Efektywna wymiana ciepła drogą do optymalizacji pracy instalacji produkcyjnej – studium przypadku na przykładzie płytowych wymienników ciepła

Układ wyprowadzenia ciepła odpadowego stanowi szczególne miejsce w przemysłowym procesie produkcji zapewniając prawidłowe i efektywne funkcjonowanie głównych linii technologicznych. Kontrola pracy układu wymiany ciepła wraz z odpowiednim planowaniem konserwacji, remontów oraz inwestycji w tym zakresie pozwala zapobiegać wzrostom kosztów i ograniczeniom produkcji. W artykule przedstawiony został tok postępowania związany z oceną efektywności pracy układu wody chłodzącej instalacji produkcyjnej zbudowanej w oparciu o płytowe wymienniki ciepła w obiegu woda rzeczna – woda uzdatniona oraz możliwości wykorzystania gromadzonych pomiarów do oceny efektywności wymiany ciepła w układzie.

Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy analizowanego obiegu.

Rys. 1 Schemat blokowy pracy układu wody chłodzącej z pośredniczącym wymiennikiem ciepła (źródło: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Rys. 1 Schemat blokowy pracy układu wody chłodzącej z pośredniczącym wymiennikiem ciepła (źródło: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Podstawowym elementem oceny pracy układu wymiany ciepła jest:

  • inwentaryzacja układu chłodzenia wraz z elementami na które układ oddziałuje,
  • ocena w zakresie zapotrzebowania na ciepło instalacji produkcyjnych,
  • analiza danych projektowych,
  • identyfikacja wielkości mierzonych w zakresie głównego miejsca odbioru ciepła w układzie.

Jako główne miejsce wyprowadzenia ciepła z układu w analizowanym przykładzie występuje płytowy wymiennik ciepła, wobec tego do oceny efektywności pracy układu wymiany ciepła konieczna jest znajomość następujących wielkości:

  • temperatury czynników wymieniających ciepło,
  • wielkość strumienia masy przepływających czynników,
  • ciśnienie przepływających czynników na wlocie i wylocie z wymiennika.

Ocenę układu wymiany ciepła należy przeprowadzić w ustalonym stanie pracy. Badanie polega na określeniu strumieni ciepła przy określonych strumieniach masy czynników wymieniających ciepło oraz występujących w tych warunkach rozkładach temperatur i ciśnień. W wyniku przeprowadzenia pomiarów możliwa jest ocena wymiennika pod kątem uzyskiwanej mocy cieplnej wymiennika, prędkości przepływającej wody oraz oporów hydraulicznych czynników wymieniających ciepło. Na podstawie wykonanych obliczeń możliwe jest określenie współczynnika przenikania ciepła, napędowej różnicy temperatur, strumienia wymienianego ciepła oraz współczynników wydajności cieplnej. Poznanie tych wszystkich wielkości oraz ich analiza umożliwia wyciągnięcie odpowiednich wniosków dotyczących efektywności wymiany ciepła w układzie, będących podstawą do oceny ich wpływu na instalacje produkcyjne.

Porównanie dwóch sposobów konserwacji wymienników

W prezentowanym przykładzie przedstawiono analizę porównawczą dwóch sposobów konserwacji wymienników. Początkowy stan techniczny wymiennika po ok. 3000h pracy od ostatniego czyszczenia tradycyjnego (przy pomocy myjki ciśnieniowej) przedstawiono na rysunku 2. Na powierzchni płyt wymiennika widoczna jest warstwa osadu o znacznej grubości powodująca zmniejszenie przestrzeni pomiędzy płytami wymiennika, a tym samym dodatkowy opór zarówno cieplny, jak i hydrauliczny. W celu oceny stosowanej konserwacji tradycyjnej porównano dwie dostępne metody konserwacji:

  • wymiennik nr 1: ok. 15 lat pracy na instalacji, poddano czyszczeniu przy pomocy myjki ciśnieniowej, na powierzchni płyt wymiennika pozostały skupiska osadów trudno usuwalnych – powierzchnia płyt chropowata;
  • wymiennik nr 2: ok. 15 lat pracy na instalacji, płyty wymiennika poddane trawieniu chemicznemu, które pozwoliło usunąć wszystkie osady i przywróciło stan techniczny wymiennika do stanu fabrycznie nowego – powierzchnia płyt gładka.

Stan techniczny powierzchni płyt wymienników po czyszczeniu przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2 Stan techniczny płyt analizowanych wymienników (źródło: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Rys. 2 Stan techniczny płyt analizowanych wymienników (źródło: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

W analizowanym przykładzie wykorzystano długoterminowe pomiary obejmujące 3000h pracy wymiennika, w związku z tym możliwa była ocena efektywności pracy dwóch analizowanych wymienników w czasie oraz ocena przeprowadzonych zabiegów konserwacyjnych.

Podstawowym wskaźnikiem charakteryzującym efektywność pracy wymienników jest ilość wymienionego ciepła – szczegółowy przebieg pomiarów przedstawiono na rysunku 3. Analizując zebrane dane można stwierdzić, że wymiennik nr 2 w całym zakresie pracy uzyskiwał wyniki zdecydowanie lepsze od wymiennika nr 1, sumarycznie odprowadził do otoczenia w tych samych warunkach w ciągu 3000h pracy o ok. 40% ciepła więcej od wymiennika nr 1.

(kliknij w grafikę aby powiększyć)

Rys. 3 Przebieg strumienia wymienianego ciepła w czasie pomiarów (źródło „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Rys. 3 Przebieg strumienia wymienianego ciepła w czasie pomiarów (źródło „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów obliczono współczynnik przenikania ciepła na dwóch wymiennikach uwzględniający narastający osad na powierzchni płyt. Zestawienie uzyskanych wyników przedstawiono na rysunku 4. Początkowa różnica pomiędzy współczynnikami przenikania ciepła k wynosi ok. 0,6kW/m2K i wynika z pozostającej na wymienniku warstwy osadu niemożliwego do usunięcia w sposób tradycyjny. Zdolność wymiany ciepła zostaje ograniczona o ok. 10% w stosunku do wymiennika zrewitalizowanego przy tych samych warunkach zasilania. Różnica pomiędzy współczynnikami w pierwszych dniach eksploatacji wzrasta nawet do ok. 1,4kW/m2K, co powoduje ograniczenie zdolności wymiany ciepła wymiennika nr 1 o ok. 50% w stosunku do wymiennika nr 2, wpływając bezpośrednio na efektywność pracy instalacji produkcyjnej współpracującej z wymiennikiem. Przyrost ten wynika bezpośrednio z prędkości zarastania wymiennika i grubości zgromadzonego osadu na powierzchni płyt.

(kliknij w grafikę aby powiększyć)

Rys. 4 Współczynnik przenikania ciepła w funkcji czasu pracy wymiennika (źródło „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Rys. 4 Współczynnik przenikania ciepła w funkcji czasu pracy wymiennika (źródło „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Kolejnym elementem podlegającym ocenie, a wpływającym bezpośrednio na zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne instalacji, jest opór hydrauliczny wymiennika ciepła.

Opory hydrauliczne w czasie eksploatacji mają bezpośredni wpływ na przepustowość wymiennika, a tym samym wpływają na ilość odprowadzonego ciepła.

Wymienniki w początkowej fazie eksploatacji uzyskują wyniki zbliżone do siebie. Przykładowo dla utrzymywanego ciśnienia dyspozycyjnego w instalacji równego ok. 12m uzyskują przepustowość na poziomie 1200m3/h, wraz z czasem eksploatacji po ok. 3000h pracy wymiennik nr 2 charakteryzuje się mniejszym oporem hydraulicznym – jego przepustowość przy tym samym ciśnieniu dyspozycyjnym wynosi ok. 550m3/h i jest większa od przepustowości wymiennika nr 1 o ok. 160m3/h – związane jest to z ilością osadu pokrywającego płyty i ma bezpośredni wpływ na ilość przekazanego ciepła. Po ok. 3000h eksploatacji wymiennik nr 2 uzyskuje charakterystykę oporów pozwalającą uzyskać wydajność wyższą o ok. 150m3/h w stosunku do wymiennika nr 1. W przypadku zastosowania regulowanych pomp wody chłodzącej różnica ta spowodowałaby wzrost zużycia energii na pompownie o ok. 30%. Na rysunku 5 przedstawiono charakterystykę oporów wymiennika zmieniającą się wraz z czasem eksploatacji.

(kliknij w grafikę aby powiększyć)

Rys. 5 Charakterystyka oporów hydraulicznych wymienników ciepła (źródło „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Rys. 5 Charakterystyka oporów hydraulicznych wymienników ciepła (źródło „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.).

Wymiennik poddany czyszczeniu chemicznemu we wszystkich analizowanych momentach pracy uzyskiwał wyniki lepsze od wymiennika poddanego konserwacji tradycyjnej przy pomocy myjki ciśnieniowej. Koszt trawienia chemicznego płyt jest ok. dziesięciokrotnie wyższy od mycia tradycyjnego.

Prowadzenie dobrej jakości pomiarów, połączonych z ich odpowiednią analizą, umożliwia ciągłą kontrolę efektywności wymiany ciepła. Wiedza ta pozwala na dokładne określenie konieczności przeprowadzenia modernizacji lub sposobu konserwacji. Stanowi podstawę do dalszych analiz związanych z oceną wpływu oddziaływania instalacji wyprowadzającej ciepło z układu na pracę urządzeń na instalacjach produkcyjnych (np. sprężarki, skraplacze turbin inne aparaty procesowe).

Podsumowanie

Czyszczenie chemiczne wymienników ciepła w sposób bardziej trwały podnosi wydajność układów wymiany ciepła. Ma jednakże również swoje wady, do których należy chociażby znacząco wyższa cena takiej operacji. Podjęcie decyzji o sposobie czyszczenia wymienników ciepła musi być zatem każdorazowo odniesione do specyfiki instalacji, w której wymienniki te pracują. Przedstawione powyżej ponadnormatywne koszty pompowania stanowią zazwyczaj jedynie ułamek innych o wiele bardziej znaczących kosztów generowanych po stronie procesu produkcyjnego, dla którego układ wody chłodzącej, jeżeli pracuje poniżej znamionowych wydajności wymaganych przez tę część instalacji, może być istotnym ograniczeniem.

Autor: Mariusz Kusa, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej

Rys., źródło: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.

LITERATURA

  1. Wiśniewski S., Wiśniewski T.: Wymiana ciepła, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1994.
  2. Kulesza J.: Badanie wymienników ciepła – rekuperatorów, w Pomiary cieplne, red. Wierzbicka H., Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995.
  3. Słupik T.: Modernizacja układu chłodzenia – jak ją dobrze zaplanować?, „Chemia przemysłowa” 2014, nr 1.

Artykuł został opublikowany w „Energia 2016” – dodatku do magazynu Control Engineerging.