Úprava povrchových vôd pre pitné a priemyselné účely pomocou hydrodynamickej rezonancie
Snížená tvorba vodního kamene v centralizované výrobě teplé vody pro domácnosti i průmysl je neustálou výzvou. Jednou z technologií, které jsou schopné efektivně pomoci, je aplikace magneticko-hydrodynamické rezonance pro úpravu H2O a roztoků.
ÚVOD
Tvorba "vodného kameňa" je častým problémom, ktorý sa vyskytuje v úprave povrchových vôd pre pitné účely v rôznych priemyselných prevádzkach a v obytných budovách. Tvorba zárodkov a rast kryštálov anorganických častíc, ktoré spôsobujú tvrdosť vo vode ako aj vo vodných roztokoch, zapríčiňujú tvorbu vodného kameňa. Spúšťačom procesu kryštalizácie je presýtenie, tzn. zvýšenie skutočnej koncentrácie kryštalizujúcej látky nad jej rovnovážnu rozpustnosť v danom roztoku [1].
1. PROCES KRYŠTALIZÁCIE UHLIČITANU VÁPENATÉHO
Prvou a hlavnou príčinou tvorby vodného kameňa s tzv. spätnou rozpustnosťou je uhličitan vápenatý, CaCO3. V menovateli rovnice (1) je vyjadrená jeho rozpustnosť, pričom platí, že so stúpajúcou teplotou rozpustnosť RCaCO3 klesá. Ak uvažujeme o tvorbe vodného kameňa vo výmenníku, je pre nás známa skutočnosť, že na povrchu výmenníka je teplota vyššia ako v objeme kvapaliny a to znamená aj vyššie nasýtenie, ktoré môžeme vyjadriť pomocou už spomenutej závislosti (1), [2,3]:
kde
ω - nasýtenie, [bezrozmerná veličina],
RCaCO3 - skutočná koncentrácia v roztoku, [mg/l]
t - teplota [°C],
Uhličitan vápenatý kryštalizuje v najčastejšie sa vyskytujúcich kryštalografických modifikáciách, napr. ako kalcit, aragonit a vaterit.
Rozpustnosť RCaCO3 uhličitanu vápenatého, ktorý spôsobuje tvrdosť vody sa ohrevom vody znižuje, ale nasýtenie ω narastá, ako je názorne ilustrované v Obr.1.
Obr.1 Rozpustnosť uhličitanu vápenatého vo vode
Pre výpočet nasýtenia je potrebné poznať počiatočnú koncentráciu uhličitanu vápenatého vo vode, ktorá sa môže rôzniť napr. v závislosti od geologického podložia vodného zdroja pitnej vody. Avšak, ak posudzujeme proces kryštalizácie komplexne je nutné uvažovať o ďalších faktoroch, ktoré vplývajú na tvorbu vodného kameňa.
2. RELEVANTNÉ FAKTORY KRYŠTALIZÁCIE
Jedným z hlavných faktorov vplývajúcich na proces kryštalizácie je hydrodynamický faktor. Od neho závisí hrúbka vrstvy kryštalických zárodkov vodného kameňa na vnútornej stene potrubia. Ideálnym stavom je neexistencia vrstvy kryštalických zárodkov, ktorá by bránila prestupu tepla medzi objemom kvapaliny a stenou potrubia. Prietok vody cez potrubie evokuje vznik hydrodynamického pulzovania s frekvenciou podľa rovnice (2):
fhp- frekvencia hydrodynamického pulzovania, [1.s-1]
Re - Reynoldsovo číslo,
vpt - rýchlosť pohybu tekutiny, [m.s-1]
d - priemer potrubia, v ktorom preteká kvapalina, [m].
Frekvencia hydrodynamického pulzovania je priamoúmerná od rýchlosti prúdenia kvapaliny. Pulzovanie bráni zachytávaniu kryštálikov na vnútornom povrchu potrubia [4].
Nemenej dôležitým je i povrchový faktor. Na povrchu potrubia musia byť aktívne centrá, tvorené energeticky rôznorodými časticami. V kryštalickej mriežke sa objavujú poruchy materiálu. Na prvom mieste sú to dislokácie. Parametre kryštalických mriežok materiálu povrchu a látky, ktorá na ňom kryštalizuje sa nesmú odlišovať o viac ako o 20 % na základe princípu štruktúrno-geometrickej podobnosti. Heterogénny povrch môže slúžiť ako matrica, ktorá formuje kryštálik soli. Hlavným spúšťačom kryštalizácie je nasýtenie roztoku. Povrchová kryštalizácia soli začína spolu so zvyšujúcou sa koncentráciou, [3].
Povrchový faktor sa podieľa na kvalite aktivity vnútorného povrchu potrubia charakterizovaný parametrom kryštalografickej nerovnomernosti v rovnici (3):
ppodložia - je parameter "a" kryštalickej mriežky podložia (vnútorný povrch potrubia),
pkryš.látka - parameter "a" kryštalickej mriežky kryštalizujúcej látky (uhličitan vápenatý).
Vplyv na tvorbu zárodkov má i samotný materiál potrubia distribučného systému. Pre médium nehrá takú dôležitú rolu ako predchádzajúce dva faktory, ale ak je jeho konštrukčný materiál oceľ potom sa môže jeho vnútorný povrch pokrývať vrstvou FeCO3, Fe2O3 a Fe(OH)3. Pri vode ako distribučnom médiu je pravdepodobnosť výskytu na povrchoch systému aj CaCO3 a CaSO4, ktoré môžu kryštalizovať vo forme anhydridu, CaSO4.1/2H2O alebo ako CaSO4.2H2O.
Podľa zásad kryštalografickej diskordancie na povrchu Fe alebo napríklad Au nemôže kryštalizovať ani jedna soľ, ktorá spôsobuje tvrdosť vody, pretože jej hodnota je väčšia ako 0,2. Tiež kryštalografické sústavy sedimentov Fe a Au sú rozdielne. Napriek tomu sa uhličitanové usadeniny na oceľovom povrchu bežne vyskytujú. Jednou z príčin je prítomnosť rozpusteného CO2 a O2, ktoré vyvolávajú oxidáciu železa. Už minimálny obsah tohto plynu vo vode vyvoláva na oceľovom povrchu vnútorného potrubia tvorbu sideritu.
3. ZNÍŽENIE TVORBY "VODNÉHO KAMEŇA"
Na vstupe do distribučného potrubia je účinné aplikovať opatrenia na zabránenie tvorby sedimentov čo najskôr. To je možné napríklad pomocou:
- zvýšenia frekvencie hydrodynamických pulzov, čím sa zväčší pravdepodobnosť odstránenia mikrokryštálikov CaCO3 z vnútorného povrchu potrubia,
- zabezpečenia kryštalizácie CaCO3 vo forme aragonitu,
- znižovania koncentrácie iónov Ca2+ a Mg2+ pomocou chemického čistenia vody alebo iónovou výmenou,
- odplyňovania, tzn. odstránenie CO2, napr. metódou stripovania vzduchom,
- pokrytia vnútorného povrchu potrubia látkou, ktorá je inertná k CO2 a O2 alebo takou, ktorá má veľkú kryštalografickú diskordanciu voči kalcitu.
Pre cielenú aplikáciu znižovanie tvorby vodného kameňa podľa vyššie uvedených opatrení je nutné bližšie technologicky špecifikovať pomocou ďalšieho výskumu a testovaní rôznych kombinácií používaných zariadení.
4. PÔSOBENIE MAGNETICKO-HYDRODYNAMICKEJ REZONANCIE
Vplyvom riadeného magnetického poľa sa v potrubnom systéme kvapalina štruktúrne reorganizuje, pričom je nutné zohľadniť určité podmienky. Magnetický rezonátor, Obr.2, musí byť navrhnutý individuálne pre konkrétne prevádzkové vstupy ako sú: vnútorný priemer potrubia, teplota pretekajúceho média, tlak a prietok.
Pre obytné budovy alebo priemyselné podniky s dvadsaťštyrihodinovou prevádzkou musíme udržiavať potrebnú rýchlosť pretekajúceho média v operačných priestoroch zariadení pre výrobu a distribúciu teplej vody.
Siločiary magnetického poľa, ktoré vyvinie rezonátor musia byť kolmé na kvapalinový tok v potrubí a intenzita magnetického poľa v pracovnej zóne prístroja je nastavená na presnú hodnotu.
Podľa ďalších pozorovaní pri používaní magnetického rezonátora je možné konštatovať, že zariadenie zapojené spolu s ionexovými filtrami môže dokonca predĺžiť dobu medzi jednotlivými regeneráciami filtrov.
Obr.2 Prierez potrubia s magnetickým rezonátorom
Prostredníctvom magnetického rezonátora je možné meniť štruktúru kvapaliny. Táto zmena štruktúry následne umožňuje zrýchliť odplynenie kvapaliny, čo vedie k zníženiu intenzity tvorby kryštálov. Ďalším efektom, ktorý môžeme pozorovať je aj zníženiu korózie na povrchu výmenníka. To je podmienené samotným materiálom výmenníka a jeho odolnosťou voči korozívnemu prostrediu.
Rovnako zmena štruktúry kvapaliny usmerňuje kryštalizáciu CaCO3 vo forme aragonitu, ktorý má 3,5 násobne vyššiu diskordanciu k sideritu. To nie je možné zabezpečiť ani jednou z bežne používaných technológií. Výhodou rýchlejšej kryštalizácie CaCO3 je zníženie jeho nasýtenia.
5. VÝHODY APLIKÁCIE MAGNETICKÉHO REZONÁTORA
Magnetický rezonátor má celý rad výhod, ktoré zefektívňujú jeho používanie. Rezonátor nepotrebuje zdroj napájania, ďalej konštrukcia je pomerne jednoduchá, teda bez kinematických uzlov. Aplikácia a údržba je veľmi jednoduchá, nevyžaduje sa regenerácia zariadenia počas používania. Rezonátor je možné používať s inými spôsobmi úpravy vody.
Pre centralizovanú výrobu teplej vody pre priemyselné podniky ako aj domácnosti je zníženie tvorby vodného kameňa neustálou výzvou. Jednou z technológií, ktoré sú schopné efektívne pomôcť, môže byť aj aplikácia magneticko-hydrodynamickej rezonancie pre úpravu H2O a jej roztokov.
POUŽITÁ LITERATÚRA
[1] Prisjažnjuk, V.A.: Vedecko technická správa na tém "Zdokonaľovať a aplikovať technologickú schému a prístrojové vybavenie procesu chemického čistenia vody". - Charkov: ISÚ UAS, 1994. - 96 s.
[2] http://www.orion.com.ua/production18.htm, prezerané dňa 14.marca 2009 o 17:00.
[3] Kapalo, Peter: Analýza procesov výmeny tepla v systémoch distribúcie teplej vody. In: Plynár. Vodár. Kúrenár + Klimatizácia. roč. 7, č. 3 (2009), s. 26-28. ISSN 1335-9614.
[4] Jian-ming Zheng - Adam Wexler - Gerald H. Pollack.: Effect of buffers on aqueous solute-exclusion zones around ion-exchange resins. Journal of Colloid and Interface Science, Vol:332, Issue 2, 2009, p.511-514.
Recenze článku
Úprava povrchových vôd pre pitné a priemyselné účely pomocou hydrodynamickej rezonancie
Ing. Ľudmila Paulová, doc. Ing. Alena Pauliková, PhD.
Technická univerzita v Košiciach
Příspěvek se zabývá hraniční oblastí - mezi fyzikální chemií, provozem výroby teplé vody a materiálovým inženýrstvím. Je možno konstatovat, že oblast je "prozkoumaná", jde však spíše o dílčí znalosti a výsledky, ovšem jednoznačnost (ve smyslu technického řešení) v eliminaci inkrustů v potrubních systémech i zařízení samotného ohřevu u různých typů vody vlastně není.
Není pochyb o tom, že v oblasti energetiky - a přímo v části "výroba teplé vody" - jsou inkrusty velký problém jak s ekonomickými a materiálovými dopady, tak i komplikacemi při provozu a samozřejmě s energetickými ztrátami (a tedy až dopady do zvýšené tvorby oxidu uhličitého). Proto je důležitý každý dílčí krok v uplatňování i dílčích nových postupů, jejich zahrnutí do poznávání a ověřování.
Autorky dokládají s uváděným souhrnem dosavadních znalostí také možnosti, které v bodech specifikují. Bude zde tedy zcela jistě navazovat řada dalších kroků, které by měly vést nejen k poznání, ale i postupné aplikaci do běžné technické praxe. I použitá literatura dosvědčuje, že problém je "dostatečně široký"..
Dr.Ing.Zdeněk Pospíchal
The world trend is saving of water and energy sources. Industrial plants also aim at saving of these sources; however their first stimulus is not to protect water supplies for the next generations. They want to only decrease input costs of their production. If water exhaustion was free or unlimited in industry then only few firms would limit their consumption under the environmental ethics press. Costs would be “reduced” to capital, operational and service expenses of used devices. This argument is too simply. A determining criterion of source use is the quality of consumed water as well as waste water which can be released into a recipient after treatment. If we think about energy sources then we also intend energy efficiency and waste heat. The methods of water treatment are various according to applied principles: physical and chemical. The hydrodynamic resonance physical method of treatment is preferred from point of environmental view as well as chemical methods are more expensive. Creation of limestone is one of main reasons for an application of physical method water treatment.