Vervuiling en kalkaanslag: wat het met de warmteoverdracht doet

Wat is fouling en waarom kost het rendement?

Fouling is de verzamelnaam voor alles wat zich tijdens bedrijf op het warmtewisselend oppervlak afzet. De warmte moet dan niet alleen door de metalen wand, maar ook door die extra laag, en die laag geleidt warmte veel slechter dan metaal. In de warmtetechniek wordt dat uitgedrukt als een fouling-weerstand: een extra weerstand in serie met de wand en de twee vloeistoffilms. Hoe dikker en hoe slechter geleidend de laag, hoe groter de weerstand en hoe minder warmte er bij hetzelfde temperatuurverschil wordt overgedragen.

Het effect is groter dan de dikte doet vermoeden. Een metalen wand van een paar millimeter geleidt warmte goed; een kalklaag van een fractie van een millimeter kan een vergelijkbare of grotere weerstand opleveren, omdat kalk een slechte geleider is. Ontwerpers rekenen daarom een fouling-toeslag in, maar die is bedoeld voor normale, langzame vervuiling. Zodra de werkelijkheid die toeslag voorbij is, haalt de koeler zijn ontwerpcapaciteit niet meer. Hoe een warmtewisselaar warmte overdraagt, lees je in het artikel wat is een warmtewisselaar; dit artikel hoort bij het thema onderhoud en levensduur.

Welke soorten vervuiling komen voor in een warmtewisselaar?

In koelwatersystemen komen vijf soorten vervuiling voor, vaak tegelijk en in lagen over elkaar heen. Elk type heeft een eigen oorzaak en vraagt een eigen aanpak.

De lagen versterken elkaar. Een oliefilm bindt slib, slib houdt water stil en geeft bacteriën een thuis, de biofilm maakt het milieu onder de laag zuur en zuurstofarm, en daar begint corrosie. Hoe corrosie precies ontstaat, staat in het artikel wat is corrosie; de biologische kant wordt uitgelegd bij biofouling.

Hoe ontstaat kalkaanslag in een warmtewisselaar?

Kalkaanslag ontstaat doordat opgeloste zouten, vooral calcium- en magnesiumverbindingen, slechter oplossen naarmate het water warmer wordt. In een warmtewisselaar wordt het koelwater opgewarmd aan de wand, precies op het warmste punt van het systeem. Daar slaat de kalk als eerste neer. Hard water, hoge wandtemperaturen en een lage stroomsnelheid versnellen het proces; zacht water, lage wandtemperaturen en turbulente stroming remmen het.

Eenmaal gevormd groeit de laag door. Een ruwe korst biedt meer aanhechting dan glad metaal en isoleert de wand, waardoor de wandtemperatuur aan de proceszijde verder oploopt. Bij verdampende of kokende media kan de laag plaatselijk oververhitting en zelfs schade aan de wand veroorzaken. Kalk is dus niet alleen een rendementsprobleem, maar ook een mechanisch risico.

Wat vervuiling doet met energie, pompdruk en stilstand

Vervuiling kost op drie plekken tegelijk: in energie, in pompcapaciteit en in beschikbaarheid. De gevolgen stapelen zich op, meestal ongemerkt, tot een alarm of een stop ze zichtbaar maakt.

• Energie. Om dezelfde warmte over te dragen is een groter temperatuurverschil nodig. Een proces koelt minder ver af, een condensor condenseert bij een hogere druk, een motor krijgt warmer koelwater terug. Het proces compenseert met meer vermogen, meer koelwater of een lagere productiesnelheid.
• Pompdruk. Slib, aangroei en kalk vernauwen de doorgang. Het drukverlies over de koeler stijgt, de pomp draait tegen een hogere weerstand en levert minder debiet. Minder debiet betekent een lagere stroomsnelheid, en die versnelt op zijn beurt de afzetting.
• Stilstand. Een koeler die onder de maat presteert, wordt uiteindelijk uit bedrijf genomen om te reinigen. Ongepland kost dat productie; gepland kost het nog steeds tijd, arbeid en chemie. Bij een koeler die onder de vervuiling is gaan corroderen, wordt de reinigingsbeurt een reparatie.

Het ongemakkelijke is dat de kosten in het begin klein en onzichtbaar zijn. Een paar graden warmer koelwater valt niemand op. Pas als de marge op is, bij een warme zomerdag of een hoge belasting, blijkt dat de koeler het niet meer redt.

Hoe herken je vervuiling zonder de koeler te openen?

Vervuiling is aan de meetwaarden te zien voordat iemand de koeler opent. Wie de juiste getallen bijhoudt, ziet de trend lang voordat er een probleem ontstaat.

• Een kleiner temperatuurverschil tussen in- en uitgaand medium bij gelijke belasting en gelijk koelwater.
• Een oplopend drukverlies over de koeler bij gelijk debiet, of een dalend debiet bij gelijke pompstand.
• Een stijgende naderingstemperatuur: het verschil tussen de uitgaande proceszijde en de ingaande koelwaterzijde.
• Bij condensors: een stijgende condensatiedruk bij gelijke koelwatertemperatuur.

Leg die waarden vast bij een schone koeler, direct na reiniging of refit. Die nulmeting is de referentie waarmee je later beslist of reinigen nodig is. Zonder referentie blijft het gissen. Welke reinigingsmethode past bij welke vervuiling, lees je in het artikel over een warmtewisselaar reinigen.

Hoe helpt een gladde coating tegen vervuiling?

Een gladde, hydrofobe coating vertraagt de opbouw van vervuiling omdat de meeste lagen zich slecht hechten aan een glad oppervlak zonder poriën. Kalk kristalliseert bij voorkeur op ruwe plekken en in putjes; slib en biofilm hebben houvast nodig; olie hecht minder aan een waterafstotend oppervlak. Op blank metaal, zeker als dat al licht is aangetast, is die houvast overal aanwezig. Op een gesloten, glasachtige coating veel minder.

Daar komt een tweede effect bij: de coating houdt het metaal weg van het water, zodat er geen corrosieproducten ontstaan die als aanhechting voor andere lagen dienen. De vervuiling die zich wel vormt, laat makkelijker los bij reinigen. Novocoatings werkt daarvoor met dunne, warmtegeleidende systemen: de phenol-epoxy inbrandcoating heeft een hydrofobe eindlaag die aanhechting van vervuiling voorkomt en goed te reinigen is, en de thermisch geleidende coatings zijn dunne-filmseries die de opbouw van kalk, slib en biogroei tegengaan zonder de warmteoverdracht te blokkeren. Voor shell and tube warmtewisselaars en condensors staat dat uitgewerkt op de pagina warmtewisselaars en condensors.

Een coating maakt reinigen niet overbodig. Hij verlengt het interval, maakt het reinigen lichter en voorkomt dat vervuiling overgaat in corrosie. Dat is in de praktijk het verschil tussen een jaarlijkse CIP en een koeler die elke paar maanden open moet.

Wat betekent dit voor jouw installatie?

Meet het temperatuurverschil en het drukverlies over je koelers en leg de waarden van een schone koeler vast als referentie. Zoek bij teruglopende prestaties eerst uit welk soort vervuiling de oorzaak is, want dat bepaalt de reinigingsmethode. En kijk bij een koeler die steeds sneller vervuilt naar het oppervlak zelf: blank of ruw geworden metaal nodigt elke laag uit om terug te komen. Een inbrandcoating op een chemisch voorbehandelde ondergrond maakt het oppervlak glad en gesloten, remt kalk, slib en aangroei en beschermt tegelijk tegen corrosie. Bij een koeler die al zwaar vervuild of aangetast is, combineert het refit programma van Novocoatings de reiniging met inspectie, coating en druktest.