Improving the energy efficiency of processes : reduction of the crystallization fouling of heat exchangers

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>Heat exchangers are used in industrial processes to transfer energy from one source to another. Heat exchangers improve the energy efficiency of processes and therefore increase the profitability and decrease the environmental impact of production. Effectiveness of heat exchangers may be diminished by fouling, in which unwanted material deposits on the heat transfer surface reducing the heat transfer and increasing the pressure drop of the system. Due to fouling, the energy demand, and the operation and maintenance costs of industrial processes increase significantly. In addition, fouling causes considerable environmental effects due to the increased energy demand and the use of additives and cleaning chemicals.</p><p>In this thesis, the crystallization fouling of calcium carbonate on heat transfer surfaces was studied using experimental and modeling methods with the aim to reduce fouling by increasing the understanding of the crystallization fouling phenomenon and providing a validated model for studying crystallization fouling on heat transfer surfaces. The fouling experiments were conducted in a laboratory scale set-up to study the crystallization fouling mechanism under controlled conditions. Based on the knowledge and data gained from the experiments, a crystallization fouling model was developed, and validated in various conditions. As a result, the most important parameters affecting crystallization fouling were identified, and the governing sub-processes were determined. The developed model was used to optimize the surface temperature of a heat exchanger to provide the maximum heat transfer rate when the heat exchanger is subject to fouling at various cleaning intervals. In addition, the used methods were applied in the study of the abatement of fouling by surface modifications.</p><p>Based on the results, the studied crystallization process is governed by the surface integration sub-process. In addition, the residence time of the fluid at the wall affects the mass deposition. The results showed that the surface temperature and the shear stress are the most important parameters affecting fouling in the studied conditions, and therefore, they should be defined accurately. For this purpose, CFD was found to provide a useful tool. The developed models were found to predict reliably the experimental conditions. Therefore, the thesis shows that the developed model facilitates the design of heat exchangers, but also assists in minimizing the fouling of heat exchangers.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Lämmönvaihtimia käytetään teollisissa prosesseissa siirtämään energiaa kohteesta toiseen. Lämmönvaihtimet parantavat prosessien energiatehokuutta ja siten lisäävät tuotannon kannattavuutta ja vähentävät ympäristövaikutuksia. Lämmönvaihdinten energiatehokkuutta heikentää kuitenkin likaantuminen, jossa lämmönsiirtopinnalle muodostuu kerrostuma, joka heikentää lämmönsiirtoa ja aiheuttaa virtausvastusta. Likaantuminen lisää lämmönvaihdinten energiankulutusta ja käyttökustannuksia sekä aiheuttaa merkittäviä ympäristöpäästöjä kasvaneen energiantarpeen sekä lisä- ja puhdistusaineiden käytön vuoksi.</p><p>Tässä työssä tutkittiin kalsium karbonaatin aiheuttamaa lämmönsiirtopintojen kiteytyvää likaantumista käyttäen sekä kokeellisia että mallinnusmenetelmiä. Työn tavoitteena oli lisätä tietoa kiteytyvästä likaantumisesta sekä kehittää validoitu laskentamalli, jolla voidaan tutkia lämmönsiirtopintojen kiteytyvää likaantumista. Likaantumiskokeet tehtiin laboratoriomittakaavan koelaitteessa, jolla voidaan tutkia likaantumismekanismia hallituissa olosuhteissa. Kokeista saadun tiedon ja aineiston perusteella kehitettiin kiteytyvää likaantumista kuvaava malli, joka validoitiin eri olosuhteissa. Tulosten perusteella identifioitiin tärkeimmät kiteytyvään likaantumiseen vaikuttavat parametrit sekä määritettiin rajoittavat osa-prosessit. Kehitettyä mallia käytettiin lämmönsiirtoprosessin optimoinnissa. Lisäksi käytettyjä metodeja sovellettiin tutkimukseen, jossa likaantumista pyrittiin vähentämään pintamodifikaatioiden avulla.</p><p>Tulosten perusteella tutkittu kiteytymisprosessi on pinta-integraation rajoittama. Lisäksi havaittiin, että fluidin viipymäaika lämmönsiirtopinnalla vaikuttaa likaantumisnopeuteen. Tulokset osoittivat, että pintalämpötila ja leikkausjännitys ovat tärkeimmät kiteytyvään likaantumiseen vaikuttavat tekijät tutkituissa olosuhteissa. Näin ollen niiden tarkka määrittely on erittäin tärkeää likaantumisnopeuden mallintamiseksi luotettavasti. Virtauslaskenta (CFD) osoittautui hyödylliseksi työkaluksi näiden parametrien määrittämisessä. Tulosten perusteella kehitetty malli ennustaa luotettavasti kokeellisia olosuhteita. Näin ollen tämä työ osoittaa, että kehitettyä mallia voidaan käyttää apuna paitsi lämmönvaihtimien suunnittelussa myös lämmönsiirtopintojen kiteytyvän likaantumisen vähentämisessä.</p></div>