Θερμικοί Απαερωτές: Απομάκρυνση Οξυγόνου και CO₂ από το Νερό

# Θερμικοί Απαερωτές: Απομάκρυνση Οξυγόνου και CO₂ από το Νερό

## Εισαγωγή

Οι θερμικοί απαερωτές (Thermal Deaerators) αποτελούν βασικό εξοπλισμό προετοιμασίας νερού τροφοδοσίας σε πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις παραγωγής ατμού.

Η λειτουργία τους βασίζεται στη θέρμανση του νερού και στην άμεση επαφή του με ατμό, με σκοπό την απομάκρυνση διαλυμένων αερίων, κυρίως οξυγόνου (O₂) και ελεύθερου διοξειδίου του άνθρακα (CO₂).

Η αποτελεσματική απαέρωση περιορίζει τον κίνδυνο διάβρωσης και συμβάλλει στην αξιοπιστία του συστήματος τροφοδοσίας ατμολεβήτων.

## 1. Γιατί είναι επικίνδυνο το διαλυμένο οξυγόνο;

Το διαλυμένο οξυγόνο συμμετέχει στις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις διάβρωσης μεταλλικών επιφανειών.

Στα συστήματα νερού τροφοδοσίας ατμολεβήτων μπορεί να συμβάλει στη δημιουργία τοπικών διαβρώσεων, γνωστών ως pitting corrosion.

Η τοπική διάβρωση είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη επειδή μπορεί να προκαλέσει βαθιές κοιλότητες και διάτρηση σωληνώσεων ή εξαρτημάτων.

Ο κίνδυνος εξαρτάται από τη συγκέντρωση οξυγόνου, τη θερμοκρασία, το pH, τα υλικά κατασκευής και τη συνολική χημική κατάσταση του νερού.

## 2. Ο ρόλος του διοξειδίου του άνθρακα

Το διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται στο νερό και συμμετέχει στις ισορροπίες ανθρακικού οξέος, όξινων ανθρακικών και ανθρακικών ιόντων.

Η παρουσία ελεύθερου CO₂ μπορεί να μειώσει το pH και να συμβάλει στη διάβρωση.

Στα συστήματα ατμού, επιπλέον CO₂ μπορεί να παραχθεί από τη θερμική διάσπαση όξινων ανθρακικών ενώσεων και να μεταφερθεί στο δίκτυο συμπυκνωμάτων.

Ο θερμικός απαερωτής απομακρύνει κυρίως το ελεύθερο διαλυμένο CO₂.

Δεν εξαλείφει απαραίτητα τα όξινα ανθρακικά ιόντα ή κάθε πιθανή πηγή σχηματισμού CO₂ στον λέβητα.

## 3. Θερμοδυναμική αρχή της απαέρωσης

Η θερμική απαέρωση βασίζεται στη μεταβολή της ισορροπίας μεταξύ διαλυμένων αερίων και αέριας φάσης.

Η διαλυτότητα των περισσότερων αερίων στο νερό μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, υπό συγκρίσιμες συνθήκες μερικής πίεσης.

Η συμπεριφορά μπορεί να περιγραφεί ποιοτικά με τον νόμο του Henry.

Για αραιά διαλύματα και κατάλληλα ορισμένη σταθερά Henry:

C = kH × p

Όπου:

C = Συγκέντρωση διαλυμένου αερίου.

kH = Συντελεστής διαλυτότητας Henry στη συγκεκριμένη θερμοκρασία.

p = Μερική πίεση του αερίου στην αέρια φάση.

Η εξίσωση εξαρτάται από τη σύμβαση ορισμού της σταθεράς Henry.

Στον θερμικό απαερωτή, η θέρμανση και η επαφή με ατμό διευκολύνουν τη μεταφορά των διαλυμένων αερίων προς την αέρια φάση.

## 4. Γιατί χρησιμοποιείται ατμός;

Ο ατμός παρέχει θερμότητα και δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες μεταφοράς μάζας.

Κατά την επαφή με το ψυχρότερο νερό, μέρος του ατμού συμπυκνώνεται και μεταφέρει λανθάνουσα θερμότητα.

Παράλληλα, η ροή ατμού συμβάλλει στην απομάκρυνση των αερίων που απελευθερώνονται από το νερό.

Η αποτελεσματικότητα εξαρτάται από:

- Την παροχή ατμού.

- Τη θερμοκρασία νερού.

- Την πίεση λειτουργίας.

- Την επιφάνεια επαφής.

- Τον χρόνο επαφής.

- Την κατανομή νερού και ατμού.

- Τον εξαερισμό μη συμπυκνώσιμων αερίων.

## 5. Θερμοκρασία κορεσμού και πίεση

Ο θερμικός απαερωτής λειτουργεί συνήθως με το νερό κοντά στη θερμοκρασία κορεσμού που αντιστοιχεί στην εσωτερική πίεση.

Ενδεικτικές τιμές για καθαρό νερό:

- 1,0 bar απόλυτη πίεση: περίπου 99,6°C.

- 1,2 bar απόλυτη πίεση: περίπου 104,8°C.

- 1,5 bar απόλυτη πίεση: περίπου 111,4°C.

- 2,0 bar απόλυτη πίεση: περίπου 120,2°C.

Οι τιμές είναι προσεγγιστικές.

Η απόλυτη πίεση διαφέρει από τη μανομετρική πίεση.

Για παράδειγμα, σε ατμοσφαιρική πίεση περίπου 1 bar, πίεση 0,2 barg αντιστοιχεί περίπου σε 1,2 bara.

Η λειτουργία πρέπει να ακολουθεί την ονομαστική πίεση και τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.

## 6. Στάδια θερμικής απαέρωσης

### Αρχική θέρμανση

Το νερό τροφοδοσίας εισέρχεται στον απαερωτή και θερμαίνεται μέσω επαφής με ατμό.

### Διασπορά νερού

Το νερό διανέμεται μέσω ακροφυσίων ή δίσκων, αυξάνοντας την επιφάνεια επαφής.

### Μεταφορά διαλυμένων αερίων

Το O₂ και το ελεύθερο CO₂ μεταφέρονται από το νερό προς την αέρια φάση.

### Εξαερισμός

Τα μη συμπυκνώσιμα αέρια απομακρύνονται μέσω κατάλληλης διάταξης εξαερισμού μαζί με μέρος των υδρατμών.

### Συλλογή απαερωμένου νερού

Το θερμό απαερωμένο νερό συγκεντρώνεται στη δεξαμενή αποθήκευσης και οδηγείται προς τις αντλίες τροφοδοσίας λέβητα.

## 7. Spray και Tray Deaerators

### Spray-Type

Στους απαερωτές ψεκασμού, το νερό διασπείρεται σε σταγονίδια μέσω ακροφυσίων.

Η αυξημένη επιφάνεια επαφής βοηθά στη μεταφορά θερμότητας και μάζας.

### Tray-Type

Στους απαερωτές δίσκων, το νερό κατανέμεται σε διαδοχικά στάδια επαφής.

Η διάταξη δημιουργεί επαναλαμβανόμενη επαφή νερού και ατμού.

### Spray-Tray

Ο συνδυασμός ψεκασμού και δίσκων χρησιμοποιείται σε ορισμένες εγκαταστάσεις για βελτίωση της θερμικής και μαζικής μεταφοράς.

Η επιλογή τύπου πρέπει να βασίζεται στις απαιτήσεις παροχής, ποιότητας νερού και λειτουργίας.

## 8. Εξαερισμός και ενεργειακές απώλειες

Ο εξαερισμός είναι απαραίτητος για την απομάκρυνση μη συμπυκνώσιμων αερίων.

Αν ο εξαερισμός είναι ανεπαρκής, τα αέρια μπορεί να συσσωρεύονται και να περιορίζουν την απόδοση.

Αν είναι υπερβολικός, αυξάνονται οι απώλειες ατμού.

Η κατάλληλη ρύθμιση εξαρτάται από τον σχεδιασμό του εξοπλισμού.

Σε ορισμένες εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται vent condensers για ανάκτηση μέρους της θερμότητας, χωρίς να παρεμποδίζεται η απαραίτητη απομάκρυνση αερίων.

## 9. Μέτρηση υπολειμματικού οξυγόνου

Η αποτελεσματικότητα της απαέρωσης μπορεί να αξιολογηθεί με μέτρηση διαλυμένου οξυγόνου στην έξοδο.

Ορισμένοι θερμικοί απαερωτές σχεδιάζονται για συγκεντρώσεις περίπου 7 μg/L (7 ppb) ή χαμηλότερες υπό καθορισμένες συνθήκες.

Το πραγματικό όριο εξαρτάται από τις προδιαγραφές του εξοπλισμού και του συστήματος νερού-ατμού.

Η δειγματοληψία πρέπει να γίνεται με κατάλληλη διάταξη ψύξης και προστασία από είσοδο ατμοσφαιρικού οξυγόνου.

Διαφορετικά, η μέτρηση μπορεί να είναι παραπλανητική.

## 10. Παράγοντες μειωμένης απόδοσης

Η υψηλή συγκέντρωση οξυγόνου στην έξοδο μπορεί να συνδέεται με:

- Ανεπαρκή θέρμανση.

- Χαμηλή ή ασταθή παροχή ατμού.

- Ανεπαρκή εξαερισμό.

- Φραγμένα ακροφύσια.

- Φθαρμένους ή κατεστραμμένους δίσκους.

- Ανομοιόμορφη κατανομή νερού.

- Υπέρβαση ονομαστικής παροχής.

- Ακατάλληλη δειγματοληψία.

- Είσοδο αέρα μετά τον απαερωτή.

Η διάγνωση απαιτεί συνδυασμό μετρήσεων θερμοκρασίας, πίεσης, παροχής και διαλυμένου οξυγόνου.

## 11. Ενεργειακή απόδοση

Ο απαερωτής αποτελεί μέρος του θερμικού ισοζυγίου της εγκατάστασης.

Η απαιτούμενη ποσότητα ατμού εξαρτάται από τη θερμοκρασία εισερχόμενου νερού, την παροχή, τις συνθήκες ατμού και τις απώλειες.

Η ανάκτηση θερμών συμπυκνωμάτων μπορεί να μειώσει την απαιτούμενη θερμότητα προθέρμανσης.

Ωστόσο, ο σχεδιασμός πρέπει να διασφαλίζει ότι οι πραγματικές συνθήκες επιτρέπουν αποτελεσματική απαέρωση.

## 12. Συντήρηση και ασφάλεια

Η προληπτική συντήρηση περιλαμβάνει:

- Έλεγχο θερμοκρασίας και πίεσης.

- Επιθεώρηση ακροφυσίων και δίσκων.

- Έλεγχο βαλβίδων ατμού.

- Έλεγχο εξαερισμού.

- Παρακολούθηση στάθμης.

- Μέτρηση διαλυμένου οξυγόνου.

- Έλεγχο διατάξεων ασφαλείας.

- Επιθεώρηση δεξαμενής και σωληνώσεων.

Οι εργασίες πρέπει να πραγματοποιούνται μετά από κατάλληλη απομόνωση, αποσυμπίεση και ψύξη του εξοπλισμού.

## Συμπέρασμα

Η θερμική απαέρωση αποτελεί αποτελεσματική μέθοδο μείωσης διαλυμένου οξυγόνου και ελεύθερου CO₂ στο νερό τροφοδοσίας ατμολεβήτων.

Η λειτουργία βασίζεται στην κατάλληλη θέρμανση, στην άμεση επαφή ατμού-νερού και στον ελεγχόμενο εξαερισμό.

Η σταθερή πίεση, η σωστή θερμοκρασία, η καλή κατανομή νερού και η συστηματική παρακολούθηση αποτελούν βασικές προϋποθέσεις αξιόπιστης λειτουργίας.

Thermosphere.gr – Τεχνική ενημέρωση για επαγγελματίες.