Begroingsmarginen som vanligvis er feil
Et pletteringsanlegg spesifiserer en PTFE-varmeveksler for oppvarming av hardtvann med 15 % begroingsmargin. Varmeveksleren er dimensjonert for 115 % av den rene varmebelastningen, basert på en antakelse om at begroingsfaktoren vil redusere den effektive varmeoverføringen med ca. 13 %.
Etter seks måneders drift har varmeeffekten sunket med 25 %, og badekaret kan ikke lenger holde temperaturen under toppproduksjon. Varmeveksleren rengjøres, og varmeeffekten går tilbake til designverdien. Syklusen gjentas hver sjette måned.
Marginen på 15 % var utilstrekkelig fordi begroingsfaktoren som ble brukt i designet var basert på et generisk estimat i stedet for de faktiske hardvannsforholdene. Den faktiske termiske motstanden etter seks måneder tilsvarer omtrent 25 % av den rene varmeoverføringsmotstanden, noe som krever en margin på 25 % bare for å opprettholde designvarmeeffekten ved slutten av rengjøringsintervallet.
Den termiske skalamotstanden som driver marginen
Den termiske motstanden til kalsiumkarbonatskala avhenger av tykkelsen og den termiske ledningsevnen til avsetningen. Den termiske ledningsevnen til kalsiumkarbonat er omtrent 2,5 W/m·K. For et 0,5 mm skalalag er den termiske motstanden 0,0002 m²·K/W.
Den rene varmeoverføringsmotstanden for en PTFE-varmeveksler med en 0,8 mm vegg og en prosess-sidefilmkoeffisient på 1000 W/m²·K er omtrent 0,0042 m²·K/W. Den termiske skalamotstanden på 0,0002 m²·K/W er omtrent 5 % av den rene motstanden. Denne lille motstanden ville bare kreve en margin på 5 %.
Den faktiske ytelsesdegraderingen er større enn skalaens termiske motstand alene tilsier. Avleiringslaget gjør også overflaten ru, noe som reduserer strømningshastigheten nær veggen og øker filmmotstanden. Den kombinerte effekten av skalaens termiske motstand og filmmotstandsøkningen er typisk 15–25 % av den rene varmeoverføringsmotstanden etter seks måneder i hardtvann.
Begroingsmarginen som en funksjon av vannhardhet
Begroingsmarginen avhenger av vannhardheten, rørveggens temperatur og rengjøringsintervallet. Følgende tabell oppsummerer anbefalt margin for forskjellige vannhardhetsnivåer og rengjøringsintervaller.
| Vannhardhet (mg/L CaCO₃) | Skaleringshastighet (mm/6 måneder) | Skaleringsmotstand etter 6 måneder | Anbefalt margin (6 måneders rengjøring) | Anbefalt margin (12 måneders rengjøring) |
|---|---|---|---|---|
| 50–100 (myk) | 0,1 mm | 0.00004 m²·K/W | 5% | 10% |
| 100–200 (middels vanskelig) | 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 (veldig vanskelig) | 0,5 mm | 0.00020 m²·K/W | 25% | 50% |
| 400–500 (ekstremt vanskelig) | 0,7 mm | 0.00028 m²·K/W | 35% | 70% |
| Over 500 (saltlake-liker) | 1,0 mm | 0.00040 m²·K/W | 50% | 100% |
De anbefalte marginverdiene inkluderer skalaens termiske motstand og filmmotstandsøkningen. Marginene er større for lengre rengjøringsintervaller fordi avleiringstykkelsen øker med tiden.
Effekten av rørveggtemperatur
Avleiringshastigheten øker med rørveggens temperatur. En høyere veggtemperatur øker overmetningen av kalsiumkarbonat ved røroverflaten og akselererer avsetningen.
For en PTFE-varmeveksler med høy varmefluks er rørveggtemperaturen høyere, og skaleringshastigheten er høyere. Begroingsmarginen må økes for å ta høyde for den høyere skaleringsgraden.
Veggtemperatureffekten er spesielt viktig i PTFE varmevekslere fordi den lave termiske ledningsevnen til PTFE resulterer i en høyere veggtemperatur for en gitt varmefluks enn en metallvarmeveksler. En PTFE-varmeveksler som opererer med samme varmefluks som en metallenhet vil ha høyere veggtemperatur og høyere skaleringshastighet.
Effekten av strømningshastighet
Strømningshastigheten påvirker kalkavsetningshastigheten gjennom skjærspenningen ved rørveggen. En høyere hastighet øker skjærspenningen, noe som reduserer vedheften av skalaen og avsetningshastigheten.
For en PTFE varmeveksler som opererer ved 0,5 m/s, er skaleringshastigheten høy, og begroingsmarginen må være stor. For en varmeveksler som opererer med 1,5 m/s er skaleringshastigheten lavere, og marginen kan være mindre.
Hastighetseffekten er spesielt viktig ved hardvannstjenester. En hastighet på 1,5–2,0 m/s anbefales for å redusere skaleringshastigheten og den nødvendige begroingsmarginen.
Den økonomiske handelen-utenfor begroingsmarginen
Tilgroingsmarginen øker kapitalkostnaden til varmeveksleren. En margin på 25 % øker kapitalkostnaden med ca. 20–25 %. Marginen reduserer også varmefluksen, noe som reduserer rørveggens temperatur og skaleringshastigheten.
Avveiningen- er mellom den høyere kapitalkostnaden og den lavere rengjøringsfrekvensen og energikostnaden. En større margin reduserer rengjøringsfrekvensen og produksjonstapet, men det øker kapitalkostnaden.
Den optimale marginen er den som minimerer de totale eierkostnadene over levetiden. Totalkostnaden inkluderer kapitalkostnaden, rengjøringskostnaden, produksjonstapskostnaden og energikostnaden.
Kvantifisere de totale eierkostnadene med forskjellige marginer
Tabellen nedenfor oppsummerer de fem-årige totale eierkostnadene for ulike begroingsmarginer i en oppvarmingsapplikasjon med hardt vann med en varmebelastning på 50 kW, en vannhardhet på 300 mg/L og en produksjonsverdi på 500 USD per time.
| Begroingsmargin | Overflateareal | Varmefluks | Rengjøringsintervall | Kapitalkostnad | Årlige rengjøringskostnader | Årlig produksjonstapskostnad | Fem-års totalkostnad |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0% | 20 m² | 2,5 W/cm² | 2 måneder | $28,000 | $9,000 | $12,000 | $133,000 |
| 10% | 22 m² | 2,3 W/cm² | 3 måneder | $30,000 | $6,000 | $8,000 | $100,000 |
| 20% | 24 m² | 2,1 W/cm² | 4 måneder | $32,000 | $4,500 | $6,000 | $84,500 |
| 30% | 26 m² | 1,9 W/cm² | 6 måneder | $35,000 | $3,000 | $4,000 | $70,000 |
| 40% | 28 m² | 1,8 W/cm² | 8 måneder | $38,000 | $2,250 | $3,000 | $64,250 |
| 50% | 30 m² | 1,7 W/cm² | 10 måneder | $41,000 | $1,800 | $2,400 | $62,000 |
| 75% | 35 m² | 1,4 W/cm² | 14 måneder | $48,000 | $1,300 | $1,700 | $63,000 |
Totalkostnaden på fem-år er minimert med en begroingsmargin på 40–50 % for denne applikasjonen. Marginen på 30 % er tilstrekkelig, men ikke optimal. Marginen på 75 % er over-dimensjonert og har en høyere totalkostnad enn marginen på 50 %.
Designfunksjoner som reduserer den nødvendige marginen
Flere designfunksjoner reduserer den nødvendige begroingsmarginen.
Høyere strømningshastighet.En høyere hastighet øker skjærspenningen og reduserer skaleringshastigheten. En hastighet på 1,5–2,0 m/s anbefales for hardtvann.
Glatt røroverflate.En glatt røroverflate reduserer vedheft av kalkavleiringer. Røroverflaten skal være fri for riper eller defekter.
På-plasser rengjøringsmidler.Koblinger for tilførsel og retur av rensemiddel gjør at varmeveksleren kan rengjøres uten demontering, noe som reduserer rengjøringskostnadene og nedetiden.
Vannmykning.En vannmykner fjerner kalsium- og magnesiumionene som danner belegget. Mykgjøringen reduserer kalkhastigheten og den nødvendige begroingsmarginen.
Dosering av kalkinhibitor.Et avleiringshemmerkjemikalie reduserer avleiringshastigheten ved å forstyrre krystallveksten. Inhibitoren reduserer den nødvendige begroingsmarginen.
Temperaturkontroll.Senking av rørveggtemperaturen reduserer skaleringshastigheten. En lavere varmefluks eller en tynnere rørvegg reduserer veggtemperaturen.
Spesifikasjonsparametre for hardtvannsservice
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler for hardtvannsservice, bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Vannhardhet.Spesifiser kalsiumkarbonatkonsentrasjonen i bruksvannet.
Driftstemperatur.Angi maksimal driftstemperatur og rørveggtemperatur.
Strømningshastighet.Spesifiser minimum rør-sidehastighet. En hastighet på 1,5–2,0 m/s anbefales for hardtvann.
Rengjøringsintervall.Angi forventet rengjøringsintervall og rengjøringsmetode.
Begroingsmargin.Spesifiser begroingsmarginen basert på vannhardheten og rengjøringsintervallet.
Overflateareal.Spesifiser overflatearealet som kreves for varmebelastningen og begroingsmarginen.
Varmefluks.Angi maksimalt tillatt varmefluks basert på veggtemperaturgrensen.
Renholdsbestemmelser.Spesifiser koblingene og ventilene som kreves for-rengjøring på stedet.
Matchende begroingsmargin til hardtvannsforhold
Begroingsmarginen for en PTFE-varmeveksler i hardtvannsdrift avhenger av vannets hardhet, rørveggens temperatur, rengjøringsintervallet og den akseptable ytelsesdegraderingen. Den konvensjonelle marginen på 10–20 % er ofte utilstrekkelig. Anbefalt margin er 20–50 % for moderat hardt til veldig hardt vann, avhengig av rengjøringsintervallet.
Marginen bør velges basert på den totale eierkostnaden over levetiden. En større margin øker kapitalkostnaden, men reduserer rengjøringsfrekvensen og produksjonstapet. Den optimale marginen minimerer totalkostnaden.
For hardtvannstjenester som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør begroingsmarginen spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen gitt av produsenten inkluderer kanskje ikke en tilstrekkelig margin, og den resulterende ytelsesdegraderingen kan kreve hyppigere rengjøring enn forventet.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som vurderer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for hardt vann eller annen begroingstjeneste kan be om en designgjennomgang som dekker vannhardhet, driftstemperatur, strømningshastighet, rengjøringsintervall og begroingsmargin for å bekrefte at enheten er tilpasset den faktiske vannkvaliteten og driftskostnadsstrukturen til anlegget.
