Theoretische achtergronden

‘Theoretische achtergronden Koelwater’

Water wordt veelvuldig gebruikt als koelmedium. In Nederland worden per jaar grote hoeveelheden water als koelwater gebruikt. Koelwater wordt gebruikt voor het afvoeren van warmte van processen waarbij de warmte wordt afgegeven aan water, dat op zijn beurt die warmte weer afstaat aan de omgeving.

Water heeft een aantal eigenschappen, waardoor bij onbehandeld gebruik ernstige problemen kunnen ontstaan. De fenomenen waar we over spreken zijn afzettingen (kalk, ijzer, mangaan, slijm, vuil etc.) corrosie en microbiologische groei.

2.1  Algemeen

Er zijn diverse koelwater systemen, te weten:

  • Doorstroom koelsystemen
  • Gesloten koelsystemen
  • Open recirculerende koelsystemen

2.2  Doorstroom koelsystemen

In doorstroom koelsystemen, ook wel once-through systemen genoemd, wordt eenmalig het koelwater door het systeem geleid om de af te voeren proceswarmte op te nemen. Deze wijze van koeling vereist grote hoeveelheden water.

voorbeeld van een doorstroom koelsysteem

Kenmerken:

  • er treedt nauwelijks verdamping op.
  • de verblijftijd van het koelwater in het systeem is erg kort.

Locatie:

  • omwille van de grote waterhoeveelheden liggen deze installaties vaak nabij zeeën, meren, kanalen en rivieren.

De problemen die zich kunnen voordoen zijn:

  • (micro)biologische vervuiling (zeepokken, mosselen,..)
  • corrosie/aantasting van systeemmaterialen.
  • vervuiling/afzetting door zand, slib en zwevend materiaal.

2.3  Gesloten koelsystemen

In gesloten koelsystemen circuleert water voortdurend rond in een gesloten circuit. Er vinden onder normale omstandigheden geen lozingen plaats uit deze circuits. Incidenteel kan de inhoud van een gesloten systeem buiten het circuit terechtkomen, bijvoorbeeld bij periodieke verversing, lekkage etc.

Voorbeelden zijn koeling van compressoren, verbrandingsmotoren, tapwatersystemen en ijswater- of chilled watersystemen.

Voorbeeld van een gesloten koelcircuit

Kenmerken:

  • er treedt nauwelijks verdamping op.
  • het water wordt nauwelijks ververst.
  • omwille van de relatief kleine waterverliezen wordt meestal onthard water, demiwater, RO-water of condensaat gebruikt.

De problemen die zich kunnen voordoen, zijn:

  • corrosie/aantasting van systeemmaterialen.
  • microbiologische vervuiling.

2.4  Open recirculerende koelsystemen

De categorie tussen de once-through en de gesloten systemen is die van de open recirculerende koelsystemen. In deze koelsystemen recirculeert het water al dan niet via warmtewisselaars over het proces en staat het de opgenomen warmte af via verdamping in bijvoorbeeld een koeltoren of condensor. De bij de verdamping alsmede bij het spuien verloren hoeveelheid water wordt aangevuld met vers water (suppletiewater).

Voorbeeld van een watercircuit van een recirculerend koelsysteem

Kenmerken:

  • door verdamping van het water neemt de zoutconcentratie toe (de zgn. indikking stijgt).
  • tevens neemt de concentratie aan zwevend materiaal, o.a. vanuit de lucht, toe.
    er dient een evenwicht ingesteld te worden tussen verdamping, spui en suppletie (gecontroleerde indikking).
  • als suppletiewater wordt (voorbehandeld) oppervlaktewater, leidingwater, (ontijzerd) bronwater of gezuiverd afvalwater gebruikt.
  • met name de grotere open recirculerende systemen zijn uitgerust met een deelstroomfilter om zwevend vuil uit het koelwater te verwijderen.

De problemen die zich kunnen voordoen zijn:

  • biologische vervuiling en slijmvorming (diverse bacteriën waaronder Legionella, algen, schimmels, gisten).
  • macrovervuiling (bijvoorbeeld mosselen en zeepokken).
  • corrosie/aantasting van systeemmaterialen.
  • vervuiling/afzetting door zouten, voornamelijk kalk, ijzer en mangaan.
  • vervuiling/afzetting door zand, slib en zwevend materiaal.
  • proceslekkages.

3.1  Indikking

Bij een open recirculerende koelsysteem wordt water als warmteafvoerend medium gebruikt. Ten gevolge van deze warmte-opvoer vermindert door verdamping de totale hoeveelheid water. Hierdoor vindt een concentrering oftewel indikking van de aanwezige opgeloste stoffen plaats. Het elektrisch geleidingsvermogen van het water neemt daardoor toe en de maximale oplosbaarheid van de aanwezige stoffen kan worden overschreden. In alle gevallen zijn de gevolgen mede afhankelijk van temperatuur- en pH invloeden.

3.2  Corrosie

Corrosie kan alleen plaatsvinden als aan de volgende voorwaarden wordt voldaan:

  • De aanwezigheid van een elektrolyt (water met hierin opgeloste zouten).
  • De aanwezigheid van een elektrische geleider (corroderend metaal).
  • Het aanwezig zijn van anodes en kathodes op het metaaloppervlak.

Corrosie manifesteert zich in diverse vormen. Het duidelijkste onderscheid kan gemaakt worden tussen uniforme en lokale corrosie.

3.2.1  Uniforme corrosie

Zoals de naam al aangeeft, vindt uniforme corrosie gelijkmatig plaats over het gehele metaaloppervlak. Deze verschijningsvorm komt voor bij alle metalen, maar hoeft bij een goede monitoring zelden tot problemen te leiden.

3.2.2 Lokale corrosie

Deze vorm van corrosie is veel minder berekenbaar en daarmee gevaarlijker. Er zijn verschillende typen lokale corrosie, zoals:

  • Putvormige corrosie
  • Spleetcorrosie
  • Under deposit corrosie
  • Spanningscorrosie
  • Interkristallijne corrosie
  • Galvanische corrosie
  • Erosie corrosie
  • Cavitatie corrosie

3.3  Afzettingen

Overschrijding van de maximale oplosbaarheid van zouten ten gevolge van indikking, veroorzaakt slibvorming en afzettingen in het systeem. De meest voorkomende afzetting is het ontstaan van calciumcarbonaat/kalk (CaCO3). In een recirculerende koelsysteem ontstaat kalk (ketelsteen) afzetting, door verschuiving van het kalk-koolzuurevenwicht, omdat CO2 (koolzuur) aan de lucht wordt afgestaan.

De bijbehorende reactievergelijking is als volgt:

Ca(HCO3)2   CaCO3 (neerslag) + CO2 + H2O

Andere veel voorkomende afzettingen zijn:

  • Calciumsulfaat
  • Calciumfosfaat
  • Biologisch materiaal
  • IJzer- en mangaanoxiden

3.4  Microbiologische groei

In koelwater komen vele vormen van micro-organismen voor. Deze zijn te onderscheiden in:

  • Algen
  • Aërobe bacteriën
  • Anaërobe bacteriën
  • Schimmels
  • Hogere levensvormen (o.a. Protozoa)

Dergelijke problemen leiden tot een vermindering van de warmteoverdracht, verhoogde energiekosten en schade aan de koelsystemen.

3.5  Schematisch overzicht

Afzetting, corrosie en microbiologische vervuiling hebben een negatief effect op het thermisch rendement van het systeem. Het is zelfs niet denkbeeldig, dat op termijn de benodigde koelcapaciteit niet meer kan worden behaald.

Het zal duidelijk zijn, dat deze en overige afzettingen zonder adequate behandeling, verstrekkende gevolgen hebben en ten koste gaan van de productie en de continuïteit en derhalve verhoogde kosten met zich meebrengen.

 

Corrosie van diverse materialen, evenals afzettingen of vervuiling van anorganische en microbiologische aard vormen de basis voor slechte warmtewisselingsrendementen, lokale oververhitting of verstopping van afsluiters en buizen van warmtewisselaars.

Corrosie en afzettingen in warmtewisselaars kunnen vaak leiden tot een onverwachte noodstop. Productieverlies, reinigings- en herstelkosten zijn hiervan het gevolg. Daarnaast kan er sprake zijn van een milieurisico, omdat, als gevolg van lekkages, processtoffen via het koelwater in het milieu zouden kunnen komen.

Redenen in overvloed om gerichte oplossingen te zoeken, die te dienen voldoen aan vier functionele doelstellingen, nl.:

  1. Kalkstabilisatie, waardoor de drempel voor neerslagvorming van onder meer hardheid wordt verhoogd. Een hogere neerslagdrempel laat toe dat een hogere indikkingsgraad van het koelwater kan worden bereikt, zonder dat neerslagvorming optreedt. Een hogere indikkingsgraad betekent dus een lager waterverbruik en een verminderde spui. De kalkstabilisatie wordt bereikt met behulp van polymeren en organische fosfaatverbindingen.

  2. Corrosiebescherming, waardoor de aantasting van metalen (zoals koolstofstaal, verzinkt staal, koper, koper/nikkelstaal, roestvaststaal, etc.) in een koelwatersysteem wordt tegengegaan. De corrosie-inhibitie wordt bereikt middels verhoogde alkaliteit, specifieke (an-)organische filmvormers en eventueel een azole (koperbeschermer).

  3. Dispersie, waardoor uit de lucht of suppletiewater opgenomen (stof)deeltjes in de vloeistoffase worden gehouden met behulp van specifieke polymeren, zodat deze zich niet gaan afzetten of neerslaan.

  4. Biologische controle, waardoor microbiologische vervuiling van metaalwanden, koeltorenpakketten en warmtewisselaars wordt voorkomen. Een ander belangrijk objectief is de beperking van de groei van ziekteverwekkende organismen, zoals Legionella.

Voor het opereren en in stand houden van een goed functionerend koelwatersysteem zijn diverse behandelingsprogramma’s ontwikkeld, gericht op het voorkomen van bovenvermelde fenomenen. Hierbij wordt het behandelingsprogramma bepaald in functie van de systeemparameters, probleemfactoren en waterkwaliteiten, zoals:

    • Samenstelling suppletiewater
    • Proces- en watertemperaturen
    • Watersnelheden
    • Toegepaste materialen
    • Te koelen processen
    • Procescontaminatie
    • Milieu, gezondheid en veiligheid
    • Wettelijke kaders
    • Ligging/locatie
    • Optimale bedrijfsvoering

5.1  Doseren

De dosering van de diverse typen conditioneringmiddelen geschiedt over het algemeen automatisch en gestuurd. Handmatige dosering heeft als nadeel dat de dosering niet van een constant niveau is en menselijke invloeden voor een sterk schommelend concentratieniveau kunnen zorgen

5.2  Spuien

Ten gevolge van de verdamping in een open recirculerend koelwatersysteem ontstaat er een indikking. Om de negatieve effecten, zoals corrosie en afzettingen te te voorkomen, dient er water gespuid te worden. Het spuien is dus bedoeld om de concentratie opgeloste stoffen in het koelwater te beperken tot maximaal toelaatbare waarden. Om water te besparen is het echter noodzakelijk te streven naar de maximaal haalbare indikking. Spuien van het koelwater kan zowel continu als discontinu gebeuren. Bij een continue spui wordt er voortdurend een bepaalde hoeveelheid water gespuid.

Men onderscheidt onderstaande varianten van discontinue spui.

5.2.1  Discontinue spui op basis van volume

Bij een spui op volume wordt er gespuid aan de hand van een automatisch en precies gemeten hoeveelheid suppletiewater. De hoeveelheid spui staat dan in directe relatie tot de hoeveelheid suppletie.

5.2.2  Discontinue spui op basis van geleidbaarheid

Bij een discontinue spui op basis van geleidbaarheid, wordt continu en automatisch door een elektrode de geleidbaarheid van het circulerende koelwater gemeten. Bij het bereiken van de ingestelde maximaal toelaatbare geleidbaarheid wordt een afsluiter aangestuurd, waarna koelwater gespuid wordt tot het moment dat de ingestelde gewenste geleidbaarheid weer bereikt wordt.

Voor de berekening van diverse parameters van open recirculerende koelsystemen kan men gebruik maken van onderstaande formules:

Verdamping van koelsystemen met een capaciteit < 1.160 kW

E = Q * 1,72 * 10-3

Verdamping van koelsystemen met een capaciteit > 1.160 kW

E  = Q * 1,55 * 10-3

Verdamping van koelsystemen bij bekende circulatie en temperatuurverschil

          D * ΔT E
E
  ≈  ————–
        600

Omrekening kcal naar kW

kW  = kcal * 1,16 * 10-3

Als de verdamping van een koelsysteem bekend is, kan de hoeveelheid spuiwater uitgerekend worden met onderstaande formule:

      E
S  = —————
      (C.F. – 1)

De uiteindelijke hoeveelheid suppletie is een optelsom van de verdamping, spui en spatverliezen. Omdat de spatverliezen minimaal zijn, t.o.v. de andere parameters, wordt deze niet meegenomen in de berekening en is de formule als volgt:

A  =  E + S

LEGENDA

Q    =   capaciteit van de koeltoren/condensor (kW)

E    =    verdamping (m3/h)

D    =    circulatie (m3/h)

ΔT   =   temperatuurverschil (°C)

S     =   spuihoeveelheid (m3/h)

C.F. =   concentratiefactor/maximale indikking

A     =   suppletiehoeveelheid (m3/h)

Laat een reactie achter