LÄMMÖNSIIRTIMIEN LIKAANTUMINEN JA SEN ESTÄMINEN:

Transkriptio

1 LÄMMÖNSIIRTIMIEN LIKAANTUMINEN JA SEN ESTÄMINEN: Kokeellisen tutkimuksen ja uusien mallinnustekniikoiden yhdistäminen 1 Markus Riihimäki, 2 Eini Puhakka, 1 Tiina M. Pääkkönen, 2 Ulla Ojaniemi, 2 Timo Pättikangas, 2 Mikko Manninen, 1 Esa Muurinen, 1 Riitta L. Keiski 1 University of Oulu, Department of Process and Environmental Engineering FIN University of Oulu, P.O.Box VTT, FIN VTT, P.O. Box 1000

2 LÄMMÖNSIIRTIMET Siirtävät lämpöä kuumasta väliaineesta kylmempään Kaasu-kaasu, kaasu-neste, neste-neste Levylämmönsiirtimet, putkilämmönsiirtimet Prosesseissa kemialliset reaktiot tuottavat lämpöä, jota joudutaan poistamaan lämmönvaihtimella ll usein reaktion käynnistäminen tai nopeuttaminen vaatii lämpöä, joka tuodaan lämmönvaihtimella lämmönvaihtimilla voidaan siirtää lämpöä prosessin osasta toiseen Mahdollistaa energiatehokkaan tuotannon!

3 TUTKIMUSONGELMA Likaantuminen on ei-toivotun aineen kertymistä lämmönsiirtimien pinnoille. Se aiheuttaa merkittäviä iä ongelmia laitteiden id käytössä ä ja suunnittelussa Lämmönsiirto heikkenee ja painehäviö kasvaa energiatehokkuus heikkenee ympäristövaikutukset lisääntyvät Prosessikatkot lisääntyvät ja huoltokustannukset nousevat taloudellinen kannattavuus heikkenee TUTKIMUKSEN TAVOITTEET: Lämmönsiirtopinnat likaantumattomiksi Materiaalivalinnat: pinnan karheus, pinnoite Virtausolosuhteiden parantaminen Prosessiolosuhteiden valinta/säätö Kustannustehokas puhdistettavuus Mekaaninen puhdistus Kemiallinen puhdistus Sähkökemiallinen puhdistus

4 MILLOIN LIKAANTUMISTA TAPAHTUU? Kiteytyvä yy likaantuminen Tapahtuu ylikylläisistä liuoksista Lämmönvaihtimissa: Lämpötilan kohoaminen vähentää likaavien yhdisteiden liukoisuutta Prosessihaihduttimissa: Lämpötilan kohoamisen lisäksi liuoksesta poistuu vettä ja liukoisuus ylitetään liuoksen konsentroituessa Partikkelilikaantuminen Pienet hiukkaset kiinnittyvät lämmönvaihtimen pintaan Kiinnittymistä itt itätapahtuu pintavoimien it i i vaikutuksesta iktk t ja it irtoamista it pinnan lähllä lähellä vaikuttavien hydrodynaamisten voimien vaikutuksesta Muita likaantumisen muotoja Mikrobilikaantuminen, biologiset kasvustot Kemiallisten reaktioiden kautta likaantuminen Korroosiolikaantuminen Jäätymisen tai jähmettymisen aiheuttama lämmönsiirtimien tukkeutuminen

5 LIKAANTUNEET LÄMMÖNVAIHTIMET Stage 3

6 TUTKIMUSMENETELMÄT Pinnoitteet Kuuma pinta Impaktio Inertia Diffuusio MOLEKYYLI- MALLINNUS Virtaus suunta LIKAANTUMIS- KOKEET CFD- MALLINNUS Kuva elektroni- mikroskooppilla

7 KOELAITTEISTO Fouling Test Apparatus Power Supply HOST PC Data Aquision Test surface: Coated Sheet metal Sample holder in the rectagular flow channel of the test section 5. Heating element TCs to measure wall temperature

8 LIKAANTUMISKOKEET Lineaarinen kasvu Initiation Period antumisv vastus Lika Roughness Delay Time Initiation Period Roughness Delay Time Lineaarinen kasvu Aika - Likaantumista kuvaa viiveaika (pintamateriaali) ja olosuhteita (likaantumisnopeus) - Kokeen jälkeen liattu pinta tutkitaan pinta analytiikan keinoin: SEM, XRD, FTIR

9 ELEKTROLYYTTIEN TERMODYNAMINEN MALLINNUS Suolojen kiteytymis alueet ph:n, lämpötilan muuttuessa tai veden haihtuessa Liukoisten yhdisteiden ja kompleksien spesiaation määrääminen Case studies: Mustalipeä, kalsiitti pigmentin prosessointi, merivesi, savukaasun pesuri 0.8 ve molar amo ount Relati Ti(OH)4 TiOSO4 Ti(OH)2+2 Ti(OH) H2SO4 in water [wt%]

10 PARTIKKELIN JA PINNAN VÄLISEN VUOROVAIKUTUKSEN MALLINTAMINEN Kolloidisten partikkelien vuorovaikutuksia kuvaa XDLVO-teoria ΔG TOT = ΔG LW + ΔG EL SiO 2 -partikkelin adheesio pinnoitettu AISI316L 2B:lle Pinnoite ΔG TOT /kt + ΔG AB TiN SiF impl SiOx-CVD Sol-gel Repulsio Adheesio MoS2 impl DLCsput ΔG Br Käsittelemätön AISI316L 2B Metastabiili t johtaa likaantumiseen i Repulsion Potential energ gy /kt Adheesio Attrac ction Potential en nergy /kt sekundääri maksimi DG(EL) DG(TOT) Lenght 4 [nm] primääri minimi DG(LW) DG(AB) DG(TOT)

11 LÄMMÖNSIIRTIMIEN TUTKIMINEN VIRTAUSLASKENNALLA (CFD) Mallissa voidaan huomioida mm.: Virtausnopeus, pyörteisyys Lämmönsiirto Partikkeleiden kulkeutuminen ja tarttuminen pintaan (XDLVO) Suolojen kiteytyminen pinnoille (liukoisuus, pintareaktiot) Ennustetaan lämmönsiirtimien likaantumista From real to model geometry From corrugated to flat plate geometry

12 CFD-MALLI PARTIKKELI- LIKAANTUMISELLE Likaantumisprosessi voidaan ajatella sarjana prosesseja, joissa partikkelit kulkeutuvat seinämän läheisyyteen, ja kiinnittyvät seinämään CFD -mallissa suurimmat partikkelien kulkeutumiseen vaikuttavat voimat on huomioitu: diffuusio, termoforeesi, vastus- ja nostovoimat Partikkelin kiinnittyminen seinämään (adheesio) on mallinnettu XDLVO-teorian avulla Mallia on sovellettu aikariippuvana 2D laskentana käyttäen Eulerian kaksi- faasi -mallia Mallit on implementoitu Fluent -ohjelmistoon omina aliohjelmina Lämmönvaihtimen koelaitteistoa on käytetty testitapauksena mallin validoinnissa Testitapauksena on tutkittu alle mikronin kokoisten CaCO 3 partikkelien aiheuttamaa likaantumista kuumennetulle AISI 316L teräspinnalle

13 CFD:n LASKENTATULOKSIA Partikkelien tilavuusosuusjakauma lämmönvaihtimessa: partikkelikoko 387 nm, virtausnopeus 0.33 m/s Likaantumisnopeus lämmitetyllä seinämällä etäisyyden funktiona nesteen sisäänvirtaus-aukosta. Lämmitetty seinämä Keskimääräinen kasvunopeus: CFD -mallilla 51.7 µm/vrk Kokeellinen tulos 75.2 µm/vrk

14 MOLEKYYLIMALLINNUS Saostumien muodostumista on tutkittu erilaisilla pinnoilla määrittä- mällä CaCO 3 muodostumismekanismi ja vertailemalla muodostumisenergioita Saostumien kemiallinen koostumus ja saostumien sitoutumisvoimakkuus riippuu voimakkaasti veden reaktioista (adsorptio tai dissosiaatio) pinnoilla Pinnan hydrofobisuudella ja hydrofiilisyydellä on merkittävä vaikutus saostumien muodostukselle Saostumien tapahtuu usein HCO 3- -välituotteiden kautta Cr 2 O 3 -pinta TiC-pinta SiO 2 -pinta

15 TYÖKALUT LIKAANTUMISEN ESTÄMISEKSI Likaantumis- Likaan - tumis - ongelma Pesu tai mekaaninen puhdistus puhdistus S ä hk ö - Sähkökemiallinen kemiallinen puhdistus/esto puhdistus Likainen pinta Alkuaine - ja ja rakenneanalyysit: rakenneanalyysit : - pinta -pinta - prosessiliuos - prosessiliuos - likakerros - likakerros Likaantuvaa On - line mittaukset : lämmönvaihdinta - paine - l ä mp ö tila simuloivat - virtausnopeus koe- ja mittaus järjestelyt Termodynamiikka: Termodynamiikka : - elektrolyytit - - DLVO - voimat - DLVO-voimat Molekyyli- Molekyyli - mallinnus mallinnus Virtaus - Virtausmalli laskenta CFD Analyyttinen malli Likaantumisenmekanismi: Likaantumisen mekanismi : - partikkeli - kiteytyminen Pinta - Pintamateriaalien materiaalien modifiointi - partikkelilikaantuminen Prosessi - - kiteytyminen Prosessiolosuh- olosuhteiden teiden muutokset muutokset L ä mm ö nvaih - dingeometrian muutokset Lämmönvaihdingeometrian muutokset Puhtaana pysyvä pinta Ratkaisukeinojen valinta valinta ja ja likaantumisen hallinta hallinta

16 TUTKIMUSVERKOSTO FOULSURFACE-projekti ( ) Konsortioprojekti (EU/MATERA ERA-Net), jossa mukana OY/PYOLÄM, VTT, SINTEF (Norja), UCD (Irlanti) Pinnan (AISI 316L + pintakäsittely) ja partikkelin välinen vuorovaikutuksen mallinnus ja kokeellinen tutkiminen, teräspinnan ja pinnoitteiden molekyylimallinnus KEMLIKA-projekti ( ) Tekesin Pinta-teknologiaohjelman t i l projekti, jossa mukana OY/PYOLÄM, VTT, TKK: Korroosion ja materiaalikemian laboratorio Väitöstutkimukset: Markus Riihimäki,Tiina Pääkkönen, Reeta Ylönen Diplomityöt: 11 kpl Tutkijanvaihto: 3kpl tutkijoita + prof. Simonsonin sapattivapaavierailu