Mikko Åkerman LÄMMÖNSIIRTIMIEN TUKKEUTUMISEN ENNAKOINTI LÄMPÖKAMERAN AVULLA Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Marraskuu 2008
KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Mikko Åkerman Työn nimi: Lämmönsiirtimien tukkeutumisen ennakointi lämpökameran avulla Päivämäärä: 10.10.2008 Sivumäärä: 30 + 16 Työn ohjaaja: Tuotantomestari Sampo Suomala Työn valvoja: Di Mikko Aunio Opinnäytetyö tehtiin Kokkolassa sijaitsevalle One point Oy:lle, joka vastaa Kokkolan Kemiran tehtaan kunnossapidosta. Työn tarkoitus oli tutkia Kokkolan Kemiran tehtaalla lämpökameraa apuna käyttäen lämmönsiirtimien seinämiin veden mukana kulkeutuvien epäpuhtauksien synnyttämiä tukkeutumia. Lisäksi opinnäytetyö käsittelee lämpökuvausta yleisesti menetelmänä. Työvälineinä opinnäytetyön teossa käytettiin Fluke Ti20- ja Fluke Ti55FT -lämpökameroita. Lämpökamerat soveltuivat lämmönsiirtimien tutkintaan erittäin hyvin ja lämmönsiirtimien tilasta saatiin tarkka kuvaus lämpökuvien avulla. Opinnäytetyön aikana opittiin käyttämään paremmin lämpökameroita apuna lämmönvaihtimien tarkistuksissa ja saatiin myös lisää yleistä tietoa lämpökuvauksesta. Avainsanat: lämmönsiirrin, lämpökuvaus
VERSITY ABSTRACT OF APPLIED SCIENCES Degree Programme in Mechanical and Production Engineering Author: Mikko Åkerman Name of Thesis: Examining the Blockages of Heat Exchangers by Thermal Imaging Date: 10 November 2008 Pages: 30 + Appendices Instructor: Sampo Suomala Supervisor: Mikko Aunio This thesis was done for the company named One Point Oy which is located in Kokkola. One Point takes care of the maintenance services for the company Kemira Oyj which is located next to One Point. The purpose of the project was to examine the blockages of heat exchangers by using thermal imaging. Dirty water which runs into the heat exchanger generates blockages inside the walls during long time periods. Another target for the project was to study the thermal imaging methods in general. The tools in this project were Fluke Ti20 and Fluke Ti55FT thermal cameras. Thermal imagers were optimal tools for examining the heat exchangers, and with thermal images an exact description of the condition of every heat exchanger could be made. Thermal imagers for the maintenance of heat exchangers were learned to use better and a lot of new information of thermal imaging in general was obtained during this project. Key words: heat exchanger, thermal imaging
TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 LÄMPÖKUVAUSTEKNIIKKA 2 2.1 Infrapunasäteily 8 2.2 Infrapunamittausjärjestelmä 8 2.3 Lämpökameran tekniikka 9 2.4 Infrapunamittauksen tuomat edut 10 3 LÄMPÖKUVAAMINEN 12 3.1 Emissiokerroin 13 3.2 Erilaisten materiaalien mittaaminen 13 4 MITTALAITTEISTO JA MITATUT KOHTEET 16 4.1 Lämpökameroiden tekniset tiedot ja ominaisuudet 17 4.2 Lämmönsiirtimien käyttötarkoitus ja toimintaperiaate 21 4.3 Suoritetut lämmönsiirtimien lämpökuvaukset 24 5 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET 29 LÄHTEET 30 LIITTEET Liite 1. Lämpökuvattujen levylämmönsiirtimien PANU -tunnukset Liite 2. Panu: R41914 Liite 3. Panu: R41904 Liite 4. Panu: R43908 Liite 5. Panu: R43907 Liite 6. Panu: R43909 Liite 7. Panu: R49018 Liite 8. Panu: R49011 Liite 9. Panu: R49010 Liite 10. Panu: R49017 Liite 11. Panu: R49004 Liite 12. Panu: R49001 Liite 13. Panu: R49019 Liite 14. Panu: R49008 Liite 15. Panu: R49022 Liite 16. Panu: R49023
1 1 JOHDANTO Lämpökamerat suunniteltiin alun perin ainoastaan sotilaskäyttöä varten, tunnistamaan vihollisia hämärässä ja helpottamaan maastossa liikkumista yöaikaan. Ensimmäiset lämpökamerat siviilikäyttöä varten valmistettiin 60-luvulla, jolloin ne olivat vielä todella isokokoisia ja painavia nykykameroihin verrattuna. 80-luvulla lämpökameroissa käytettiin vielä erillistä typpikaasupulloa joissakin lämpökameroissa jäähdyttämään kameran elektroniikkaa. Lisäksi lämpökamerat olivat tuohon aikaan vielä kalliita ja harvinaisia laitteita. Nykyaikaisien lämpökameroiden paino on pudonnut murto-osaan ensimmäisistä saatavilla olevista laitteista, ja ne ovat nykyään jo yleisesti käytettyjä apuvälineitä mm. teollisuuden kunnossapidossa. Tämän opinnäytetyön päätarkoituksena oli tutkia levylämmönsiirtimien tukkeutumista mittaamalla levylämmönsiirtimien pintalämpötiloja lämpökameraa apuna käyttäen sekä vertailla levylämmönsiirtimissä tapahtuvaa tukkeutumisen aiheuttamaa lämpötilojen nousua aikaisemmin levylämmönsiirtimistä mitattuihin lämpötiloihin. Mittaukset suoritettiin Kokkolan Kemiran tehtailla 19.3.2007 ja 31.8.2007. Tämän opinnäytetyön keskeisimpänä tavoitteena voidaan pitää sitä, että opittaisiin lämpökuvauksia suorittamalla ennakoimaan mahdollisimman hyvin levylämmönsiirtimien tukkeutumista tietyllä aikavälillä ja ajoittamaan siten levylämmönsiirtimille tehtävät puhdistukset ja muut mahdolliset huollot oikeisiin ajankohtiin. Levylämmönsiirtimien lämpökuvauksiin lämpökamera soveltui erinomaisen hyvin, koska se on tarkka erottelemaan eri lämpötila-alueita ja kevyt kuljettaa mukana tehtaalla. Lämmönsiirtimistä otetut kuvat saatiin tallennettua heti kameran muistikortille ja edelleen kamerasta voitiin kuvat siirtää tietokoneelle, jossa kuvia pystyttiin tarkemmin analysoimaan ja tutkimaan.
2 2 LÄMPÖKUVAUSTEKNIIKKA Lämpökuvaus on nopea ja helposti suoritettava tutkimusmenetelmä, jonka avulla voidaan rakenteita purkamatta tutkia halutun kohteen ominaisuuksia tai saada informaatiota kohteen tilasta ja kunnosta. Lämpökuvausta käytetään apuvälineenä mm. kiinteistöjen, kaukolämpöverkostojen, sähköverkostojen ja teollisuuden kunnossapitoon liittyvissä tarkastuksissa ja huoltotoimenpiteissä. (Vakka-kaasu Oy 2007.) Lämpökuvauksen avulla voidaan helposti ja nopeasti valvoa ja tarkastaa useita kohteita esimerkiksi tehtaissa suoritettavassa kunnossapidossa. Lämpökameran avulla voidaan päivittäin tarkistaa nopeasti mekaaniselle rasitukselle altistuvien koneiden kunto ja huollontarve mittaamalla ja tarkkailemalla pidemmällä ajanjaksolla laitteen pintalämpötilaa ns. kriittisestä paikasta, esimerkiksi laakeroinnin kohdalta mekaanisissa laitteissa. Kunnossapitomittaukset lämpökameran avulla mahdollistavat sen, että laitteelle tapahtuva mahdollinen vikaantuminen voidaan huomata ajoissa, ennen kuin laitteeseen tulee toimintahäiriö, joka keskeyttää mahdollisesti kiireisen tuotantoprosessin pitkäksi aikaa. (Sintrol Oy 2003.) Usein mitattava tai tarkastettava kunnossapitokohde on vaikeasti tavoitettavissa tai mitattavissa koskettavaa mittausmenetelmää käyttäen. Tämmöisiä kohteita ovat esimerkiksi korkealla riippuvat kohteet (sähkötolpat, muuntajat) (kuvio 1), ahtaissa tiloissa sijaitsevat kohteet (laitteiden sähköjohdot, sulakkeet, virtapiirit) (kuvio 2), korkeassa lämpötilassa olevat kohteet (lämpöputket, kattilat, moottorit) (kuvio 3). Näiden kohteiden mittaaminen ja tarkastaminen helpottuu huomattavasti, kun käytetään lämpökameraa ja samalla säästetään myös aikaa verrattuna muihin menetelmiin, koska ei tarvitse rakentaa erillisiä telineitä tai pukea suojavaljaita ja kiivetä, jotta päästään mitattavan kohteen luokse mittaamaan, tai sammuttaa tuotantoprosessia taikka katkaista suurjännitelaitteista virtaa laitteista suoritettavien mittauksien ja tarkistuksien ajaksi. (Sintrol Oy 2003.)
KUVIO 1. Korkealla riippuva sähköjohto (Sierra Pacific Innovations Corp 2008.) 3
KUVIO 2. Kuuma sulakerasia (Sierra Pacific Innovations Corp 2008.) 4
KUVIO 3. Käynnissä oleva sähkömoottori (Sierra Pacific Innovations Corp 2008.) 5
6 Lämpötila on useimmiten mitattu prosessisuure. Lämpötila on tuotannossa ja laaduntarkkailussa tai kunnossapidossa tärkeä indikaattori. Lämpötilojen tarkalla valvonnalla voidaan parantaa tuotannon laatua ja nostaa tuottavuutta. Lämpökuvauksen avulla myös seisokkiaikoja saadaan vähennettyä, koska useimmiten prosessia voidaan ylläpitää samalla kun tarkistuksia tai mittauksia tehdään ilman keskeytyksiä, laadun pysyessä samalla optimaalisena. (Sintrol Oy 2003, 3.) Lämpökuvausmenetelmässä lämpökameran avulla mitataan halutun kohteen pintalämpötiloja. Pintalämpötilat mitataan kappaleen lähettämästä lämpösäteilystä. Kaikki absoluuttista nollapistettä ( 273 celsiusastetta) lämpimämmät kappaleet lähettävät infrapunasäteilyä suhteessa omaan lämpötilaansa. lämpösäteily voidaan havaita lämpökameran avulla jopa 0,08 celsiusasteen tarkkuudella. (Pohjois-Suomen lämpökuvaus 2007.) Lämpökamera esittää mitattavan kohteen mittaustulokset lämpökameran ruudulle ns. lämpökuvana, jossa eri värejä käyttämällä saadaan näkymään mitattavan kohteen lämpötilat eri alueilla. (kuvio 4) (Vakka-kaasu Oy 2007.)
KUVIO 4. Lämpökuva lämpökameran näytöllä (Fluke 2008.) 7
8 2.1 Infrapunasäteily Infrapunasäteily aiheutuu kappaleen molekyylien mekaanisesta liikkeestä. Kappaleen lämpötila määrää puolestaan molekyylien liikkeen intensiteetin. Infrapunasäteilyä kutsutaan myös lämpösäteilyksi, koska infrapuna-alueen säteily on sitä voimakkaampaa, mitä lämpimämpi kappale on kyseessä. (Sintrol Oy 2003, 5.) Yleisesti tiedetään ja voidaan huomata, että korkeassa lämpötilassa olevat kappaleet lähettävät jonkin verran myös näkyvän valon aallonpituusalueella olevaa säteilyä. Tästä johtuu, että yli 600 C:n lämpötilassa olevan kappaleen voidaan nähdä hehkuvan punaisesta valkoiseen. Teräksen lämpötila voidaan näin ollen arvioida kohtuullisen tarkasti myös sen värin perusteella.(sintrol Oy 2003, 6.) Infrapunasäteilyn aallonpituuden spektri liikkuu välillä 0,7 1000 μm. Tästä aiheutuu, että ihmissilmä ei yleensä kykene havaitsemaan infrapunasäteilyä. Elektronien varauksien muuttuminen aiheuttaa sähkömagneettisen säteilyn. Infrapunasäteily, joka on ihmissilmälle näkymätöntä, sisältää noin 100 000 kertaa enemmän energiaa kuin ihmissilmällä nähtävä säteily, ja tähän myös perustuu infrapunamittaustekniikka. (Sintrol Oy 2003, 5 6.) Stefan Bolzmann havaitsi jo vuonna 1879 tutkimuksissaan, että säteilyenergian määrä kasvaa lämpötilan neljänteen potenssiin. Tästä voitiin päätellä, että kappaleen lämpötila saadaan mittaamalla sen lähettämän säteilyn määrä. (Sintrol Oy 2003, 6.) 2.2 Infrapunamittausjärjestelmä Infrapunamittaria ja ihmissilmää voidaan verrata keskenään. Silmän linssi vastaa optiikkaa, jonka läpi kohteen säteily (fotonivirta) kulkee silmän valoherkälle pinnalle (verkkokalvoon). Verkkokalvolla valo muutetaan signaaliksi, joka lähetetään aivoille. (Sintrol Oy 2003, 4.) Kuviossa 5 on infrapunamittauslaitteisto.
9 KUVIO 5. Infrapunamittauslaitteisto (Sintrol Oy 2003, 5.) 2.3 Lämpökameran tekniikka Optiikan avulla mitattavan kappaleen lähettämä infrapunasäteily otetaan vastaan ja välitetään lämpökameran elektroniikalle mitattavaksi. Laitteen optinen tarkkuus voidaan määrittää etäisyyden ja mittapisteen halkaisijan suhteella. Mitä suurempi arvo saadaan, sitä pienempi kohde voidaan mitata tietyltä etäisyydeltä. (Kuvio 6) (Sintrol Oy 2003, 15 16.) KUVIO 6. Erään infrapunamittalaitteen optiset ominaisuudet (Sintrol Oy 2003, 16.)
10 Optiikka voidaan rakentaa käyttämällä peilioptiikkaa tai linssioptiikkaa. Linssit ovat suositeltavia käyttää kuitenkin vain tietyillä aallonpituusalueilla linssien aineominaisuuksien vuoksi. (Sintrol Oy 2003, 17.) Ilmaisin on lämpökameran tärkein osa. Se muuttaa optiikalta tulevan infrapunasäteilyn sähköiseksi signaaliksi, jonka avulla elektroniikka muodostaa lämpötila-arvon kameran näytölle. Ilmaisimia on kahdenlaisia: määräilmaisimia (quantum) ja lämpöilmaisimia (thermal). Määräilmaisimet muodostavat elektronipareja ja luovat sähköisen signaalin. Lämpöilmaisimissa infrapunasäteilyn aiheuttama lämpötilan muutos saa aikaan jänniteeron lämpöilmaisimen navoissa. Lämpöilmaisimien reagointiaika on hitaampi kuin määräilmaisimien ja tämän vuoksi lämpökameroissa käytetään aina määräilmaisimia. (Sintrol Oy 2003, 21.) 2.4 Infrapunamittauksen tuomat edut Infrapunamittauksella saadaan seuraavia etuja: 1. Infrapunamittaus on hyvin nopea mittausmenetelmä (mittauksen reagointiaika < 1 s, tyypillisesti 10 200 ms). Nopeudesta on se hyöty, että säästetään aikaa ja voidaan samassa ajassa mitata moninkertainen määrä mittauksia muihin menetelmiin verrattuna. 2. Infrapunamittauksella voidaan mitata myös liikkuvia kohteita (esimerkiksi hihnalla liikkuvia kappaleita), joita ei muilla mittausmenetelmillä ehditä liikkeestä mitata. 3. Infrapunamittauksen avulla voidaan mitata korkeajännitteisiä ja muuten vaarallisia tai luoksepääsemättömiä kohteita, esimerkiksi korkealla tai kaukana olevia kohteita. 4. Voidaan mitata erittäin kuumia kappaleita (> 1300 C). Tällaisissa tapauksissa koskettavia mittauksia ei voida käyttää, koska mittalaitteet eivät kestä korkeita lämpötiloja. 5. Infrapunamittaus ei aiheuta häiriöitä, koska mittauskohteesta ei johdu lämpöenergiaa. Mitattaessa huonon lämmönjohtavuuden omaavia kappaleita, kuten muovia tai puuta, lämpömittaus on äärimmäisen tarkka ilman huojuntaa, toisin kuin koskettavat mittausmenetelmät.
11 6. Infrapunamittaus ei aiheuta pintavaurioita maalatuille tai muille pinnoille, jotka ovat alttiita kulumiselle. (Sintrol Oy 2003, 3 4.)
12 3 LÄMPÖKUVAAMINEN Lämpökameralla lämpökuvauksia tehtäessä on otettava huomioon useita eri tekijöitä ja muuttujia, jotta mittaustulokset olisivat mahdollisimman luotettavia. Tuloksia vääristäviä tekijöitä ovat mm. kirkkaat tai lämpimät valot mitattavan kohteen läheisyydessä, koska ne nostavat mitattavan kohteen lämpötilan todellista korkeammaksi. Mittaustuloksia voivat vääristää myös ilmassa leijuvat partikkelit, sankka vesihöyry tai hiilidioksidi, jotka aiheuttavat infrapunasäteilyn vaimentumista, mikä puolestaan saa lämpökameran näyttämään liian matalia lämpötiloja mitattavasta kohteesta. (Sintrol Oy 2003, 4.) Jos lämpökameralla mitataan erittäin pölyisissä olosuhteissa tai sankassa savussa, on pidettävä huolta, että kameran linssi pysyy puhtaana eikä linssin likaantumisesta johtuvaa mittausvirhettä pääse syntymään. Joihinkin kameroihin on saatavana myös ilmapursotus, joka pitää linssin puhtaana savussa tai pölyisissä olosuhteissa. (Sintrol Oy 2003, 15.) Mitattavan kohteen lähituntumassa sijaitsevat huomattavasti lämpimämmät taikka kylmemmät pinnat tulisi ottaa myös huomioon tehtäessä lämpökuvauksia. Mitattavan kohteen lähellä sijaitseva häiritsevä lämpösäteilijä voidaan mittauksen ajaksi eristää tai peittää lämpöä huonosti läpäisevällä materiaalilla, jotta mittaustuloksista saadaan tarkempia. (Sintrol Oy 2003.) Lämpökuvauksia tehtäessä on myös muistettava lämpötila-alue, jolla kamera toimii. Joillakin lämpökameroilla ylin käyttölämpötila on vain 85 celsiusastetta ja alin 15 celsiusastetta. Jos ilman lämpötila on korkeampi kuin suositeltava, on käytettävä jäähdytysmenetelmiä, esimerkiksi ilmaa tai vesijäähdytystä kameran käyttölämpötilan alentamiseksi. Jos puolestaan lämpökameralla mitataan hieman alemmissa lämpötiloissa kuin se on kameralle suositeltavaa, voidaan kamera hetkellisesti vuorata lämpöä huonosti johtavalla materiaalilla, jotta kameran käyttölämpötila pysyy annettujen rajojen sisällä. (Sintrol Oy 2003, 15.) On hyvä muistaa myös, että lämpökuvauksella saadaan mitattua ainoastaan kappaleen pintalämpötiloja, eikä lämpökameralla pysty mittaamaan esimerkiksi moottorin sisäisiä lämpötiloja, jotka ovat paljon korkeampia kuin mitattu pintalämpötila. (Sintrol Oy 2003, 4.)
13 3.1 Emissiokerroin Erilaisilla aineilla on eri emissiokerroin. Emissiokerroin määrittää kappaleen kykyä heijastaa säteilyä. Hyvin vähän säteilyä heijastavien kappaleiden, kuten kivien, emissiokerroin on suuri (0,8 0,95). Säteilyä voimakkaasti heijastavien kappaleiden emissiokertoimet liikkuvat välillä (0,1 0,2). Voimakkaasti säteilyä heijastavia kappaleita ovat mm. kiillotetut metallit. Emissiokerroin voi saada maksimissaan vain arvon 1 ja minimissään arvon 0. (Sintrol Oy 2003, 8.) Useimmissa lämpökameroissa on mahdollisuus valita haluttu emissiokerroin, jotta kunkin materiaalin lämpökuvista saadaan mahdollisimman tarkkoja tuloksia. Eri materiaalien emissiokertoimet voidaan ennen kuvaamista suuntaa antavasti määrittää katsomalla taulukoista emissiokerroin kullekin materiaalille. Emissiokerroin voidaan tarkemmin määrittää mm. mittaamalla kappale ensin koskettavalla lämpömittarilla ja sen jälkeen lämpökameralla. Tämän jälkeen voidaan lämpökameran emissiokertoimen arvo asettaa sellaiseksi, että saadaan sama tulos kummallakin eri mittaustavalla. (Sintrol Oy 2003, 9.) Emissiokerroin voidaan määrittää myös käyttämällä siihen tarkoitukseen valmistettuja emissiokerrointarroja, joiden avulla voidaan määrittää alle 300 C olevien kappaleiden emissiokertoimet. Emissiokertoimen määrittämiseksi voidaan samasta materiaalista oleva kappale maalata mattamustaksi, ja sen emissiokerroin on noin 0,95. Tämän jälkeen asetetaan lämpökameran emissiokertoimeksi 0,95 ja mitataan mustaksi maalatun kappaleen lämpötila lämpökameralla. Seuraavaksi mitataan maalaamaton samasta materiaalista oleva kappale ja säädetään lämpökameran emissiokerrointa niin, että saadaan mitattua sama lämpötila kuin maalatusta mustasta kappaleesta. (Sintrol Oy 2003, 9 10.) 3.2 Erilaisten materiaalien mittaaminen Lämpökuvauksissa on otettava huomioon, että eri materiaalit aiheuttavat erilaisia mittausvirheitä materiaalin ja sen ominaisuuksien vuoksi. Metallien mittaamisessa on huomioitava pinnan heijastumisesta johtuva mittausvirhe, jota voidaan ehkäistä käyttämällä lyhyellä aallonpituudella toimivaa mittalaitetta jos mahdollista, koska aallonpituuden kasvaessa
14 myös mittausvirhe kasvaa metalleilla. Kuvio 7 näyttää lämpötilan ja mittausvirheen eri aallonpituuksilla eri lämpötiloissa. (Sintrol Oy 2003, 10 11.) KUVIO 7. Mittausvirhe, mikäli emissiokerroin on aseteltu 10 % väärin eri aallonpituuksilla (Sintrol Oy 2003, 11.) Erilaisia muoveja mitattaessa on huomioitava, että muovit läpäisevät aina jonkin verran säteilyä, mutta jokaisella muovilla on erilainen muovin säteilyn läpäisevyys (T), joka tarkoittaa, sitä kuinka paljon infrapunasäteilyä kyseinen muovi päästää lävitseen. Muovin paksuus vaikuttaa myös siihen, kuinka paljon säteilyä muovi läpäisee. Ohuet muovit läpäisevät aina enemmän säteilyä kuin paksut muovit. Muoveja mitattaessa infrapunakameran aallonpituusalue täytyy valita siten, että muovin säteilyn läpäisevyys saadaan mahdollisimman lähelle arvoa 0. Aallonpituudella 7,9 μm. polyesterin, polyuretaanin, teflonin FEP:n ja polyamidin säteilyn läpäisevyys on 0, ja puolestaan polyetyleenin, polypropyleenin, nylonin ja polystyrolin läpäisy on 0 aallonpituudella 3,43 μm (kuvio 8). (Sintrol Oy 2003, 11 12.)
15 KUVIO 8. Polyetyleenin ja polyesterin säteilyn läpäisevyys (Sintrol Oy 2003, 12.) Mitattaessa lasista tehtyjä materiaaleja olisi parasta käyttää mittalaitetta, jonka vasteaika olisi mahdollisimman pieni, koska lasi johtaa melko huonosti lämpöä ja lasin lämpötila saattaa vaihdella tiheällä aikavälillä. Jos halutaan mitata lasin lämpötiloja myös lasin pintaa syvemmältä, on aallonpituusalue valittava väliltä 1.0 3.9 μm, ja matalia lämpötiloja mitattaessa lämpötila-alueen täytyisi olla väliltä 8.0 14.0 μm. (Sintrol Oy 2003, 12 13.)
16 4 MITTALAITTEISTO JA MITATUT KOHTEET Ensimmäisen kerran lämpökuvauksia suoritettiin 19.3.2007 Kokkolan Kemiran tehtaalla. Tuolloin lämpökuvaukset suoritettiin Fluke Ti20 -mallisella lämpökameralla, johon voidaan tallentaa muistiin maksimissaan 50 lämpökuvaa kerralla (kuvio 9). Otimme tehtaalle mukaan myös kannettavan tietokoneen, jotta kuvat voitiin välillä tyhjentää tietokoneen muistiin ja näin saatiin otettua enemmän kuvia lämmönvaihtimista. Kannettavassa tietokoneessa oli myös lämpökuvien analysointiohjelma, jonka avulla voitiin samalla hieman analysoida lämmönvaihtimissa syntyneitä tukkeutumia. KUVIO 9. Fluke Ti20 -lämpökamera (Fluke 2008.)
17 Toinen mittauskerta Kemiran tehtaalla suoritettiin 31.8.2007, jolloin käytössämme oli Fluke Ti55FT -lämpökamera. (kuvio 10). Fluke Ti55FT -lämpökameraan voidaan tallentaa jopa 1000 lämpökuvaa kerralla, joten kaikki tarvittavat lämpökuvat saatiin otettua kameran muistiin ja siten kannettavaa tietokonetta ei tällä kertaa tarvinnut ottaa mukaan. KUVIO 10. Fluke Ti55FT -lämpökamera (Fluke 2008.) 4.1 Lämpökameroiden tekniset tiedot ja ominaisuudet Lämpökuvauksissa käytettyjen lämpökameroiden Ti20 ja Ti55FT tekniset tiedot on selvitetty seuraavissa taulukoissa (taulukko 1 ja taulukko 2).
TAULUKKO 1. Fluke Ti20 -lämpökameran tekniset tiedot (Fluke 2008.) 18
TAULUKKO 2. Fluke Ti55FT -lämpökameran tekniset tiedot (Fluke 2008.) 19
TAULUKKO 2 (Jatkuu.) 20
21 4.2 Lämmönsiirtimien käyttötarkoitus ja toimintaperiaate Tutkittavana olevat lämmönsiirtimet Kemiran tehtaalla olivat Alfa-Lavalin valmistamia vastaavantyyppisiä levylämmönsiirtimiä kuin kuviossa 11. KUVIO 11. Alfa-Laval M15B-FM -levylämmönsiirrin. (Alfa-Laval 2008.)
22 Lämmönsiirtimien avulla pyritään yleensä siirtämään lämpöenergiaa eri nesteiden välillä, lämmönsiirtimien avulla voidaan joko lämmittää tai vastaavasti jäähdyttää nestettä korkeammasta lämpötilasta matalampaan lämpötilaan. Lämmönsiirtimet ovat erittäin tarpeellisia monissa teollisuuden valmistusprosesseissa, joissa kappaleita jäähdytetään esimerkiksi meijeriteollisuudessa, tai lämmitetään, esimerkiksi useiden tuotteiden valmistusprosesseissa. (Alfa-Laval 2008.) Lämmönsiirtimiä käytetään yleisesti myös seuraavissa eri prosesseissa: lämmitys jäähdytys lämmön talteenotto höyrystys lauhdutus Tuuletus pakastus. Levylämmönsiirrin koostuu useista päällekkäisistä aaltolevyistä, joiden välissä kulkee kaksi eri kanavaa, jotka on tarkoitettu lämmintä ja kylmää nestettä varten. Lämpimien ja kylmien nesteiden virtaukset kulkevat levylämmönsiirtimissä levyjen eri puolilla ja vastakkaisiin suuntiin (kuvio 12). (Alfa-Laval 2008.)
KUVIO 12. Levylämmönsiirtimen rakenne ja virtauskaavio (Alfa-Laval 2008.) 23
24 4.3 Suoritetut lämmönsiirtimien lämpökuvaukset Lämmönsiirtimille tehtäviä lämpökuvauksia suoritettiin 19.3.2007 ja 28.8.2007, jolloin mitattiin kaikkiaan 15 levylämmönsiirrintä. Tässä työssä lämpökuvien analysoinnissa on keskitytty lähinnä Fluke FT55 -lämpökameralla 28.8.2007 otettuihin lämpökuviin. (Liitteessä 1 on listattu lämpökameralla mitattujen levylämmönsiirtimien PANU -tunnukset). Lämpökuvauksien avulla pyrittiin etsimään lämmönsiirtimien lämmönsiirtopinnoista lämpökameralla laajoja tummia alueita, jotka ovat merkki mahdollisesta lämmönsiirtimen sisällä sijaitsevasta tukkeutumasta, jonka vuoksi pintalämpötila on matalampi. Laajat tummat alueen syntyvät yleensä tukkeutumien ja ahtautumien vaikutuksesta, kun lämmönsiirtimien sisällä virtaavan veden taikka hapon mukana kulkeutuu epäpuhtauksia, jotka kertyvät ajan mittaan lämmönsiirtimien sisäpinnoille (kuvio 13). Kaikki levylämmönsiirtimistä otetuissa lämpökuvissa näkyvät tummat alueet eivät kuitenkaan aiheudu levylämmönsiirtimien tukkeutumisesta, vaan lämpökuvia on osattava tulkita oikein (kuvio 14). Tummat alueet lämpökuvassa ovat matalammassa lämpötilassa olevia alueita kuin ympärillä olevat alueet, jotka näkyvät lämpökuvassa kirkkaimmilla väreillä. Levylämmönsiirtimistä otetuissa lämpökuvissa näkyvät ns. kirkkaammat alueet ovat yleensä puhtaampia alueita levylämmönsiirtimien sisällä, ja sen vuoksi nesteenvirtaus on levylämmönsiirtimen sisäpinnoilla parempi ja pintalämpötila on näin ollen korkeampi. Tukkeutumattoman levylämmönsiirtimen lämpökuva on yleensä kauttaaltaan tasalämpöinen (kuvio 15).
25 KUVIO 13. Laajat tummat alueet kirkkaiden alueiden keskellä ovat lämpökuvassa useimmiten epäpuhtauksien aiheuttamia tukkeutumia, jotka ovat huomattavasti matalammassa lämpötilassa olevia kohtia levylämmönsiirtimen pinnalla. (PANU -tunnus: R41904.)
26 KUVIO 14. Tässä levylämmönsiirtimestä otetussa lämpökuvassa tummat alueet eivät mitä luultavimmin johdu tukkeutumista vaan levylämmönsiirtimen sisällä kennojen välissä virtaavien nesteiden lämpötilaerosta. (PANU -tunnus: R43908.)
27 KUVIO 15. Lämpökuva tukkeutumattomasta levylämmönsiirtimestä (PANU -tunnus: R49017.)
28 28.8.2007 suoritetuissa lämmönsiirtimien lämpökuvauksissa havaitsimme ainoastaan kahdessa levylämmönsiirtimessä huomattavia lämpötilaeroja, jotka johtuivat luultavimmin tukkeutumisen aiheuttamasta pintalämpötilojen laskusta, ja kahdessa lämmönsiirtimessä havaitsimme melko suuria lämpötilaeroja, mutta nämä lämpötilaerot johtuivat luultavasti ainoastaan levylämmönsiirtimissä virtaavien nesteiden suuresta lämpötilaerosta. Lopuissa 11 kappaleessa mitatuissa levylämmönsiirtimissä emme havainneen huomattavia lämpötilapoikkeamia, joten nämä levylämmönsiirtimet olivat luultavasti täysin tukkeutumattomia ja puhtaita sisäpinnoiltaan. Liitteissä 2 16 on esitetty lämpökuvausraportit kaikista 28.8.2007 mitatuista lämmönsiirtimistä.
29 5 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET Tämän opinnäytetyön aikana sain paljon uutta tietoa levylämmönsiirtimistä ja niiden rakenteesta ja myös opin käyttämään lämpökameroita hyödyksi kuvattaessa levylämmönsiirtimiä ja myös yleisesti kuvattaessa erilaisia kohteita vaihtelevissa olosuhteissa. Myös lämpökuvauksesta menetelmänä sain paljon lisää tietoa, jota voidaan soveltaa yleisesti useimpiin lämpökuvauksella mitattaviin kohteisiin esimerkiksi kunnossapidossa. Yksi tavoitteistani oli selvittää levylämmönsiirtimille tehtävien kunnossapitotoimien huoltoväliä. Levylämmönsiirtimille arvioitua optimaalista kunnossapitoaikataulua oli melko vaikea selvittää, koska suoritettujen lämpökuvauksien välisenä aikana lämmönsiirtimille oli tehty huoltotoimenpiteitä, joissa levylämmönsiirtimet oli mm. puhdistettu. Suoritettujen tutkimusten perusteella voidaan kuitenkin suositella levylämmönsiirtimille tehtäväksi puhdistustoimenpiteet 4 6 kuukauden välein levylämmönsiirtimessä kiertävän nesteen puhtauden mukaan. Levylämmönsiirtimien tukkeutumien tutkiminen onnistui mielestäni todella helposti molemmilla lämpökameroilla. Lämpökameroiden avulla tukkeutumat löydettiin nopeasti levylämmönsiirtimistä ja lämpökameralla voitiin ottaa löydetystä tukkeutumakohdasta myös välittömästi lämpökuva myöhempiä tutkimuksia varten. Molemmat lämpökamerat (Fluke Ti20 ja Fluke Ti55FT) olivat myös tarpeeksi kevyitä kuvattaessa useammankin tunnin ajan ympäri tehdasta, ja lämpökamerat olivat myös toiminnoiltaan riittävän helppokäyttöisiä aloittelevallekin lämpökameran käyttäjälle.
30 LÄHTEET Alfa-Laval 2008. www -dokumentti. http://www.alfalaval.com/. Luettu 24.9.2008. Fluke 2008. www -dokumentti. http://www.fluke.com/. Luettu 24.9.2008. Pohjois-Suomen lämpökuvaus 2007. www -dokumentti. http://www.lampokuva.com/. Luettu 24.9.2008. Sierra Pacific Innovations Corp 2008. www -dokumentti. http://www.imaging1.com/gallery/index.html. Luettu 24.9.2008. Sintrol Oy 2003. Kosketuksettoman lämpötilamittauksen perusteet. www -dokumentti. http://www.sintrol.com/files/sintrol/productfiled/561file1upload.pdf. Luettu 24.9.2008. (Suomennettu Raytek GmbH:n alkuperäisteoksesta: Principles of Non-Contact Temperature Measurement, Gruner.) Vakka-kaasu Oy 2007. www -dokumentti. http://www.vakka-kaasu.fi/index.html. Luettu 24.9.2008.
LIITE 1 Lämpökuvattujen levylämmönsiirtimien PANU -tunnukset: R41914 R41904 R43908 R43907 R43909 R49018 R49011 R49010 R49017 R49004 R49001 R49019 R49008 R49022 R49023
LIITE 2 PANU: R41914 Lämmönsiirtimen keskiosissa havaittiin pieniä alueita, joissa lämpötila on huomattavasti matalampi kuin muualla lämmönsiirtimen pinnalla. Tummat alueet johtuvat luultavasti jonkinasteisesta tukkeutumisesta.
LIITE 3 PANU: R41904 Lämmönsiirtimessä havaittiin muutama huomattavasti korkealämpöisempi alue verrattuna muuhun lämmönsiirtimen pintaan. Lämpö ei näytä siirtyvän tasaisesti lämmönsiirtimen sisällä, mikä voi johtua tukkeutumisesta.
LIITE 4 PANU: R43908 Lämmönsiirtimessä havaittiin merkittäviä lämpötilaeroja, mutta lämpötilaerot johtuvat luultavasti ainoastaan lämmönsiirtimen sisällä virtaavien nesteiden lämpötilaeroista.
LIITE 5 PANU: 43907 Lämmönsiirtimen pinnalla havaittiin merkittäviä lämpötilaeroja, jotka johtuvat luultavimmin lämmönsiirtimen sisällä virtaavien nesteiden lämpötilaerosta.
LIITE 6 PANU: R43909 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.
LIITE 7 PANU: R49018 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.
LIITE 8 PANU: R49011 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.
LIITE 9 PANU: R49010 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.
LIITE 10 PANU: R49017 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.
LIITE 11 PANU: R49004 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista, vaikkakin kuvassa näkyy lämmön siirtymisestä aiheutuva lämpötilaero.
LIITE 12 PANU: R49001 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista
LIITE 13 PANU: R49019 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista vaikkakin kuvassa näkyy lämmönsiirtymisestä aiheutuva lämpötilaero.
LIITE 14 PANU: R49008 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.
LIITE 15 PANU: R49022 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.
LIITE 16 PANU: R49023 Lämmönsiirtimessä ei havaittu mitään poikkeuksellista.