Torri di raffreddamento: problematiche di gestione

Una torre di raffreddamento è un impianto che consente di smaltire in modo rapido il calore sfruttando il principio naturale di funzionamento del raffreddamento evaporativo che consente di raffreddare una massa d’acqua mediante lo scambio con l’aria ambiente. l’acqua ha assorbito in un processo di raffreddamento per scambio termico. La torre di raffreddamento ha la funzione di massimizzare la superficie di contatto aria-acqua e creare l’effetto dell’evaporazione dell’acqua a contatto con l’aria in controcorrente.

L'acqua di reintegro del sistema di raffreddamento può sembrare pulita, ma anche l'acqua filtrata contiene minerali disciolti invisibili e alcune sostanze insolubili che rappresentano una seria minaccia per l'efficienza del raffreddamento. Queste sostanze includono sporco o limo, minerali, gas e organismi microbiologici che, se non trattati, possono accumularsi e causare riduzioni significative dell'efficienza di trasferimento del calore, aumento della manutenzione o addirittura l'arresto totale del sistema.

I sistemi a ricircolo aperto sono i primi candidati per i problemi di contaminazione. I contaminanti tendono ad accumularsi o a concentrarsi nelle torri di raffreddamento aperte. Man mano che l'acqua evapora, lascia dietro di sé tutti i contaminanti che originariamente trasportava nel sistema. I solidi extra si raccolgono nel bacino della torre. Man mano che viene aggiunta acqua dolce per compensare le perdite per evaporazione, nuovi contaminanti entrano nel sistema e si aggiungono ai solidi totali. Altri contaminanti vengono raccolti dall'aria mentre l’acqua precipita attraverso la torre.

Le problematiche più comuni che si incontrano nella gestione di circuiti con torri evaporative sono principalmente tre:

• Corrosion
• Incrostazione>
• Presenza di limo organico (Biofouling)

Corrosione

La corrosione è una reazione tra un metallo e il suo ambiente.
L’impianto di una torre di raffreddamento è un ambiente che include acqua di raffreddamento aerata, depositi di calcare, pellicole superficiali, contaminanti di processo e crescite microbiologiche. Queste e altre condizioni portano a un rapido deterioramento della torre di raffreddamento, degli scambiatori di calore e del sistema di tubazioni. Le apparecchiature di scambio termico nei sistemi di raffreddamento sono realizzate con vari metalli come acciaio, rame, acciaio zincato e acciaio inossidabile. Questi metalli, se non adeguatamente protetti, si corrodono quando esposti all'aria e all'acqua. Questo processo distruttivo può causare crepe, perdite e guasti prematuri dei componenti del sistema. L'ossigeno è l'ingrediente principale nel processo di corrosione. Poiché l'acqua in un sistema di raffreddamento a ricircolo aperto è satura di ossigeno, è necessario un programma continuo di controllo della corrosione per mantenere la massima efficienza operativa e prolungare la vita utile delle apparecchiature dell’impianto.

Controllo del problema

La velocità della reazione di corrosione dipende da diverse variabili tra cui la quantità di ossigeno disciolto disponibile al catodo, la temperatura, il pH dell'acqua, la velocità dell'acqua e i solidi totali disciolti. Nella chimica dell'acqua di raffreddamento, il principale fattore di controllo della velocità è la quantità di ossigeno disciolto disponibile sulla superficie metallica. Un efficace controllo della corrosione si basa sulla capacità degli inibitori chimici di ritardare o inibire la reazione chimica che si verifica all'anodo o al catodo. Gli inibitori di corrosione che sono efficaci nel controllare le reazioni che si verificano all'anodo sono chiamati inibitori anodici. Quelli che funzionano al catodo sono chiamati inibitori catodici. Si ritiene che questi inibitori funzionino in virtù della loro capacità di formare una pellicola molecolare sulla superficie metallica. L'inibitore polarizza la cella di corrosione anodo/catodo, rallentando o arrestando così la reazione di corrosione. Vari inibitori di corrosione vengono aggiunti ai sistemi dell'acqua di raffreddamento per controllare il tasso di corrosione su acciaio dolce, rame e leghe di rame, acciaio inossidabile, acciaio zincato e alluminio. Poiché alcuni inibitori sono più efficaci nel controllare la corrosione di un particolare metallo rispetto ad altri, il programma di controllo della corrosione dovrebbe essere adattato alla metallurgia del sistema. Un efficace programma di trattamento dell'acqua di raffreddamento inizia sempre con un audit della metallurgia del sistema, della progettazione delle apparecchiature e dei materiali di costruzione. Una volta completato questo, può essere implementato un efficace programma di controllo chimico della corrosione.

Incrostazioni

I minerali nell'acqua di raffreddamento, come il carbonato di calcio, il silicato di magnesio e l'ossido di ferro, sono normalmente solubili in condizioni operative tipiche, ma in alte concentrazioni usciranno dalla soluzione per formare cristalli duri e densi comunemente noti come incrostazioni. I depositi di calcare non trattati formano strati densi e isolanti sulle apparecchiature di trasferimento del calore. Questi depositi riducono l'efficienza di raffreddamento agevolando il fenomeno della corrosione sotto i depositi di calcare. La durezza dell’acqua indica la concentrazione di Calcio (Ca) e Magnesio (Mg) responsabili delle formazioni calcaree, insieme alla concentrazione di bicarbonati (alcalinità). La durezza è un parametro che si può controllare mediante l’uso degli impianti addolcitori con resine a scambio ionico in grado di sostituire il calcio e il magnesio con il sodio (che non forma depositi).

Controllo del problema

Le incrostazioni si formano nelle tubazioni e nei pacchi di riempimento delle torri evaporative. La durezza dell’acqua indica la concentrazione di Calcio (Ca) e Magnesio (Mg) responsabili delle formazioni calcaree, insieme alla concentrazione di bicarbonati (alcalinità). La durezza è un parametro che si può controllare mediante l’uso degli impianti addolcitori con resine a scambio ionico in grado di sostituire il calcio e il magnesio con il sodio (che non forma depositi).
E’ pertanto consigliabile utilizzare acqua addolcita con l’aggiunta di prodotti antincrostanti, e di controllare costantemente i punti di spurgo del circuito. I formulati antincrostanti modificano la struttura del carbonato di calcio in una forma poco aderente e irregolare affinché non si aggreghi in cristalli la cui massa costituisce il deposito.
Anche l’alcalinità dell’acqua è un elemento fondamentale per il controllo delle incrostazioni. Si deve monitorare riducendola con opportuni prodotti e, in particolare, riducendo la concentrazione attraverso gli spurghi, sia nelle torri sia nelle caldaie. Esistono tabelle guida che descrivono i limiti di controllo per durezza e per l’alcalinità al fine di prevenire le incrostazioni negli impianti; il rispetto a tali limiti deve essere tuttavia sempre associato all’uso di efficaci prodotti antincrostanti.

Presenza di limo organico e crescita microbiologica (Bioflouling)

Questa problematica, per la varietà delle tipologie dei microrganismi, necessita di un approfondimento più ampio.
Olio, limo, argilla e altri solidi sospesi finiscono inevitabilmente nei sistemi di raffreddamento dell'acqua. Lo sporco e i detriti rimossi dall'aria e il particolato che entra attraverso l'acqua di reintegro sono la principale fonte di agenti contaminanti. Internamente, i sottoprodotti arrugginiti della corrosione contribuiscono ai depositi di fouling. Man mano che queste impurità si accumulano, tendono a formare grandi depositi che sporcano pompe, griglie, scambiatori di calore e altri componenti del sistema.

Migliaia di minuscoli organismi possono infestare un sistema di acqua di raffreddamento attraverso detriti aerodispersi, insetti, escrementi di uccelli e altre fonti di batteri. Batteri, alghe e funghi sono particolarmente fastidiosi perché possono crescere in grandi colonie o popolazioni che ostruiscono i componenti del sistema e limitano il flusso d'acqua. Alcuni organismi producono prodotti di scarto acidi che favoriscono la vaiolatura sulle superfici metalliche.

I batteri producono masse viscide che possono crescere in grandi depositi superficiali. Le alghe richiedono la luce solare per crescere e generalmente abitano le aree aperte del ponte della torre di raffreddamento. I funghi mangiano la fibra di legno e quindi rappresentano una minaccia per i componenti in legno del sistema.

I microbi sono raggruppati in tre grandi categorie: alghe, batteri e funghi.

Le alghe sono organismi unicellulari o pluricellulari che contengono clorofilla, il pigmento verde delle piante. Questi organismi usano la clorofilla nel processo di respirazione chiamato fotosintesi per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in carboidrati ricchi di energia, rilasciando ossigeno nel processo. L'energia per il processo di fotosintesi proviene dalla luce solare. Le specie più comuni di alghe verdi che si trovano nei sistemi di acqua di raffreddamento sono Chlorella, Scenedesmus, Pediastrum e Oocystis.

I batteri sono organismi unicellulari di dimensioni variabili da meno di 0,5 micron a 3,0 micron. Le cellule batteriche sono sferiche (cocchi), cilindriche (bacilli) o elicoidali (spirilla).
I batteri spesso producono una melma gelatinosa come sottoprodotto del loro metabolismo. Si pensa che queste melme aiutino a intrappolare e immagazzinare i nutrienti per la respirazione cellulare. Sono i fanghi batterici e gli odori associati che sono normalmente la prima prova fisica della presenza di batteri nel sistema.

I funghi sono piante multicellulari prive di clorofilla. Le crescite di funghi possono essere fastidiose nel funzionamento delle torri di raffreddamento in quanto alcune specie causano il deterioramento fungino delle strutture di supporto in legno nutrendosi dei componenti di cellulosa o lignina del legno.

Ecco i problemi che i microbi possono causare nei sistemi di raffreddamento dell’acqua:

Corrosione: le crescite microbiologiche sono l'agente causale dell'attacco corrosivo nei sistemi di raffreddamento dell'acqua. Il termine per questo è “corrosione indotta microbiologica” o MIC. Alcuni organismi, come i riduttori di solfato e i produttori di melma, secernono un sottoprodotto acido del loro metabolismo, come l'idrogeno solforato o l'acido cloridrico. Ciò riduce localmente il pH e provoca un attacco accelerato al metallo sottostante. I depositi di fango e le alghe formano anche cellule differenziali di ossigeno localizzate che portano alla corrosione da sottodeposito del metallo.

Limitazione del flusso d’acqua: i tappetini di alghe e le melme batteriche spesso limitano il flusso d'acqua. Le alghe crescono in grandi colonie o stuoie sui ponti di distribuzione delle torri di raffreddamento. Queste colonie bloccano le porte di distribuzione o tappano gli spruzzi d'acqua. I batteri che formano la melma secernono una melma gelatinosa che può bloccare il flusso attraverso uno scambiatore di calore. La melma intrappola anche sporco e detriti che si accumulano nello scambiatore, bloccando ulteriormente il flusso dell’acqua.

Ridurre il trasferimento di calore: normalmente, le incrostazioni minerali sono la causa principale del ridotto trasferimento di calore nei sistemi di raffreddamento. Tuttavia, anche le escrescenze di melma e altri detriti microbiologici possono isolare la superficie di trasferimento del calore, causando una drastica riduzione della velocità di trasferimento del calore.

Odori: uno sgradevole sottoprodotto delle crescite microbiologiche è l'odore. Questi sono gli odori umidi, ammuffiti e settici emessi da molti batteri. Altri organismi, come i batteri che riducono i solfati, emettono un odore di uova marce causato dall'idrogeno solforato liberato come sottoprodotto del loro metabolismo.

Problemi di salute: i batteri presenti nell'acqua di raffreddamento possono rappresentare un rischio per la salute. L'epidemia ben pubblicizzata del 1976 della malattia del legionario a Filadelfia ne è un esempio. L'agente eziologico di questo episodio, che ha ucciso 34 congressisti, è stato infine rintracciato nella torre di raffreddamento dell'hotel. Da allora, altri casi di malattia del legionario sono stati collegati ad altre torri di raffreddamento, docce e dispositivi di nebulizzazione utilizzati negli espositori di verdure nei negozi di alimentari.

Attacco del legno: i funghi attaccano le strutture in legno delle torri di raffreddamento provocando la putrefazione del legno. Sono comuni tre tipi di attacco; marciume bruno, marciume bianco e marciume molle. Il marciume bruno e il marciume bianco sono causati dai badisiomiceti che consumano la lignina e i carboidrati all'interno del legno. Le superfici esterne del legno rimangono abbastanza sane. Il marciume molle è causato dagli ascomiceti che attaccano le superfici umide del legname della torre. Qui i funghi consumano le componenti cellulosiche del legno, lasciando relativamente intatta la lignina.

Controllo del problema

I problemi microbiologici sono controllati mediante l'implementazione di un rigoroso programma di trattamento chimico. Questi programmi utilizzano sostanze biologicamente tossiche per controllare la crescita di alghe, batteri, muffe e funghi nel sistema. A questo scopo vengono comunemente utilizzati due tipi di biocidi: biocidi ossidanti e biocidi non ossidanti.

I biocidi vengono aggiunti ai sistemi di raffreddamento dell'acqua in modo intermittente o continuo. L'applicazione intermittente prevede l'aggiunta del biocida con un lento dosaggio. La concentrazione aumenta rapidamente dopo l'aggiunta e poi si dissipa nel tempo.
La frequenza dell'aggiunta del biocida è spesso determinata dall'esperienza operativa con la torre di raffreddamento. Come regola generale, il biocida dovrebbe essere aggiunto quando la concentrazione finale, determinata dal tasso di esaurimento, è pari al 10% della concentrazione iniziale.

L'altra opzione è alimentare continuamente il biocida. Questo è spesso il caso dei sistemi clorurati. Il sistema di alimentazione del cloro è calibrato per mantenere un residuo continuo di cloro libero compreso tra 0,5 e 3,0 ppm. Anche altri biocidi possono essere alimentati in modo continuo. I metodi di alimentazione continua evitano le concentrazioni alte e basse create dall'alimentazione intermittente di biocidi.

L'efficacia del programma di controllo microbiologico è determinata al meglio da controlli periodici dell'attività microbiologica nel sistema. Ciò include ispezioni fisiche per la crescita delle alghe e test di laboratorio per le popolazioni di batteri.