Rettidig rengøring af varmevekslere sænker energiforbruget

Efterhånden som varmevekslere på f.eks. landets kraftvarmeværker kalker til, forringes deres evne til at overføre varme. Med ny viden fra DTU kan afkalkning planlægges, så man undgår store energitab.

Miriam Meister Christian Ove Carlsson

Enhver, som har kogt tevand, ved, at en tilkalket elkedel tager længere tid og bruger mere strøm end en nyligt rengjort elkedel. Husholdningers merudgifter ved at bruge en tilkalket elkedel er dog det rene vand sammenlignet med virksomheder, som bruger tilkalkede varmevekslere.

En varmeveksler er en enhed, der transporterer varme fra et medium til et andet. Kraftvarmeværker bruger dem f.eks. til at varme det vand op, som bliver sendt ud til danskerne. Varmevekslere indgår også i de køleenheder, som bl.a. virksomheder bruger for at køle væsker ned.

Ny viden fra DTU skal hjælpe med at beregne den optimale kadence for rengøring, så man undgår disse store og dyre energitab, men samtidig kun rengør, når det er højst nødvendigt.

Ifølge ph.d.­studerende på DTU Isaac Appelquist Løge er det muligt at opnå meget store besparelser ved at kunne regne ud, hvor hurtigt en varmeveksler kalker til, så man fjerner ophobningen af kalkkrystallerne på det helt rigtige tidspunkt.

“Tilkalkede overflader er et meget større problem, end mange tror. Der findes estimater af, at udgiften til vedligehold af og ekstra udgifter fra varmevekslere er helt oppe på en kvart procent af de industrialiserede landes bruttonationalprodukt,” siger Isaac Appelquist Løge.

Faktisk viser beregninger fra den internationale organisation Association of Water Technologies, at et lag kalk på omkring 32 mm forårsager et

25 %

Så meget reducerer et kalklag på ca. 32 mm effektiviteten i en varmeveksler

Kilde: Digitaliseringsstyrelsen effektivitetstab på 25 pct. Der vil derfor være en betydelig merudgift forbundet med at opnå den samme varmeeffekt. Er kalkophobningen dobbelt så tyk, bliver effektivitetstabet dobbelt så stort, og merudgiften vil også være fordoblet.

Forskellige parametre påvirker krystaldannelsen

Vækst af krystaller kan opstå på alle grænseflader mellem vand og en fast overflade. Det er forskellige kemiske forbindelser, der danner krystallerne.

Isaac Appelquist Løge har gennem sin forskning skabt viden om, hvordan ophobningen af to typiske krystaller, nemlig kalk­ og barytkrystaller, bliver påvirket af hastigheden, væsken flyder med, og teksturen på den overflade, væsken passerer, samt hvordan krystallerne ophober sig over tid, og hvilken effekt krystallernes koncentration har.

Studiet er udført på væske, der flyder gennem rør. Væksten af krystallerne er bl.a. undersøgt med CT­skannere.

“Helt specifikt så vi, at hvis væsken flyder langsommere gennem rørene, vokser krystallerne i isolerede klumper som enkeltstående træer på en bakke, hvor de ender med at knække af og flyde med strømmen,” forklarer han.

“Ved hurtigere hastigheder gror de derimod sammen i større klumper som en tæt skov, og de er tilbøjelige til at blive siddende i længere tid. Resultaterne går mod den gængse opfattelse, at væske, der flyder ved højere hastigheder, vil komme med en kraft, der får krystallerne til at knække af. Vi viser i hvert fald, at der er et ‘tipping point’, som afgør, hvornår løsrivelsen af krystaller har en indflydelse på ophobningen.”

Modelsystemer som disse bruger forskere til at lave forsøg, der simulerer flowbetingelser i rør, så man kan observere begroningen i rørene.

Den viden kan indtænkes i produktionsprocesser, så man justerer hastigheden af væskegennemstrømningen for at mindske krystalophobningen.

Med den øgede indsigt i, hvordan og hvor hurtigt krystaller ophober sig, kan Isaac Appelquist Løge lave en model, der kan forudsige det mest hensigtsmæssige rengøringsskema.

Værdifuld viden for mange industrier

Krystalophobning udgør ikke kun et problem i varmevekslere, men også i industrier og virksomheder, der pumper væsker gennem rør, som er alt fra som er alt fra fødevareindustrien, CO2­transport og ­lagring, geotermisk energi til olie­ og gasindustrien.

“Hvis rørenes diameter bliver mindre, fordi der ophober sig krystaller i rørene, skal man bruge en større mængde energi for at presse den samme mængde væske igennem,” forklarer Isaac Appelquist Løge. Rørene skal derfor rengøres, før tryktabet bliver for stort, men uden at gøre det unødigt ofte, da rengøringen er dyr. På en boreplatform er udfordringen specielt stor, da produktionen skal stoppes imens, og mandskab og materialer skal fragtes offshore.

Den nye viden vil også i disse industrier kunne bruges til at beregne den optimale kadence for rengøring.

Væske med flow med lav hastighed Væske med flow med høj hastighed

Selvom de er ganske små, så er mikrober som bakterier, mikroalger og gærceller ikke til at komme udenom i den grønne omstilling.

Hele verden udnytter i stigende grad levende organismer til en mere bæredygtig produktion af en lang række stoffer. Med bioteknologi kan vi med andre ord omstille såvel landbrug som industri til en produktion uden at gøre brug af dyrehold, kemikalier eller kul og olie. Nu er det muligt at lave komælk uden køer, gas uden fossile ressourcer, æggehvider uden høns og vitaminer uden planter.

I Danmark er bioteknologi fundament for mange virksomheder, og feltet er en del af den life science-sektor, som beskæftiger 50.000 mennesker, og hvor eksporten er i hastig vækst. Ifølge Erhvervsministeriet nåede eksporten fra den danske life science-sektor i 2022 nye højder, da branchen eksporterede for hele 175 mia. kr. Der er tale om en fordobling af sektorens eksport i perioden 2012-2022.

DTU’s bioteknologiske forskningsmiljø samarbejder tæt med virksomheder i life science-sektoren om både forskning og uddannelse af højt kvalificerede ingeniører, som sektoren har brug for. DTU’s forskning inden for bioteknologi er helt i front, viser Shanghai Rankings ‘2022 Global Ranking of Academics Subjects’. Det er en emnerangliste, der hvert år rangordener de 500 bedste universiteter i verden inden for 54 forskellige faglige områder. På bioteknologiområdet fastholdte DTU i 2022 en spektakulær 3.-plads i verden, kun overhalet af Harvard University og Massachusetts Institute of Technology (MIT).

På de følgende sider kan du læse mere om DTU’s forskning og uddannelser inden for bioteknologi, samt eksempler på feltets potentiale inden for grøn omstilling.