Best Practice Luchtgekoelde warmtewisselaars 1.
Inleiding
Voor het koelen van proces- of productstromen tot omgevingstemperatuur worden in de (petro-) chemische industrie, warmtewisselaars met natuurlijke of geforceerde luchtdoorstroming veelvuldig toegepast. Dit worden luchtgekoelde warmtewisselaars genoemd, uitgevoerd als buizen met lamellen.
2.
Vuistregels
Vuistregels geven een aanleiding of luchtgekoelde warmtewisselaars nadere aandacht nodig hebben. In de volgende paragrafen komt dit nader aan bod. Enkele vuistregels: Beoordeel of het koeling van processtromen betreft of enkel noodkoeling in verband met de samenhangende kosten per jaar. Lucht kan vervuiling veroorzaken en licht corrosief zijn, reinigen en onderhoud moet regelmatig plaatsvinden. Vergelijk de werking van de warmtewisselaar in de praktijk in relatie tot de originele ontwerpcondities. Nederland is relatief koud, ventilatoren met toerenregeling besparen energie terwijl de gewenste procestemperaturen worden gehaald. Luchtgekoelde systemen zonder water lijken vaak minder effectief dan natte, dat wil zeggen lucht/water warmtewisseling. Alleen voor de zomerperiode geldt dat natte systemen lagere temperaturen opleveren. Over het Nederlandse klimaatjaar gemiddeld kan ‘droge’ luchtkoeling efficiënter zijn. Voor het energiegebruik van de ventilatoren komt men een elektriciteitsverbruik tegen in een range van 10 tot 30 kW/MWth. Dit kengetal is o.a. afhankelijk van het temperatuurverschil. In Nederland liggen de buitenluchttemperaturen in 70% van de tijd van het jaar onder de 12°C. Dat betekent dat in het grootste deel van het jaar proceswarmte tot onder de 22°C kan worden afgekoeld. Warmtewisselaars met water beveiligingen tegen bevriezing Is de warmte elders inzetbaar door warmtewisselaars of een warmtepomp (tot circa 115°C)? Koelsystemen in de industrie zijn immers sterk geïntegreerd in een productieproces. Dit warmtehergebruik kan het energieverbruik aanzienlijk verlagen.
3.
Systemen en componenten
Voor luchtgekoelde warmtewisselaars kan de luchtstroom worden verkregen door middel van natuurlijke ventilatie in een droge koeltoren (zonder waterverdeelsysteem) of geforceerde trek met ventilatoren. Lucht als koelmedium in vergelijking met een vloeistof heeft enkele voordelen: lucht is meestal schoon; lucht is overal beschikbaar en de opgenomen warmte wordt eenvoudig afgestaan aan de omgeving; de luchttemperatuur in Nederland is relatief laag. Door de beperkte beschikbaarheid van bronwater en de toegenomen kosten voor koelwater zoals dat van oppervlaktewater of koeltorenwater, zijn luchtgekoelde warmtewisselaars een aantrekkelijk alternatief. Naast de voordelen zijn voor lucht, in vergelijking met afkoeling middels vloeistoffen, de volgende nadelen te noemen: Juli 2015 1
van 12
-
matige luchtzijdige warmteoverdracht eigenschappen; grote afmetingen van de warmtewisselaars, dus veel opstellingsruimte nodig; geluidsbelasting door de ventilatoren; lucht kan corrosieve stoffen bevatten, afhankelijk van de locatie van opstelling; vervuiling van de warmtewisselaar door stofdeeltjes in de lucht. bevriezings- en stollingsgevaar van vloeistoffen.
In deze best practice worden de diverse uitvoeringsvormen, eigenschappen en regelingen van luchtgekoelde warmtewisselaars behandeld. De nadruk ligt op toepassingen in de chemische industrie, hoewel in de koudetechniek ook veelvuldig luchtgekoelde warmtewisselaars voorkomen. De constructieve eisen aan deze apparaten zijn eenvoudiger en daarmee lager in kostprijs. Een ander verschil is dat in de chemie een goede toegankelijkheid van het inwendige van de pijpbundels is gewenst. Tevens komen de aspecten van energie-efficiëntie van deze typen aan de orde, in vergelijking met watergekoelde of lucht/watergekoelde warmtewisselaars. 3.1 Natuurlijke ventilatie Bij natuurlijke ventilatie is de drijvende kracht voor de luchtstroom het verschil in dichtheid van de lucht na de warmtewisselaar en de omgevingslucht. Om voldoende trek te verkrijgen is dan een droge koeltoren nodig van relatief grote afmetingen, meestal tussen 30 en 45 meter hoog (‘schoorsteeneffect’). Er zijn vele uitvoeringsmogelijkheden, maar in de regel plaatst men de warmtewisselaars onder in de koeltoren met een horizontale of verticale luchtstroom door de warmtewisselaar. In het algemeen wordt natuurlijke trek voor grotere koelcapaciteiten toegepast en komt dit in de Nederlandse chemie niet veel voor. 3.2 Geforceerde ventilatie
Figuur 1: ventilatoropstelling met zuigende, respectievelijk persende ventilator De geforceerde ventilatie kan worden gerealiseerd met een zogenaamde persende opstelling of zuigende opstelling van de ventilator (zie figuur 1). De twee mogelijkheden hebben enkele onderscheidende eigenschappen welke zijn: Voordelen van de zuigende opstelling ten opzichte van de persende: meer uniforme luchtverdeling over de warmtewisselaar; minder kans op ongewenste recirculatie van hete lucht naar de warmtewisselaar (kortsluiting warme lucht naar aanzuigzijde). Voordelen van de persende ventilatoropstelling geforceerde trek ten opzichte van de zuigende: minder ventilatorvermogen nodig omdat de massastroom van de te verplaatsen lucht een hogere dichtheid heeft doordat de ventilator in lage omgevingstemperatuur functioneert; door het lager ventilatorvermogen is de geluidsbelasting ook lager; de ventilator en de motor functioneren bij een lage temperatuur (buitenlucht). 2
van 12
In Nederland liggen de buitenluchttemperaturen in circa 70% van de tijd van het jaar onder de 12°C. Dat betekent dat in het grootste deel van het jaar proceswarmte tot onder de 22°C kan worden afgekoeld. Buiten deze periode heeft men aanvullende koelsystemen nodig of andere procescondities accepteren. Bij buitenluchttemperaturen boven de circa 20°C kan de effectiviteit van de luchtgekoelde warmtewisselaar worden verhoogd door water in de aanzuiglucht te vernevelen (adiabatisch koeleffect) of door water langs de lamellen te laten stromen. Deze laatste is een zogenaamde hybride luchtgekoelde warmtewisselaar. Het water vraagt dan om behandeling en de warmtewisselaar is voorzien van een geschikte coating (figuur 2).
Figuur 2: Hybride warmtewisselaar met lucht als koelend medium of lucht met water langs een lamellen koelerblok (bron Jaeggi-Hybrid) 3.3 Opstelling warmtewisselaar Enkele varianten van opstelling van luchtgekoelde warmtewisselaars zijn weergegeven in figuur 3: Horizontale uitvoering met verticale luchtstroom. De lamellenblokken liggen horizontaal, met een zuigende of persende ventilatoropstelling, boven respectievelijk onder het blok aangebracht. Dit is de meest voorkomende uitvoering, vooral voor vloeistofkoeling. Verticale uitvoering met horizontale luchttoevoer. Hierbij zijn de lamellenblokken verticaal geplaatst, met de ventilator in persende of zuigende opstelling. Deze uitvoering is in de chemie minder gebruikelijk. Twee lamellenblokken die in een V-vorm zijn geplaatst. In deze uitvoering (in de vorm van een driehoek met een zuigende ventilator er boven) ook als condensor toe te passen. Twee lamellenblokken die in een dakvorm (A-frame) zijn geplaatst. In deze uitvoering (in de vorm van een driehoek met een persende ventilator als basis) is de warmtewisselaar bijzonder geschikt als condensor, vooral indien de damptoevoer voor beide condensorblokken gecombineerd is.
3
van 12
Figuur 3: Diverse uitvoeringen van luchtgekoelde warmtewisselaars (foto’s: bron Bronswerk, figuren: bron KWA) Een indicatief grondoppervlak dat benodigd is voor een verticaal uitblazende, luchtgekoelde warmtewisselaar ligt in de range van 0,01 tot 0,03 m2/kW (enkel het apparaat, let op extra m2 benodigde voor aanzuigruimte). Dit is afhankelijk van het gekozen temperatuurverschil tussen lucht en proces, vin-afstand, blokopbouw en warmtewisselaaropstelling. Indien er bij de te verwachten buitenluchtcondities een kans op stollen of bevriezen van de procesvloeistof bestaat, kan een luchtgekoelde warmtewisselaar worden geselecteerd, waarbij het mogelijk is om de uittredende opgewarmde lucht (gedeeltelijk) te recirculeren, het recirculatie-type, waardoor er een regeling van de inlaatluchttemperatuur mogelijk is, figuur 4.
4
van 12
Figuur 4: recirculatie-type 3.4 Constructie van luchtgekoelde warmtewisselaar 3.4.1 Algemeen In een luchtgekoelde warmtewisselaar stroomt het te koelen medium door de bundels met gevinde pijpen, terwijl de lucht in kruisstroom langs de pijpen stroomt. Daar de warmteoverdrachteigenschappen van lucht slechter zijn in vergelijking met vloeibare media, worden de gladde pijpen uitwendig voorzien van ribben of vinnen ter vergroting van het luchtzijdig warmtewisselend oppervlak. Vervolgens worden de gevinde pijpen samengebouwd tot pijpbundels of lamellenblokken. Het aantal pijpbundels en ventilatoren is afhankelijk van de vereiste koelcapaciteit. De luchtgekoelde warmtewisselaars worden bij voorkeur met een ondersteuningsconstructie op daken of op een (bestaande) leidingbrug geplaatst. Luchtgekoelde warmtewisselaars kunnen worden ontworpen voor temperaturen tot 400°C en werkdrukken van meer dan 200 bar. In de praktijk komt een maximale breedte van de pijpbundel van circa 3 meter voor en een maximale pijplengte van 18 meter. De toelaatbare afmetingen worden vooral bepaald door de wijze van transport van de warmtewisselaar. 3.4.2 Uitvoering gevinde pijpen Bij de eenvoudiger uitvoering worden meerdere pijpen door een serie dunne platen gevoerd zodat een lamellenblok ontstaat. Daarnaast zijn er de volgende uitvoeringen die meer aan de diverse eisen tegemoetkomen en eveneens voorkomen in de koeltechniek: ronde of elliptische stalen pijpen met stalen lamellen (platen) in gegalvaniseerde uitvoering; ronde stalen pijpen met, onder spanning, opgewikkelde aluminium of stalen vinnen; koperen pijpen met aluminium vinnen (platen) eventueel als zeewaterbestendige aluminium; lamellenblokken met corrosiebestendige coating-gewikkelde L-vormige vinnen, geschikt tot 130°C; overlappend gewikkelde L-vormige vinnen, geschikt tot 165°C; in groeven gedrukte vinnen, geschikt tot 400°C; geëxtrudeerde vinnen, geschikt tot 285°C; gewikkelde L-vormige vinnen, gegalvaniseerd, geschikt tot 300°C. Bij meer robuuste constructies, zoals gebruikelijk in de chemische industrie, zijn de vinnen, afhankelijk van de vorm van de vinnen of ribben, op diverse wijzen verbonden met de pijpen, figuur 5.
5
van 12
L: wrapped, Tmax 130°C
Tmax 165°C
Tmax: 280°
Tmax: 400°C
Figuur 5: verbindingsmethoden van vinnen en pijp (bron GEA) Hoewel hierbij de maximale ontwerptemperaturen zijn opgegeven, verdient de aanbeveling om bij processtromen met hoge temperaturen eerst terugwinning van warmte te overwegen. Omdat de luchtzijdige warmteoverdracht bepalend is voor de prestaties van de warmtewisselaar dient het contact tussen vinnen en pijp perfect te zijn. Deze warmteovergang vormt immers een weerstand. Dit wordt nagestreefd door het contactoppervlak zo groot mogelijk te maken en door bijvoorbeeld de Lvormige vinnen op de pijpwand te drukken en daarna de pijp inwendig na te rollen. Daarnaast wordt het vin- of lamelrendement bepaald door de vin-lengte, dikte van de vin en het vinmateriaal. Voor gebruik in de chemie zijn de geëxtrudeerde, in de groeven gedrukte, gesoldeerde, gegalvaniseerde of gelaste uitvoeringen aan te bevelen. Bij deze constructies is de thermische weerstand tussen vinnen en pijpwand te verwaarlozen. Het totale oppervlak van de vinnen dient in relatie te staan tot de interne warmteoverdracht van de procesvloeistof op de pijpwand, tabel 1. 2
Interne warmteoverdracht W/m .K
Oppervlakte verhouding gevinde : gladde pijp
200
5:1
100
13 : 1
5000
23 : 1
Tabel 1: invloed interne warmteoverdracht op oppervlak gevinde pijp Indien de luchtgekoelde warmtewisselaar in een vervuilde en stoffige atmosfeer moet functioneren, is het aan te raden om in plaats van de gebruikelijke vinafstand van 2,5 millimeter een afstand van 4 millimeter te kiezen. Daardoor wordt tevens het reinigen vereenvoudigd. 3.4.3 Warmteoverdrachtscoëfficiënten Om een indruk te geven van de haalbare totale warmteoverdrachtscoëfficiënten worden in tabel 2 enige voorbeelden gegeven. Gegevens van de gevinde pijp: Uitwendige diameter 25,4 mm Hoogte vin 12,7 mm Vin-afstand 2,31 mm (11 vinnen/inch) L-vormige aluminium vinnen
6
van 12
Proces medium Lage druk gas (2 bar) Hoge druk gas (20 bar) Behandeld koelwater Laag-viskeuze organische vloeistof Hoog-viskeuze vloeistof Condenserende stoom Condenserende koolwaterstof Condenserende koolwaterstof met waterstof Condenserende koolwaterstof met inert gas
Totale warmteoverdrachtscoëfficiënt W/m2 K 85 450 700 550 100 800 500 450 300
Tabel 2: typische totale warmteoverdrachtscoëfficiënten voor luchtgekoelde warmtewisselaars 3.4.4 Uitvoering pijpenbundels In één warmtewisselaarbundel of lamellenblok kunnen eventueel 3 tot 6 (maximaal 12) rijen gevinde pijpen boven elkaar zijn geplaatst, terwijl iedere rij uit maximaal 20 gevinde pijpen naast elkaar kan zijn opgebouwd. De meest toegepaste uitvoeringen van de verzamelaars van een pijpbundel die aan de proceszijde reinigbaar is, zijn, figuur 6:
Figuur 6: uitvoering verzamelaars -
-
-
Plug type. Doosvormig met ingestoken pijpen. In de tegenover de pijpen liggende wand zijn pluggen in de wand bevestigd, om iedere pijp te kunnen reinigen. Het is een goedkope constructie, onderhoudsvriendelijk en geschikt tot 200 bar. Type met deksel. De doosvormige verzamelaar heeft aan de bedieningszijde een afneembaar deksel om de pijpen te kunnen reinigen en afzettingen te kunnen verwijderen. Dit type is eenvoudig te reinigen en geschikt tot 30 bar, maar heeft een grotere kans op lekkage door de lengte van de afdichtingsvlakken. Manifold type. De verzamelaar is een dikwandige pijp en de pijpen zijn bevestigd in een pijpenplaat, die met flenzen is verbonden met de verzamelaar. Deze uitvoering is geschikt voor drukken tot 300 bar, is alleen toepasbaar voor schone procesvloeistoffen en vereist veel onderhoudstijd om de pijpen te reinigen.
7
van 12
3.5 Ventilatoren Bij de luchtgekoelde warmtewisselaars worden axiale ventilatoren toegepast om een optimale warmteoverdracht te realiseren. Bij het ontwerp is er een keuze mogelijk van de tipsnelheid van de schoepen, de schoepvorm, het aantal schoepbladen, instelbaarheid van de schoepen en het toerental. Het is energie-efficiënt als ventilatoren worden geselecteerd met een hoog rendement, dat wil zeggen relatief grote diameters, lage toerentallen, meerdere ventilatorbladen en optimale schoepvorm. De ventilatoren met het hoogste rendement zijn tevens de ventilatoren met de laagste geluidsbelasting. Een indicatieve capaciteit per ventilator is 2 tot 5 m3/sec per kW elektrisch aandrijfvermogen. In situaties waar een lage toelaatbare geluidsbelasting is voorgeschreven, neemt de benodigde ruimte voor de luchtgekoelde warmtewisselaar sterk toe, omdat dan laagtoerige ventilatoren met een grotere diameter geselecteerd dienen te worden. Als schoepmateriaal kan worden gekozen uit aluminium, glasvezel versterkte kunststof en roestvast staal (grote diameters), afhankelijk van de corrosiviteit van de omgevingslucht en de schoepbelasting. De schoepen zijn meestal zó op de as bevestigd, dat ze eenmalig met de hand instelbaar zijn, of zich automatisch aan de belasting kunnen aanpassen. De ventilatoren worden gewoonlijk door elektromotoren aangedreven: direct, bij een brede range van aandrijfvermogens en toerentallen tussen 500 en 1500 omw/min; indirect, bij toerentallen tussen 60 en 600 omw/min door: o V-snaren, bij vermogens tot 30 kW; o HTD-snaren, bij vermogens tot 45 kW; o tandwielkast, verplicht bij vermogens > 45 kW Energetisch gezien verdient directe aandrijving de voorkeur met toerenregeling op de elektromotor. 3.6 Regeling van luchtgekoelde warmtewisselaars De capaciteit van luchtgekoelde warmtewisselaars kan op de volgende manieren worden geregeld: Luchtkleppen. Door het plaatsen van geregelde luchtkleppen aan de in- of uittrede zijde van de warmtewisselaars (afhankelijk van persende of zuigende ventilatoren) is het mogelijk de hoeveelheid lucht te regelen. Dit systeem is af te raden daar er alternatieven zijn die energie besparen. Dit systeem kan bevriezing voorkomen. Aan-/uitregeling van de ventilatoren. Dit is slechts een stapsgewijze capaciteitsregeling die de levensduur van ventilatormotoren negatief beïnvloed. De energiebesparing is redelijk, maar niet proportioneel met de belasting. Tweetoerenmotoren. Hierbij is de capaciteit beter aangepast aan de belasting dan bij de aan/uitregeling, met een hogere energiebesparing. Aanpassing van de schoepstand. Door de stand van de ventilatorschoepen aan te passen aan de belasting van de warmtewisselaar is een energiezuinige regeling mogelijk, die echter bij lage belastingen niet meer proportioneel is met de belasting . De onderhoudsgevoeligheid van het systeem is een nadeel. Toerenregeling ventilatoren. Met een frequentieregeling van het ventilatortoerental is de beste aanpassing aan de belasting mogelijk met de hoogste energie-efficiëntie. Door de reserve in de ventilatorcapaciteit, in verband met de frequentieverdeling van de buitentemperatuur, kan het energieverbruik van de ventilatoren 25% tot 60% worden teruggebracht. Om bij vorstgevaar het bevriezen van luchtgekoelde warmtewisselaars te voorkomen, kan men de warmtewisselaar voorzien van luchtkleppen, waarmee de luchtstroom door een deel van het luchtzijdige warmtewisselend oppervlak kan worden afgesloten, figuur 7. In bepaalde gevallen is het bij bevriezingsgevaar mogelijk om de draairichting van de ventilatoren om te keren zodat de voorverwarmde lucht van de bovenste lagen de onderste opwarmen.
8
van 12
Figuur 7: luchtgekoelde condensor met kleppen tegen bevriezingsgevaar
4.
Aandachtspunten bij bestaande installaties
Een luchtgekoelde warmtewisselaar kan alleen efficiënt functioneren als de plaats ervan en de ruimte er omheen zó zijn gekozen, dat er: voor de lucht voldoende aanzuigruimte is; een goede luchtverdeling over het lamellenblok is; een ruime afvoermogelijkheid voor de opgewarmde lucht is, zodat kortsluiting van luchtstromen voorkomen wordt. Om aan deze voorwaarden te voldoen, is het aan te raden om een opstelling te kiezen, waarbij rondom de luchtgekoelde warmtewisselaar tenminste één meter vrije ruimte is, zonder obstructies erboven. Indien zich een hoog gebouw naast de warmtewisselaar bevindt, kan door stuwing van de wind recirculatie van de opgewarmde lucht plaatsvinden. Dit is ongewenst. Regelmatige reiniging kan voorkomen dat door eventuele uitwendige vervuiling van de gevinde pijpbundels, de luchtzijdige warmteoverdracht en daarmee indirect de energie-efficiëntie vermindert. Evenzo kan ophoping van stof of vezelachtig materiaal op de luchtintrede de luchtweerstand verhogen en daarmee het luchtdebiet verkleinen. Dit heeft een dramatisch effect op de werking van de warmtewisselaar.
5.
Aandachtspunten bij nieuwe installaties -
-
-
Luchtgekoelde warmtewisselaars worden gebruikt voor uiteenlopende doeleinden. Twee extremen zijn proceskoeling gedurende 8700 uur per jaar of slechts als noodkoeling (bijvoorbeeld stoomcondensor) voor enkele honderden uren per jaar. Dit bepaalt mede de uitvoering en energiebesparende voorzieningen die rendabel zijn. De luchtkwaliteit bepaalt welke beschermende maatregelen op de lamellen nodig zijn (bijvoorbeeld coating). Afhankelijk van de omgeving en het jaargetijde kan vezelachtig materiaal de inlaat van het warmtewisselaarblok verhogen en daarmee de koelcapaciteit sterk reduceren. Een vin-afstand van 2 millimeter gaat bijvoorbeeld als een filter werken. Geluid reducerende maatregelen zijn mogelijk door verlaagde toerenregeling, grotere diameter van de ventilator (die op een lager toerental draait), hoog rendement en low-noise ventilatorbladen. Hoog rendement motoren toepassen op de ventilatoren en pompen.
9
van 12
-
-
-
-
-
-
6.
Alle motoren voorzien van (parallelle) toerenregeling en regelen op gewenste procestemperatuur. Voorkom dat de ventilatoren massaal in maximum bedrijf blijven terwijl nodeloos diep wordt afgekoeld. Bij viskeuze processtromen dienen deze processtromen goed te worden verdeeld in en tussen de warmtewisselaars. Een warmtewisselaar die flink koelt, maakt de processtroom viskeuzer waardoor de stroom deze warmtewisselaar gaat mijden. Een lage drukval aan de procesvloeistofkant vermindert het benodigde pompvermogen. Een lage drukval aan de luchtzijde vermindert het benodigde ventilatorvermogen. Een directe aandrijving van de ventilator door de motor verdient de voorkeur. De warmte wordt in de regel aan de omgevingslucht afgestaan. Veel energie is te besparen als deze warmte door warmtewisseling of in combinatie met een warmtepomp (bijvoorbeeld als lagedruk stoom) weer in het proces wordt teruggebracht. Bij luchtgekoelde warmtewisselaars die veel uren maken, kan het zinvol zijn om voor een groter warmtewisselend oppervlak te kiezen. Een kleiner temperatuurverschil (Tlucht – Tproces uit = 8 K als voorbeeld) is te overwegen als dit energetisch een netto besparing oplevert. Leveren luchtgekoelde warmtewisselaars onvoldoende lage temperaturen in de warme zomerperiode, dan kan voor een hybride systeem worden gekozen. Dat wil zeggen een luchtgekoelde warmtewisselaar die ook met water/lucht kan draaien of een combinatie van luchtgekoelde warmtewisselaars met koeltorens in parallelle systemen. Plaats voldoende mogelijkheden voor meetpunten en plaats voldoende sensoren om de werking van de warmtewisselaar te monitoren (temperatuur, drukval, ventilatorverbruik). Na verloop van tijd loopt de prestatie achteruit, weg van de ontwerpspecificatie.
Energie-efficiëntie
In de chemie en procestechniek worden de luchtgekoelde warmtewisselaars reeds langdurig toegepast vanwege de relatief eenvoudige installatie en lage operationele kosten. Aspecten van aandacht zijn: bij gewenste procestemperaturen tussen 45 en 60°C is de keuze van het koelmedium lucht of water meer afhankelijk van de specifieke locatie-eisen en -mogelijkheden; koeling rechtstreeks met omgevingslucht vindt meestal plaats indien het proces bij temperaturen boven 60°C wordt bedreven; het is gebruikelijk om bij procestemperaturen vanaf 60°C bij voorkeur eerst warmtewisseling of warmteterugwinning te overwegen, vervolgens met omgevingslucht te koelen en eventueel daarna met koelwater te koelen. De keuze van de methode om overtollige warmte af te voeren (via koelwater of omgevingslucht) heeft een sterke invloed op de haalbare procestemperatuur, op de energie-efficiëntie en op de kosten. Voor het energiegebruik van de ventilatoren komt een elektriciteitsverbruik van 10 tot 30 kW/MW th voor, o.a. afhankelijk van het temperatuurverschil. Dit is vergelijkbaar met het energieverbruik van koeltorenventilatoren bij watergekoelde systemen. Om echter een correcte afweging te maken tussen water/lucht of lucht als koelmedium dient men het volgende in aanmerking te nemen. Bij processen gekoeld door een waterstroom is het temperatuurverschil tussen koelwater en uitlaat van de processtroom circa 4 tot 5 K. Als het water in een koeltoren wordt afgekoeld, is het temperatuurverschil (approach) tussen de natte boltemperatuur en watertemperatuur uit de koeltoren 4 K tot 5 K. Bij luchtgekoelde processen is het temperatuurverschil tussen omgevingslucht en uitlaat van de processtroom 12 tot 15 K. In de hoogzomer, bij Tlucht = 30°C (droge bol) en Tnattebol = 22°C vinden luchtgekoelde processen dus plaats op een temperatuurniveau dat 12 à 15 K hoger ligt dan watergekoeld met koeltoren. Dat geldt echter alleen in de Nederlandse zomer. Bij lagere buitenluchttemperaturen kan de koude lucht minder vocht bevatten en neemt de approach van de koeltoren sterk toe. Over een Nederlands jaar gezien, kan het energieverbruik van luchtgekoelde warmtewisselaars lager zijn (fans) dan koeltorensystemen (fans plus waterpomp). Als men de hoge kosten van water in acht neemt, hebben luchtgekoelde systemen als snel een lagere Total Cost of Ownership.
10 van 12
In tabel 6 lijkt doorstroomkoeling een hoge energie-efficiëntie te hebben, doch dit zegt meer iets over te installeren vermogens. Energieverbruik dient men over een klimaatjaar te berekenen, rekening houdend met een juiste regeling van de installaties. Koelsysteem (fans en pompen)
Doorstroomkoeling met (oppervlakte)water Koeling met koeltoren (fans en waterpomp) Luchtkoeler direct (product door luchtkoeler) Luchtkoeler indirect (met tussenmedium)
Energie verbruik kW/MWth Pompen 26 20 16
Ventilatoren 14 26 26
Totaal 26 34 26 42
Tabel 6: specifiek geïnstalleerd vermogen van een aantal koelsystemen (indicatief voor Nederland) In referentie 1 (zie Referenties) wordt meer in detail op dit soort vergelijking ingegaan. De kengetallen in referentie 1 zijn Europees bepaald en niet altijd karakteristiek voor Nederland.
7.
Referenties
Dit is een publicatie van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl). In de periode 2000 - 2002 heeft de VNCI een reeks brochures uitgebracht onder de verzamelnaam “Leidraad voor energie-efficiency”. In de reeks worden dertig verschillende bestaande praktische toepassingen beschreven van energiebeheer in chemische bedrijven. Deze publicatie, ‘Best Practice Luchtgekoelde warmtewisselaars’ is een actualisering van het document ‘Leidraad voor energie efficiency, Luchtgekoelde warmtewisselaars’ 2001/20. De huidige actualisering van de Best Practice is tot stand gekomen in het kader van meerjarenafspraken energie-efficiëntie MJA3 en MEE. Als onderdeel van de samenwerking met de VNCI is besloten het merendeel van deze Best Practices geactualiseerd opnieuw te publiceren. Deze Best Practice Luchtgekoelde warmtewisselaars is geactualiseerd met medewerking van KWA Bedrijfsadviseurs www.kwa.nl . De meerjarenafspraken energie-efficiëntie MJA3 en MEE zijn overeenkomsten tussen de overheid en bedrijven, instellingen en gemeenten. Het ministerie van Economische Zaken (EZ) het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koningsrijkrelaties (BZK) en het ministerie van Infrastructuur en Milieu (I&M) stimuleren met deze afspraken het effectiever en efficiënter inzetten van energie. De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl) is verantwoordelijk voor de uitvoering van de meerjarenafspraken. Waar geen bronvermelding is aangegeven bij de tabellen en figuren is gebruik gemaakt van het eerdere document “Leidraad voor energie efficiency, Luchtgekoelde warmtewisselaars” 2001/20. Daarnaast is gebruik gemaakt van algemene documentatie en brochures van leveranciers en fabrikanten. Dit is aangegeven bij de figuren met een korte verwijzing naar de bedrijfsnaam. Niet alle figuren zijn te herleiden tot een eenduidige bron. Andere referenties naar openbare documenten zijn: 1. European Commission, Reference document on the application of Best Available Techniques to Industrial Cooling Systems, December 2001. http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/ 2. Algemene warmteoverdracht: G.F.Hewitt, G.L.Shires, T.R.Bott, Process Heat Transfer, 1994.
11 van 12
Colofon Dit is een publicatie van: Rijksdienst voor Ondernemend Nederland Prinses Beatrixlaan 2 | 2595 AL Den Haag Postbus 93144 | 2509 AC Den Haag T +31 (0) 88 042 42 42 F +31 (0) 88 602 90 23 E
[email protected] www.rvo.nl Deze publicatie is tot stand gekomen in opdracht van het ministerie van Economische Zaken (EZ) het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koningsrijkrelaties (BZK) en het ministerie van Infrastructuur en Milieu (I&M) © Rijksdienst voor Ondernemend Nederland | juli 2015 Publicatienummer: RVO-104-1501/RP-DUZA De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl) stimuleert duurzaam, agrarisch, innovatief en internationaal ondernemen. Met subsidies, het vinden van zakenpartners, kennis en het voldoen aan weten regelgeving. RVO.nl werkt in opdracht van ministeries en de Europese Unie. RVO.nl is een onderdeel van het ministerie van Economische Zaken. Hoewel deze publicatie met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan RVO.nl geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.
12 van 12
