Jo vähäinen likakerrostuma heikentää lämmönsiirron tehoa, lisää energiakustannuksia ja saattaa aiheuttaa monenlaisia ongelmia tuotannolle. Tähän ongelmaan pureuduttiin Motivan koordinoimassa keväällä 2016 päättyneessä ”Energiatehokas lämmönsiirto”-hankkeessa. Hankkeessa haettiin keinoja parantaa tehtaiden lämmönsiirron ja lämmön talteenoton energiatehokkuutta. Tarkastelussa olivat prosessien lämmönsiirto-ongelmat, erilaiset lämmön talteenoton ratkaisut, mittaaminen, haasteellisten ja likaavien lämpövirtojen käsittely sekä likaantumisen ja puhdistuksen merkitys lämmönsiirtimien toimintaan.

Hankkeessa teetettiin kirjallisuusselvitys ja ohjeistusta tehtaiden lämmönsiirron energiataloudellisuuden parantamiseen. Lisäksi lämmönsiirron haasteita ja kunnossapidon vaikutuksia tutkittiin todellisessa teollisuusympäristössä mukana olleiden yritysten tuotantoon liittyviä ongelmallisia lämmönsiirtoprosesseja mittaamalla ja analysoimalla.  

Mittaaminen on ensimmäinen askel energiatehokkuuteen

Lämmönsiirtimien määrä tehtaissa vaihtelee tyypillisesti kymmenistä jopa satoihin, eikä kaikkien niiden toimintaa mitata ja seurata riittävällä tasolla. Mikäli lämmönsiirtimien toiminnasta ei tiedetä tarpeeksi, ei myöskään pystytä huomaamaan ongelmia ajoissa saati sitten parantamaan energiatehokkuutta.

Tyypillisimpiä lämmönsiirron toiminnan avaintunnuslukuja käytön aikana ovat:

- Kriittisenä pidetty lämpötila: Mikäli jonkin virran lämpötila (esimerkiksi jäähdytettävä kohde) on prosessin kannalta kriittinen, kannattaa sen arvoa ehdottomasti tarkkailla.

- Lämmönsiirto: Kun virtaukset pidetään vakiona, lämmönvaihtimen likaantuminen huomataan yleensä aiempaa pienemmän siirtyvän lämpötehon perusteella. Mikäli lämmönsiirtokerrointen määrittäminen onnistuu helposti, likavastusta voidaan yrittää arvioida puhtaan ja likaisen lämmönvaihtimen kokonaislämmönsiirtokerrointen avulla. 

- Painehäviö: Lämmönsiirtopinnan likaantuminen vaikuttaa suoraan painehäviöön virtauskanavan pienentyneen poikkileikkausalan sekä lisääntyneen pinnankarheuden kautta.

- Likakerroksen paksuus: Mikäli mahdollista, muodostuvan likakerroksen paksuutta voi olla järkevää mitata suoraan likaantumisen havaitsemiseksi ajoissa. Mittaus tapahtuu käytännössä optisesti tai resistiivisesti.

Mittaroinnin avulla likaantumista ja lämmönsiirron heikkenemistä voidaan seurata ja sen perusteella laskea esimerkiksi puhdistusajankohdan kokonaistaloudellinen optimi tai muiden ongelmia vähentävien toimenpiteiden taloudellinen kannattavuus. Oikea ja riittävä mittarointi mahdollistaa siirtymisen kalenteriin perustuvista kausihuolloista todelliseen tarpeeseen perustuvaan kunnossapitotoimintaan ja ennustettavuuteen.

Likaantuminen on monen tekijän summa

Lämmönvaihtimien likaantuminen ja siitä aiheutuva energiatehokkuuden heikkeneminen lisää tuotannon polttoaineen- ja sähkönkulutusta sekä kasvihuonekaasupäästöjä. Se kasvattaa myös investointi-, energia- ja huoltokustannuksia sekä mahdollisesti menetetystä tuotannosta aiheutuvia kustannuksia. Yritykset joutuvat pysäyttämään tuotannon kriittisen lämmönvaihtimen puhdistuksen ajaksi ellei käytössä ole varalämmönvaihdinta, jonka olemassaolo taas on tuplannut investointikustannukset.

Likaantumisen estämiseksi, vähentämiseksi tai hidastamiseksi on tärkeää ymmärtää likaantumisen taustalla olevat tekijät. Näitä ymmärtämällä voidaan ongelmaa lähteä ratkomaan.  Likaantuminen voidaan määritellä ei-toivottujen materiaalien kerääntymisenä lämmönsiirtopinnoille. Likaantuminen edistää yleensä myös korroosiota ja eroosiota, mikä voi pahimmassa tapauksessa johtaa jopa lämmönvaihtimen vaurioitumiseen. Alla on lueteltu tyypilliset likaantumismekanismit, joita voi esiintyä monessa tapauksessa myös samanaikaisesti.  

- Hiukkaslikaantuminen (HL)

- Saostuminen (S)

- Kemiallinen likaantuminen (KL)

- Korroosiolikaantuminen (KorrL)

- Biologinen likaantuminen (BL)

- Jähmettyminen (J)

Seuraavassa on esitetty joitain likaantumiseen vaikuttavia tekijöitä virtaavan aineen ominaisuuksien lisäksi:

- Virtausnopeus

- Lämmönsiirtopinnan ja virtaavan aineen lämpötila

- Lämmönsiirtopinnan materiaali 

- Lämmönsiirtopinnan karheus

- Lämmönsiirtoprosessi

Likaantumisen korjaaminen ja ennaltaehkäisy käytön aikana

Lämmönvaihtimien likaantumista voidaan estää ja täten energiatehokkuutta parantaa oikeanlaisella ajotavalla, käytönaikaisella puhdistamisella tai olosuhteiden muuttamisella sekä järjestelmän huolellisella huuhtelulla ennen käyttöönottoa. Käytönaikaiset keinot likaantumisen ja korroosion ennaltaehkäisemiseksi sekä lämmönvaihtimien puhdistamiseksi voidaan jakaa mekaanisiin ja kemiallisiin menetelmiin. Mekaanisia menetelmiä ovat ainakin:

- Virtaavan aineen mekaaninen suodattaminen 

- Virtausnopeuden hetkellinen kasvattaminen 

- Korkeapaineisen kaasun, kuten paineilman, tai höyryn johtaminen lämmönvaihtimeen käytön aikana   

- Muita mahdollisia menetelmiä ovat esimerkiksi erilaisten esineiden, kuten kierteisten metallilankojen sijoittaminen putkiin turbulenssin ja leikkausjännitysten kasvattamiseksi sekä jonkin puhdistavan aineen, kuten hiekan tai esimerkiksi karkeasta vaahtomuovista valmistettujen puhdistuspallojen (englanniksi sponge balls), kierrättäminen likakerrosten irrottamiseksi. 

Kemialliset menetelmät tarkoittavat käytännössä joko jo muodostuneiden likakerrosten poistamista tai likaantumisolosuhteiden muuttamista erilaisten kemiallisten yhdisteiden avulla sekä virtaavan aineen esipuhdistusta kemiallisin reaktion. Kemialliset menetelmät soveltuvat kustannusten vuoksi lähinnä suljettuihin kiertoihin. 

Muita keinoja tietyissä tapauksissa ovat mm. magneettikentän ja ultraäänen käyttö likaantumisen ehkäisyssä. 

Likaantumisen korjaaminen ja ennaltaehkäisy huoltoseisokissa

Seisokin aikana ehkäpä yleisin tapa lämmönsiirtopintojen puhdistamiseen on peseminen korkeapaineisella vedellä tai höyryllä. Myös hankaavia aineita, kuten hiekkaa, voidaan käyttää höyryn tai veden joukossa. Putkien sisäpintojen osalta voidaan käyttää esimerkiksi korkeapaineiden veden mukana lähetettäviä kumisia tai metallisia kaapimia. Veteen ja höyryyn liittyvät puhdistustavat ovat yleensä turvallisia, mutta menetelmissä, joissa jokin kiinteä aine hankaa lämmönsiirtopintoja, on riskinä itse pintojen sekä myös mahdollisen korroosiolta suojaavan oksidi- tai muiden suojaavien kerrosten kuluminen.  

Muita tyypillisiä menetelmiä ovat lähinnä kuivajää- ja ultraäänipuhdistus. Kuivajääpuhdistuksessa rakeinen hiilidioksidi muuttuu kaasuksi osuessaan puhdistettavaan pintaan, ja se on vähemmän kuluttava kuin perinteiset mekaaniset menetelmät. Ultraäänipuhdistus perustuu nesteeseen syntyvien kuplien luhistumiseen paineen vaikutuksesta, mikä saa likakerroksen hajoamaan. Myös ultraäänipuhdistus on lämpöpinnoille turvallisempi vaihtoehto kuin perinteiset mekaaniset menetelmät. Lisäksi nykyjärjestelmiä voidaan asentaa prosessin yhteyteen, jolloin lämmönvaihdinta voidaan ajaa pitkiä aikoja hyvällä hyötysuhteella ilman tarvetta huoltoseisokille. Huonona puolena on toimivuus ainoastaan nesteessä sekä toimivuuden riippuvuus nesteen ominaisuuksista.

Kemialliset menetelmät lämmönvaihtimien puhdistamiseksi huoltoseisokin aikana tarkoittavat käytännössä erilaisten liuottimien käyttöä. Edut verrattuna mekaanisiin menetelmiin ovat ainakin:

- Ei riskiä mekaanisesta vaurioitumisesta.

- Voidaan käyttää paikoissa, joihin ei mekaanisilla menetelmillä päästä.

- Puhdistus on yleensä mekaanisia menetelmiä nopeampaa.

- Työvoimaa tarvitaan vähemmän.

Kemiallisen puhdistuksen huonona puolena on kuitenkin se, että liian tehokkaat liuottimet voivat vahingoittaa lämpöpintoja ja tiivisteitä pahimmillaan erittäin vakavasti, esimerkiksi syövyttämällä. Niinpä liuottimien käytön tulisi perustua joko kokemukseen tai asiaan erikoistuneiden ammattilaisten ohjeisiin.

Lämmönvaihtimen mitoitus avainasemassa

Yleinen tapa huomioida likaantuminen on lämmönsiirtopintojen ylimitoitus verrattuna optimitilanteeseen. Tällöin luvussa likavastukselle määritetään yleensä kokemukseen perustuen arvo, jonka avulla lämmönsiirtopinnat mitoitetaan niin suureksi, että haluttu lämpöteho saadaan siirtymään ilman merkittävää virtausnopeuden nostamista ja täten painehäviön kasvamista. Ongelmana on kuitenkin se, että likavastusten tarkkojen arvojen määrittäminen on hankalaa. Mikäli lämmönsiirtopinnat tehdään huomattavan suuriksi, puhtaan lämmönvaihtimen virtausnopeudet laskevat merkittävästi, mikä puolestaan yleensä kiihdyttää likaantumista. Usein suurin osa lämmönvaihtimista toimii jo muutenkin toimintapisteissä, joissa virtaamat ovat alle suunnitteluarvojen. Myös rinnankytkennän tapauksessa yksittäisten lämmönvaihtimien virtausnopeudet saattavat laskea etenkin, jos vaihdinkohtaiset kertasäädöt on jätetty tekemättä. Niinpä likavastuksille tulisi käyttää mieluummin liian pieniä kuin liian suuria arvoja.  

Muut keinot liittyvät lämmönsiirtoon osallistuvien aineiden virtaukseen. Esimerkiksi virtauskenttään, -nopeuksiin ja lämpötilatasoihin voidaan yleensä vaikuttaa jonkin verran suunnittelun keinoin. Hyvä esimerkki virtauskentän muuttamisesta on putkilämmönvaihtimen vaippapuolen ohjauslevyjen rakenteen muuttaminen siten, että virtaukseen tulee lisää pyörteisyyttä virtaussuunnan akselin suhteen, minkä on todettu vähentävän likaantumista. Myös putkien ulkopinnan poimuttamisen vaikutus on samankaltainen.

Lisää tietoa aiheesta löydät osoitteesta:

www.motiva.fi/energiatehokas_lammonsiirto

Teksti: Tomi Kiuru, johtava asiantuntija, Motiva, tomi.kiuru(at)motiva.fi

Klikkaa taulukko isommaksi