سختی گیر و انواع آن

آب مهمترین سیال در حرارت و برودت است، که وظیفه انتقال گرما در مبدل های حرارتی را به عهده دارد. در برج های خنک کن ، بویلرها و چیلرها از آب به عنوان مایع مبدل استفاده می شود. بطوری که گردش آب موجب تبادل حرارتی می گردد.

معمولا" آب استفاده شده در کاربردهای حرارتی و برودتی از نوع آب سخت است، آب های سخت موجب تشکیل پوسته کربنات کلسیم شده، که مشکلات متعددی را به وجود می آورد. این پوسته به شکل رسوب بر روی سطوح داخلی لوله های حامل آب، باعث کاهش ظرفیت انتقال جریان آب و انتقال جریان حرارت می شود.

هنگامی که آب های سخت حرارت داده می شوند، تشکیل پوسته خیلی سریع تر انجام می گیرد و این امر مشکلات زیادی را در بویلرها و آبگرمکن ها به همراه دارد. یک پوسته به قطر یک میلیمتر بر روی سطوح گرم کننده یک آب گرم کن بصورت عایق حرارتی عمل کرده و در نتیجه افزایش قابل ملاحظه ای در هزینه ها را سبب می شود. 

تشکیل رسوب در جدارها و دیوارها باعث آسیب های فراوانی به تأسیسات حرارتی و برودتی شده که مهمترین آن ها کاهش بازدهی مبدل ها و در نتیجه افزایش انرژی راهبردی است. آنالیز شیمیایی رسوب نشان می دهد که ترکیب اصلی تشکیل دهنده، کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات باریم، سیلیکا و آهن است که درصد فراوانی کربنات کلسیم بیشتر از ترکیبات دیگر می باشد. 

مقاومت حرارتی کربنات کلسیم بسیار زیاد بوده و در صورت تشکیل رسوب همان طور که اشاره شد، در دیواره ها نقش یک عایق را بازی می کند. در صورتی که بتوان از تشکیل کربنات کلسیم در جداره مبدل های حرارتی جلوگیری کرد روند کاهش بازدهی با گذشت زمان متوقف می شود. 

معمولاً کاتیون های کلسیم و منیزیم در آب عامل رسوب هستند. کاتیون کلسیم صرفنظر از نمک های آن که شامل سولفات کلسیم، کلروکلسیم و سایر نمک های کلسیم می شود، سختی کلسیم را تشکیل می دهند. همچنین کاتیون منیزیم نیز باعث سختی منیزیم می گردد.

تاکنون روش های مختلفی برای مقابله با مسئله تشکیل رسوب پیشنهاد شده است. برای این منظور عموماً از دو روش استفاده می شود:

1. سختی گیرهای رزینی
2.  سختی گیرهای الکترونیکی(مغناطیسی)

سختی گیر رزینی

متداول ترین روش برای حذف سختی آب و سختی گیری استفاده از دستگاه با سختی گیر رزینی می باشد. مواد شیمیایی مورد مصرف در سیستم سختی گیر معمولا" سیلیس و رزین کاتیونی و یا رزین انیونی می باشند.

در فرایند سختی گیری به منظور حذف کلسیم و منیزیم آب سخت از میان بستر رزین های تبادل یونی که در داخل یک مخزن استوانه ای عمودی قرار دارند، عبور می نماید. رزین تبادل یونی، سدیم موجود خود را با کلسیم و منیزیم موجود در آب جابجا می نماید به گونه ای که آب عبوری از بستر رزین، بدون سختی و تنها حاوی نمک های سدیم می باشد و در این شرایط کلسیم و منیزیم در داخل رزین جای گرفته اند. رزین سختی گیر دارای ظرفیت نامحدود نمی باشد و پیش از آنکه ظرفیت رزین سختی گیری اشباع گردد، می باید عملیات احیا سازی با محلول کلرید سدیم یا همان نمک متبلور انجام شود.

انتخاب سختی گیر رزینی

در محاسبه و انتخاب یک سختی گیر پارامترهای زیر موثرند:
•    دبی آب ورودی به سختی گیر
•    سختی آب ورودی
•    نوع و ظرفیت رزین
•    سیکل احیاء و شستشو (فاصله زمانی بین دو تا احیاء رزین‌ها)
از مشخصه‌های مهم سختی‌گیرها، نوع رزین، حجم رزین، ابعاد سختی‌گیر (قطر و ارتفاع)، جنس سختی‌گیر می‌باشد. سازندگان رزین ها معمولاً مشخصات کاملی از محصولات تولیدی خود را ارائه می‌دهند. با توجه به فرمول (1) می توان ظرفیت رزین را بدست آورد و سپس به کمک معادله (2) حجم رزین به دست می آید.
 

M مقدار سختی آب (در فاصله دو احیاء) به گرین، TH سختی کل ورودی به ppm، و V_softner دبی آب سختی گیری شونده به گالن بر دقیقه (آب تغذیه – معمولاً 2% تا4% آب در گردش سیرکولاسیون)، t زمان بین دو احیاء (سیکل احیاء به دقیقه معمولاً ضریبی از شبانه روز مثلاً 24 ، 48 و یا 72 ساعت)،RC ظرفیت رزین بر حسب گرین بر فوت مکعب (معمولاً 30،000 تا 40،000) و نهایتا"  RV حجم رزین به فوت مکعب می باشد.
معمولاً عمق رزین را 24 تا 36 اینچ می‌گیرند و همچنین برای هر 30000 گرین 15 پوند نمک جهت احیا در نظر گرفته می شود.
 

سختی گیر مغناطیسی

در چند دهه اخیر تکنولوژی سختی گیری و رسوب زدایی مغناطیسی در صنایع مختلف و به خصوص در حرارت و برودت جایگاه مناسبی پیدا کرده است به طوری که دربسیاری از موارد جایگزین روشهای دیگر که عمدتا شیمیایی هستند، شده است.

در این روش، در اثر اعمال میدان مغناطیسی با انرژی مناسب می توان شرایطی را ایجاد کرد که فرایند تشکیل بلورهای رسوب در داخل آب رخ داده و از چسبیدن آن ها به دیواره ها جلوگیری شود. در این حالت اصطلاحا در آب پدیده دانه برفی رخ داده و هسته های اولیه بلورهای رسوب در آب تشکیل می شود. با گذشت زمان به حجم هسته های اولیه افزوده شده و بلورهای سخت خنثی و معلق در آب که خاصیت چسبندگی خود را از دست داده اند ظاهر می شود.

در کنار فرایند فوق، افزایش مولکول های آزاد در آب و شکسته شدن پیوند هیدروژنی بین آن ها باعث افزایش حلالیت آب شده و خاصیت رسوب زدایی را نیز به فن آوری فوق می افزاید، به نحوی که با گذشت زمان رسوب های پیشین نیز در آب حل شده و تبدیل به بلورهای خنثی معلق در آب می شوند.
روش های دیگری مانند الکترودیالیز، تقطیر، انجماد و اسمز معکوس وجود دارد که به علت پیچیدگی و گران بودن فقط در شرایط خاص بکار برده می شوند.