رسوب آب سخت یکی از علت های احتمالی افت عملکرد مبدل حرارتی بخار به آب است. این مشکل ممکن است در ابتدا فقط با طولانی شدن زمان گرم شدن آب دیده شود. اما اگر رسوب روی سطح انتقال حرارت ادامه پیدا کند، مقاومت حرارتی بیشتر می شود و مبدل برای انتقال همان مقدار انرژی به شرایط کاری متفاوتی نیاز پیدا می کند.
در واحد صنعتی معمولا وقتی دمای آب خروجی پایین می آید، اولین بررسی به سمت فشار بخار، شیر کنترلی یا تله بخار می رود. این بررسی ها درست هستند، اما نباید کیفیت آب و احتمال رسوب را فراموش کرد. از طرف دیگر، هر افت دمایی به معنی رسوب نیست. برای تشخیص درست باید چند نشانه را کنار هم گذاشت و شرایط واقعی کار دستگاه را بررسی کرد.
در این مقاله توضیح می دهیم رسوب آب سخت چگونه تشکیل می شود، چه اثری بر انتقال حرارت دارد، از کجا می توان به وجود آن شک کرد و چه زمانی تمیزکاری مبدل منطقی است.
آب سخت چیست و چرا در مبدل رسوب تشکیل می دهد؟
سختی آب بیشتر به وجود یون های کلسیم و منیزیم مربوط است. این یون ها در آب به صورت محلول حضور دارند، اما در شرایط مشخص ممکن است با سایر ترکیبات واکنش دهند و مواد کم محلول تشکیل دهند. اگر این مواد روی سطح گرم مبدل جمع شوند، لایه ای از رسوب به وجود می آید.
یکی از رسوب های رایج، کربنات کلسیم است. این رسوب معمولا در شرایطی تشکیل می شود که تعادل شیمیایی آب تغییر کند و غلظت مواد سازنده آن برای رسوب گذاری کافی باشد. با این حال، تمام رسوبات مبدل از یک جنس نیستند. سولفات کلسیم، ترکیبات سیلیسی، محصولات خوردگی و ذرات معلق نیز ممکن است در شرایط مختلف مشکل ایجاد کنند.
در مبدل بخار به آب، بخار در یک سمت سطح انتقال حرارت جریان دارد و آب فرایندی در سمت دیگر حرکت می کند. دو سیال به طور معمول مستقیما با هم مخلوط نمی شوند. بنابراین باید مشخص شود آب دارای سختی در کدام مدار قرار دارد. آب تغذیه بویلر، آب مدار گرم و آب فرایندی مبدل شرایط یکسانی ندارند و نباید یک برنامه تصفیه را بدون بررسی به همه آنها تعمیم داد.
رسوب آب سخت چگونه روی سطح مبدل جمع می شود؟
فرایند رسوب گذاری به ترکیب آب و شرایط بهره برداری وابسته است. ممکن است مواد محلول ابتدا به مرحله فوق اشباع برسند، سپس هسته های کوچک جامد تشکیل شوند و در ادامه این ذرات روی سطح یا روی رسوب های قبلی رشد کنند. در بعضی سیستم ها ذرات معلق نیز به لایه رسوب می چسبند و آن را متراکم تر می کنند.
برای کربنات کلسیم، یکی از واکنش های شناخته شده به شکل زیر است:
Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ + CO2 + H2O
این رابطه نمایش ساده ای از تجزیه بی کربنات کلسیم است. در عمل، تشکیل رسوب فقط به دمای بالا وابسته نیست. pH، قلیائیت، غلظت یون ها، فشار، میزان تبادل گاز و شرایط جریان نیز می توانند بر نتیجه اثر بگذارند.
به همین دلیل، نمی توان یک دمای ثابت را برای شروع رسوب گذاری در همه مبدل های حرارتی اعلام کرد. ممکن است دو سیستم با دمای کاری نزدیک به هم، به دلیل تفاوت کیفیت آب یا طراحی، رفتار کاملا متفاوتی داشته باشند.
مهم ترین علائم رسوب در مبدل بخار به آب
اولین نشانه ای که معمولا دیده می شود، تغییر عملکرد حرارتی است. برای مثال، ممکن است آب خروجی به دمای مورد انتظار نرسد یا زمان لازم برای گرم کردن مخزن بیشتر شود. اگر اپراتور برای جبران این وضعیت مجبور باشد شرایط بخار را تغییر دهد، باید علت افت عملکرد با دقت بررسی شود.
نشانه دوم می تواند تغییر افت فشار در سمت آب باشد. اگر رسوب یا مواد دیگر سطح عبور جریان را محدود کنند، افت فشار ممکن است افزایش پیدا کند. البته افزایش افت فشار به تنهایی رسوب را ثابت نمی کند؛ گرفتگی فیلتر، بسته بودن شیر، تجمع ذرات و مشکلات توزیع جریان هم می توانند نشانه مشابه ایجاد کنند.
نشانه سوم، افزایش دفعات تمیزکاری یا بازگشت سریع افت عملکرد پس از سرویس است. در چنین شرایطی بهتر است به جای تکرار شستشو، کیفیت آب و علت تشکیل رسوب بررسی شود.
برای تشخیص دقیق تر، این اطلاعات را در یک بازه مشخص ثبت کنید:
دمای ورودی و خروجی آب
فشار بخار ورودی و وضعیت شیر کنترل
دبی آب در صورت وجود ابزار اندازه گیری
افت فشار سمت آب و در صورت امکان سمت بخار
وضعیت تخلیه کندانس و عملکرد تله بخار
نتایج آزمایش آب و تاریخ آخرین سرویس
مقایسه این اطلاعات زمانی ارزش دارد که شرایط کاری قبل و بعد تا حد امکان مشابه باشد. اگر دبی آب یا فشار بخار تغییر کرده باشد، تفاوت دمای خروجی به تنهایی معیار قابل اعتمادی برای نتیجه گیری نیست.
رسوب چه اثری بر انتقال حرارت دارد؟
رسوب یک لایه با مقاومت حرارتی اضافه روی سطح انتقال حرارت ایجاد می کند. در نتیجه، انتقال انرژی از بخار به آب دشوارتر می شود. اگر سایر شرایط ثابت بمانند، ضریب انتقال حرارت کلی معمولا کاهش پیدا می کند و برای انتقال بار حرارتی یکسان، اختلاف دمای بیشتری لازم خواهد بود.
این وضعیت ممکن است باعث افزایش زمان گرم شدن، تغییر مصرف بخار یا محدود شدن ظرفیت عملیاتی شود. با این حال، مقدار اثر به ضخامت و رسانایی رسوب، سطح درگیر، طراحی مبدل و شرایط جریان بستگی دارد. بنابراین اعلام یک درصد ثابت برای افت راندمان تمام مبدل ها دقیق نیست.
در بررسی فنی، باید میان کاهش ظرفیت انتقال حرارت و افزایش مصرف انرژی تفاوت قائل شد. افزایش مصرف انرژی به نحوه کنترل سیستم، راندمان بویلر، بار فرایند و شرایط تولید نیز وابسته است. برای تعیین میزان واقعی افت عملکرد، داده های اندازه گیری شده پیش و پس از سرویس لازم است.
تفاوت رسوب، گرفتگی و خوردگی چیست؟
در محیط کارگاهی گاهی هر نوع افت عملکرد را رسوب می نامند، اما این مشکلات از نظر علت و روش رفع با هم فرق دارند.
رسوب معمولا از تشکیل یا تجمع مواد روی سطح ناشی می شود. گرفتگی ممکن است بر اثر ذرات معلق، الیاف، لجن یا مواد خارجی در مسیر جریان رخ دهد. خوردگی نیز به واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیایی مربوط است که به سطح فلز آسیب می رسانند.
این مشکلات گاهی همزمان دیده می شوند. برای نمونه، لایه رسوب می تواند شرایط زیرسطحی را تغییر دهد و زمینه خوردگی موضعی را فراهم کند. از طرف دیگر، محصولات خوردگی ممکن است همراه جریان حرکت کنند و در قسمت دیگری از مبدل جمع شوند.
رنگ یا ظاهر رسوب برای شناسایی قطعی ترکیب آن کافی نیست. اگر نوع رسوب مشخص نباشد، نمونه برداری و بررسی آزمایشگاهی می تواند از انتخاب روش تمیزکاری اشتباه جلوگیری کند.
طراحی مبدل چه ارتباطی با رسوب گذاری دارد؟
احتمال رسوب گذاری فقط به کیفیت آب وابسته نیست. هندسه مسیر جریان، سرعت سیال، توزیع جریان، دمای سطح و امکان دسترسی برای سرویس نیز اهمیت دارند. در طراحی باید هم انتقال حرارت و هم افت فشار و قابلیت تمیزکاری در نظر گرفته شود.
برای کاربردهایی که به سطح انتقال حرارت قابل دسترس و امکان بازرسی نیاز دارند، بررسی ساختار مبدل حرارتی پوسته و لوله می تواند نقطه شروع مناسبی باشد. انتخاب این نوع مبدل به معنی حذف رسوب نیست، اما طراحی مناسب و امکان دسترسی برای تعمیر و تمیزکاری می تواند نگهداری را ساده تر کند.
در نهایت، هیچ نوع مبدلی برای تمام سیالات و شرایط کاری بهترین گزینه نیست. انتخاب باید بر اساس خواص سیال، دمای ورودی و خروجی، فشار طراحی، بار حرارتی و نوع آلودگی محتمل انجام شود.
چگونه تشخیص دهیم افت عملکرد واقعا به رسوب مربوط است؟
وقتی مبدل دیگر مثل قبل آب را گرم نمی کند، بهتر است پیش از باز کردن دستگاه چند بررسی ساده انجام شود. اول باید شرایط واقعی کار با شرایطی که دستگاه قبلا در آن عملکرد مناسبی داشته مقایسه شود. فشار بخار، دبی آب، دمای ورودی و وضعیت شیر کنترل از اطلاعات اولیه هستند.
اگر فشار بخار ورودی افت کرده باشد یا تله بخار نتواند کندانس را درست تخلیه کند، ممکن است ظرفیت گرمایش کم شود؛ حتی اگر سطح انتقال حرارت تمیز باشد. وجود هوا یا گازهای غیرقابل تقطیر نیز در بعضی شرایط انتقال حرارت را مختل می کند. بنابراین نباید صرفا به دلیل پایین آمدن دمای خروجی، دستور شستشوی شیمیایی صادر کرد.
بعد از بررسی شرایط بهره برداری، نوبت به افت فشار می رسد. افزایش افت فشار در سمت آب می تواند نشانه محدود شدن مسیر جریان باشد. اگر افت فشار تغییر محسوسی نکرده اما عملکرد حرارتی ضعیف شده است، احتمال رسوب روی سطح انتقال حرارت همچنان وجود دارد. البته این وضعیت به تنهایی برای تشخیص قطعی کافی نیست.
اگر امکان بازرسی داخلی وجود داشته باشد، وضعیت سطح، محل تجمع رسوب و نشانه های خوردگی باید بررسی شوند. در مواردی که ترکیب رسوب مشخص نیست، نمونه برداری از آن می تواند اطلاعات مفیدی بدهد. نتیجه این بررسی به انتخاب روش مناسب تمیزکاری کمک می کند.پیشگیری از رسوب فقط به شستشوی مبدل محدود نمی شود. کنترل دمای کارکرد، بررسی کیفیت آب، مدیریت شرایط بهره برداری و انتخاب روش مناسب تصفیه آب نیز در کاهش احتمال تشکیل رسوب نقش دارند. برای بررسی راهکارهای بیشتر، مطلب روش های کاهش رسوب گذاری در مبدل های حرارتی بخار در کاربردهای صنعتی را ببینید.
روش محاسبه افت عملکرد حرارتی مبدل
برای ارزیابی عملکرد، می توان از رابطه ساده انتقال حرارت در سمت آب استفاده کرد. در این محاسبه، دبی جرمی آب، ظرفیت گرمایی ویژه و اختلاف دمای ورودی و خروجی لازم است.
Q = m_dot × Cp × (T_out - T_in)
در این رابطه:
Qنرخ انتقال حرارت است.mدبی جرمی آب است.Cpظرفیت گرمایی ویژه آب است.T_outدمای خروجی آب است.T_inدمای ورودی آب است.
واحدها باید سازگار باشند. برای مثال، اگر دبی جرمی بر حسب کیلوگرم بر ثانیه و ظرفیت گرمایی ویژه بر حسب ژول بر کیلوگرم کلوین باشد، حاصل بر حسب وات خواهد بود.
این محاسبه برای بررسی روند عملکرد مفید است، اما محدودیت دارد. اگر دبی اندازه گیری نشده باشد، تنها اختلاف دما نمی تواند ظرفیت واقعی مبدل را مشخص کند. همچنین باید مشخص باشد که در زمان اندازه گیری، شرایط سیستم پایدار بوده و ابزارها درست کار می کرده اند.
برای محاسبه دقیق تر ضریب انتقال حرارت کلی، به اطلاعات بیشتری مانند سطح انتقال حرارت، اختلاف دمای موثر و شرایط جریان نیاز است. در مبدل هایی که دو سیال در دو سمت دیواره جریان دارند، استفاده از اختلاف دمای میانگین مناسب و اطلاعات طراحی اهمیت دارد.
چه زمانی شستشوی مبدل حرارتی لازم است؟
شستشو زمانی منطقی است که شواهد کافی از وجود رسوب یا آلودگی وجود داشته باشد و بررسی های اولیه علت های دیگر افت عملکرد را تا حد مناسبی کنار گذاشته باشند. تکرار شستشو بدون پیدا کردن علت اصلی، معمولا مشکل را برای مدت کوتاهی پنهان می کند و هزینه نگهداری را بالا می برد.
پیش از شروع کار باید جنس فلز، جنس واشرها، نوع رسوب، محدودیت های سازنده و روش دفع محلول مصرف شده مشخص باشند. ماده ای که برای حذف رسوب کربناتی مناسب است لزوما برای حذف سیلیس، محصولات خوردگی یا آلودگی روغنی مناسب نیست.
در مبدل های صفحه ای، سازگاری ماده شوینده با جنس صفحات و واشرها اهمیت زیادی دارد. اگر دستگاه از نوع صفحه ای باشد، اطلاعات و محدودیت های مربوط به مبدل حرارتی صفحه ای باید پیش از انتخاب روش سرویس بررسی شوند. روش مناسب به مدل دستگاه و دستورالعمل سازنده وابسته است.
برای مبدل های دیگر نیز نباید یک دستور شستشو را بدون بررسی تعمیم داد. غلظت ماده، دمای محلول، مدت تماس، سرعت گردش و روش آبکشی باید بر اساس نوع آلودگی و الزامات ایمنی تعیین شوند. اجرای شستشوی شیمیایی بدون دستورالعمل فنی معتبر می تواند به سطح فلز یا آب بندی ها آسیب بزند.
چرا رسوب بعد از شستشو دوباره برمی گردد؟
اگر رسوب در فاصله کوتاهی پس از تمیزکاری دوباره تشکیل شود، باید به شرایطی توجه کرد که باعث ایجاد آن شده اند. ممکن است سختی آب ورودی کنترل نشده باشد، دستگاه تصفیه درست کار نکند یا کیفیت آب جبرانی تغییر کرده باشد. در برخی سیستم ها، شرایط دمایی و نحوه توزیع جریان نیز می توانند در محل تشکیل رسوب موثر باشند.
در چنین وضعیتی، شستشوی بیشتر به تنهایی راه حل پایدار نیست. بهتر است کیفیت آب در نقاط مناسب نمونه برداری شود و نتایج با شرایط بهره برداری مقایسه شوند. برای انتخاب راهکار تصفیه، باید مشخص شود مشکل از سختی آب است یا از نوع دیگری از املاح و آلودگی ها ناشی می شود.
نرم کردن آب می تواند احتمال تشکیل بعضی رسوبات کلسیمی و منیزیمی را کاهش دهد، اما تمام املاح محلول را حذف نمی کند. انتخاب سختی گیر، اسمز معکوس یا روش دیگر باید بر اساس آنالیز آب و کیفیت مورد نیاز انجام شود. هیچ روش تصفیه ای را نمی توان بدون بررسی شرایط پروژه برای همه سیستم ها تجویز کرد.
نگهداری پیشگیرانه چه چیزهایی را باید پوشش دهد؟
یک برنامه نگهداری کاربردی بهتر است بر پایه داده های واقعی دستگاه باشد. برای شروع، اطلاعات زیر را در فاصله های متناسب با حساسیت فرایند ثبت کنید:
دمای ورودی و خروجی آب در شرایط کاری مشخص
فشار بخار ورودی و وضعیت تخلیه کندانس
دبی آب و افت فشار، در صورت وجود ابزار اندازه گیری
نتایج آزمایش آب و تغییرات کیفیت آن
تاریخ شستشو، نوع رسوب و روش به کار رفته
نتیجه عملکرد دستگاه پس از هر سرویس
با این اطلاعات می توان روند افت عملکرد را زودتر تشخیص داد. برای مثال، اگر افت فشار به تدریج بالا برود و همزمان ظرفیت گرمایش کم شود، احتمال محدود شدن مسیر جریان بیشتر می شود. اگر دما تغییر کند اما افت فشار ثابت بماند، باید علت های دیگر نیز بررسی شوند.
فاصله زمانی نمونه برداری و سرویس باید بر اساس کیفیت آب، سابقه رسوب، دستورالعمل سازنده و اهمیت تجهیز در خط تولید تعیین شود. یک برنامه ماهانه یا فصلی ثابت برای تمام مبدل ها لزوما مناسب نیست.
اگر سختی آب و ترکیبات محلول کنترل نشوند، حتی شستشوی منظم مبدل هم ممکن است مشکل رسوب را به طور کامل برطرف نکند. بررسی کیفیت آب، انتخاب مواد شیمیایی متناسب با شرایط بهره برداری و تنظیم برنامه نگهداری، از اقداماتی هستند که می توانند به کاهش تشکیل رسوب و خوردگی کمک کنند. برای آشنایی بیشتر با این موضوع، مقاله استراتژی های نگهداری شیمیایی مبدل حرارتی بخار به آب را مطالعه کنید.
آیا نوع مبدل بر هزینه نگهداری اثر می گذارد؟
بله، اما نوع مبدل فقط یکی از عوامل است. شرایط سیال، کیفیت آب، فشار و دمای کار، جنس سطح انتقال حرارت و امکان دسترسی برای بازرسی نیز در هزینه های نگهداری موثر هستند.
در مبدل های چند لوله ای، نحوه توزیع جریان و دسترسی به مسیرهای داخلی باید در طراحی و برنامه سرویس دیده شود. برای آشنایی با ساختار این تجهیزات می توان صفحه مبدل حرارتی چند لوله ای را بررسی کرد. مناسب بودن این ساختار برای یک پروژه مشخص به بار حرارتی، فشار طراحی و ویژگی های سیال بستگی دارد.
در برخی کاربردها مبدل مارپیچ نیز به دلیل هندسه مسیر جریان و نیازهای خاص فرایند قابل بررسی است. با این حال، نمی توان صرفا بر اساس شکل مبدل نتیجه گرفت که رسوب کمتری ایجاد خواهد شد. ویژگی های آب، شرایط جریان و قابلیت تمیزکاری باید در کنار هم ارزیابی شوند. اطلاعات مربوط به مبدل حرارتی مارپیچ می تواند برای شناخت این ساختار مفید باشد.
مبدل بخار به آب با مبدل هوا خنک چه تفاوتی دارد؟
در مبدل بخار به آب، انتقال حرارت معمولا از بخار به آب یا سیال فرایندی از طریق دیواره انجام می شود. در مبدل هوا خنک، گرما از سیال داخل لوله ها به هوای محیط منتقل می شود و فن ها در بسیاری از طراحی ها به جریان هوا کمک می کنند.
به همین دلیل، مشکلات نگهداری این دو تجهیز کاملا یکسان نیستند. در مدار آب، رسوب ناشی از سختی و سایر ترکیبات محلول ممکن است روی سطوح داخلی تشکیل شود. در سمت هوای مبدل هوا خنک، گرد و غبار، آلودگی محیط و گرفتگی فاصله بین فین ها می توانند عملکرد خنک کاری را کاهش دهند. البته نوع آلودگی به کاربرد واقعی تجهیز بستگی دارد.
اگر موضوع پروژه خنک کردن سیال با هوا باشد، بررسی دسته مبدل حرارتی هوا خنک مناسب تر از انتخاب یک راهکار شیمیایی برای مدار بخار است. در این نوع تجهیز، انتخاب ظرفیت، دمای طراحی، شرایط محیطی، توان فن و دسترسی برای تمیزکاری اهمیت دارند.
برای خرید یا بررسی قیمت مبدل هوا خنک نیز باید مشخصات واقعی پروژه از جمله بار حرارتی، دمای سیال ورودی و خروجی، دمای محیط و شرایط نصب معلوم باشند. قیمت بدون این اطلاعات مقایسه دقیقی بین گزینه ها به دست نمی دهد.
چه زمانی تعمیر یا تعویض مبدل منطقی تر است؟
اگر پس از تمیزکاری اصولی و اصلاح شرایط بهره برداری، عملکرد به سطح قابل قبول برنگردد، باید وضعیت دستگاه از نظر طراحی، خوردگی، نشتی و آسیب های داخلی بررسی شود. تصمیم به تعمیر یا تعویض نباید تنها بر اساس سن دستگاه گرفته شود.
در مبدل های پوسته و لوله، وضعیت لوله ها، اتصالات و بخش های مستعد خوردگی اهمیت دارد. اگر نشتی تکرار شود یا ضخامت فلز به محدوده نامناسب برسد، ادامه کار بدون ارزیابی فنی می تواند خطرناک باشد. بازرسی، تست و تعمیر باید طبق الزامات سازنده و استانداردهای مربوط انجام شوند.
در پایان، کنترل رسوب با یک اقدام مقطعی تمام نمی شود. تشخیص درست علت افت عملکرد، کنترل کیفیت آب، انتخاب روش مناسب تمیزکاری و ثبت اطلاعات پس از سرویس در کنار هم به کاهش هزینه های بهره برداری کمک می کنند. هرچه تصمیم های نگهداری بر اساس اندازه گیری و داده های قابل مقایسه باشند، احتمال شستشوی غیرضروری و توقف ناخواسته کمتر خواهد شد.
