Detection of Fouling in Heat Exchangers using Model Comparison

Fouling of heat exchangers is a severe problem in the industrialized world. The effects of fouling are reduced energy efficiency and increased greenhouse gas emissions. In fact, any heat transfer process has a risk of fouling on the heat transfer surface. The fouling can in some cases be cleaned physically, chemically or burned off; in other cases it may not be possible to clean the heat exchanger and a new one will be needed. For those heat exchangers that are cleaned there is normally only a certain number of times that they can be cleaned before new ones will be required. Although early fouling detection may not have a significant impact on the lifetime of heat exchangers it can help in preventing the situation where their efficiency becomes so low that it affects the process the heat exchanger is used in, resulting in reduced economy of operation. The aim of this Ph.D. project was to develop and implement fouling detection methods that only require flow and temperature measurements that can easily be obtained during normal operation of heat exchangers and without interrupting the process. In the scope of the project six different methods have been tested on either counter or cross flow heat exchangers. The measurements are either real measurements or simulated data series from accurate heat exchanger models where fouling can be simulated. Statistical methods are then applied on the data. The findings clearly show that methods developed in the project can be used to detect fouling well before a typical design limit is reached.

Útfellingar í varmaskiptum valda oft vandamálum í nútíma iðnaði. Áhrif útfellinga eru minnkuð orkunýtni og aukinn útblástur óumhverfisvænna gastegunda. Í raun eru öll ferli sem snúast um varmaskipta viðkvæm fyrir útfellingum. Í sumum tilfellum er hægt að hreinsa útfellingar með beinum hætti, með efnanotkun eða með því að brenna þær í burtu, í öðrum tilfellum getur verið að ekki sé hægt að hreinsa varmaskipti og þarf þá að skipta honum út fyrir nýjan. Þó hægt sé að hreinsa varmaskipta eru takmörk á hversu oft það er hægt áður en þörf er á að skipta þeim út fyrir nýja. Þrátt fyrir að snemmbúin greining á útfellingum hafi ekki endilega mikil áhrif á líftíma varmaskiptisins getur greiningin komið í veg fyrir að nýtni hans verði svo lág að það skaði ferlið sem hann er hluti af. En ef nýtnin er orðin of lág getur sú framleiðsla sem varmaskiptirinn er hluti af skaðast, með tilheyrandi fjárhagstjóni. Markmið þessa doktorsverkefnis var að þróa og beita tölfræðilegum aðferðum við að greina útfellingar út frá mælingum af hita og streymi í varmaskiptum á meðan þeir eru í venjulegri notkun án þess að trufla það ferli sem þeir eru hluti af. Prófaðar voru sex mismunandi aðferðir á annars vegar mótstreymisvarmaskiptum og hins vegar „cross – flow“ varmaskiptum. Mælingarnar eru ýmist raunverulegar mælingar eða hermdar mæliraðir út frá nákvæmum hermilíkönum þar sem kostur gefst á að líkja eftir útfellingum sem síðan tölfræðilegu aðferðunum er beitt á. Niðurstöðurnar sýna greinilega að aðferðirnar sem þróaðar hafa verið í verkefninu geta greint útfellingar innan hefðbundinna hönnunar marka varmaskipta.

The Environmental and Energy Research Fund of Reykjavík Energy, the Icelandic National Energy Fund of Orkustofnun and the Energy Research Fund of Landsvirkjun, and the University of Iceland Research Fund.