalant w jednym – Biofosfomar ECO, ale układ chłodzenia był bardzo wodochłonny, z czego większość wody nie była zużywana na odparowanie układu chłodzenia, tylko na odsalanie, czyli inaczej do ścieku. Nie była to jednak rozrzutność wody a konieczność podyktowana utrzymaniem jak najniższego stężenia chlorków i siarczanów, gdyż one oddziaływały korozyjnie na ocynkowane rury.

 

 

2015 10 67 1

 

 

W wyniku gruntownie wykonanej modernizacji SUW w okresie listopad 2014 – luty 2015 r. związanej z wymianą zmiękczaczy oraz formy zmiękczania (z sodowej na amonową), a także wprowadzenia podczyszczenia wody obiegowej, zmniejszono zagrożenie korozyjne układu oraz kilkakrotnie zmniejszono ilość wody uzupełniającej układ chłodzenia. Przykładową analizę wody uzupełniającej układ chłodzenia zamieszczono w tabeli 3., natomiast wody obiegowej w tabeli 4.

 

 

2015 10 68 1

 

2015 10 68 2

 

 

W marcu 2015 r., kiedy pojawiło się wzmożone zapotrzebowanie wody na uzupełnianie obiegu chłodniczego przełączono SUW na regenerację kationitu z chlorku sodowego na chlorek amonu oraz jednocześnie włączono stację podczyszczania. Zaobserwowano znaczny spadek zapotrzebowania ilości wody na potrzeby uzupełniania układu chłodzenia skraplacza. Jednocześnie automatyczny układ odsalania z nastawą na zrzut wody przy przewodnictwie elektrolitycznym na poziomie 850 μS/cm (nastawa programowana do pracy z klasycznym zmiękczaczem, regenerowanym chlorkiem sodowym) utrzymywał w zamknięciu zawór odsalający, ponieważ przewodnictwo wody obiegowej ukształtowało się na poziomie zmiennym 500÷700 μS/cm. Inaczej mówiąc, zaobserwowano brak odsalania wody obiegowej. Czyli cała woda uzupełniająca jest zużywana na cele odparowania wody. Na rysunku 11. przedstawiono granicę pracy obu systemów tj. do około 20-ego dnia m-ca marca skraplacz był zasilany wodą ze zmiękczacza regenerowanego chlorkiem sodowym, a po tym czasie ze zmiękczacza regenerowanego chlorkiem amonu.

 

 

2015 10 68 3

Rys. 11. Zależność zużycia wody przez układ chłodzenia oraz przewodnictwa od czasu pracy skraplacza i zastosowanego regeneranta do stacji zmiękczania

 

 

Na wykresie przedstawiono zmianę zużycia wody na cele zasilania skraplacza przed i po wprowadzeniu zmiany. Naniesiono także na wykresie zmiany w czasie przewodnictwa wody przed i po wymianie regeneranta stacji zmiękczania. Dodatkowo zaznaczono poziomy zużycia wody przez skraplacz w 2014 roku jako średnią roczną oraz wyliczono średnią zużycia wody za okres zastosowania metody amonowej w 2015 roku. 

 

Poniżej przedstawiono wstępne dane dotyczące warunków ekonomicznych układu chłodzenia przed zmianą i po zmianie regeneranta do stacji zmiekczania:

  • koszt wody wodociągowej zakładu po usunięciu Fe i Mn we własnej SUW – 0,60 zł/m3,
  • koszt ścieków odprowadzanych do kanalizacji miejskiej na podstawie zużycia wody wodociągowej – 6,00 zł/m3,
  • jednostkowy koszt preparatów chemicznych z regeneratem w 2014 roku – 0,33 zł/m3,
  • jednostkowy koszt preparatów chemicznych z regenerantem w 2015 roku – 0,35 zł/m3,
  • średniodobowe rzeczywiste zużycie wody w 2014 roku – 120 m3/dobę,
  • średniodobowe przewidywalne zużycie wody w 2015 roku – 28 m3/dobę,
  • koszt wody i ścieków średniodobowo w 2014 roku (przyjmujemy, że średnie odparowania i rozbrysk będą podobne jak w 2015, woda odparowująca nie zasila ścieków):
    • koszt wody na odparowanie 28 m3/dobę x 0,60 zł/m3 = 16,80 zł/dobę,
    • koszt ścieków (120 – 28) m3/dobę x 6,00 zł/dobę = 552,00 zł/dobę,
    • łączny średniodobowy koszt wody i ścieków (16,80 + 552,00) = 568,00 zł/dobę,
  • koszt preparatów chemicznych z regeneracją zmiękczaczy sodowych włącznie w 2014 roku: 120 m3/dobę x 0,33 zł/m3 = 39,60 zł/dobę,
  • razem koszty wody (woda + ściek + chemia) w 2014 roku: 365 dni x (568 + 39,60 ) zł/doba = 221 774 zł,
  • przewidywany koszt wody i ścieków średniodobowo w 2015 roku, wskutek działania układu podczyszczania wody na boczniku, nie przewiduje się na podstawie obecnych doświadczeń odsalania czyli też ścieku, cała woda idzie na odparowanie, niemniej przy regeneracji układu podczyszczania powstaje woda w ilości około 2 m3/dobę i powstaje ściek w ilości około 2 m3/dobę odprowadzany do kanalizacji:
    • koszt wody na odparowanie 28 m3/dobę x 0,60 zł/m3 = 16,80 zł/dobę,
    • koszt ścieków z układu chłodzenia 0,00 zł/dobę,
    • koszt wody i ścieków z układu podczyszczania 2 m3/dobę x 6,60zł/doba=13,20 zł/dobę,
    • łącznie średniodobowy koszt wody i ścieków (16,80 + 13,20) = 30 zł/dobę,
  • koszt preparatów chemicznych z regeneracją włącznie w 2015 roku: 28 m3/dobę x 0,37 zł/m3 = 10,36 zł/dobę,
  • razem przewidywalne koszty wody (woda + ściek + chemia) w 2015 roku: 365 dni x (16,80 + 13,20 + 10,36) zł/doba = 14 731 zł.

 

Roczny przewidywalny efekt oszczędnościowy w 2015 na kosztach eksploatacji związanych z uzupełnieniem wody do obiegu skraplacza (i także chemii korekcyjnej oraz regeneranta):

 

221 774 zł - 14 731 zł = 207 043 zł

 

Należy nadmienić, że koszt inwestycyjny całej modernizacji SUW polegający na kompletnej wymianie starych wyeksploatowanych urządzeń na nowe wyniósł około 75.000 zł. Jeśli nawet liczone obecnie średnie przewidywalne zużycie wody przez układ chłodzenia w roku 2015 może być obarczone pewnym błędem, to i tak zużycie wody na cele SUW będzie znacznie niższe niż w 2014 roku.

 

 

Podsumowanie

  1. W niniejszym artykule przedstawiono całkowicie nową metodę uzdatniania wody chłodniczej w oparciu o regenerację zmiękczaczy chlorkiem amonu zastrzeżonej zgłoszeniem patentowym oraz z układem podczyszczania wody obiegowej.
  2. Metoda została wdrożona w SM MLEKPOL Oddział w Radomiu w marcu 2015 r. i zgodnie z założeniami wykazuje znaczne mniejsze zużycie wody niż w przypadku tradycyjnej metody zmiękczania wody w oparciu o zmiękczacze regenerowane chlorkiem sodowym.
  3. Kilkakrotnie mniejsze zużycie wody na uzupełnianie obiegu wodnego układu chłodzenia przekłada się dodatkowo na mniejsze odsalanie (jako ściek) lub jego brak, a także na mniejsze zużycie preparatów chemicznych.
  4. Mniejsze zużycie wody, ścieków oraz niezbędnej chemii do regeneracji zmiękczaczy, regeneracji układu podczyszczania oraz antyskalantów i inhibitorów korozji generuje wysoki efekt ekonomiczny w stosunku do stosowanych uprzednio metod klasycznych.

 

 

mgr inż. Jan MARJANOWSKI
Przedsiębiorstwo MARCOR w Gdańsku


mgr inż. Marcin RADOMSKI
Spółdzielnia Mleczarska „Mlekpol” Oddział w Radomiu


mgr Arkadiusz NALIKOWSKI
Przedsiębiorstwo MARCOR w Gdańsku

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.