De aangroeimarge die meestal verkeerd is
Een galvaniseerinstallatie specificeert een PTFE-warmtewisselaar voor verwarming van hard water met een vervuilingsmarge van 15%. De warmtewisselaar is geschikt voor 115% van de schone warmtebelasting, gebaseerd op de veronderstelling dat de vervuilingsfactor de effectieve warmteoverdracht met ongeveer 13% zal verminderen.
Na zes maanden in bedrijf is de warmteafgifte met 25% gedaald en kan het bad tijdens de piekproductie de temperatuur niet langer handhaven. De warmtewisselaar wordt gereinigd en de warmteafgifte keert terug naar de ontwerpwaarde. De cyclus herhaalt zich elke zes maanden.
De marge van 15% was onvoldoende omdat de in het ontwerp gehanteerde vervuilingsfactor gebaseerd was op een generieke schatting en niet op de werkelijke hardwateromstandigheden. De werkelijke thermische weerstand op schaal na zes maanden is gelijk aan ongeveer 25% van de weerstand tegen schone warmteoverdracht, waarvoor een marge van 25% nodig is om de ontwerpwarmteafgifte aan het einde van het reinigingsinterval te behouden.
De schaal thermische weerstand die de marge stimuleert
De thermische weerstand van calciumcarbonaataanslag hangt af van de dikte en de thermische geleidbaarheid van de afzetting. De thermische geleidbaarheid van calciumcarbonaat bedraagt ongeveer 2,5 W/m·K. Voor een kalklaag van 0,5 mm bedraagt de thermische weerstand 0,0002 m²·K/W.
De schone warmteoverdrachtsweerstand voor een PTFE-warmtewisselaar met een wand van 0,8 mm en een filmcoëfficiënt aan de proceszijde- van 1.000 W/m²·K is ongeveer 0,0042 m²·K/W. De schaal thermische weerstand van 0,0002 m²·K/W bedraagt ongeveer 5% van de schone weerstand. Voor deze kleine weerstand zou slechts een marge van 5% nodig zijn.
De werkelijke achteruitgang van de prestaties is groter dan alleen de schaal van de thermische weerstand zou doen vermoeden. De kalklaag ruwt bovendien het oppervlak op, waardoor de stroomsnelheid nabij de wand afneemt en de filmweerstand toeneemt. Het gecombineerde effect van de thermische weerstand op schaal en de toename van de filmweerstand is doorgaans 15-25% van de weerstand tegen schone warmteoverdracht na zes maanden in hard water.
De vervuilingsmarge als functie van de waterhardheid
De vervuilingsmarge is afhankelijk van de waterhardheid, de temperatuur van de buiswand en het reinigingsinterval. De volgende tabel vat de aanbevolen marge samen voor verschillende waterhardheidsniveaus en reinigingsintervallen.
| Waterhardheid (mg/L CaCO₃) | Schaalsnelheid (mm/6 maanden) | Schaalweerstand na 6 maanden | Aanbevolen Marge (6 maanden schoonmaak) | Aanbevolen Marge (12 maanden schoonmaak) |
|---|---|---|---|---|
| 50–100 (zacht) | 0,1 mm | 0.00004 m²·K/W | 5% | 10% |
| 100–200 (matig hard) | 0,2 mm | 0.00008 m²·K/W | 10% | 20% |
| 200–300 (hard) | 0,35 mm | 0.00014 m²·K/W | 18% | 35% |
| 300–400 (zeer moeilijk) | 0,5 mm | 0.00020 m²·K/W | 25% | 50% |
| 400–500 (extreem hard) | 0,7 mm | 0.00028 m²·K/W | 35% | 70% |
| Boven 500 (pekel-achtig) | 1,0 mm | 0.00040 m²·K/W | 50% | 100% |
De aanbevolen margewaarden omvatten de thermische weerstand op schaal en de toename van de filmweerstand. Bij langere reinigingsintervallen zijn de marges groter, omdat de schaaldikte met de tijd toeneemt.
Het effect van de buiswandtemperatuur
De snelheid van kalkafzetting neemt toe met de temperatuur van de buiswand. Een hogere wandtemperatuur verhoogt de oververzadiging van calciumcarbonaat aan het buisoppervlak en versnelt de afzetting.
Voor een PTFE-warmtewisselaar met een hoge warmteflux is de temperatuur van de buiswand hoger en is de kalkaanslag hoger. De vervuilingsmarge moet worden vergroot om rekening te houden met het hogere schaalpercentage.
Het wandtemperatuureffect is vooral belangrijk bij PTFE-warmtewisselaars, omdat de lage thermische geleidbaarheid van het PTFE resulteert in een hogere wandtemperatuur voor een gegeven warmteflux dan bij een metalen warmtewisselaar. Een PTFE-warmtewisselaar die met dezelfde warmtestroom werkt als een metalen unit zal een hogere wandtemperatuur en een hogere kalkaanslag hebben.
Het effect van stroomsnelheid
De stroomsnelheid beïnvloedt de snelheid van de kalkafzetting door de schuifspanning op de buiswand. Een hogere snelheid verhoogt de schuifspanning, waardoor de hechting van de aanslag en de afzettingssnelheid afnemen.
Voor een PTFE-warmtewisselaar die werkt met een snelheid van 0,5 m/s is de schaalsnelheid hoog en moet de vervuilingsmarge groot zijn. Voor een warmtewisselaar die werkt met een snelheid van 1,5 m/s is de schaalsnelheid lager en kan de marge kleiner zijn.
Het snelheidseffect is vooral belangrijk bij hardwatergebruik. Een snelheid van 1,5–2,0 m/s wordt aanbevolen om de schaalsnelheid en de vereiste vervuilingsmarge te verminderen.
De economische handel-Van de vervuilende marge af
De vervuilingsmarge verhoogt de kapitaalkosten van de warmtewisselaar. Een marge van 25% verhoogt de kapitaalkosten met ongeveer 20-25%. De marge vermindert ook de warmtestroom, waardoor de buiswandtemperatuur en de schaalsnelheid afnemen.
De afweging-is tussen de hogere kapitaalkosten en de lagere schoonmaakfrequentie en energiekosten. Een grotere marge vermindert de schoonmaakfrequentie en het productieverlies, maar verhoogt de kapitaalkosten.
De optimale marge is de marge die de totale eigendomskosten gedurende de levensduur minimaliseert. De totale kosten omvatten de kapitaalkosten, de schoonmaakkosten, de kosten voor productieverlies en de energiekosten.
Kwantificering van de totale eigendomskosten bij verschillende marges
De volgende tabel geeft een overzicht van de totale eigendomskosten over vijf- jaar voor verschillende vervuilingsmarges in een verwarmingstoepassing met hard water met een warmtebelasting van 50 kW, een waterhardheid van 300 mg/l en een productiewaarde van $ 500 per uur.
| Vervuilende marge | Oppervlakte | Warmtestroom | Reinigingsinterval | Kapitaalkosten | Jaarlijkse schoonmaakkosten | Jaarlijkse productieverlieskosten | Totale kosten over vijf- jaar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0% | 20 m² | 2,5 W/cm² | 2 maanden | $28,000 | $9,000 | $12,000 | $133,000 |
| 10% | 22 m² | 2,3 W/cm² | 3 maanden | $30,000 | $6,000 | $8,000 | $100,000 |
| 20% | 24 m² | 2,1 W/cm² | 4 maanden | $32,000 | $4,500 | $6,000 | $84,500 |
| 30% | 26 m² | 1,9 W/cm² | 6 maanden | $35,000 | $3,000 | $4,000 | $70,000 |
| 40% | 28 m² | 1,8 W/cm² | 8 maanden | $38,000 | $2,250 | $3,000 | $64,250 |
| 50% | 30 m² | 1,7 W/cm² | 10 maanden | $41,000 | $1,800 | $2,400 | $62,000 |
| 75% | 35 m² | 1,4 W/cm² | 14 maanden | $48,000 | $1,300 | $1,700 | $63,000 |
De totale kosten over vijf- jaar worden voor deze toepassing geminimaliseerd bij een vervuilingsmarge van 40-50%. De marge van 30% is voldoende maar niet optimaal. De marge van 75% is te-groot en brengt hogere totale kosten met zich mee dan de marge van 50%.
Ontwerpkenmerken die de vereiste marge verkleinen
Verschillende ontwerpkenmerken verminderen de vereiste vervuilingsmarge.
Hogere stroomsnelheid.Een hogere snelheid verhoogt de schuifspanning en vermindert de schaalsnelheid. Voor hardwatergebruik wordt een snelheid van 1,5–2,0 m/s aanbevolen.
Glad buisoppervlak.Een glad buisoppervlak vermindert de hechting van kalkaanslag. Het buisoppervlak moet vrij zijn van krassen of defecten.
In-plaatselijke schoonmaakvoorzieningen.Dankzij aansluitingen voor de toevoer en retour van reinigingsoplossingen kan de warmtewisselaar worden gereinigd zonder demontage, waardoor de reinigingskosten en de stilstandtijd worden verminderd.
Waterontharding.Een waterontharder verwijdert de calcium- en magnesiumionen die de kalkaanslag vormen. Door de verzachting wordt de kalkaanslag en de benodigde vervuilingsmarge verminderd.
Dosering van kalkremmers.Een chemische stof die kalkaanslag remt, vermindert de schaalsnelheid door de kristalgroei te verstoren. De remmer verkleint de benodigde vervuilingsmarge.
Temperatuurregeling.Het verlagen van de temperatuur van de buiswand vermindert de schaalsnelheid. Een lagere warmteflux of een dunnere buiswand verlaagt de wandtemperatuur.
Specificatieparameters voor hardwaterservice
Apparatuuringenieurs die een PTFE-warmtewisselaar voor hardwatergebruik specificeren, moeten de volgende parameters bij de leverancier bevestigen.
Waterhardheid.Specificeer de calciumcarbonaatconcentratie in het leidingwater.
Bedrijfstemperatuur.Specificeer de maximale bedrijfstemperatuur en de buiswandtemperatuur.
Stroomsnelheid.Specificeer de minimale buis-zijsnelheid. Voor hardwatergebruik wordt een snelheid van 1,5–2,0 m/s aanbevolen.
Reinigingsinterval.Geef het verwachte reinigingsinterval en de reinigingsmethode op.
Vervuilingsmarge.Specificeer de vervuilingsmarge op basis van de waterhardheid en het reinigingsinterval.
Oppervlakte.Specificeer het benodigde oppervlak voor de warmtebelasting en de vervuilingsmarge.
Warmtestroom.Specificeer de maximaal toegestane warmteflux op basis van de wandtemperatuurlimiet.
Schoonmaakvoorzieningen.Specificeer de aansluitingen en kleppen die nodig zijn voor- reiniging ter plaatse.
Afstemming van de vervuilingsmarge op de omstandigheden van hard water
De vervuilingsmarge voor een PTFE-warmtewisselaar bij gebruik van hard water hangt af van de waterhardheid, de temperatuur van de buiswand, het reinigingsinterval en de aanvaardbare prestatievermindering. De conventionele marge van 10-20% is vaak ontoereikend. De aanbevolen marge bedraagt 20–50% voor matig hard tot zeer hard water, afhankelijk van het reinigingsinterval.
De marge moet worden gekozen op basis van de totale eigendomskosten gedurende de levensduur. Een grotere marge verhoogt de kapitaalkosten, maar vermindert de reinigingsfrequentie en het productieverlies. De optimale marge minimaliseert de totale kosten.
Voor hardwatervoorzieningen die de opties voor PTFE-warmtewisselaars evalueren, moet de vervuilingsmarge worden gespecificeerd in de aanbestedingsdocumenten en worden geverifieerd bij de inbedrijfstelling. De standaardconfiguratie die door de fabrikant wordt geleverd, omvat mogelijk niet voldoende marge, en de resulterende prestatievermindering vereist mogelijk vaker schoonmaken dan verwacht.
Apparatuuringenieurs en inkoopspecialisten die de specificaties van PTFE-warmtewisselaars evalueren voor hard water of andere vervuilingsdiensten kunnen een ontwerpbeoordeling aanvragen met betrekking tot de waterhardheid, bedrijfstemperatuur, stroomsnelheid, reinigingsinterval en vervuilingsmarge om te bevestigen dat de unit is afgestemd op de werkelijke waterkwaliteit en de bedrijfskostenstructuur van de faciliteit.
