Wat is een warmtewisselaar en hoe werkt hij?

Wat is een warmtewisselaar?

Een warmtewisselaar is een toestel waarin twee media van verschillende temperatuur langs elkaar stromen, gescheiden door een wand. Het warme medium geeft warmte af aan de wand, de wand geeft die warmte door aan het koude medium. De media zelf komen niet met elkaar in contact. Dat is het hele principe, of het nu om water, olie, stoom, lucht, koelmiddel of een proceschemicalie gaat.

In de praktijk heet een warmtewisselaar vaak anders, afhankelijk van zijn taak. Een koeler voert warmte af, een verwarmer voegt warmte toe, een condensor laat damp condenseren en een verdamper laat vloeistof verdampen. Technisch zijn het allemaal warmtewisselaars. De radiator van een auto, de cv-ketel thuis en de intercooler van een scheepsmotor werken op hetzelfde principe.

Hoe werkt een warmtewisselaar?

Een warmtewisselaar werkt doordat warmte altijd van een hogere naar een lagere temperatuur stroomt. Het temperatuurverschil tussen de twee media is de drijvende kracht. Hoe groter dat verschil, hoe meer warmte er per seconde overgaat. De overdracht verloopt in drie stappen:

1. Convectie aan de warme zijde: het stromende warme medium geeft warmte af aan het wandoppervlak.
2. Geleiding door de wand: de warmte gaat door het metaal heen, van de warme naar de koude kant.
3. Convectie aan de koude zijde: het stromende koude medium neemt de warmte van de wand op en voert die af.

Drie factoren bepalen hoeveel warmte er overgaat: het temperatuurverschil, het oppervlak van de wand en de weerstand die de warmte onderweg ondervindt. Ontwerpers vergroten het oppervlak met veel dunne buizen, platen of lamellen. De weerstand houden ze laag met een dunne wand van goed geleidend metaal en met een stroming die turbulent genoeg is om de grenslaag aan de wand dun te houden.

Elke extra laag op de wand voegt weerstand toe. Dat geldt voor kalk, slib, roest en biologische aangroei, maar ook voor een coating. Daarom is de dikte van een beschermlaag op een warmtewisselaar altijd een afweging: dik genoeg om te beschermen, dun genoeg om de warmte door te laten. Meer daarover lees je bij thermisch geleidende coatings.

Tegenstroom of gelijkstroom: wat is het verschil?

Bij tegenstroom stromen de twee media in tegengestelde richting langs elkaar, bij gelijkstroom in dezelfde richting. Tegenstroom draagt bij hetzelfde oppervlak meer warmte over, omdat het temperatuurverschil over de hele lengte van de wisselaar in stand blijft. Het koude medium verlaat de wisselaar dan aan de kant waar het warme medium binnenkomt en kan daardoor warmer worden dan het warme medium bij zijn uitgang.

Bij gelijkstroom is het temperatuurverschil aan de ingang groot en aan de uitgang klein. De uitgaande temperaturen van beide media naderen elkaar, maar kunnen elkaar nooit kruisen. Gelijkstroom wordt gekozen als een medium niet te snel mag opwarmen of afkoelen, of als de hoogste wandtemperatuur beperkt moet blijven.

De meeste industriële wisselaars gebruiken tegenstroom of een combinatie: kruisstroom (zoals bij een luchtkoeler, waar lucht dwars over buizen stroomt) of meerdere passages in een shell and tube warmtewisselaar, waar het medium in de buizen een paar keer heen en terug gaat.

Van welke materialen wordt een warmtewisselaar gemaakt?

De wand van een warmtewisselaar moet goed warmte geleiden, sterk genoeg zijn voor de druk en bestand zijn tegen beide media. Die eisen botsen regelmatig. Gangbare materialen zijn:

• Koper en koperlegeringen (messing, cupronikkel): uitstekende geleiding, veel gebruikt in koelwater- en zeewatersystemen.
• Koolstofstaal: sterk en goedkoop, maar gevoelig voor roest; vooral in mantels, waterkasten en pijpenplaten.
• Roestvast staal: goede corrosiebestendigheid in veel media, minder goede geleiding dan koper, gevoelig voor chloriden.
• Aluminium: licht en goed geleidend, de standaard voor lamellen van luchtkoelers, maar kwetsbaar in zoute en zure omgevingen.
• Titanium: vrijwel ongevoelig voor zeewater, maar kostbaar en daarom alleen waar het echt nodig is.

Vaak worden in één wisselaar meerdere metalen gecombineerd: koperen buizen in een stalen mantel, of koperen buizen met aluminium lamellen. Zodra die combinatie in een geleidende vloeistof hangt, zoals zeewater, ontstaat het risico op galvanische corrosie: het minst edele metaal lost versneld op.

Waar kom je warmtewisselaars tegen?

Warmtewisselaars zitten in vrijwel elk proces waar temperatuur beheerst moet worden. Drie omgevingen vragen om extra aandacht voor bescherming:

• Industrie: proceskoelers en verwarmers in de chemie, olie en gas, voedingsmiddelen en koeltechniek. De media zijn vaak agressief of vervuilend, en stilstand is kostbaar.
• Scheepvaart: box coolers, charge air coolers, smeerolie- en koelwaterkoelers. Zeewater, brak water of rivierwater is hier het koelmedium.
• Energie: condensors en koelers bij turbines, motoren en generatoren, waar grote hoeveelheden koelwater door de installatie gaan.

Welke typen in deze omgevingen gebruikt worden en wat hun sterke en zwakke punten zijn, staat in het artikel over typen warmtewisselaars. Een overzicht van alle artikelen vind je op de themapagina warmtewisselaars.

Waarom moet het oppervlak schoon en beschermd zijn?

Omdat alle warmte door de wand moet. Alles wat zich op die wand afzet, remt de overdracht. Kalk, slib, olie en biologische aangroei geleiden warmte veel slechter dan metaal. Een dunne laag vervuiling kan de warmteoverdracht al merkbaar verlagen, waardoor pompen en ventilatoren harder moeten draaien voor dezelfde koeling. Dat kost energie en op termijn capaciteit.

Daar komt corrosie bij. Corrosieproducten vormen een isolerende laag en tasten de wand aan tot er lekkage ontstaat. In een warmtewisselaar is lekkage ernstig: de media mengen zich, koelwater komt in de olie of proceschemicaliën komen in het koelwater. Corrosie aan de koelwaterzijde is in de praktijk de meest voorkomende reden dat een koeler vroegtijdig vervangen moet worden.

Een gesloten, gladde en chemisch resistente laag op het metaal pakt beide problemen aan. Hij scheidt het metaal van het water en van zuurstof, zodat corrosie geen kans krijgt. En een hydrofoob, glad oppervlak laat vervuiling minder makkelijk hechten, zodat de wisselaar langer schoon blijft en eenvoudiger te reinigen is.

Wat betekent dit voor jouw installatie?

Een warmtewisselaar presteert zolang zijn oppervlak schoon en intact is. Materiaalkeuze bepaalt het uitgangspunt, maar in zeewater, brak water, rivierwater en veel procesmedia blijft het metaal kwetsbaar. Een phenol-epoxy inbrandcoating brengt een dunne, homogene en glasachtige laag aan die chemisch resistent is van pH 3 t/m pH 14, elektrisch isoleert tegen galvanische corrosie en warmte blijft geleiden.

Novocoatings coat al 25 jaar warmtewisselaars op die manier: shell and tube wisselaars en condensors aan de binnen- en buitenzijde, lamellen- en luchtkoelers tot in de kern van het blok, en box coolers voor de scheepvaart. Elke wisselaar krijgt vooraf een chemische voorbehandeling, zodat de coating ook hecht op plekken die stralen niet bereikt. Wil je weten of jouw installatie geschikt is, dan kijken we graag mee op basis van tekeningen of foto's via contact.