Heat exchangers is booming business
Technology transfer: Uitdragen van kennis blijft onverminderd belangrijk
Vervuiling in warmtewisselaars in de geïndustrialiseerde landen kost circa een kwart procent van hun Bruto Nationaal Product (BNP) aan onnodige, extra energiekosten. Voor Nederland met een BNP - tegenwoordig BNI (Bruto Nationaal Inkomen) genoemd - van € 607 miljard (2012) betekent dit een kostenpost van € 1,5 miljard op jaarbasis. Een enorme besparing is mogelijk, als bedrijven voldoende kennis zouden hebben van heat exchangers en daarin de juiste keuzes zouden maken.
Myriam Borghuis
De laatste decennia zijn talloze nieuwe warmtewisselaartechnologieën ontwikkeld. Mede door de conservatieve houding van de industrie, worden deze nieuwe technologieën maar mondjesmaat toegepast. Maar de behoefte om vervuiling in warmtewisselaars tegen te gaan, standtijden te verlengen en reductie van CO2 gasemissies, leiden wel tot het meer toepassen van verbeterde technologieën. De NLAHX (Netherlands Advanced Heat Exchangers), een kennisnetwerk specifiek voor warmtewisselaars, wil het bewustwordingsproces stimuleren bij eindgebruikers en ingenieursbureaus om meer van deze energiebesparende technologieën toe te passen.
In gesprek met Bert Boxma, internationaal specialist op het gebied van warmtewisselaars, wordt duidelijk dat er een groot tekort dreigt - en vaak al is - aan kennis over de technologie met betrekking tot de werking van warmtewisselaars en over de juiste keuze in een bepaalde omgeving. Bert Boxma richtte in 2003 het bedrijf Heat Transfer ABC BV op. Via dit bedrijf is hij actief in het geven van trainingen, managementondersteuning en operationele advisering wereldwijd.
Hoe is de kennis over warmtewisselaars ontstaan?
Zijn interesse in en passie ten aanzien van het onderwerp heat exchangers stamt uit de tijd dat hij vanuit een stage een interessant project uitvoerde. Boxma: ‘Het begon al op de HTS, toen ik een afstudeerproject in Delftzijl afrondde. Ik had voor het vormen van silicium carbide een reactiemodel ontwikkeld voor vijftig mogelijke reacties. Silicium carbide, dat zo hard is als diamant, wordt gevormd bij temperaturen van rond de 4.000 oC en gebruikt daardoor veel energie. Ik kon de energiebalans heel nauwkeurig bepalen. Daar is Heat Transfer in feite al geboren.’
Na zijn studie is Boxma in de engineeringwereld terechtgekomen en werkte in Den Haag in een specialistische groep, met vier warmtewisselaarexperts/collega’s met bij elkaar 100 jaar ervaring. Boxma: ‘Dus een goede basis en een bijzonder interessante omgeving. Het onderwerp warmtewisselaars en energiebeheersing was altijd al mijn hobby en werd toen ook mijn werk.’
Boxma heeft zich extra verdiept in de Helixchanger®-technologie. ‘In de LNG wereld staan circa 24 enorme Kettle type reboilers, speciale warmtewisselaars, met een afmeting van ongeveer 40 x 6 meter. Daarvan heb ik er acht ontworpen. Belangrijk is interessante referenties achter een technologie te krijgen. En als er dan één schaap over de dam is, volgen er meer.’
Kies het juiste systeem in de juiste omgeving
Er zijn meerdere systemen op het gebied van warmtewisseling. Bij het bouwen van nieuwe fabrieken en bij de selectie van een warmtewisselaar is het belangrijk om te kijken in welke omgeving het systeem wordt geplaatst en naar de total life cycle costs, geeft Boxma aan: ‘Met een langetermijnplanning kun je kosten en energie besparen. En zo duurzaamheid niet alleen met de mond belijden, maar er ook naar acteren. We kennen een aantal beproefde technologieën. Maak onderbouwd een juiste selectie of schakel een adviseur in.’
Welke systemen zijn er?
Boxma: ‘We kennen verschillende technologieën op het gebied van warmtewisseling, die als beproefde systemen onder de aandacht zijn gebracht. Vanuit het kennisnetwerk NLAHX is deze kennis nationaal en daarna ook internationaal verspreid. Kijken we naar beschikbare typen warmtewisselaars, onderscheiden we de volgende systemen.’ Daarna geeft hij een korte uitleg per systeem.
- Shell & tube heat exchanger
De Shell & tube heat exchanger is een buis/rompwarmtewisselaar, een veel voorkomend type, dat ruim honderd jaar bestaat. Omdat er de nodige wildgroei ontstond en ongelukken zijn gebeurd als gevolg van de hoge druk, is er een standaard opgesteld. Dit is ontwikkeld door TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer’s Association - www.tema.org). Warmtewisselaars zijn nu eenmaal in feite drukvaten, waarbij ontwerpdrukken van ruim 400 bar kunnen voorkomen en dan is veiligheid van cruciaal belang. Boxma: ‘Naast doeltreffend is het concept van de buis/rompwarmtewisselaar ook eenvoudig. De warme en koude stroom bewegen zich in en om de buizen. De plaats van warmteoverdracht is de buiswand. Net als bij andere typen warmtewisselaars geldt hier dat des te sneller het medium stroomt, des te beter de warmteoverdracht wordt bewerkstelligd. Aan de buiswand of plaat vormt zich een microscopisch dikke grenslaag. De dunste grenslaag geeft de beste de warmteoverdracht en resulteert in de meest compacte warmtewisselaar qua oppervlak.’
Bert Boxma, expert op het gebied van warmtewisselaars.
De carrière van Bert Boxma begon in 1982 bij Badger (het latere Raytheon en Washington). Verdere ervaringen werden opgedaan bij GEA, Fluor Daniel en ABB Lummus Heat Transfer BV, wat de basis vormde voor de hoogstaande engineeringkennis, specifiek op het gebied van warmtewisselaars. Bert Boxma was ook de oprichter en en eerste voorzitter van de HTRI Communicatie Commissie in Nederland en voorzitter van NLAHX, een werkgroep van SenterNovem (het huidige Agentschap NL). Sinds 2000 geeft Boxma cursussen en vanaf 2003 vanuit Heat Transfer ABC BV., waarbij hij aandacht heeft voor de nieuwste en verbeterde warmteoverdrachttechnologieën en advies op het gebied van overheidssubsidie.
Thermische uitzetting
De meest gangbare typen onder de buis/rompwarmtewisselaar zijn onder te verdelen in typen die wel of niet gevoelig zijn voor thermische uitzetting. In verband met de gewenste procestemperaturen is er sprake van uitzetting van de mantel en de buisjes. Boxma: ‘Met gelijksoortige materialen voor de mantel en buizen kun je een verschil van maximaal circa 40 oC overbruggen zonder dat je gebruik hoeft te maken van kostbare expansiebalgen of haarspeldbuizen.’ In het TEMA-boek staat een berekeningsmethode om de juiste metaaltemperatuur voor de mantel en buizen te herleiden. Zie ook de ISO 16812-norm, waarin een checklijst staat, die als hulpmiddel kan worden gebruikt.
Aandachtspunten
Aandachtspunten bij buis/rompwarmtewisselaars zijn onder andere vervuiling, trilling van buisjes en vermindering van warmteoverdracht zowel aan de mantel- als aan de buiszijde. Dit heeft geleid tot innovatieve ontwikkelingen.
Bij Kennisnetwerkgroep NLAHX worden dit soort ontwikkelingen middels presentaties uitgelegd door specialisten. Inmiddels heeft menig technologie zijn weg gevonden bij leden van dit netwerk, waar het heeft geleid tot energiebesparing.
Om buiszijdig de warmteoverdracht te verbeteren en/of vervuiling te verminderen, kan men binnen de technologie beschikken over de volgende toepassingen:
1. Inserts;
2. Extern geribde buisjes;
3. Vervormde buisjes; en
4. Wervelbed-principe.
- Inserts en buisjes
Boxma: ‘Een voorbeeld van toegepaste technologieën zijn bijvoorbeeld de draadgewonden inserts. Deze inserts leiden in de buis tot hogere warmteoverdracht. Een andere toepassing is een spiraalveer, die ervoor zorgt dat vervuiling vermindert.’ Verder zijn er nog de speciale keerschotten of gedraaide buisjes. ‘Deze zijn in staat om de vloeistof aan de mantelzijde zodanig in turbulentie te krijgen dat er minder vervuiling optreedt.’
Het bestrijden van vervuiling in warmtewisselaars is nog steeds onderbelicht, weet Boxma: ‘Jammer, want de kennis is beschikbaar. Door een betere selectie van technologie kan productie- en dus energieverlies sterk worden beperkt, wat resulteert in een milieu- en een kostenbesparing.’
De ontwikkeling van intern geribde buisjes komt voort uit het aanbrengen van groeven aan de buitenkant van de buis. Naarmate dit proces beter werd beheerst en met name voor de hoogwaardige materialen, ging men ook intern de buis vervormen.
- Wervelbed-principe
Een Nederlandse vinding van Dick Klaren is een systeem met het wervelbed-principe (www.klarenbv.com). Dit principe is eenvoudig doch doeltreffend. Het vervuilende medium wordt toegevoerd aan de onderkant van een verticaal opgestelde buis/rompwarmtewisselaar. Boxma: ‘Aan het buiszijdig medium wordt gehakt ijzerdraad toegevoegd. Door de vloeistofsnelheid komen de deeltjes dusdanig in beweging dat er een soort wervelbed-situatie ontstaat. De ijzerdraaddeeltjes worden over de top meegevoerd en gescheiden van het procesmedium en verzameld. Vanuit het verzamelvat komen de deeltjes weer in de inlaat en herhaalt het proces zich weer.’
Vervuiling wordt constant verwijderd van de wand wat resulteert in hoge warmteoverdracht en langere standtijden.
Beschikbare technologie om mantelzijdig de warmteoverdracht te verbeteren en/of vervuiling te verminderen, maakt gebruik van:
1. Bundels met stangconstructies;
2. Keerschotten van gestrekt metalen platen;
3. Schuin geboorde keerschotten.
- RODbaffle-systeem
Dit concept, waarbij bundels met stangconstructies worden toegepast, is ontwikkeld door Phillips Petroleum, nu ConocoPhillips (Licensor) en wordt ook wel de RODbaffle genoemd (www.coptechnologysolutions.com). Van het concept, dat vijfendertig jaar geleden op de markt kwam, zijn ruim tweeduizend warmtewisselaars gemaakt. Boxma: ‘De buizen worden ondersteund door middel van stangen die zijn gelast aan ringen, welke regelmatig in de lengte verdeeld zijn. De stangen raken de buizen en op die plaats wordt de filmlaag onderbroken wat leidt tot een hogere warmteoverdracht tegen een gereduceerd drukverlies.’
- EMbaffle®-systeem
Shell Global Solutions (www.embaffle.com) (Licensor) ontwikkelde het concept, waarbij bundels met keerschotten van gestrekt metaal worden gebruikt. Dit concept wordt ook wel de EMbaffle® genoemd (Extracted Metal). Boxma: ‘Het aantal referenties is nog niet groot, applicaties vind je met name terug bij Shell-raffinaderijen. De buisjes worden ondersteund door gestrekt metaal. In de plaat, wat het basismateriaal vormt, zijn langssleuven gestanst die uit elkaar worden getrokken. Door de openingen worden de buisjes geleid.’
- Helixchanger®-technologie
Het Helixchanger®-systeem heeft schuin opgestelde tussenschotten, baffles genoemd. Het koelende medium stroomt spiraalvormig en zonder dode hoeken, waardoor de inwendige vervuiling beperkt is. Boxma: ‘Daardoor is er minder onderhoud nodig. Het principe bestaat al zo’n dertig jaar en is ontdekt door de Tsjechische uitvinder Jan Nemcanski. Ik ben in contact gekomen met deze man en hij heeft me de originele aantekeningen over zijn vinding gestuurd. In 1994 heeft ABB Lummus Heat Transfer de technologie aangekocht, verder uitontwikkeld en op de markt gebracht.’
In het begin waren er nauwelijks operationele referenties, dus het was moeilijk om mogelijke afnemers te overtuigen. ‘Toen ik bij ABB werkte heb ik daar flink aan getrokken’, vertelt Boxma. ‘En uiteindelijk lukte het om het aantal referenties in West-Europa op te voeren van 13 - in het begin - tot ruim 1.500 toen ik wegging! Het geldt nu als een algemeen erkend en gewaardeerd principe, dat veel wordt toegepast.’
- Twisted Tube®
Een andere technologie is de zogenaamde Twisted Tube®. Dit is een product van Koch Heat Transfer (www.kochheattransfer.com). Boxma: ‘Deze buizen zijn zo vervormd, dat de langsstroming zowel in als om de buis converteert in een helix stromingsprofiel. Het gevolg is een hogere warmteoverdracht.’ De buizen kunnen zodanig worden gerangschikt dat normale ondersteuning met keerschotten achterwege gelaten kan worden. ‘Het schoonmaken van een Twisted Tube-bundel gebeurt door hogedrukspuiten’, geeft Boxma aan. ‘Door de positie van de buisjes onderling kun je het beste de bundel onder een hoek schoonspuiten.’
Compacte warmtewisselaars
De compacte warmtewisselaars vormen weer een andere groep. Deze zijn te verdelen in:
1. Plaat en frame warmtewisselaar;
2. Spiraal plaat warmtewisselaar;
3. Plaat in mantel warmtewisselaar;
4. Elektrische warmtewisselaar; en
5. Dubbelpijp of multi-pijp warmtewisselaar.
Dit segment is populair bij MJA- en MKB-bedrijven door hun compactheid en bijbehorende prijsstelling. Boxma: ‘Dit laatste is vaak de enige overweging om tot aankoop van een dergelijk type over te gaan. Toch zou men er beter aan doen, om meerdere zaken mee te nemen.’
LNG plant in Noorwegen: Een Helifin. Dit is een samenvoeging van twee technologieën, te weten low-fin tubes en helical baffles Helixchanger met Low-fin.
Deze wisselaar behoort tot ‘s werelds grootste ooit gebouwde shell & tube wisselaar (Vermeer Eemhaven Inc. Rotterdam) en kan een thermisch vermogen van 180 MW verwerken.
Propaan condenseert aan de buitenkant van de buizen en zeewater loopt door de buizen, vandaar dat het buismateriaal van titanium is. Deze unit kost € 10 Mio.
Elektrische warmtewisselaar
Wanneer men niet kan beschikken over een verwarmend medium zoals stoom of hete olie dan is er een mogelijkheid om gebruik te maken van elektriciteit. Boxma: ‘De warmtewisselaar ziet eruit als een buis/rompwarmtewisselaar waarbij de buisjes vervangen zijn door stangen die als warmte-elementen dienen. Deze stangen worden ook ondersteund middels keerschotten.’ In de voedingsmiddelenindustrie wordt dit type gebruikt om plantaardige olie te verwarmen. Men kan deze warmtewisselaar goed regelen op temperatuur. Een belangrijk ontwerpaspect is de warmteflux. Dit is het vermogen, gedeeld door het uitwendig oppervlak van de warmte-elementen.
Heat Transfer ABC helpt keuzes maken
Naast het geven van advies en het bieden van ondersteuning, organiseert Boxma cursussen, onder andere over de keuze van wel of niet een compact systeem. Boxma: ‘Zo’n systeem is goedkoper, kleiner, lichter en er zitten hele goede applicaties bij. Maar kies je voor zo’n systeem – bijvoorbeeld geïnstalleerd op een platform – en hij voldoet niet, dan is de weg terug heel moeilijk. De ruimte voor een groter systeem is dan vaak niet (meer) beschikbaar. Het is dus zaak hier eerst goed over na te denken.’
Voor de cursus is een programma samengesteld dat de cursisten meekrijgen. Daarop staan beproefde voorbeelden, waarmee de cursist kan evalueren wat de beste oplossing is. Boxma: ‘Dit programma is samengesteld door laatstejaars studenten Chemische industrie, die samen met een aantal senior engineers hieraan hebben gewerkt. Met het programma, in combinatie met de cursus, kunnen we bedrijven tot de beste oplossing brengen.’
Het is vaak gewoon gemakzucht dat men steeds voor dezelfde oplossing kiest en niet voor een betere, meer rendabele technologie. Belangrijk is wel een lijst van referenties. Een meer proactieve houding moet worden gestimuleerd bij de eindgebruiker, vindt Boxma. ‘De cursisten worden door vragen en casestudies soms op een ander, vaak beter idee voor hun warmtewisselingprobleem of -keuze gebracht. Als je alle relevante factoren op een rij zet, kom je tot de optimale oplossing.’
Niet alleen de aanschafprijs is belangrijk
Kennis over de werking van een warmtewisselsysteem is en blijft belangrijk. Boxma: ‘Je moet weten wat de machine / de computer doet en waarom. Die kennisoverdracht door “oude rotten uit het vak” dient plaats te vinden, vóór zij met pensioen gaan.’
En Boxma besluit: ‘De juiste technologie voor het juiste proces. Dat wil ik in de cursus naar voren brengen. De selectie moet niet alleen gebaseerd zijn op de prijs. Wat ik merk is dat de acceptatie van het – nog - onbekende vaak het moeilijkst is, maar er zijn enorme besparingen mogelijk als men eerst wat onderzoek doet of een goede adviseur erbij haalt.’
Booming business
Warmtewisseltechnologie, het is booming business. De Twisted Tubes zijn het dan wat minder gaan doen, de Helixchanger® - met ruim 3.000 verkochte systemen - is de winnaar op het gebied van de advanced Shell & Tube warmtewisselaars. Tips die Boxma kan meegeven zijn: ‘In de offshore komt Twisted Tube® goed tot zijn recht, EM-Baffle® voldoet bij gas heel goed en bij veel vervuiling ligt de Helixchanger® voor de hand. Daarnaast kan conventioneel in veel gevallen ook prima voldoen.’
Men verwacht dat in 2018 20 miljard dollar wordt omgezet in heat exchangers. Dit vanuit gegevens van verschillende grote partijen, die onafhankelijk van elkaar deze cijfers bijeen hebben gebracht. Dan gaat het om alle mogelijke warmtewisselaars, van grote cooling towers tot kleinere systemen.