An Investigation on the Effect of Antiscalants on the Prevention of Scaling in Heating and Cooling Systems

بررسی تأثیر مواد شیمیایی آنتی‌اسکالانت بر جلوگیری از رسوب در سیستم‌های گرمایش و سرمایش                              

آسیه عطاردی‌کاشانی^1*، مهدی تیموری²

1. استادیار، شیمی آلی، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران
2. کارشناسی ارشد، شیمی آلی، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران

* تهران، صندوق پستی 131451696، a.otaredi@yahoo.com

چکیده  

در این طرح مقرر شد تا تأثیر برخی آنتی­اسکالانت­ها در جلوگیری از رسوب و خوردگی در مبدل­های حرارتی صفحه­ای بررسی شود. بدین منظور، دستگاه آزمون شامل یک مبدل حرارتی صفحه­ای فشرده جریان مخالف نصب شده در مدارهای بسته گرمایشی و سرمایشی طراحی گردید. در اینجا، معیار میزان تشکیل رسوب، تغییرات میزان تبادل حرارت مبدل ( )، مقاومت حرارتی رسوب ( ) و میزان افت فشار دو سر مبدل به‌صورت زمانی در نظر گرفته شد. بنابراین، پارامترهای دما، فشار و دبی سیال عبور داده شده از مبدل در زمان مورد مطالعه اندازه‌گیری شده­اند. این مطالعه در سه مرحله: 1- مدار گرمایشی شامل آب سخت و مدار سرمایشی شامل آب مقطر، 2- مدار گرمایشی شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت و مدار سرمایشی شامل آب مقطر، 3- مدار سرمایشی شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت و مدار گرمایشی شامل آب مقطر انجام شد و  و  برای هر سه حالت به‌دست آمد. در مرحله اول که از مواد ضد رسوب استفاده نشده است،  با گذشت زمان ابتدا تا حدود  0005/0 افزایش می­یابد و سپس ثابت می­شود. همچنین،  مبدل به واسطه تشکیل رسوب از حدود 20 تا   15 کاهش می­یابد. در مرحله دوم و سوم که به ترتیب از مواد آنتی­اسکالانت در مدار گرمایشی و سرمایشی استفاده شد، مقاومت حرارتی رسوب، پایین و ثابت (حدود 00005/0) باقی مانده است. همچنین در هر دو حالت، تغییرات میزان تبادل حرارت مبدل ثابت (حدود  17) است و در نهایت، افت فشار در مرحله 1 افزایش یافته و در مرحله 2 تقریباً ثابت مانده است.

کلید‌واژگان

آنتی­اسکالانت، مبدل حرارتی صفحه­ای فشرده در حالت جریان مخالف، اختلاف دمای متوسط لگاریتمی، مقاومت حرارتی رسوب، افت فشار           

An Investigation on the Effect of Antiscalants on the Prevention of Scaling in Heating and Cooling Systems

Asieh Otaredi-Kashani^1*, Mahdi Teimuri¹

1. Department of Mechanical Engineering, Road, Housing, and Urban Development Research Center, Tehran, Iran

* P.O. Box 131451696, Tehran, Iran, a.otaredi@yahoo.com

Abstract

In this paper, it was established investigating the effect of some antiscalants in preventing of scaling and corrosion in plate heat exchangers. For that, the test rig including a plate heat exchanger installed in closed heating and cooling circuits has been designed. Here, the criteria of scaling were considered changes of logarithmic mean temperature difference ( ), thermal resistance of the scale ( ) and pressure drop of the two ends of the exchanger temporally. So, the parameters of temperature, pressure and flow rate of the fluid passed through the plate heat exchanger have been measured during the study time. This project has been done in three steps: 1- heating circuit including hard water and cooling circuit including distilled water, 2- heating circuit including hard water and antiscalants and cooling circuit including distilled water, 3- cooling circuit including hard water and antiscalants and heating circuit including distilled water and  and  have been obtained for all three steps. In the first step, when no anti-scaling material is used,  first increases to about 0.0005  over time and then becomes constant. Also,   is reduced from about 20 to 15  due to scaling. In the second and third steps, when antiscalants were used in the heating and cooling circuits, respectively, thermal resistance is low and constant (about 0.0005 ). Also, in both steps,   is constant (about 17 ). Finally, the pressure drop increased in step 1 and remained almost constant in step 2.

Keywords

Antiscalants, Plate Heat Exchanger, Logarithmic Mean Temperature Difference, Thermal Resistance of Scale, Pressure Drop

• مقدمه

یکی از مهمترین عوامل مرتبط با عمر ساختمان، تأسیسات مکانیکی آن شامل سیستم­های لوله­کشی توزیع آب سرد و گرم بهداشتی و تأسیسات گرمایشی و سرمایشی است. از آنجا که یکی از مهمترین سیالاتی که در سامانه­های حرارتی و برودتی، وظیفه انتقال حرارت را بر عهده دارد،  آب است، یکی از عواملی که طول عمر تأسیسات را تحت تأثیر قرار می­دهد، مسأله رسوب و خوردگی به‌شمار می‌رود. از دلایل اصلی رسوب در تأسیسات ساختمانی، وجود یون­های کم محلول در آب است، چرا که به‌واسطه حلالیت کم آنها، در صورت فراهم بودن شرایط (افزایش دما و یا تغییر شیمیایی محیط مانند تغییر pH ، ...)، سریعاً رسوب می­کنند.

یکی از معضلات اصلی ناشی از تشکیل رسوب و خوردگی، تشکیل رسوب در تجهیزات تبادل‌کننده حرارت است. لایه رسوب تشکیل‌شده بر روی سطوح تبادل‌کننده حرارت، موجب افزایش مقاومت حرارتی و در نتیجه، کاهش نرخ انتقال حرارت، همچنین افت فشار در مسیر حرکت سیال می‌شود. در نتیجه، راندمان سیستم گرمایی و سرمایی پایین می­آید و دستگاه تولیدکننده گرما یا سرما باید با توان بیشتری کار کند که همه این عوامل باعث افزایش مصرف انرژی و کاهش طول عمر این تجهیزات خواهد شد و در مجموع، باعث هزینه بیشتر در طراحی و تعمیر و نگهداری می­شود.

از سال 1960، تحقیقات گسترده­ای در خصوص شناخت روند رسوب‌گذاری انجام شده است. با آنکه در آن زمان، تخمین دقیقی از ارتباط لایه رسوب با عوامل تشکیل‌دهنده آن و شناخت نحوه رشد این لایه به‌دست نیامد، اما بعد از آن، گام­هایی در این رابطه و همچنین شناخت تأثیر رسوب بر ازدیاد مقاومت حرارتی و همچنین تأثیر رسوب بر هزینه­های سرویس و نگهداری و انرژی سیستم­های گرمایی و سرمایی برداشته شد[1] .

تشکیل رسوب در مبدل‌های حرارتی به پارامترهایی چون سرعت و دمای سیال، نوع و میزان ماده رسوب­گذار، نوع و شکل و زبری سطح مبدل بستگی دارد.

به‌طور معمول، رسوب شامل ترکیبات کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، نمک‌های منیزیم و سیلیس است. در دمای بالاتر از 50­، بی­کربنات کلسیم محلول در آب با آزاد کردن دی‌اکسیدکربن، به کربنات کلسیم تبدیل می‌شود که رسوب می­کند. در دمای بالاتر از  90­، یون­های کربنات به یون­های هیدروکسیل هیدرولیز می­شوند که با یون­های منیزیم ترکیب شده و رسوب هیدروکسید منیزیم تولید می­کنند. بنابراین، کربنات کلسیم و هیدروکسید منیزیم، رسوب­های قلیایی هستند. برای مثال هیدروکسید منیزیم در دما و pH بالا تمایل به تشکیل دارد.

نرم کردن آب به معنی حذف یون­های کلسیم و منیزیم در آب است که با استفاده از روش­های ته­نشینی شیمیایی، سختی‌گیرها، تزریق اسید، استفاده از مواد بازدارنده  شیمیایی و ... صورت می­گیرد. یکی از راه­های جلوگیری از تشکیل رسوب، استفاده از مواد شیمیایی بازدارنده­های رسوب است.. از جمله مواد شیمیایی که به عنوان ضد رسوب و پخش‌کننده رسوبات استفاده می‌شوند، آنتی­اسکالانت­ها هستند[2].

آنتی­اسکالانت­ها مواد شیمیایی با سطوح فعال هستند که به سه طریق اصلی در واکنش‌های تشکیل رسوب تداخل ایجاد می‌کنند:

• بازدارنده­های آستانه (Threshold Inhibition): توانایی یک آنتی‌اسکالانت برای نگه داشتن محلول­های فوق اشباع نمک‌های محلول است.
• اصلاح کریستال: این خاصیت یک آنتی­اسکالانت برای به‌هم ریختن شکل کریستال و در نتیجه، ایجاد رسوب نرم و غیرچسبنده است. زمانی که یک کریستال در سطح زیر میکروسکوپی شروع به تشکیل می­کند، گروه­های منفی روی مولکول آنتی­اسکالانت به بارهای مثبت هسته رسوب حمله می­کنند و تعادل الکترونیکی لازم برای رشد کریستال را بر هم می­زند. زمانی که از اصلاح‌کننده­های کریستالی استفاده می­شود، کریستال­های رسوب، نامنظم­تر، بیضی‌شکل­تر و کمتر متراکم به نظر می­رسند.
• پراکندگی: برخی از آنتی­اسکالانت­ها می­توانند روی کریستال­ها یا ذرات کلوئیدی جذب شوند و بار آنیونی بالایی را به آنها انتقال دهند که منجر به جدا نگه داشتن کریستال­ها از هم می­شود [3].

• روش کار

به‌طور کلی، تشکیل رسوب بر روی سطح می­تواند در پنج مرحله رخ دهد: به شرایط اولیه رسیدن سطح برای تشکیل رسوب، انتقال املاح معلق در آب به سطح، اتصال مواد به سطح، حذف برخی رسوبات ایجادشده (که با مکانیزم‌های مختلف مانند انحلال و سایش اتفاق می­افتد) و پیرشدگی رسوب. پیرشدگی رسوب، ممکن است رسوب را تقویت یا تضعیف نماید. رسوب با گذشت زمان تا رسیدن به مقدار پایدار، رشد می­کند. اما مقاومت مکانیکی رسوب می­تواند با تغییر ساختار بلور یا ترکیب شیمیایی رسوب تغییر نماید [4].

عوامل مهم مؤثر بر رسوب­گذاری شامل غلظت، سرعت جریان، دمای سطح، غلظت املاح و ... است. رسوب­گذاری با زمان به‌صورت مجانبی افزایش می­یابد. معمولاً با افزایش دمای انتقال حرارت سطح، مقاومت رسوب کریستالی توسط حلالیت معکوس افزایش می­یابد. همچنین، مقاومت رسوب با افزایش تنش برشی کاهش می­یابد. بر اساس یک نظریه، تنش برشی اعمال شده در مجاورت زیر لایه برای حذف لایه‌های بالایی رسوب کافی است. در نظریه دیگر، فوران ناگهانی سیال به دیواره باعث حذف رسوب می‌شود. افزایش سرعت به معنای افزایش تنش برشی و حذف رسوب است [5].

یکی از راه­های جلوگیری از تشکیل رسوب یا کاهش روند آن، استفاده از مواد شیمیایی آنتی­اسکالانت­هاست. این مواد عمدتاً شامل دو نوع پایه فسفاته و پایه پلیمری می­باشند.

آنتی­اسکالانت­های پایه فسفاته دارای گروه­های عاملی اسید کربوکسیلیک و فسفات­ها هستند. این مواد از بهترین نوع آنتی­اسکالانت­ها در جلوگیری از تشکیل رسوب می­باشند اما در مقابل، خاصیت پراکندگی کمی دارند .آنتی­اسکالانت­های پایه پلیمری دارای وزن مولکولی بالایی هستند و برای آب­های با سختی بالا استفاده می­شوند [6].

در این مطالعه، مقرر شد تا تأثیر مواد شیمیایی آنتی­اسکالانت بر پایه فسفات­ها، تولید شرکت آبریزان، در جلوگیری از رسوب و یا خوردگی در سیستم­های گرمایشی و سرمایشی بررسی شود. بدین منظور، دستگاه آزمون مطابق "شکل 1" طراحی و اجرا شد. همان‌طور که در شکل 1 مشخص است، دستگاه آزمون شامل یک مبدل حرارتی صفحه­ای اصلی است که جریان­های سرد و گرم به‌صورت مخالف از آن عبور می­کنند. از آنجا که یکی از محل­های دارای بیشترین پتانسیل تشکیل رسوب در سیستم لوله­کشی، مبدل حرارتی است، در این کار، این مبدل جهت بررسی تأثیر مواد شیمیایی مورد نظر قرار گرفت. در نظر گرفته شد تا پارامتر دما، فشار و دبی سیال عبور داده شده در این مبدل بررسی شود. بدین منظور 4 عدد سنسور دما جهت بررسی دما در ورودی و خروجی مسیر گرم و سرد مبدل نصب گردید. همچنین، 2 عدد فشارسنج در ورودی‌های مسیر گرم و سرد مبدل و 2 عدد اختلاف فشارسنج، یکی برای سمت گرم و دیگری برای سمت سرد تعبیه شد که هر کدام اختلاف فشار ورود و خروج مبدل در مسیرهای گرم و سرد را به‌صورت مجزا اندازه­گیری کنند. جهت مشخص نمودن دبی، 2 عدد دبی­سنج در مسیر گرم و سرد قرار داده شد.

همچنین، جهت تنظیم فشار اضافی سیستم و جبران کمبود آب در مدار گرم و مدار سرد، از منبع انبساط باز در هر دو مدار گرم و سرد استفاده شد. سیال در مسیر لوله­کشی سرد توسط یک چیلر هوا خنک و در مسیر لوله­کشی گرم توسط المنت­های الکتریکی که یک مخزن آب را در دمای ثابت نگه می­دارد، به دمای مورد نظر می­رسد. در هر مدار جهت گردش آب، از پمپ سیرکولاسیون استفاده گردید.

مشخصات تجهیزات مورد استفاده در این پروژه به‌صورت زیر است:

• سیستم گرمایش شامل مخزن فلزی با ظرفیت 1 و المنت­های الکتریکی به ظرفیت 6
• چیلر هواخنک با ظرفیت 10 تن تبرید
• منبع­های انبساط باز با ظرفیت 60
• مبدل حرارتی صفحه­ای 12 صفحه­ای با مساحت 126/0
• سنسور با دقت 1/0 با نام تجاری لوترون
• فشارسنج ساخت شرکت ویکا با ظرفیت 4-0 (خروجی به‌صورت  20-4 و با دقت 001/0 است.)
• اختلاف فشارسنج با دقت 1/0 درصد ساخت شرکت یوکوگاوا
• دبی­سنج پره­ای تا محدوده­ی دمایی 130 ساخت شرکت زنر
• لوله­کشی با لوله­­های PE-X/Al/PE-X با قطر 16

1: مبدل گرم­کننده مدار گرمایش، 2: مبدل تبادل­­کننده حرارت مدار گرمایش و سرمایش، 3: مبدل خنک­کننده مدار سرمایش، 4: منبع انبساط باز مدار گرمایش، 5: منبع انبساط مدار سرمایش

شکل 1 طرح‌واره دستگاه آزمون

همچنین، "شکل 2" مبدل حرارتی صفحه­ای اصلی را به همراه تجهیزات اندازه­گیری در دستگاه آزمون نشان می­دهد.

شکل 2 مبدل حرارتی صفحه­ای به همراه تجهیزات اندازه­گیری پارامترهای 1:  ، 2:  ، 3:  ، 4:  ، 5: در مدار گرمایشی و پارامترهای 6: ، 7:  ، 8:  ، 9:  ، 10:  در مدار سرمایشی

در طول دوره آزمون، دماها در ورودی به مبدل و خروجی از مبدل، فشار ورودی به مبدل و اختلاف فشار دو سمت مبدل، دبی جریان در هر دو مدار گرمایش و سرمایش اندازه­گیری و ثبت شدند. دمای آب گرم ورودی به مبدل، بین 55 تا  60 و دمای آب سرد ورودی به مبدل  15 تنظیم شد. به منظور ثابت بودن دمای آب سرد ورودی به مبدل، از یک چیلر هواخنک استفاده شده است. همچنین، به منظور بررسی فرایند رسوب­گذاری در زمان کمتر از شرایط معمولی، از آب با سختی  204 و  حدود  408 استفاده شد.

      این پروژه در سه مرحله انجام شد:

• در مرحله اول، در مدار سرمایشی از آب مقطر و در مدار گرمایشی از آب سخت استفاده شد و هیچ مواد آنتی­اسکالانت به آن اضافه نشد. این مرحله به عنوان شاهد و بررسی تأثیر رسوب در مبدل در غیاب مواد آنتی­اسکالانت در نظر گرفته شد.
• در مرحله دوم، مدار گرم شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت و مدار سرد شامل آب مقطر بود.
• در مرحله سوم که هدف آن بررسی تأثیر مواد آنتی­اسکالانت در سیستم سرمایشی بوده، شامل آب مقطر در مدار گرم و آب سخت و مواد آنتی‌اسکالانت در مدار سرد بود.

در هر سه مرحله، دماهای ورودی به مبدل و خروجی از مبدل، فشار ورودی به مبدل، اختلاف فشار دو سر مبدل، دبی در هر دو مسیر گرمایش و سرمایش در طی مدت آزمون، به شرح نتایج زیر ثبت شدند.

3- نتایج

جهت بررسی تشکیل رسوب در مبدل حرارتی صفحه­ای، از پارامترهای مؤثر از رسوب به‌‌صورت زیر استفاده شد [7]:

• افزایش مقاومت حرارتی ناشی از افزایش رسوب
• افزایش اختلاف دمای تبادل به روش ناشی از افزایش رسوب
• افزایش اختلاف فشار ورودی و خروجی مبدل.

با توجه به مشخص بودن دماهای ورودی به مبدل و خروجی از مبدل، همچنین، دبی­های آب در حال چرخش در هر دو مدار گرمایش و سرمایش به صورت روزانه، می­توان میزان حرارت تبادل‌شده در هر سمت مبدل را با استفاده از روابط زیر به دست آورد:

در اینجا، ظرفیت گرمایی ویژه آب، 18/4 در نظر گرفته شده است. از آنجا که مقداری از  صرف گرم کردن آب سرد در مبدل و بقیه به‌صورت افت انرژی ( ) در محیط از دست می­رود، میزان تبادل حرارت صورت گرفته برابر با  است.

با مشخص بودن میزان تبادل حرارت، ضریب کلی انتقال حرارت مبدل، مطابق با رابطه زیر به دست می‌آید:

در این رابطه،  ضریب کلی انتقال حرارت مبدل در حالتی است که هنوز رسوبی در آن تشکیل نشده است. از آنجا که مبدل مورد استفاده در این پروژه، مبدل­ حرارتی صفحه­ای فشرده در حالت جریان مخالف بوده است،  بیشترین مقدار خود یعنی برابر با یک فرض شده است. همچنین،  به صورت زیر تعریف می­شود:

زمانی‌که رسوب در مبدل تشکیل می­شود، مقاومت حرارتی رسوب باعث می­شود تا انتقال حرارت مبدل کمتر صورت گیرد. مقاومت حرارتی رسوب را می­توان به‌صورت زمانی و مطابق با رابطه زیر اندازه­گیری نمود:

در اینجا، با محاسبه ضریب کلی انتقال حرارت مبدل در حالتی که در آن رسوب تشکیل شده ( )، می­توان مقاومت حرارتی رسوب را در هر زمان از تشکیل رسوب ( ) به‌دست آورد.

همان‌طور که گفته شد، در مرحله اول پروژه که زمان آن دو ماه در نظر گرفته شد، در مدار گرمایش، آب سخت و در مدار سرمایش، آب مقطر استفاده شد و در آن به‌صورت روزانه پارامترهای دمای ورودی به مبدل و خروجی از مبدل، فشار ورودی به مبدل، اختلاف فشار دو سر مبدل و دبی در هر دو مدار گرمایش و سرمایش اندازه­گیری شدند و مقاومت حرارتی رسوب بر حسب زمان محاسبه گردید. همان‌گونه که انتظار می­رفت،  با گذشت زمان، به‌واسطه افزایش میزان و ضخامت رسوب، ابتدا افزایش می­یابد و سپس، با توجه به اینکه مواد سخت جدیدی به سیستم اضافه نشده است و بنابراین، لایه جدیدی از رسوب به‌وجود نمی­آید، ثابت می­شود. "شکل 3 "  مرحله اول پروژه را بر حسب زمان نشان می­دهد که تا حدود روز دهم تا حدود  0005/0 افزایش می­یابد و سپس، به این دلیل که آب تازه زیادی وارد سیستم نمی­شود، ثابت می­ماند.

شکل 3 تغییرات مقاومت حرارتی رسوب بر حسب زمان سیستم گرمایشی شامل آب سخت و بدون مواد آنتی­اسکالانت

همچنین، با تشکیل رسوب و افزایش مقاومت حرارتی، اختلاف دمای ورودی و خروجی مبدل کاهش می­یابد، بدین معنا که تبادل کمتر اتفاق می­افتد. در "شکل 4"، که متوسط   مبدل نشان داده شده است، کاهش اختلاف دما از حدود 20 تا حدود 15 را نشان می­دهد.

شکل 4 تغییرات   مبدل بر حسب زمان سیستم گرمایشی شامل آب سخت و بدون مواد آنتی­اسکالانت

به طور کلی، عبور سیال از مبدل، به‌خاطر برخورد با صفحات مبدل با افت فشار همراه است. در این پروژه، میزان افت فشار توسط دستگاه اختلاف فشارسنج که به دو سمت مبدل در هر دو مدار گرمایش و سرمایش متصل است و افت فشار را به‌صورت درصد نشان می­دهد، خوانده شد. با گذشت زمان و تشکیل رسوب و تنگ شدن مجراهای عبور آب، افت فشار آب بیشتر می‌شود. "شکل 5" افزایش افت فشار در مسیر گرم مبدل (که آب سخت در آن جریان داشته) را از حدود 3/1 تا 6/1 درصد نشان می­دهد.

شکل 5 تغییرات اختلاف فشار ورودی و خروجی دو طرف مبدل در مدار گرمایشی بر حسب زمان شامل آب سخت و بدون مواد آنتی­اسکالانت

در مرحله دوم پروژه و به سبب مقایسه این مرحله با مرحله اول، در مدار گرمایش، آب سخت و در مدار سرمایش، آب مقطر استفاده شد، با این اختلاف که در مدار گرمایش از مواد آنتی اسکالانت بر پایه فسفات­ها استفاده شد. مدت این مرحله از مطالعه دو ماه در نظر گرفته شد.

همانند مرحله قبل، به صورت روزانه پارامترهای دما، فشار، دبی و اختلاف فشار دو سر مبدل در هر دو مدار گرمایش و سرمایش اندازه‌گیری شدند. با داشتن دماها و دبی در هر روز، مقاومت حرارتی رسوب بر حسب زمان مطابق با روابط محاسبه گردید که نتیجه در "شکل 6" نشان داده شده است. مقاومت حرارتی رسوب با گذشت زمان ثابت است و افزایش نیافته است، همچنین، میزان آن پایین و حدود  00005/0 است که این امر نشان‌دهنده آن است که به‌خاطر افزایش مواد آنتی­اسکالانت، یون‌های کم محلولی که تمایل به رسوب دارند، در آب معلق مانده و رسوب نکرده­اند.

شکل 6 تغییرات مقاومت حرارتی رسوب بر حسب زمان سیستم گرمایشی شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت

همچنین، "شکل 7"  مبدل را بر حسب زمان نشان می­دهد. همان‌طور که انتظار می­رفت، اختلاف دمای لگاریتمی مبدل به‌خاطر عدم تشکیل رسوب و عدم افزایش مقاومت حرارتی، تقریباً ثابت است و کاهش اتفاق نیفتاده است.

شکل 7 تغییرات   مبدل بر حسب زمان سیستم گرمایشی شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت

اختلاف فشار ورودی و خروجی مبدل در مدار گرمایش بر حسب زمان و به‌صورت درصد در "شکل 8" نشان داده شده است. در اینجا برخلاف "شکل3" که درصد اختلاف فشار با یک شیب ملایم افزایش یافته است، تقریباً ثابت و حدود 2/1 درصد است.

شکل 8 تغییرات اختلاف فشار ورودی و خروجی دو طرف مبدل در مدار گرمایشی بر حسب زمان شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت

   در مرحله سوم پروژه، مقرر شد تا تأثیر مواد آنتی­اسکالانت در سیستم سرمایش مورد بررسی قرار گیرد. بدین منظور، در مدار سرمایش، آب سخت و مواد شیمیایی آنتی­اسکالانت بر پایه فسفات­ها و در مدار گرمایش، آب مقطر استفاده شد. مدت زمان این مرحله یک ماه در نظر گرفته شد. در اینجا، مقاومت حرارتی رسوب بر حسب زمان (شکل 9)، با گذشت زمان ثابت است و افزایش نیافته است. همچنین میزان آن پایین و حدود  00005/0 است که این امر نشان‌دهنده آن است که به‌خاطر افزایش مواد آنتی­اسکالانت به آب سخت، یون­های کم محلول در آب که تمایل به رسوب دارند، در آب معلق مانده و در مبدل رسوب نکرده‌اند.

شکل 9 تغییرات مقاومت حرارتی رسوب بر حسب زمان سیستم سرمایشی شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت

همچنین، "شکل 10"   مبدل را نشان می­دهد. همان‌طور که انتظار می­رود، اختلاف دمای ورودی و خروجی مبدل تقریباً ثابت است و کاهش اتفاق نیفتاده است. بدین معنا که به خاطر عدم تشکیل رسوب و عدم افزایش مقاومت حرارتی، اختلاف دما در ورودی و خروجی مبدل در مدار سرد ثابت و حدود 17 است.

شکل 10 تغییرات   مبدل بر حسب زمان سیستم سرمایشی شامل آب سخت و مواد آنتی­اسکالانت

4- نتیجه‌گیری

در این پروژه مقرر شد تا تأثیر برخی از مواد آنتی­اسکالانت با نام تجاری میتره، تولید شرکت آبریزان در جلوگیری از رسوب در سیستم­های گرمایشی و سرمایشی بررسی شود. بدین منظور، دستگاه آزمون مطابق "شکل 1" و شامل یک مدار بسته گرمایشی و یک مدار بسته سرمایشی که توسط یک مبدل حرارتی صفحه­ای فشرده جریان مخالف تبادل حرارت می­کنند، طراحی شده است. با استفاده از پارامترهای اندازه­گیری شده دما و فشار دو سر مبدل، همچنین دبی به‌صورت زمانی و با استفاده از روابط انتقال حرارت، اثر رسوب­گذاری بر ضریب کلی انتقال حرارت مبدل و همچنین میزان تغییرات افت فشار در مبدل به دست می­آید. آزمون در سه مرحله انجام گرفت؛ مرحله اول که به عنوان مرحله شاهد در نظر گرفته شد، از مواد آنتی­اسکالانت استفاده نگردید تا تأثیر رسوب ایجاد شده در صفحات مبدل، بر کاهش انتقال حرارت مبدل و افزایش افت فشار مشخص گردد. در مرحله دوم و سوم، به ترتیب از مواد آنتی­اسکالانت در مدار گرمایشی و سرمایشی استفاده شد و نتایج با مرحله اول مقایسه گردید. آب مورد استفاده در هر سه مرحله یکسان بوده است. در مبدل در مسیر مدار گرمایشی، در حالتی که از مواد آنتی‌اسکالانت استفاده نشده بود، مقاومت حرارتی رسوب با گذشت زمان ابتدا افزایش (حدود 0005/0) و سپس ثابت شد. همچنین  مبدل (از حدود 20 تا 15) کاهش می­یابد، بدین معنا که تبادل کمتر اتفاق می­افتد. در مرحله دوم از مواد آنتی­اسکالانت در مدار گرمایشی و در مرحله سوم از مواد آنتی­اسکالانت در مدار سرمایشی استفاده شد. در هر دو مرحله مقاومت حرارتی رسوب با گذشت زمان پایین و ثابت (حدود 00005/0) بود. همچنین  مبدل ثابت (حدود  17) باقی ماند.

5- فهرست علایم

6- تقدیر و تشکر

از شرکت پژوهشی، صنعتی آبریزان بابت همکاری­ در این طرح تشکر و قدردانی می­گردد.

7- مراجع

[1] A. Cooper, Recover more heat with plate heat exchangers, Chemical Engineering Journal, Vol. 285, pp. 280-284, May1974.

[2] https://mitreh.com/product/

[3] https://www.lenntech.com/antiscalants.htm

[4] M. Al-Ahmad, F. Abdul Aleem, Scale Formation and Fouling Problems Effect on the Performance of MSF and RO Desalination Plants in Saudi Arabia, Desalination, 93, pp. 287-310, 1993.

[5] J. G. Knudsen, “Fouling in Heat Exchangers”, in “Hemisphere Handbook of heat Exchangers Design”, G. F. Hewitt (Ed.), Hemisphere, 1990.

[6] https://buali-chem.com/

[7] Compact Heat Exchanger for Energy Transfer Intensification, Low Grade Heat and Fouling Mitigation, by Tailor & Francis Group, 2016.