Lämmönvaihtimien tehokkuuden seuranta ja optimointi

Lämmönvaihtimet ovat teollisuudessa laajasti käytössä olevia laitteita, joiden tehtävänä on siirtää lämpöenergiaa prosessivirrasta toiseen. Lämmönvaihtimen tehokkuuden alentuessa lämpöenergian siirto hidastuu, mikä voi johtaa prosessin ajautumiseen pois toimintapisteestään ja energiankulutuksen kasvuun. Tavallisesti lämmönvaihtimista seurataan vain niiden lämpötehoa eikä sen hyvyyteen esimerkiksi virtausolosuhteisiin nähden oteta kantaa. Tässä työssä tutkittiin menetelmiä lämmönvaihdinten tehokkuuden seurantaan ja optimointiin. Tavoitteena oli löytää mittari, joka näyttää lämmönvaihtimen tehokkuuden sen toimintaolosuhteisiin nähden. Tutkimuksen fokuksena oli erityisesti lämmönvaihtimen likaantumisesta seuraava tehokkuuden aleneminen. Tutkimus suoritettiin käyttämällä Äänekoskella toimivan karboksimetyyliselluloosaa valmistavan CP Kelco Oy:n lämmönvaihtimista saatua prosessidataa. Tutkimukseen valittiin kaksi lämmönvaihdinta, jotka erosivat toisistaan sekä ajotavaltaan että sovelluskohteeltaan. Prosessidatan avulla saatiin arvokasta tietoa prosessin toiminnasta ja sen pohjalta kehitettiin menetelmiä lämmönvaihtimien tehokkuuden seurantaan ja optimointiin. Työn kirjallisuusosiossa perehdyttiin teollisuudessa käytettyihin lämmönvaihdinten tunnuslukuihin. Koska olemassa olevat tunnusluvut vaativat paljon mittaustietoa tai ilmensivät vaimeasti lämmönvaihtimissa tapahtuvia ilmiöitä, lämmönvaihtimen kokonaislämmönjohtavuuden ja lämpökapasiteettivirran suhteeseen pohjautuvaa tehokkuusindeksiä ehdotettiin. Tehokkuusindeksin toimivuutta tutkittiin vertaamalla sitä olemassa oleviin tunnuslukuihin. Lisäksi sitä verrattiin lämmönvaihtimen toiminnassa, kuten painehäviössä ja fluidien lähtölämpötiloissa tapahtuviin muutoksiin pistekaavioilla ja tarkastelemalla niiden välisiä korrelaatioita. Vakio-olosuhteissa tehokkuusindeksin todettiin reagoivan johdonmukaisesti lämmönvaihtimen toiminnan muutoksiin sekä olevan herkempi muihin tutkittuihin menetelmiin verrattuna. Tehokkuusindeksin todettiin kuitenkin olevan herkkä fluidien tulolämpötilojen vaihteluille, jolloin data ei ollut vertailukelpoista eri tulolämpötiloilla. Tehokkuusindeksi soveltui siis parhaiten lämmönvaihtimille, joiden fluidien tulolämpötilat eivät vaihdelleet merkittävästi (± 5 ºC). Lämmönvaihdinten tehokkuutta pyrittiin optimoimaan niitä ympäröivän prosessin energiankulutuksen kautta. Prosessin energiankulutuksella huomattiin olevan yhteys lämmönvaihtimen tehokkuuden alenemiseen, jolloin lämmönvaihtimen pesuajankohta oli mahdollista määrittää kohonneen energiankulutuksen perusteella. Pesuajankohdan ennakoimiseen sovellettiin lämmönvaihtimen tehokkuuden alenemisesta johtuneen kulutetun energian ylimäärän lineaarista ekstrapolointia. Toisaalta huomattiin myös, että lämmönvaihtimen tehokkuuden aleneminen ei todennäköisesti ollut ainoa syy prosessin energiankulutuksen kasvuun, sillä niiden välinen korrelaation selitysaste oli pieni (R² = 0,0257). Tämän työn tuloksena syntynyt tehokkuusindeksi on sovellettavissa lämmönvaihtimiin, joissa fluidien tulolämpötilat eivät vaihtele merkittävästi ja joita ajetaan riittävän lähellä niiden mitoitukseen käytettyjä olosuhteita, jotta logaritmisen keskilämpötilaeron korjauskerroin on määritettävissä. Tehokkuusindeksiä voi soveltaa esimerkiksi prosessin seurannassa ja operoinnissa. Muita sovelluskohteita voi olla prosessin kunnossapito, jossa tehokkuusindeksi voi antaa tietoa esimerkiksi lämmönvaihtimen huollon tarpeesta.Heat exchangers are widely applied equipment in process industry. They are used to transfer heat from a process stream to another. Lowered efficiency of a heat exchanger can lead to rise in energy consumption and shifting in operating point of the process from its desired one. Usually only the transferred heat is monitored and whether the transferred heat is acceptable in relation to the operating conditions is not addressed. Methods for monitoring and optimizing heat exchanger efficiency were studied in this thesis. The goal was to find a suitable figure that shows how well a heat exchanger performs in relation to the operating conditions. Especially the effect of fouling on heat exchanger efficiency was studied. The study was carried out using the process data of carboxymethyl cellulose manufacturer CP Kelco Oy in Äänekoski, Finland. Two independent heat exchangers that were applied in different kind of processes and operated differently were chosen to be studied. The process data yielded valuable information on the process and was used to develop methods for real time monitoring and optimization of heat exchanger efficiency. Several methods for calculating heat exchanger efficiency were found in literature and their applicability was studied. Additionally, an efficiency index based on the ratio of the overall heat conductance to the rate of thermal capacitance was suggested. The performance of the proposed efficiency index was evaluated by comparing it to existing methods. The functionality of the efficiency index was further verified by comparing it to changes in the operating conditions, such as specific pressure loss and degree of temperature approach of a heat exchanger. The comparisons were carried out by using scatter plots and finding correlations between the proposed index and the previously mentioned variables. In nearly constant conditions the efficiency index was found to react well to changes in the operating conditions of a heat exchanger, and it was also found to be more sensitive compared to the other methods studied in this thesis. The efficiency index was also found to be very sensitive to changes in heat exchanger inlet temperatures, which rendered the efficiency index to be incomparable between different inlet temperature conditions. Hence, the efficiency index was best applicable to heat exchangers with relatively constant inlet temperatures, i.e. with changes less than 5 ºC. The efficiency of a heat exchanger was optimized using the energy consumption rate of the surrounding process. The energy consumption rate was found to correlate with the efficiency of the heat exchanger. The optimal cleaning time of the heat exchanger was possible to determine using the energy consumption rate of the process. Linear extrapolation of the extra energy consumed due to lower efficiency of the heat exchanger was used to predict the next optimal cleaning time of the heat exchanger. Although the correlation between the energy consumption rate of the process and the efficiency of the heat exchanger was found, it was not very strong (R² = 0.0257). This finding was used to deduce that a lower heat exchanger efficiency was not the only explanation for the rise in process energy consumption. Based on the results, the efficiency index presented in this thesis is applicable to heat exchangers in which the fluid inlet temperature variation is small (± 5 ºC) and that are operated close enough to their designed operating conditions so that the correction factor of the logarithmic mean temperature difference can be determined. The efficiency index can also be applied to process monitoring, operation and maintenance for providing insight to the process and, for example, to serve as a measure of need for heat exchanger maintenance