آب داراي يک سري ناخالصي‌هاست که براي سيستمهاي گرمايشي مضر است كه عمده اين ناخالصي‌ها، گازها، املاح، ميکروارگانيزمها و ذرات معلق مي‌باشند. قسمتي از املاح محلول در آب، به سختي آب معروف است كه بخشي از اين سختي حتي با حرارت غير قابل انحلال شده و بر روي سطوح انتقال حرارت (داخل لوله‌ها، روي لوله‌ها و کوره ديگ و…) رسوب مي‌کند كه مانع از انتقال حرارت مي‌شود و بدين ترتيب باعث تلفات حرارتي و افزايش هزينه مصرف سوخت و انرژي مي‌شوند که به سختي موقت معروفند.
دستگاهي که در سيستمهاي گرمايشي جهت ممانعت از ايجاد رسوب بکار ميرود را سختي‌گير مي‌گويند، بدين منظور از روش‌هاي مختلفي جهت جلوگيري از ايجاد رسوب استفاده مي‌شود که قديمي‌ترين و موثرترين آنها روش «تبادل يوني» يا «سختي‌گير رزيني» است.
نوع ديگري از جلوگيري از ايجاد رسوب، استفاده از سختي‌گيري الکترونيکي است که شرح کارکرد آنها ذيلاً ارائه مي‌شود. در هر صورت امروزه با توجه افزايش قيمت سوخت و مهمتر از آن آلودگي‌هاي زيست محيطي که سوخت‌هاي فسيلي ايجاد مي‌کنند، ضرورت طراحي و بکارگيري سختي‌گير در تمام سيستمهاي گرمايشي برکليه دست اندرکاران مربوطه (مهندسان طراح و ناظر، پيمانکاران و کارفرمايان و بهره برداران) يک وظيفه و تکليف است و در اينجا لازم است گفته شود که يک ليتر مصرف سوخت (گاز، گازوييل، نفت و… . ) باعث ايجاد 15 ليتر دود و محصولات احتراقي مي‌شود که اکثراً به اتمسفر زمين وارد مي‌شوند، حال توجه نماييد که روزانه چندصد ميليون ليتر سوخت (توليد روزانه 20 ميليون بشکه نفت)، سوخته شده و چه مقدار آلايندگي ايجاد مي‌کند.
سختي آب
منيزيم و كلسيم به عنوان عناصر دوگانه سختي زا شهرت دارند و از آنجايي كه از لحاظ خواص به هم نزديك هستند هرچه درباره هر يك از آنها طرح گردد درباره ديگري نيز صادق است.
مكانيزم ايجاد سختي آب بدين صورت است كه بخار آب در جو چگاليده شده، دي اكسيد كربن هوا را در خود حل مي‌كند و تشكيل اسيد ضعيفي بنام اسيد كربنيك مي‌دهد اين اسيد همراه با قطرات باران به زمين مي‌بارد.
اين اسيد ضعيف از خاكهاي سطحي عبور كرده و به بستر‌هاي سنگي زير زمين كه معمولاً سنگ آهك مي‌باشند مي سد سنگ آهك مخلوطي از كربنات كلسيم و منيزيم مي‌باشد اسيد ضعيف، آهك را در خود حل مي‌كند و موجبات سختي آب را فراهم مي‌آورد.
سختي آب ناشي از يونهاي كلسيم، منيزيم، باريم، هيدرو كربنات، كلر، سولفات و نيتراتها و آهن و منگنز مي‌باشد ولي چون غير از تركيبات كلسيم و منيزيم ساير تركيبات(بدليل غلظت بسيار كم آنها) قابل صرفنظر كردن هستند بنا براين اصطلاحاً به مجموع كاتيونهاي كلسيم و منيزيم سختي آب مي‌گويند معمولاً سختي آب به دو قسمت موقت و دائم تقسيم مي‌شود.
سختي موقت
منظور از سختي موقت يا سختي كربناتي و يا سختي بي كربناتي، املاح بي كربنات كلسيم و منيزيم است كه در اثر حرارت از حالت محلول بصورت غير محلول در مي‌آيد. مثلاً بي كربنات كلسيم در آب در اثر حرارت به رسوب كربنات كلسيم تبديل مي‌شود.
سختي دائم يا سختي غير كربناتي، املاح سولفات، كلرايد، نيترات و… و كلسيم و منيزيم است كه به مقدار معيني تابع درجه حرارت آب بصورت محلول در آب مي‌باشد ولي در اثر ازدياد درجه حرارت و بخار شدن آب، حد حلاليت تقليل يافته و در نتيجه رسوب ظاهر مي‌گردد.
سختي كل
سختي كل عبارت از مجموع سختي كربناتي و غير كربناتي يعني:
سختي غير كربناتي( سختي دائم)+ سختي كربناتي( سختي موقت) = سختي كل
آب مهمترين سيال در حرارت و برودت است كه وظيفه انتقال گرما در مبدلهاي حرارتي را به عهده دارد . در برجهاي خنك كن، بويلرها و چيلرها از آب به عنوان سيال عامل استفاده مي‌شود به طوريكه گردش آب موجب تبادل حرارتي مي‌گردد. معمولاً آب استفاده شده در كاربردهاي حرارتي و برودتي از نوع آب سخت (با سختي بيش از 150 ppm) است، آبهاي سخت تشكيل رسوب كربنات كلسيم مي‌دهند كه مشكلات متعددي را بوجود مي‌آورد.
اين پوسته به شكل رسوب بر روي سطوح داخلي لوله‌هاي حامل آب باعث كاهش ظرفيت انتقال جريان آب و انتقال جريان حرارت مي‌شود
آب نرم
به ابي که فاقد املاح سختي يعني فاقد يونهاي کلسيم و منيزيوم باشد، آب نرم گفته مي‌شود. يکي از روش‌هاي آسان تشخيص آب نرم قدرت کف کردن صابون در آب است بطوريكه هرچه قدر صابون راحت در آب کف کند آب داراي سختي کمتري است دسته‌بندي آب بر اساس سختي آن معمولاً به صورت جدول زير است:
انواع سختي‌گيري و رسوب‌گيري آب
1-سختي‌گير رزيني
2-رسوب زداي مغناطيسي
3-رسوب‌زدايي اسمز معكوس
سختي‌گير رزيني
رزينها
رزينها ترکيبات شيميايي هستند و داراي اين خاصيت هستند که وقتي در مجاورت محلولي ديگر قرار مي‌گيرند مي‌توانند يک يون خود را با يوني ديگر مبادله کنند و در واقع داراي يک بنيان و يک عامل مبادله شونده هستند فرمولاسيون ساده آنها را مي‌توان بدين صورت نمايش داد.
واكنش زير R يک بنيان کمپلکس و پيچيده شيميايي است و Na عامل تبادل شونده و x يونهاي آنيوني موجود در آب مي‌باشند.
فرآيند سرويس، سختي‌گيري و نرم کردن آب:
همانگونه که مشاهده مي‌شود املاح سختي تبديل به املاح غير سختي شدند و ديگر آب داراي املاح کربنات و بي کربنات کلسيم و منيزيوم که به آساني و با افزايش دما رسوب مي‌کنند، نيست و بجاي آن املاح سديمي با آب وارد ديگ مي‌شوند و بعد ازمدتي رزينها به دليل تبادل يوني همگي يونهاي خود را با يونهاي کلسيم و منيزيوم مبادله مي‌نمايند. در اينجا گفته مي‌شود رزينها اشباع شده‌اند و بايد مجدداً آنها را به حالت اوليه يعني 
برگرداند به اين فرآيند، احياء رزينها گفته مي‌شود.
فرآيند احياء با آب نمک طعام انجام مي‌شود و براي اين منظور کافيست رزينها را با محلولي از آب نرم (که از قبل تهيه شده) و نمک طعام (با غلظتي مطابق دستورالعمل سازنده رزين) شستشو داد كه واکنش آن بصورت زير است و در اين خصوص بايستي توجه داشت كه پساب حاصل ازاحياء رزينها به فاضلاب تخليه شود
فرآيند احياء رزين و برگرداندن آن به فرم اول:
مشخصات رزينها
مهمترين پارامتر در انتخاب رزين بعد از نوع رزين، ظرفيت آن است. ظرفيت رزين، توانايي رزين در مبادله يوني را بيان مي‌کند و معمولاً بر حسب گرين بر فوت مکعب (grain/ft3) يا اکي والان بر ليتر (eq/Lit) بيان مي‌شود.
ظرفيت رزينها معمولاً حدود 25000 تا 35000 گرين بر فوت مکعب مي‌باشد و رزيني با ظرفيت 30000 گرين بر فوت مکعب، يعني اينکه هر فوت مکعب از اين رزين 30000 گرين يا 1850 گرم سختي کل را تبديل به املاح غير سختي مي‌کند در جدول وزن اكي والاني يونهاي موجود در آب آمده است و همچنين رابطه بين اکي والان بر ليتر و ppm آمده است:
مرسوم است كه املاح را برحسب كربنات كلسيم بيان مي‌كنند، پس:
نگهداري رزينها
رزينها بايد در مقابل يخ زدگي محافظت شوند زيرا يخ زدن باعث خردشدن و آسيب رسيدن به آنها مي‌شود.
کلر آزاد و ترکيبات آن و نيز آهن و اکسيدهاي آن، به رزينها آسيب مي‌رساند بنابراين بايد آب ورودي به سختي‌گير فاقد کلر باشد در غير اينصورت بايد فيلتر ذغال فعال جهت حذف کلر پيش‌بيني شود.
آب ورودي به سختي‌گير بايد عاري از ميکروارگانيزمها باشد زيرا ميکروارگانيزمها در خلل و فرج رزينها وارد شده و باعث اختلال در کارکرد آنها مي‌شود.
وجود روغن و ترکيبات نفتي در آب ورودي به سختي‌گير باعث از بين رفتن رزينها و تخريب آنها مي‌شود.
زمان زياد شستشوي معکوس باعث خرد شدن و آسيب ديدن رزينها مي‌شود.
بکارگيري رزينها در دما و PH خارج از محدوده‌اي که سازنده پيشنهاد داده است باعث صدمه به رزينها مي‌شود.
محاسبه حجم رزين
گفته شد که عامل عمده رسوب در سيستمهاي گرمايش کربنات و بي کربنات کلسيم است و از آنجايي که حذف سختي موقت مشکل است بنابراين سختي کل را حذف مي‌کنند.
بدين منظور بايد مقدار وزني سختي کل را در يک فاصله زماني معين (ساختمانهاي کوچک معمولاً 3 الي 5 روز و ساختمانهاي بزرگ 1 الي 3 روز و ساختمانهاي تجاري، عمومي و صنعتي ضريبي از 8 ساعت) محاسبه کنند.
بنابراين با داشتن آناليز آب و سختي آب مي‌توانيم مقدار وزن املاح سختي را در يک فاصله زماني معين بدست آورد:
à مثال 1: سختي آب شهر تهران حدوداً ppm 180 مي‌باشد. اگر يک موتورخانه در شهر تهران هر ساعت نياز به 500 ليتر آب جبراني داشته باشيم مقدار سختي کل را در مدت 4 روز محاسبه کنيد
ديده مي‌شود که در طول 4 روز 8640 گرم يا 64/8 کيلوگرم سختي کل داريم
معمولاً مقدار سختي را برحسب گرين که يک واحد انگليسي وزن و معادل 65 ميليگرم مي‌باشد، بيان مي‌کنند پس مقدار فوق بر حسب گرين برابر است با:
یا حجم رزين بر حسب فوت مکعب، با تقسيم مقدار املاح سختي (گرين) بر ظرفيت رزين (گرين بر فوت مکعب) بدست مي‌آيد. حجم رزين از رابطه ذيل محاسبه مي‌شود:
همانطوريکه ديده مي‌شود در محاسبه حجم رزين سختي‌گير، پارامترهاي زير موثر هستند:
– دبي آب ورودي به سختي‌گير (در سيستمهاي بسته، آب در يک سيستم بسته به چرخش در مي‌آيد.
تلفات آب خيلي کم و ناچيز است كه اين تلفات ممکن است بواسطه تبخير آب در منبع انبساط يا نشتي‌هاي موجود در سيستم لوله‌کشي بوجود آيد كه معمولاً 5/0 تا 5/1 درصد آب در چرخش ديگ آب تغذيه يا ورودي به سختي‌گيردر نظر گرفته مي‌شود.)
– سختي آب ورودي (براي اين کاريک نمونه از آب جهت آناليز به موسسات مربوطه داده مي‌شود و سختي آن بر حسب ppm تعيين مي‌شود.)
– نوع و ظرفيت رزين (رزين‌هاي مورد استفاده از نوع ماتيوني سديمي است. ظرفيت رزينها را سازنده‌هاي رزين در کاتالوگ و مشخصات رزينها اعلام مي‌کنند ولي بصورت يک تقريب خوب ظرفيت رزين را مي‌توان 25000 تا 35000 گرين بر فوت مکعب در نظر گرفت.)
– سيکل شستشو احياء (فاصله زماني بين دو تا احياء رزينها در ساختمانهاي معمولي ضريبي از 24 ساعت و در ساختمانهاي صنعتي ضريبي از 8 ساعت است.)
مراحل کارکرد سختي‌گير رزيني
1- فرآيند سختي‌گيري و نرم کردن آب
2- شستشوس معکوس
3- فرآيند احياء
4- شستشوي نهايي
فرآيندهاي فوق در شكل‌هاي زیر نمايش داده شده است:
نکات مهم
وظيفة سختي‌گير رزيني، تبديل املاح رسوب‌گذار (املاح كلسيم و منيزيم) به املاح غير رسوب‌گذار به روش تبادل يوني مي‌باشد.
پارامترهاي مهم در انتخاب سختي‌گير، سختي آب ورودي، دبي آب ورودي، ظرفيت رزين و سيكل احياء (فاصله زماني بين دو احياء) مي‌باشد.
ظرفيت رزين معمولاً برحسب كيلوگرين بر فوت مكعب بيان مي‌شود، هر گرين معادل 65 ميليگرم است.
در سيستمهاي سيركولاسيون گرمايشي (بسته)، معمولاً دبي آب تغذيه را 5/0 تا 2 درصد دبي آب در گردش مي‌گيرند.
سختي‌گير بايستي به صورت تثبيت شده‌اي بر روي يك فونداسيون مناسب (ترجيحاً بتني به ضخامت 4 اينچ) نصب شود و از يخ‌زدگي محافظت شود.
آب ورودي بايستي عاري از كلر، ميكروارگانيزم‌ها، روغن، آهن و اكسيدهاي آهن باشد. بدين منظور ممكن است از فيلتر كربن فعال و فيلترشني قبل از سختي‌گير استفاده شود.
دبي آب جهت شستشوي معكوس، آب نمك جهت احياء و زمانهاي مربوطه از كاتالوگ سازنده رزين اقتباس مي‌شود.
غلظت نمك طعام جهت احياء حدود 8 تا 12 درصد بايد باشد
جهت احياء و شستشوي نهايي رزينها بايد از آب نرم استفاده كرد. بدين منظور بايستي مخزني با حجم مناسب تدارك ديده شود و آب نرم را در آن ذخيره كرد.
از آنجايي كه مراحل شستشوي معكوس، احياء و شستشوي سختي‌گير زمان‌بر است توصيه مي‌شود از دو دستگاه سختي‌گير هم ظرفيت استفاده شود تا هنگام احياء، سختي‌گير دوم در مدار سرويس قرار گيرد.
به منظور مديريت صحيح بر عملكرد سختي‌گير پيشنهاد مي‌شود كه يك دبي‌سنج (كنتور آب) بر روي لوله آب تغذيه آنها نصب شود زيرا در سيستمهاي گرمايش آبي، ظرفيت سختي‌گير و محاسبات آن بصورت تقريبي انجام مي‌شود.
در صورتي كه سختي‌گير به مدت طولاني خارج از سرويس باشد براي جلوگيري از آسيب ديدن رزينها، سختي‌گير با آب نرم اشباع شده در نمك كاملاً پر شود و به هيچ‌وجه سختي‌گير خشك نگهداري نشود.
سختي‌گير بايستي بتواند سختي كل را به 2 تا 5 پي‌پي‌ام كاهش دهد.
مقدار نشتي سختي (درصدي از يونهاي نامطلوب و ناخواسته در آب خروجي) حدود 1/0 تا 1 پي‌پي‌ام بايد باشد.
حداكثر دبي آب در مرحله كاركرد سختي‌گير براي جلوگيري از شياري شدن عبور آب از داخل رزين‌هاي سختي‌گير مي‌باشد.
معمولاً عمق رزين در سختي‌گير 24 تا 36 اينچ مي‌گيرند و براي شستشوي معكوس حداقل 75 درصد عمق رزين بايد فضاي خالي بالاي رزينها وجود داشته باشد پس ارتفاع سختي‌گير بايد حداقل 75/1 برابر عمق رزين باشد. قطر مخزن سختي‌گير را با توجه به ارتفاع دبي سرويس بدست مي‌آوريم.
مثال:ظرفيت سختي‌گير رزيني براي تأمين آب تغذيه يك سیستم م.ت.رخانه حرارت مرکزی بادکن آب گرم که در هر ساعت نیاز به 1gpm آب جبرانی دارد با زمان احياء 48 ساعته، در شرايطي كه سختي آب ورودي به سختي‌گير PPM540 باشد، دست كم چقدر است؟
ممنون بابت مطالب خوب شما