ปรับคุณภาพน้ำในระบบน้ำเย็น

คุณภาพน้ำมีความสำคัญต่อการทำงานของระบบน้ำเย็น ทำให้เกิดตะกรันทำให้ประสิทธิภาพของระบบปรับอากาศลดลง และมีส่วนทำให้เกิดการผุกร่อนกับท่อและอุปกรณ์ในระบบทำน้ำเย็น ผู้ที่เกี่ยวควรเข้าใจความสำคัญ หลักการ และวิธีการควบคุมคุณภาพน้ำ เพื่อใช้ในการควบคุมการติดตั้ง การควบคุมการใช้ และการบำรุงรักษา ถึงจะไม่ใช่ผู้ที่ทำงานทางด้านน้ำโดยตรงก็ตาม

ระบบท่อน้ำและอุปกรณ์ปรับอากาศ

รูปที่ 1.แสดงตัวอย่างวงจรระบบน้ำเย็นและอุปกรณ์ อุปกรณ์ที่สำคัญคือเครื่องทำน้ำเย็น และคอยล์น้ำเย็น ซึ่งใช้ทองแดงเป็นวัสดุแลกเปลี่ยนความร้อน ทองแดงสามารถถ่ายเทความร้อนได้สูงมากและไม่เอื้อต่อการเติบโตของจุลชีพ ระบบท่อน้ำเย็นเป็นระบบท่อวงจรปิด น้ำเริ่มต้นที่เติมเข้าระบบจะมีสารละลายและอากาศอยู่แล้ว และมีอากาศค้างในอุปกรณ์และระบบท่อซึ่งไม่สามารถระบายออกได้หมด จึงมีอากาศละลายน้ำเพิ่มเติมอีกจำนวนหนึ่ง หอผึ่งน้ำที่ใช้ระบายความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นเป็นระบบเปิดซึ่งใช้น้ำหมุนเวียน น้ำส่วนหนึ่งกลายเป็นไอสูญเสียไปเพื่อพาความร้อนแฝงทิ้งจากเครื่องทำน้ำเย็น สารละลายที่มากับน้ำยังคงวนเวียนอยู่ในระบบทำให้มีความเข้มข้นขึ้น จึงต้องระบายน้ำบางส่วนออกเพื่อรับน้ำใหม่เข้ามาทดแทนน้ำที่ระบายออก น้ำที่กลายเป็นไอและน้ำที่กระเด็นออก น้ำในหอผึ่งน้ำสัมผัสอากาศจึงมีอากาศละลายปนเข้ามาในระบบท่อน้ำระบายความร้อน

รูปที่ 1.วงจรระบบทำน้ำเย็นและอุปกรณ์ต่างๆ

ทั้งระบบน้ำเย็นและระบบน้ำระบายความร้อนของระบบปรับอากาศนิยมใช้ท่อเหล็กทั้งที่ท่อพีวีซีมีราคาถูกกว่า เบากว่า ค่าแรงติดตั้งน้อยกว่า ไม่เกิดการผุกร่อนอย่างท่อเหล็ก ท่อน้ำเย็นระบบปรับอากาศเป็นท่อวงจรปิดการขยายตัวของน้ำในระบบท่อปิดทำให้เกิดความดันสูงมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน จึงต้องมีถังขยายตัวเพื่อลดความดันที่จะเกิดขึ้น ระบบท่อระบายความร้อนของเครื่องทำน้ำเย็นเป็นท่อวงจรเปิดจึงไม่ต้องมีถังขยายตัว

เครื่องทำน้ำเย็นติดตั้งใหม่จะมีผิวแลกเปลี่ยนความร้อนที่สะอาดถ่ายเทความร้อนได้ดีทำให้มีประสิทธิภาพการทำความเย็นสูง เมื่อผ่านการใช้งานไประยะเวลาหนึ่งจะเกิดตะกรันที่ผิวทำให้การถ่ายเทความร้อนลดลงทั้งด้านทำน้ำเย็นและด้านระบายความร้อนมีผลให้ประสิทธิภาพเครื่องทำน้ำเย็นลดลง ตะกรันที่คอยล์น้ำเย็นก็จะทำให้ถ่ายเทความร้อนได้น้อยลงทำความเย็นให้ห้องปรับอากาศน้อยลง และอุณหภูมิที่น้ำกลับต่ำลงกว่าที่ควรจึงเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้เกิดปัญหา LTDS (Low Temperature Different Syndrome)

ผู้ออกแบบจะกำหนดประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นเสมือนเครื่องนั้นใช้งานมาแล้วเป็นระยะเวลาหนึ่ง และมีการรักษาคุณภาพน้ำดีพอควร ทำให้มีค่า fouling-factor สำหรับด้านน้ำเย็นระบบปิด 0.00010 h·ft2·F/Btu (0.000018 m2.C/w) และด้านระบายความร้อนระบบเปิด 0.00025 h·ft2.F/Btu (0.000044 m2.C/w) อ้างอิงจากมาตรฐาน ARI Standard 550/590–1998 ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยสำรวจจากอาคารต่างๆ หมายความว่าถ้าปรับคุณภาพน้ำดี fouling factor ลดลงทำให้เครื่องทำน้ำเย็นมีประสิทธิภาพเหมือนใหม่ได้ แต่ทั่วไปมักจะละเลยเรื่องการปรับคุณภาพน้ำ

การผุกร่อนเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ การผุกร่อนทำให้อายุการใช้งานของระบบท่อและอุปกรณ์ลดลง โดยเฉพาะอุปกรณ์ที่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ความเสียหายจากการผุกร่อนไม่ใช่เฉพาะราคาท่อและอุปกรณ์เท่านั้นแต่จะสูญเสียรายได้จากธุรกิจเมื่อไม่สามารถใช้ระบบปรับอากาศได้อีกด้วย

ตะกรัน

น้ำกระด้างจะมีสารละลายของแคลเซียม แมกนีเซียม และเหล็ก ค่าความกระด้างแสดงเป็นปริมาณแคลเซียมในน้ำ มีหน่วยเป็น ppmน้ำกระด้างมีความกระด้าง 100-200 ppmอยู่ในรูปแคลเซียมไบคาร์บอเนตซึ่งละลายในน้ำร้อนได้ดีกว่าน้ำเย็น ปฏิกริยาเคมีที่เกิดขึ้นในน้ำมีดังนี้

สมการที่ 1. แคลเซียมไบคาร์บอเนตแตกตัวเป็นไอออนซี่งสมดุลกับแคลเซี่ยมไอออน คาร์บอเนตไอออน คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ เป็นปฏิกริยาที่กลับไปมาได้

สมการที่ 2. ที่อุณหภูมิหนึ่ง คาร์บอนไดออกไซด์สามารถละลายน้ำได้อย่างสมดุลปริมาณหนึ่ง เมื่อน้ำจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น คาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายน้ำส่วนหนึ่งจะหลุดจากน้ำเป็นก๊าซ น้ำที่มีคาร์บอนไดออกไซด์ละลายอยู่จะมีความเป็นกรด (pH<0)

และสมการ 3. ที่สภาวะแวดล้อมหนึ่งแคลเซี่ยมไอออนและคาร์บอเนตไอออนรวมตัวกันเป็นตะกรัน(ผลึกของแคลเซียมคาร์บอเนต) ที่ผิวท่อและอุปกรณ์ และสภาวะแวดล้อมอีกแบบหนึ่งก็ทำให้ตะกรันแตกตัวกลับเป็นแคลเซี่ยมไอออนและคาร์บอเนตไอออน สภาวะแวดล้อมที่เกี่ยวข้องจะอธิบายเพิ่มเติมในตอนท้าย

ตะกรันที่เกิดที่ผิวทำหน้าที่เคลือบผิวป้องกันการผุกร่อน แต่ทำให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนลดลง ค่าไฟฟ้าของระบบปรับอากาศสูงขึ้นมาก เพื่อลดปัญหาตะกรันที่ผิวท่อและอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน ควรใช้น้ำอ่อน (น้ำอ่อนมีความกระด้าง 10-50 ppm) ทำให้มีตะกรันน้อยที่สุดร่วมกับการปรับคุณภาพน้ำแบบอื่นๆสำหรับทั้งระบบท่อปิด และระบบท่อเปิดซึ่งจะสรุปในตอนท้าย

การผุกร่อน

การผุกร่อนมีหลายประเภทได้แก่ จากปฏิกริยาเคมี ไฟฟ้า ความต่างศักย์(Galvanic corrosion) จากจุลชีพ(Microbial corrosion) จากแรงเค้น(Stress Corrosion) และอื่นๆ ซึ่งในบทความนี้จะอธิบายที่มาพื้นฐานทั้งหมดก่อนที่จะเน้นเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการปรับคุณภาพน้ำเท่านั้น

ปฏิกิริยาเคมีระหว่างโลหะกับออกซิเจนในอากาศจะเกิดออกไซด์ปกคลุมผิวโลหะ ออกไซด์ที่คลุมผิวโลหะอยู่นี้มีอิทธิพลต่อการกัดกร่อนในโลหะต่างๆกัน ออกไซด์บนผิวทองแดงหรืออลูมิเนียมมีความแข็งและมีเนื้อหนาทึบกว่าเนื้อของทองแดงหรืออลูมิเนียมเอง จึงป้องกันเนื้อโลหะภายในไม่ให้มีการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นอีก สนิมเหล็กจะมีลักษณะเป็นรูพรุน ทำให้สนิมลามเข้าภายในเนื้อเหล็กถึงภายในโครงสร้างของเหล็กเกิดการกัดกร่อนลึกลงไป ถึงแม้ว่าอลูมิเนียมจะสามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ง่ายกว่าเหล็ก แต่การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นช้ากว่า เนื่องจากออกไซด์ของอลูมิเนียมที่เกิดขึ้นบนผิวนอกสุด

อนุมูลของเหล็กหลุดออกมาละลายในน้ำด้วยปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีตามสมการที่ 4.,5., และ 6. ทำให้เกิดสนิม แมกเนไทท์ Fe3O4และเฮมาไทท์ Fe2O3 ซึ่งจะตกตะกอนในบริเวณท่อที่น้ำมีความเร็วต่ำจนเกิดการอุดตันได้

ในอากาศมีออกซิเจนถึง21%โดยปริมาตร อากาศละลายอยู่ในน้ำได้ดีที่อุณหภูมิต่ำและความดันสูงตามรูปที่ 2. น้ำจากภายนอกที่เติมเข้าระบบท่อจะมีออกซิเจนอยู่ส่วนหนึ่งแล้ว อากาศที่ค้างในระบบท่อและอุปกรณ์จะละลายน้ำเพิ่มขึ้นทำให้มีออกซิเจนเพิ่มขึ้นและเกิดสนิมมากขึ้น การลาอากาศจึงเป็นสิ่งที่สำคัญ ระบบปรับอากาศใหญ่ๆจึงควรมีAir sepparator

รูปที่ 2.ปริมาตรอากาศที่ละลายในน้ำสูงสุด(อัตราส่วนโดยปริมาตรอากาศต่อน้ำ)ที่อุณหภูมิ(F )และความดัน(Psig)

ความต่างศักย์(Galvanic corrosion) โลหะต่างชนิดกันมีศักย์ทางไฟฟ้าต่างกัน เทียบกับขั้วแบตเตอรี่รถยนต์เมื่อต่อสายไฟถึงกันอีเลคตรอนจะวิ่งจากโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำเรียกว่าขั้วลบ(Cathode)มาที่โลหะที่มีศักย์สูงกว่าเรียกว่าขั้วบวก(Anode) ในแบตเตอรี่มีน้ำกรดเป็นอีเลคโตรไลท์ อีเลคตรอนจากขั้วบวกจะไหลผ่านอีเลคโตรไลท์มาที่ขั้วลบครบวงจร ในระบบท่อมีน้ำเป็นอีเลคโทรไลท์อนุมูลของโลหะลบจะหลุดออกขั้วบวกเกิดการผุกร่อนขึ้น ส่วนขั้วลบไม่เกิดการผุกร่อน

ระบบน้ำเย็นใช้ทองแดงและ/หรือเหล็กไร้สนิม304เป็นวัสดุแลกเปลี่ยนความร้อน และใช้ท่อเหล็กดำ วาวล์ทองเหลือง และอื่นๆ ซึ่งเมื่อดูจากตารางที่ 1. ท่อเหล็กดำจะมีโอกาสผุกร่อนมากที่สุด ตามมาด้วยเหล็กไร้สนิม304 วาวล์ทองเหลือง และทองแดง ระบบน้ำเย็นที่ใช้ท่อเหล็กมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวมากกว่าพื้นที่ผิวของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน การผุกร่อนเป็นแบบสม่ำเสมอทั่วผิวหน้า (General or Uniform Corrosion)ทำให้ท่อบางลงอย่างสม่ำเสมอ การผุกร่อนประเภทนี้ไม่ค่อยเป็นปัญหา เนื่องจากความหนาท่อที่ใช้รับความดันได้มากกว่าความดันที่ใช้มาก และสามารถหาอัตราการผุกร่อนและทำนายอายุการใช้งานของท่อได้ด้วยการใช้แผ่นโลหะตัวอย่างไว้ตรวจสอบ

ตารางที่ 1.แสดงศักย์ทางไฟฟ้าของโลหะในอีเลคโทรไลท์ จากโลหะที่ไว(Anode)ไปจนโลหะที่เสถียรสุด(Cathode)

ท่อและอุปกรณ์มีการเคลือบผิวป้องกันการผุกร่อน(Passivation)เช่นเหล็กฟอสเฟต ชั้นของอ๊อกไซด์ เป็นต้น บางส่วนเป็นพิ้นที่อับ เช่นใต้ปะเก็น ใต้ซีล รอยแตก ตะกรัน เป็นต้น จะเกิดการผุกร่อนในที่อับ (Crevice Corrosion) สำหรับผิวเคลิอบที่เป็นรูจะทำให้เกิดการผุกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion)ภายในรูลามไปในเนื้อซึ่งมีผลรุนแรงกว่าการผุกร่อนในที่อับ

การผุกร่อนจากจุลชีพ(Microbial corrosion)

เกิดขึ้นจากการเจริญเติบโตของจุลชีพบนผิวของโลหะ แบ็กทีเรียบางประเภทผลิตกรดกำมะถันซึ่งจะทำให้เกิดการผุกร่อนในท่อเหล็ก แบ็กทีเรียอาจเข้ามาในระบบปิดได้ตั้งแต่การทดสอบความดันระบบท่อในช่วงติดคั้ง และเข้ามาในระหว่างการทำงานของระบบท่อชองระบบเปิด นอกจากแบ็กทีเรียยังมีเมือกตะไคร่และอื่นๆ ซึ่งอาจทำให้ระบบท่อและอุปกรณ์ของระบบเปิดอุดตัน

รูปที่ 3. แสดงการเกิดการผุกร่อนจากจุลชีพ(Microbial corrosion)และท่อสปริงเกอร์ที่กิดการผุกร่อนจากจุลชีพ

คุณภาพน้ำ

ค่าคุณภาพน้ำประกอบด้วย

· ความเป็นกรดเป็นด่าง มีหน่วยที่ใช้คือ pH (pH = -log[H+]) ซึ่งเป็นค่าที่แสดงความเข้มข้นของไฮโดรเจนอิออน(pH มีค่า 0-14) น้ำสะอาดไม่เป็นกรดหรือด่างมีไฮโดรเจนอิออน 10^-7 ก.เทียบเท่า/สิตรจึงมีค่า PH=7 ค่า pH<7 แสดงว่าน้ำเป็นกรดจะทำให้เกิดการผุกร่อน ถ้า pH>7 น้ำเป็นด่างจะทำให้เกิดตะกรัน

ความเป็นกรด(Acidity) ทำให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องควบคุมคุณภาพน้ำให้เป็นด่าง ความเป็นด่าง(Alkalinity) เกิดจากแคลเซียมและแมกนีเซียมที่จับกับคาร์บอเนท ไบคาร์บอเนท คลอใรด์ และซัลเฟท แต่มักจะระบุเป็น มก./ลิตร ของแคลเซี่ยมคาร์บอเนต การวัดแบ่งออกเป็น M-alkalinity, P-alkalinity และO-alkalinity. M-alkalinity ใช้ metethyl orange ไตเตรทได้ค่า total alkalinityทั้ง hydroxide, carbonate และ bicarbonate ions. The P-alkalinity ใช้ phenolphlien ไตรเตรทได้ค่า hydroxide และ carbonate ions. ใช้ทั้ง M- และP-alkalinity ตรวจวัดแล้วนำมาคำนวน O-alkalinity ซึ่งเป็นค่า hydroxide ions.pH

· Total dissolved solids (TDS) วัดปริมาณสารอินทรีย์และอนินทรีย์ที่ละลายในน้ำ ทั้งที่เป็นโมเลกุล ไอออน อนุภาคแขวนลอย micro-granular (colloidal sol). มีหน่วยเป็น parts per million (ppm). สามารถวัดด้วยด้วยมิเตอร์ไฟฟ้าได้เนื่องจากมีค่าสัมพันธ์โดยตรงกับค่า conductivityซึ่งสามารถวัดทางไฟฟ้าได้ น้ำประเภทต่างๆมี TDS ต่างกัน

– น้ำผ่านเครื่องทำน้ำอ่อน (deionized water) 15 ppm

– น้ำสะอาด TDS < 1,000 ppm

– น้ำกร่อย TDS = 1,000 - 10,000 ppm

– น้ำเค็มTDS = 10,000 - 35,000 ppm

– น้ำดื่ม TDS < 500 ppm น้ำสะอาดก็ดื่มได้แต่มีรสชาติไม่ดี

· Conductivity วัดได้เร็วและค่าใช้จ่ายน้อยวัดส่วนประกอบที่มีประจุในสารละลาย มีค่าเปลี่ยนตามอุณหภูมิ มีความสัมพันธ์โดยตรงกับ total dissolved solids (TDS.).

– น้ำผ่านเครื่องทำน้ำอ่อน (deionized water) มีค่า conductivity ประมาณ 0.5 μS/cmที่อุณหภูมิ 25 ซ.

– น้ำดื่มมีค่า conductivity 200 - 800 μS/cm,

– น้ำทะเลมีค่า conductivity ประมาณ 50,000 μS/cm (50 mS/cm).

· ความกระด้างของน้ำเกิดจากสารประกอบไบคาร์บอเนต (HCO3- ) แคลเซี่ยม (Ca2+ ) และแมกนีเซียม (Mg2+) หน่วยความกระด้างนิยมใช้เป็น มิลลิกรัมต่อลิตรของ แคลเซียมคาร์บอเนต (mg/L as CaCO3 ) เกณฑ์ความกระด้างของน้ำประเภทต่างๆมีดังนี้

ประเภทของน้ำ และเกณฑ์ความกระด้างของน้ำ

– น้ำอ่อน 0-75 mg/l as CaCO3.

– น้ำค่อนข้างกระด้าง 75-150 mg/l as CaCO3

– น้ำกระด้าง 150-300 mg/l as CaCO3

– น้ำกระด้างมาก > 300 mg/l as CaCO3

ค่าดัชนี Langelier Saturation Index และ Ryznar Stability Index จากการคำนวณผลการตรวจสอบคุณภาพน้ำสามารถใช้แสดงปัญหาที่เกิดขึ้นกับระบบท่อและอุปกรณ๋ตามตารางที่ 2. และตารางที่ 3. จึงนำมาใช้ประกอบในการตรวจสอบการควบคุมคุณภาพน้ำได้

ตารางที่ 2.ผลที่เกิดกับระบบท่อและอุปกรณ์ตามดัชนี Langelier Saturation Index (LSI) และ Ryznar Stability Index (RI)

ที่มา Lenntec

ตารางที่ 3.ผลที่เกิดกับระบบท่อและอุปกรณ์ตามดัชนี Langelier Saturation Index (LSI) และ Ryznar Stability Index (RI) ที่มา Carrier

ค่าดัชนีเหล่านี้คำนวณจากผลการตรวจสอบคุณภาพน้ำซึ่งต้องเก็บตัวอย่างน้ำและอุณหภูมิน้ำที่เก็บเพิ่อส่งให้ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ค่า pH, TDS, Ca2+, และ total alkalinity เพื่อคำนวณตามตัวอย่างจาก https://www.gov.nl.ca/ecc/files/waterres-quality-drinkingwater-pdf-calculation-langelier-index.pdf

– Langelier Saturation Index, LSI = pH actual – pHs (saturated CaCO3) และ

– Ryznar Stability Index, RI = 2pHs - pH

หรือวิเคราะห์ค่า pH, TDSหรือConductivity, Ca2+, และ HCO3 เพื่อคำนวณโดยใช้โปรแกรมออนไลน์

https://www.lenntech.com/calculators/langelier/index/langelier.htmRead https://www.lenntech.com/calculators/ryznar/index/ryznar.htm#ixzz6v6kD16rv

การควบคุมคุณภาพน้ำ

การควบคุมคุณภาพน้ำมีวัตถุประสงค์เพื่อป้องกันตะกรัน การผุกร่อน และการเจริญเติบโตของจุลชีพ สามารถสรุปการควบคุมคุณภาพน้ำสำหรับระบบปรับอากาศได้ตามตารางที่ 4. ระบบน้ำเย็นซึ่งเป็นระบบปิดควบคุมคุณภาพน้ำได้ง่ายกว่าและมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าระบบน้ำระบายความร้อนซึ่งเป็นระบบเปิด

ตารางที่ 4.สรุปวิธีการควบคุมคุณภาพน้ำสำหรับเครื่องทำน้ำเย็น

เครื่องทำน้ำเย็นขนาด >75 ตันความเย็น

· ระบบเปลี่ยนน้ำต้องใช้เคมีน้อยที่สุดเพื่อประหยัดค่าใช้จ่าย

– LSI<0 ใช้โซเดียมใฮดรอกใซด์ปรับpH ร่วมกับโพลีฟอสเฟทป้องกันตะกรัน

– 0.5<LSI<2 ใช้โพลีฟอสเฟท 2-5 ppm ตามความเหมาะสม

– LSI>2 ใช้กรดกำมะถันปรับpH ร่วมกับโพลีฟอสเฟท

– เพื่อป้องกัยการผุกร่อนอาจใช้สารเคมีเช่น low chromate ร่วมกับ corrosion inhibitor หรือใช้ CO3+เพื่อให้มีตะกรันเคลือบผิว หรือใช้ท่อแลกเปลี่ยนความร้อน่ป็นท่อที่ทนการผุกร่อนเช่นท่อเหล็กไร้สนิมเป็นต้น ซึ่งอาจประหยัดได้มากกว่าค่าสารเคมี

– ป้องกันจุลชีพ ตะใคร่ด้วยคลอรีนหรือโอโซนซึ่งเป็นสารออกซิไดซ์ที่สลายตัวได้ง่ายไม่มีผลต่อสิ่งแวดล้อม

· ระบบเปิดใช้หอผึ่งน้ำ การหมุนเวียนน้ำจากหอผึ่งน้ำทำให้มี TDS สูงขึ้นจึงต้องมี่การระบายน้ำออกและเติมน้ำอ่อนแทนเพือให้ TDS คงที่Cycle of concentration,COC คืออัตราส่วนของTDSน้ำหมุนเวียน ต่อ TDSน้ำเติม ค่าCOCมากทำให้ประหยัดน้ำ แต่ TDS ในระบบน้ำหมุนเวียนสูงขึ้น นิยมใช้ประมาณ 4

COC = TDSน้ำหมุนเวียน / TDSน้ำเติม ซึ่งแปลงเป็นอัตราการไหลของน้ำได้ดังนี้

COC = (อัตราน้ำระเหย + อัตราน้ำระบาย + อัตราน้ำกระเซ็น) / (อัตราน้ำระบาย + อัตราน้ำกระเซ็น)

อัตราน้ำระเหยประมาณ1%ของอัตราน้ำหมุนวึยนทุก 5.56เซลซียสของอุณหภูมิแตกต่างของน้ำเข้าและออกหอผึ่งน้ำหอผึ่งน้ำทั่วไป(Mechanical Tower) มีอัตราน้ำกระเซ็น 0.1 – 0.3%ของอัตราน้ำหมุนเวียน

หอผึ่งน้ำระเหย(Evaporative Tower) มีอัตราน้ำกระเซ็น 0 – 0.1%ของอัตราน้ำหมุนเวียน

สระฉีดน้ำ(Spray Pond) มีอัตราน้ำกระเซ็น 1.0 – 5.0%ของอัตราน้ำหมุนเวียน

หอบรรยากาศ(Atmospheric Tower/Hyperboloid Tower) มีอัตราน้ำกระเซ็น 0.3 – 1.0%ของอัตราน้ำหมุนเวียน

– ทดสอบคุณภาพน้ำเติมและประเมิน TDS/Conductivityของน้ำหมุนเวียนจาก COC = 4.0 เพื่อตั้งค่าควบคุมวาวล์ระบายน้ำอัตโนมัติด้วย conductivity control

– ทดสอบคุณภาพน้ำหมุนเวียน ตรวจสอบค่าดัชนีต่างๆเพิ่อปรับเปลี่ยนการควบคุมให้ป้องกันตะกรัน และการผุกร่อนได้โดยมีค่าใช้จ่ายน้อยที่สุด การใช้โพลีฟอสเฟทจะช่วยลดอัตราการระบายน้ำได้

– เพื่อป้องกัยการผุกร่อนอาจใช้โดรเมท ร่วมกับ corrosion inhibitor หรือควบคุม CO3+เพื่อให้มีตะกรันเคลือบผิว อาจต้องเติมด่างหรือกรดเพื่อควบคุมค่า pH ควรใช้ pH control ทำงานอัตโนมัติ

– ป้องกันจุลชีพและตะใคร่ด้วยคลอรีนโดยมีอุปกรณ์ควบคุม(chlorinator)หรือโอโซนซึ่งเป็นสารออกซิไดซ์ที่สลายตัวได้ง่ายไม่มีผลต่อสิ่งแวดล้อมโดยมีอุปกรณ์ควบคุมความเข้มข้น ควรตรวจสอบและล้างเป็นระยะๆ

· ระบบปิด(น้ำหมุนเวียน) ไม่สูญเสียน้ำ การเกิดตะกรันถูกจำกัดให้ดงที่ จึงป้องกันการผุกร่อนด้วยโครเมท 200-500ppm เมื่อเริ่มใช้งานเท่านั้น

เครื่องทำน้ำเย็น<75 ตันความเย็น

· ระบบเปลี่ยนน้ำ เนื่องจากมีขนาดเล็ก การป้องกันตามหลักการเหมือนเครื่องขนาดใหญ่ แต่มักจะไม่มีอุปกรณ์ควบคุมอัตโนมัติเนื่องจากมีต้นทุนสูง การป้องกันการผุกร่อนใช้วัสดุที่ทนต่อการผุกร่อนได้ดีกว่าเพื่อประหยัดค่าสารเคมี

· ระบบเปิดใช้หอผึ่งน้ำ

– การป้องกันตะกรันสามารถใช้การระบายน้ำเพียงอย่างเดียวได้ถ้า

น้ำเติมมี alkalinity<100ppm โดยควบคุมให้น้ำหมุนเวียนมี alkalinity<125ppm

– การใช้โพลีฟอสเฟทร่วมกับการระบายน้ำถ้า

น้ำเติมมี alkalinity<250ppm โดยควบคุมให้น้ำหมุนเวียนมี alkalinity<400ppm

น้ำเติมมี alkalinity>250ppm โดยควบคุมให้น้ำหมุนเวียนมี alkalinity<450ppm

– น้ำเติมมี alkalinity100-150ppm ไม่มีปัญหาเรื่องตะกรัน

ถ้าน้ำเติมมี alkalinity>150-200ppm ต้องล้างตะกรันด้วยกรดทุก 2-3ปี

และถ้าน้ำเติมมี alkalinity>250ppm ต้องล้างถี่กว่านั้น

– การป้องกันการผุกร่อน ถ้าไม่มีปัญหาตะกรันใช้โพลีฟอสเฟท 10-15ppm เพิ่มอัตราการเติม 2-4เท่า และสามารถลดอัตราการระบายน้ำได้ครึ่งหนึ่ง

– หรือใช้โครเมทการป้องกันการผุกร่อน 200-500ppm สามารถใช้ low chromateได้แต่ต้องมีอุปกรณ์ pH control ซึ่งมีต้นทุนสูง

– การควบคุมจุลชีพใช้เติมเป็นครั้งๆหรือใส่ในภาชนะให้ซึมออกมาโดยไม่ต้องมีอุปกรณ์ซึ่งมีต้นทนสูง

· ระบบปิด(น้ำหมุนเวียน) ใช้วิธีการเช่นเดียวกับเครื่องทำน้ำเย็นขนาดใหญ่

Polyphosphates

เป็นสารเคมีที่ใช้ในน้ำประปาเพื่อป้องกันตะกรัน การผุกร่อนของระบบท่อประปา และลดการใช้คลอรีนในการฆ่าเชื้อ การใช้โพลีฟอสเฟทได้รับการรับรองจาก NSF(National Science Foundation) ว่ามีความปลอดภัยตาม EPA guidelines for human and environmental safety ข้อดีของโพลีฟอสเฟทกับน้ำประปาได้แก่

– ป้องกันคราบแดงจากเหล็กและคราบดำจากแมงกานีส

– ลดตะกั่วและทองแดงที่ละลายน้ำ

– ทำความสอาดและละลายตะกรันที่อยู่ในระบบท่อ

– ป้องกันและ/หรือลดการเกิดตะกรัน และการผุกร่อนจากการเป็นกรดและ/หรือโลหะต่างชนิดในระบบท่อ

การใช้ในระบบน้ำเย็นจึงมีความปลอดภัย แม้จะมีการระบายน้ำทิ้งที่หอผึ่งน้ำ

เครื่องทำน้ำอ่อน(Water softeners)

เครื่องทำน้ำอ่อนใช้หลักการไฟฟ้าเคมีจับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าของแคลเซียมและแมคนีเซียมในน้ำกับอนุภาคของโซเดียม น้ำอ่อนที่ได้ทำให้ตะกรันในระบบลดลงแต่ก็เพิ่มโซเดียมในน้ำที่เติมเข้าระบบเครื่องทำน้ำอ่อนทำงานโดยแลกเปลี่ยนโซเดียมอิออนในซีโอไลท์กับแคลเซี่ยมอิออนในน้ำ ทำให้แคลเซี่ยมอิออนในน้ำลดลง แต่ในน้ำจะมีโซเดียมอิออนเพิ่มขึ้น ซึ่งไม่เป็นตะกรันแต่ไม่ได้ลด alkalinityของน้ำเติม และอาจทำให้เกิดการผุกร่อน อัตราการระบายน้ำของน้ำหมุนเวียนอาจไม่ลดลง

ขนาดเครื่องทำน้ำอ่อนเลือกตามอัตราการเติมน้ำและระยะเวลารอบการ regenerateเพื่อให้ซีโอไลท์ใช้งานได้ดีเหมือนเดิม การregenใช้น้ำเกลือไล่แคลเซียมที่ถูกซีโอไลท์จับออกไปขั้นตอนสุดท้ายของการregenใช้น้ำสะอาดล้างน้ำเกลือออกจากซีโอไลท์ ซึ่งทั้งน้ำเกลือและน้ำล้างต้องผ่านระบบบำบัดน้ำเสียก่อนทิ้ง ถ้าล้างไม่ถูกต้องจะมีน้ำเกลือเข้าไปกับน้ำเติม

เครื่องทำน้ำอ่อนทำให้มีต้นทุนเพิ่มขึ้น มีงานบำรุงรักษาเพิ่มขึ้น เมื่อสามารถใช้โพลีฟอสเฟทและการระบายน้ำดูแลการเกิดตะกรันได้ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น จึงไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องทำน้ำอ่อน แต่ต้องมีนักเคมีหรือใช้บริการบริษัทเคมีเพื่อตรวจสอบดูแลคุณภาพน้ำเพื่อป้องกันตะกรันและการผุกร่อนของระบบท่อและอุปกรณ์ จึงต้องเปรียบเทียบข้อดีข้อเสียก่อนที่จะเลือกใช้

ระบบสนามแม่เหล็ก(Magnetic Water Treatment)

บทความจาก IEEE Transactions กันยายม 1985 Klaus Kronenberg กล่าวว่าสนามแม่เหล็กสามารถลดการเกิดตะกรันได้ถึง 2 ใน 3 และมีผลอยู่หลายวัน ศาสตราจารย์ J. M. D Coey ทดสอบโดยใช้สนามแม่เหล็ก 1000 Gauss (0.1 T, tesla คือ magnetic flux density หน่วย SI) พบว่าน้ำที่ไม่ได้รับสนามแม่เหล็กจะมีผลึกแคลเซี่ยมแบบแคลไซท์(calcite)รูปร่างกลมมากกว่าอาร์โกไนท์(argonite)รูปร่างเหมือนเข็ม ตามรูปที่ 4.ซ้าย เมื่อผ่านสนามแม่เหล็กจะมีผลึกแคลเซี่ยมแบบอาร์โกไนท์มากกว่าตามรูปขวามือ รูปที่ 5.การเกิดผลึกขึ้นกับระยะเวลาที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก ความเข้มและมีอายุผลึกนานถึง 200 ชั่วโมง

รูปที่ 4.ภาพถ่ายอีเลกทรอนไมโครสโคปของผลึกแคลเซียมในน้ำที่ไม่ผ่านและผ่านสนามแม่เหล็ก 1000 Gauss

รูปที่ 5.ระยะเวลาที่ผลึกอาร์โกไนท์สลายตัวลดลงเป็นเปอร์เซนต์หลังจากผ่านสนามแม่เหล็ก

ตะกรันเป็นผลึกของแคลเซี่ยมคาร์บอเนทที่เริ่มจากแกน(nuclei)ของผลึกเกาะที่ผิวโลหะจากนั้นจึงโตเป็นผลึกแคลไซท์หนาขึ้น แต่ถ้าน้ำผ่านสนามแม่เหล็กโมเลกุลน้ำจะถูกบีบรัดทำให้แคลเซี่ยมอิออนที่อยู่ในน้ำจับตัวเกิดแกนในน้ำจำนวนมากและหนาขึ้นเป็นผลึกอาร์โกไนท์ลอยไปกับน้ำ แร่ธาตุอื่นๆก็เช่นเดียวกันทำให้โมเลกุลของน้ำว่างสามารถที่จะละลายแร่ธาตุอื่นได้อีกจึงมีโอกาสที่จะละลายตะกรันที่มีอยู่เดิมกลับมาได้

ระบบแม่เหล็กที่ใช้ป้องกันหรือลดการเกิดตะกรันมีหลายระบบได้แก่ระบบที่ใช้แม่เหล็กถาวรและแม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กถาวรที่ใช้เป็นแม่เหล็กแรงสูงที่ทำจากเหล็กผสมธาตุหายาก(neodymium magnets) ในรูปที่ 6.แม่เหล็ก neodymium 2ก้อน ติดตั้งคนละด้านของท่อสร้างสนามแม่เหล็กแรงสูง ประสิทธิภาพของการป้องกันตะกรันขึ้นกับหลายปัจจัยเช่นตวามเข้มของสนามแม่เหล็ก อัตราการไหลของน้ำ ระยะเวลาที่น้ำไหลผ่าน เป็นต้น สำหรับท่อขนาดต่างๆจึงมีจำนวนแม่เหล็กต่างๆกันให้มีความเช้มของสนามแม้หล็กเหมาะสมกับอัตราการไหลของน้ำ

รูปที่ 6. การทำงานของระบบแม่เหล็ก(Magnetic Water Treatment)

สำหรับระบบแม่เหล็กไฟฟ้าแบ่งออกเป็น Electromagnetic(แม่เหล็กจากไฟฟ้ากระแสตรง) AC Induction(แม่เหล็กจากไฟฟ้ากระแสสลับ) ทั้งหมดใช้สายไฟพันรอยท่อเพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก ไฟฟ้ากระแสตรงจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสม่ำเสมอเหมือนแม่เหล็กถาวร ส่วนไฟฟ้ากระแสสลับจะมีอุปกรณ์ปรับความถี่ทำให้สามารถปรับความเข้มสนามแม่เหล็กตามเวลาได้

ในการทำงานจริงไม่สามารถตรวจวัดการทำงานได้ว่าตะกรันเกาะน้อยลงหรือไม่จนกว่าจะเปิดระบบดูตะกรันที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนหลังจากที่ใช้ไปแล้วระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งระหว่างนั้นจะมีปัจจัยอื่นเข้ามาเกี่ยวข้องหรือไม่ทำให้งานที่ทดสอบมีทั้งยืนยันและล้มเหลวได้จึงยังไม่สามารถสรุปผลได้ 100%

Electrostatic Water Treatment

ตะกรันเป็นอนุภาคแคลเซี่ยมคาร์บอเนทที่จับตัวกับแกนหนาขึ้นเป็นผลึก เมื่อทำให้เกิดสนามไฟฟ้าทำให้เกิดประจุที่ผิวของอนุภาคให้ผลักกันเองก็จะสามารถแยกไม่ให้รวมตัวเกิดตะกรัน นอกจากนี้ยังสามารถขจัดตะกรันที่มีในอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนและป้องกันการเจริญเติบโตของจุลชีพ รูปที่ 7.น้ำถูกแบ่งมาผ่านอุปกรณ์ระบบ Electrostatic Water Treatment เพื่อใช้สนามไฟฟ้าผลักดันอิออนออกจากกัน ผลิตภัณท์หนึ่งสร้างสนามไฟฟ้าจากแรงด้นไฟฟ้ากระแสตรงสูงสุดของ 25,000โวลท์ 0.02มิลลิแอมป์ จ่ายให้แท่งอีเลกโทรดซึ่งมีน้ำไหลผ่าน แท่งอีเลกโทรดเคลือบด้วยสารไดอีเลกทริก(dielectric material)ซึ่ง เป็นฉนวนไฟฟ้าอย่างบางทำให้เกิดสนามไฟฟ้า

รูปที่ 7.อุปกรณ์ระบบ Electrostatic Water Treatment ติดตั้งด้านข้างของท่อ

มีบทความแสดงผลการทดสอบระบบนี้เพื่อป้องกันการเกิดตะกรัน ขจัดตะกรันที่เกาะผิวแลกเปลี่ยนความร้อน และป้องกันการเจริญเติบโตของจุลชีพ และมีความพยายามที่จะอธิบายทางทฤษฐี เช่นเดียวกับระบบแม่เหล็ก การทดสอบในสถานที่ติดตั้งยังทำได้ยากเพราะอนุภาคเหล่านั้นยังคงอยู่ในน้ำ จนกว่าจะเปิดระบบดูตะกรันที่อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนหลังจากที่ใช้ไปแล้วระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งระหว่างนั้นอาจจะมีปัจจัยอื่นเข้ามาเกี่ยวข้องหรือไม่ทำให้งานที่ทดสอบมีทั้งสำเร็จหรือล้มเหลวได้จึงยังไม่สามารถสรุปผลได้ 100%

บทส่งท้าย

ปัญหาสำดัญสำหรับระบบน้ำเย็นคือตะกรันซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนลดลงเป็นสาเหตุให้ประสิทธิภาพของเครื่องทำน้ำเย็นและระบบปรับอากาศลดลง การผุกร่อนมีผลต่อายุการใช้งานของระบบ การผุกร่อนบางส่วนมีผลจากคุณภาพน้ำซึ่งสามารถใช้ตะกรันป้องกันการผุกร่อนได้ และการผุกร่อนอีกหลายส่วนก็ไม่ได้มีสาเหตุจากคุณภาพน้ำ จุลชืพในน้ำมีผลต่อการผุกร่อนและการอุดตัน

การปรับคุณภาพน้ำสำหรับระบบปิอเช่นระบบน้ำเย็นซึ่งใช้น้ำหมุนเวียน จะปรับคุณภาพน้ำเฉพาะเมื่อเริ่มการทำงานเท่านั้นการใช้สารเคมีจึงมีค่าใช้จ่ายน้อย แต่ระบบน้ำเย็นที่ใช้กับAir washer และระบบน้ำระบายความร้อนที่ใช้หอผึ่งน้ำเป็นระบบเปิดที่ใช้น้ำหมุนเวียนการใช้สารเคมีปรับคุณภาพน้ำจึงมีค่าใช้จ่ายมากขึ้นควรจะมีบริษัทที่เชี่ยวชาญเรื่องคุณภาพน้ำมาดูแลเพื่อให้การใช้สารเคมีมีประสิทธิภาพ ส่วนใหญ่จะมีเครื่องทำน้ำอ่อนสำหรับทำน้ำเติมระบบเพื่อให้การปรับคุณภาพน้ำได้ง่ายขึ้นประหยัดน้ำขึ้น แต่ก็ต้องลงทุนเพิ่มขึ้นและมีค่าregenและค่าบำรุงรักษาเพิ่มขึ้น จึงตวรเปรียบเทียบต้นทุนและค่าใช้จ่ายก่อนที่จะใช้เครื่องทำน้ำอ่อน สามารถใช้ดัชนี LSI หรือ RI เป็นตัวช่วยในการควบคุมการปรับคุณภาพน้ำ

ทางเลือกใหม่สำหรับการปรับคุณภาพน้ำคือการไม่ใช้สารเคมีได้แก่การใช้ระบบสนามแม่เหล็กได้แก่ Electromagnetic และ AC Induction และการใช้สนามไฟฟ้า Electrostatic ซึ่งมีต้นทุนสูงแต่จะประหยัดค่าใช้จ่ายในการทำงานที่คุ้มค่า แต่การทดสอบและการตรวจรับทำได้ยาก ต้องใช้งานไประยะเวลาหนี่งแล้วจึงเปิดระบบดูผลการทำงาน การใช้จึงต้องมีข้อตกลงพิเศษระหว่างผู้ผลิตและผู้ใช้เพื่อประโยชน์ของทั้งสองฝ่าย

เอกสารอ้างอิง

– “Handbook of Air Conditioning System Design”, Carrier Air Conditioning Company

– “Magnetic Water Treatment”; K&J Magnetics, Inc.

– Goran Kostić, “ELECTROMAGNETIC WATER TREATMENT”, Symmetry, symmetry@ptt.rs ; www.symmetry.rs

– JOHN P. COULTER, CESAR A. SILEBI, AND C. ALEXIS BENNETT, PAUL Q. McLAINE; “An Investigation of Electrostatic Water Treatment for Industrial Systems”; Lehigh University, Bethlehem, Pennsylvania; PAPER # IWC-02-48