چکیده
دراکثر واحدهای صنعتی به منظور خنک کردن سیستم از دستگاه های تبادل حرارت استفاده می کنند ،واکنش خوردگی بشدت تحت تاثیر پارامترهای کیفی و کمی سیستم مانند pH و نمک ها و گازهای محلول
در آب، دما، سرعت جریان آب، مواد معلق در آب و میکروارگانیسمها می باشد.
برای فلزاتی که در آبهای طبیعی که دارای مواد جامد محلول کمی می باشند، در درجات حرارت پائین، نرخ خوردگی با افزایش غلظت نمکهای محلول افزایش می یابد. از آن پس نرخ خوردگی ممکن است در محلول غلیظ بعلت رسوب کردن املاحی که به حد نهائی قابلیت حل خود رسیدهاند کاهش یابد. در یک محلول رقیق، افزایش قابلیت هدایت الکتریکی باعث افزایش نرخ خوردگی می گردد. در محلول های غلیظ، عمل رسوب میتواند به احتمال قوی منجر به تشکیل یک لایه نازک گردد که باعث شود. در سالهای اخیر، تعداد بازدارنده های خوردگی و روشهای عملی استفاده از بازدارنده ها بطور سریعی پیشرفت کرده است. پیشرفتهای عملی به دست آمده ناشی از کار الکتروشیمیستها بوده که واکنشهای مواد را در فصل مشترکشان با محیط دنبال کرده و به کمک ابزاریهای مختلف، داده های مفیدی بدست آورده اند. این پیشرفت ها امکان انتخاب دقیقتر مواد برای کاربردهای ویژه و بهترین ممانعت کننده را میسر می سازد.
سطوح صاف و تمیز غالباً به مقدار ممانعت کننده کمتری احتیاج دارند. حضور گریس روغن و یا هر نوع محصولات خوردگی بر روی سطح فلز تاثیر شدیدی بر غلظت ممانعت کننده مورد نیاز دارد. در عمل این مواد باعث عدم رسیدن ممانعت کنندهها به سطح فلز گشته و در این حالت مقداری از ممانعت کننده در اثر واکنش شیمیایی با مواد از بین میرود.
مقدمه
خوردگی یک فرایند خودبخودی است، یعنی به زبان ترمودینامیکی در جهتی پیش میرود که به حالت پایدار برسد. البته M+n میتواند به حالتهای مختلف گونههای فلزی با اجزای مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهیم، زنگ میزند که یک نوع خوردگی و پدیدهای خودبهخودی است. انواع مواد هیدروکسیدی و اکسیدی نیز میتوانند محصولات جامد خوردگی باشند که همگی گونه فلزی هستند. پس در اثر خوردگی فلزات در یک محیط که پدیدهای خودبهخودی است، اشکال مختلف آن ظاهر میشود. برآوردی که در مورد ضررهای خوردگی انجام گرفته، نشان میدهد سالانه هزینه تحمیل شده از سوی خوردگی ، بالغ بر 5 میلیارد دلار است. بیشترین ضررهای خوردگی ، هزینههایی است که برای جلوگیری از خوردگی تحمیل میشود. از آنجا که خوردگی پدیده ای تخریبی است، هزینه هایی در پی دارد. این هزینهها در دو دسته مستقیم و غیر مستقم (پیامدهای مستقیم) هستند که دسته دوم بسیار بیشتر از نخستین است. در آمریکا در سال هزینه سالانه خوردگی چیزی پیرامون 1/3٪ تولید ناخالص داخلی (277 میلیارد دلار در سال 1998). دراکثر واحدهای صنعتی به منظور خنک کردن سیستم از دستگاه های تبادل حرارت استفاده می شود. نیاز به خارج کردن حرارت اضافی در فرآیندهای صنعتی پدیده مشترکی است و در این بین، آب مناسبترین محیط برای حذف حرارت ناخواسته میباشد. لذا مقادیر زیاد آب در صنایع به منظور خنک کردن مورد استفاده قرار میگیرد. بنابراین سیستم های خنک کننده آبی در صنایع نقش ویژه ای دارند.
دراکثر کارخانجات کوچک و بزرگ یکی از مهمترین و اساسی ترین دستگاهها می توان انواع برجهای خنک کننده (کولینگ تاور ) را نام برد. برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) علاوه بر آب به منظور خنک کردن سیالاتی دیگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع می شود.
با توجه به اینکه برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) معمولاً حجیم می باشند و بعلت پاشیدن آب در محیط اطراف خود و خرابی تجهیزات آن را معمولاً در انتهای فرایند نصب می کنند.
بنابراین در کولینگ تاورها نیز مانند سایر تجهیزات خوردگی وجود داشته و سالانه هزینه های زیادی را بوجود می آورد.
فصل اول:
برج های خنک کننده (Cooling Towers ) و انواع آن
1-1 برجهای خنک کننده کولینگ تاور (COOLING TOWER ):
دراکثر کارخانجات کوچک و بزرگ یکی از مهمترین و اساسی ترین دستگاهها می توان انواع برجهای خنک کننده (کولینگ تاور ) را نام برد. برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) علاوه بر آب به منظور خنک کردن سیالاتی دیگر در صورت لزوم مورد استفاده واقع می شود.
اگراز وسایل برجهای خنک کننده صرف نظر نشود برای ساخت برج تکنولوژی بالایی نیاز نیست همانطور که در ایران در حال حاضر ساخت این برجها در حد وسیعی صورت می گیرد. برجها با توجه به شرایط فیزیکی و شیمیایی خاص خود دچار مشکلاتی می شوند ولی معمولاٌ زمانی لازم است تا این مشکلات برج را از کار بیاندازد طولانی است.،ولی عملاٌ اجتناب ناپذیر است.
بیشتر دستگاههای خنک کن از یک مدار بسته تشکیل شده اند که آب در این دستگاهها نقش جذب ، دفع و انتقال گرما را به عهده دارد، یعنی گرمای بوجود آمده توسط ماشین جذب و از دستگاه دور می سازد. این کار باعث ادامه کار یکنواخت و پایداری دستگاه می شود.
در دستگاههایی که به دلایلی مجبوریم آب را بگردش در آوریم و یا به کار ببریم باید بنحوی گرمای آب را دفع کرد. با بکار بردن برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) این کار انجام می گیرد. در تمام کارخانه ها تعداد زیادی دستگاههای تبدیل حرارتی وجود دارد که در بیشترآنها آب عامل سرد کنندگی است.
بدلایل زیر آب معمولترین سرد کننده هاست:
1. بمقدار زیاد وارزان در دسترس می باشد.
2. به آسانی آب را می توان مورد استفاده قرار داد .
3. قدرت سرد کنندگی آب نسبت به اکثر مایعات( در حجم مساوی )بیشتر است.
4. انقباض و انبساط آب با تغییر درجه حرارت جزیی است.
هر چند که آب برای انتقال گرما بسیار مناسب است با بکار بردن آن باعث بوجود آمدن مشکلاتی نیز می شود.
آب با سختی زیاد باعث رسوب سازی در دستگاهها شده و همچنین از آنجایی که بیشتر این دستگاهها از آلیاژ آهن ساخته شده اند مشکل خوردگی بوجود می اید. از طرف دیگر بیشتر برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) در بر خورد مستقیم با هوا و نور خورشید می باشند محیط مناسبی برای رشد باکتریها و میکرو ارگانیسم ها نیز می باشد که آنها نیز مشکلاتی همراه دارند.
وارد شدن گرد و خاک بداخل برج نیز در بعضی مواقع ایجاد اشکال می نماید.در کل این مشکلات باعث می شود که بازدهی دستگاه کم شده و در نتیجه از نظر اقتصادی مخارج زیادتری خواهند داشت. در این مجموعه طبیعت این مشکلات و شرایط بوجود آمدن آنها و راههای جلوگیری از آنها را بطور مختصر شرح خواهیم داد. موارد استفاده از برجهای خنک کننده را نیز در بخش های دیگری از این مجموعه را در بر می گیرد.
2-1 بررسی برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) و اجزاء آن:
1-2-1 برج خنک کننده ( کولینگ تاور ) :
برج خنک کن ( برج خنک کننده ، کولینگ تاور ) دستگاهی است که با ایجاد سطح وسیعی در تماس آب با هوا ، عمل تبخیر را آسان نموده و در نتیجه باعث خنک شدن سریع آب می گردد.
عمل خنک شدن در اثر از دست دادن گرمای نهان تبخیر انجام می گیرد در حالی که مقدار کمی آب بخار می شود و سبب خنک شدن آب می گردد.باید توجه داشت که آب مقدار اندکی از گرمای خود را از طریق تشعشع (Radiation) ودر حدود 4/1آن را از راه هدایت (Conduction) و جابجائی (Convection) و بقیه را از راه تبخیر از دست میدهد.
اختلاف فشار بخار آب بین سطح آب و هوا باعث تبخیر می شود.این اختلاف بستگی به دمای آب و میزان اشباع هوا از آب دارد.
مقدار گرمای که بوسیله مایعی جذب یا دفع می شود از رابطه زیر بدست می اید :
(1-1)
در رابطه بالا:
E:گرمای دفع یا جذب شده بر حسب BTU/hr یا CAL/hr
W:دبی مایع خنک شونده بر حسب lb/hr
S: گرمای ویژه مایع خنک کننده بر حسب lb.f/ Btu
T D :کاهش دمای مایع خنک شونده بر حسب f
در حالیکه عمل خنک شدن از طریق تبخیر انجام می گیرد گرمای نهان تبخیر از دست داده شده باید به آن اضافه گردد و آن برابر است با حاصل ضرب گرمای نهان تبخیر در دبی .
مقدار تبخیر بستگی دارد به سطح بر خورد آب با هوا و همچنین شدت جریان هوا دارد. برای اینکه حداکثر بهره برداری که در طرح آن بکار رفته است رعایت شود در برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) که آکنده های آن از نوع splash packing می باشد آب به صورت قطره های در سطوح برج پخش می شود تا سطح وسیعی بوجود اید البته برای این منظور می توان از آکنه های نوع film packing نیز استفاده کرد.
جریان هوا در برج به صورت کشش طبیعی با استفاده از دودکش های هذلولی شکل یا کشش مکانیکی بوسیله بادبزنهای مناسب در جهت مخالف آب ( counter-flow) و یا به طور متقاطع (cross-flow) با آن به جریان می افتد .
2-2-1 سیستم برج خنک کننده (کولینگ تاور ) :
در سیستم برج خنک کننده ( کولینگ تاور ) آب گرم کندانسور از برج خنک کننده ( کولینگ تاور ) عبور می کند و با هوا تماس می یابد. در برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) با کشش طبیعی ، پوسته خارجی برج از بتن مسلح ساخته شده ودر روی پایه ها تکیه دارد . هوا از قسمت پائین وارد برج خنک کننده ( کولینگ تاور ) می شود و به طرف بالا جریان می یابد و از دهانه بالای برج خارج می گردد.
انواع دیگری از برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) که از چوب و سایر مصالح ساخته می شود نیز وجود دارد.در برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) با کشش طبیعی هوا شکل برج طوری طراحی می شود که جریان سریع هوا در داخل برج بوجود اید.
آب گرم از کندانسور در ارتفاع 10 تا 15 متر بالاتر از سطح استخر به سیستم پخش کننده آب وارد می شود . در برجهای قدیمی تر صفحه ای که آب خروجی از کندانسور به آن ریخته می شود دارای سوراخهای منظمی در قسمت پائین است که آب از داخل این سوراخها به فنجانهای زیرین می ریزد. این فنجانها باعث پاشش آب و تبدیل آنها به قطرات کوچک می شوند. یک سیستم خیلی جدید برای پخش آب در برج خنک کننده ( کولینگ تاور ) بکار بردن لوله هایی است که در سطح بالای آن شیپوره هایی برای پاشش آب تعبیه شده است.
تبادل حرارت بین هوای بالارونده از برج و آبی که از برج سرازیر است با تغییر حرارت محسوس در اثر اختلاف درجه حرارت بین آب و هوا انجام می شود. سهم این قسمت از تبادل حرارتی خیلی کم است و قسمت عمده تبادل در اثر تبخیر مقدار کمی آب که پیوسته همراه هوا می باشد،انجام می شود. در اثر این عمل مقدار زیادی گرما از آب سرازیر شده در برج خنک کننده ( بستگی به مقدار آبی که تبخیر شده است) به هوا منتقل می گردد(Evaporating loss). ضمناً مقداری از قطرات آب بوسیله هوا بخارج از برج پراکنده می شود (Windage loss). برای جلوگیری از خروج قطرات آب یک شبکه چوب در اطراف برج و حدود 3 متر بالاتر از توده تخته ها قرار دارد . کمبود آب تبخیر شده در سیستم برج خنک کننده باید از منبع خارجی جبران شود که به آن ،آب تکمیلی یا آب جبرانی (Makeup) گویند . برای این منظور در صورت امکان از آب رودخانه استفاده کرد یا فاضلابها را تا حد امکان صاف و تصفیه کرده و استفاده نمود .
هنگامیکه از نظر فضای ساختمان برج خنک کننده محدودیتی وجود داشته باشد ظرفیت برج خنک کننده ( کولینگ تاور ) راتا حد امکان با استفاده از بادبزنهای مخصوص و بزرگی اضافه می نمایند. این بادبزنها مقدار عبورهوای خنک کننده در داخل برج را زیاد می نماید .
3-1 عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده ( کولینگ تاور ) :
عوامل مؤثر در طراحی برجهای خنک کننده (کولینگ تاور ) را بطور خلاصه می توان بصورت زیر بیان کرد :
1. میزان افت درجه حرارت (اختلاف دمای ورودی وخروجی برج)
2. اختلاف بین درجه حرارت آب سرد و درجه حرارت مرطوب هوا
3. دمای مرطوب محیط : اصولاً خنک کردن آب زیر این دما غیر ممکن است .
4. شدت جریان آب
5. شدت جریان هوا
6. نوع آکنه های برج
7. روش پخش آب
به تجربه ثابت شده است که برای هر 10 درجه فارنهایت افت دما در برج خنک کننده میزان تبخیر در حدود یک درصد کل آب در حال گردش می باشد .
چون نمک های کلرور حلالیت زیادی دارند غلظت یون کلر در آب ورودی به برج وآب در حال گردش راهنمای بسیار خوبی برای تعیین غلظت بوده و بنابراین همیشه باید آنرا بازدید و بررسی نمود .
افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق در آب در حال گردش در برج خنک کننده ایجاد اشکال می نماید که برای جلوگیری از افزایش غلظت مواد محلول و مواد معلق مقداری از آب در حال گردش را تخلیه می کنند که این آب در صنعت به زیر آب (Blow down) معروف است .
مقدار آب برج همچنین ممکن است تصادفی یا بوسیله باد تقلیل یابد . اصولاً در برجهای خنک کننده (کولینگ تاور ) مقداری آب بصورت گرد درآمده و توسط باد یا کشش از برج خارج می شود .
مقدار تخلیه لازم در یرج برای کنترل مواد محلول و معلق مجاز را می توان از رابطه بعد بدست آورد :
(2-1)
که دراین رابطه
B: مقدار زیر آب بر حسب gal/hr یا m3/hr
E: مقدار آب تبخیر شده بر حسب gal/hr یا m3/hr
C: ضریب غلطت پیشنهاد شده برای برج
W: مقدار آبی که توسط باد خارج می شود بر حسب gal/hr یا m3/hr
مقدار آبی که باد همراه خود از برج خارج می سازد در رابطه بالا منفی است ،زیرا آب مواد محلول و معلق را نیز با خود می برد . بنابراین تاثیر در غلظت و بالا بردن املاح آب ندارد .
مقدار آب لازم جهت آب کسری برج از رابطه زیر بدست آورد :
(3-1)
اطلاعاتی که از طرف خریداران در اختیار فروشندگان قرار می گیرد در طرح برج اهمیت فراوانی دارد . مانند اختلاف دما ، مقدار آب در حال گردش ،مقدار زیر آب .
کمبود آب در اثر تبخیر و باد را با استفاده از رابطه های بالا بررسی می کنند .