Ijswaterkoeling onder 2 °C

Plaatwarmtewisselaars, of PHE's, zijn de standaardoplossing geworden voor industriële proceskoeling. De reden hiervoor is grotendeels economisch: ze koelen proceswater tegen relatief lage investeringskosten, nemen weinig ruimte in beslag en er is een goed ontwikkelde leveranciersmarkt voor. Maar zodra een proces een wateruitlaattemperatuur van 1 °C of 0,5 °C vereist, verlaat het die comfortzone. Op dat moment wordt de PHE een risicovolle technologie die veel controle vereist en die bij uitval hoge kosten met zich meebrengt. Dit is precies waar HTT AG in beeld komt, met systemen die vanaf de basis zijn ontworpen voor dit temperatuurbereik, in plaats van achteraf te worden uitgerust met beveiligingsmaatregelen.

De PHE is geen slecht systeem. Het is een systeem dat is geoptimaliseerd voor een specifiek temperatuurbereik en dat buiten dat bereik tegen zijn ontwerpgrenzen aanloopt. Zijn populariteit is voornamelijk te danken aan de prijs: bij wateruitlaattemperaturen van 2 tot 3 °C levert het acceptabele warmteoverdrachtscoëfficiënten tegen aanschafkosten die gespecialiseerde systemen in dit segment in eerste instantie niet kunnen evenaren. Het profiteert ook van een goed ontwikkeld servicenetwerk en de beschikbaarheid van gestandaardiseerde reserveonderdelen.

Voor processen die kunnen werken met een uitlaattemperatuur van 2 tot 3 °C is de PHE daarom een economisch verantwoorde keuze. De vraag is of de oplossing die op papier goedkoper lijkt, ook daadwerkelijk de meest economische is over de volledige levensduur van het systeem, en of dat nog steeds geldt zodra de vereiste procestemperaturen onder de 2 °C dalen.

Die bewering klinkt voor de hand liggend. De gevolgen ervan voor de werking van de installatie zijn dat echter niet. Wanneer de vereiste uitlaattemperatuur van het water daalt tot 1 °C of 0,5 °C, moet het koelmiddel aan de andere kant van de warmtewisselaarplaten onvermijdelijk onder 0 °C komen. Lokale ijsvorming op het plaatoppervlak is dan geen uitzonderingsgeval, maar een fysisch onvermijdelijk verschijnsel.

Wat betekent dit in de praktijk?

• Een ijslaag op het warmteoverdrachtsoppervlak verlaagt de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt aanzienlijk. Het systeem verliest aan efficiëntie zonder dat dit onmiddellijk merkbaar is.
• Bevroren water zet uit. De daaruit voortvloeiende mechanische spanning belast de geometrie van de platen en de pakkingen.
• In het geval van een storing barsten de platen. Koelmiddel en procesmedium vermengen zich. Het systeem is economisch gezien niet meer te repareren.

Dat is precies de reden waarom de specificaties van PHE-fabrikanten voorschrijven dat de watertemperatuur aan de plaatzijde nooit onder 0,5 °C mag komen. De ontwerptemperatuur wordt doorgaans ingesteld op 1 °C, en de zuigdrukregeling moet met een nauwkeurigheid van 0,25 °C werken. Dat vereist een complete regelkring: temperatuurregeling, ontdooien met heet gas, debietregeling aan de waterzijde, regelkleppen, stuurkleppen, magneetventielen en extra afsluitkleppen, afhankelijk van de capaciteit. Daarbovenop komen nog de kosten voor ontwerp, installatie, bedrading en programmering, die nooit op een catalogusprijs staan vermeld.

Wat was begroot als een eenvoudige oplossing, groeit in de loop van het engineeringproces uit tot een systeem met complexe regelvereisten. Het kostenvoordeel ten opzichte van een gespecialiseerde technologie smelt weg met elk extra regelcomponent.

Een directe prijsvergelijking tussen een PHE en de BUCOdelot-Falling Film Koeler houdt meestal op bij de aankoopprijs, en op dat punt lijkt de PHE goedkoper. De volledige kostenberekening vertelt een ander verhaal.

Regeling en investering. Voor een PHE inclusief een compleet regelsysteem zijn de totale kosten, afhankelijk van het koelvermogen, als volgt verdeeld:

In elk van deze gevallen maakt het besturingssysteem een aanzienlijk deel uit van de totale kosten, in sommige vermogensklassen bijna evenveel als de verdamper zelf. De BUCOdelot-Falling Film Koeler is aantoonbaar goedkoper in elke capaciteitsklasse van 100 kW tot 1.800 kW, omdat hij in wezen alleen afsluitkleppen nodig heeft op de zuigleiding en de vloeistoftoevoer.

Pompvermogen en bedrijfskosten. Een warmtewisselaar (PHE) vereist een waterpomp met een opvoerhoogte van meer dan 5 m. De BUCOdelot heeft minder dan 2,5 m opvoerhoogte nodig. Daardoor zijn aanzienlijk kleinere pompen mogelijk, daalt het stroomverbruik bij continu bedrijf en wordt de complexiteit van het systeem merkbaar verminderd. Dan is er nog de drukval aan de waterzijde: bij PHE’s bedraagt deze 0,5 tot 1,0 bar, terwijl die bij de BUCOdelot slechts ongeveer 0,3 bar bedraagt.

Pakkingen en hun zwakke punten. Pakkingen voor grote PHE-units kosten ongeveer € 7.500 en moeten regelmatig worden vervangen. Wat minder bekend is: rubberen pakkingen zijn gevoelig voor ozon, zoals dat wordt gegenereerd door elektromotoren en booglassen. Organische oplosmiddelen, zuren, hitte en UV-straling tasten het materiaal aan en zorgen ervoor dat het barst. In productieomgevingen waar deze invloeden niet volledig kunnen worden uitgesloten, is dat een inherent risico waarmee bij de planning zelden rekening wordt gehouden in het totale kostenplaatje. De BUCOdelot werkt zonder pakkingen.

Onderhoud. Warmtewisselaars (PHE’s) moeten regelmatig worden gereinigd. De BUCOdelot is een open, drukloos systeem dat te allen tijde van beide zijden toegankelijk is, zonder drukontlasting en zonder ingewikkelde demontage. De inspanning die nodig is voor inspectie en reiniging is aanzienlijk lager. Elke ongeplande inspectie aan een warmtewisselaar betekent een productiestilstand.

Op verzoek ontwerpt HTT AG beide opties – de PHE met een compleet beschermingssysteem en het gespecialiseerde alternatief – en zet de cijfers naast elkaar. De beslissing ligt bij de klant, niet bij de lijstprijs die toevallig het laagst is.

HTT AG ontwikkelt warmteoverdrachtssystemen die structureel zijn ontworpen voor gebruik rond het vriespunt, in plaats van achteraf te worden uitgerust met veiligheidsvoorzieningen.

BUCOdelot-Falling Film Koeler

De BUCOdelot is ontwikkeld voor uitlaattemperaturen van het water tussen 0,5 °C en 1 °C. Het proceswater stroomt als een dunne, gelijkmatige film over gekoelde roestvrijstalen oppervlakken. Een gecontroleerde dunne ijslaag – die de werking in een platenwarmtewisselaar (PHE) in gevaar zou brengen – verbetert hier juist de warmteoverdracht in plaats van deze te blokkeren. Het systeem werkt met de natuurkunde mee, niet ertegenin.

Hier volgt een vergelijking die dit duidelijk illustreert: bij de BUCOdelot-werking vormt zich een ijslaag van ongeveer 6 mm. Bij conventionele ‘coil-in-tank’-systemen neemt de ijsdikte toe tot 30 mm of meer, waardoor het effectieve overdrachtsoppervlak tot een vijfde wordt teruggebracht en de ontdooiprestaties voortdurend verslechteren, vooral bij een onregelmatige terugstroom vanaf de proceszijde. Bij de BUCOdelot blijft het ijsoppervlak ongeveer vijf keer zo groot en blijven de prestaties daardoor consistent.

Tegelijkertijd bedraagt de verdampingstemperatuur slechts −3 °C in plaats van −10 °C bij het conventionele Ijsbank-proces – een verschil van 7 K dat zich direct vertaalt in lagere energiekosten gedurende de gehele bedrijfsperiode.

Een belangrijk punt om te verduidelijken: de warmteoverdrachtscoëfficiënt – de U-waarde – is vergelijkbaar voor PHE en BUCOdelot. Beide systemen leveren hoge warmteoverdrachtsprestaties. De verschillen liggen niet in de thermische kwaliteit, maar in de exploitatiekosten, de complexiteit van de regeling, de onderhoudsvriendelijkheid en de totale kosten. Wie voor de BUCOdelot kiest, hoeft geen concessies te doen aan de warmteoverdrachtsprestaties om deze voordelen te verkrijgen.

Het systeem is volledig vervaardigd uit roestvrij staal, werkt zonder druk, is te allen tijde van beide zijden toegankelijk en hoeft niet te worden gedemonteerd voor reiniging of inspectie. De totale koelmiddelvulling bedraagt slechts 25% van de hoeveelheid in een vergelijkbaar ‘coil-in-tank’-systeem, wat de kosten, potentiële gevaren en operationele risico’s vermindert.

Ijsbank / Ijsopslag

Het ijsopslagsysteem slaat koelenergie op in de vorm van ijs en geeft deze tijdens piekperiodes vrij in de vorm van ijswater bij temperaturen tussen 0 en 1 °C. Dit is de standaardontwerpspecificatie, geen uitzonderingsgeval. Typische toepassingen: het koelen van deeg in grote bakkerijen, het koelen van rauwe melk in zuivelfabrieken, proceskoeling in de farmaceutische industrie en het opvangen van piekbelastingen in airconditioningsystemen.

Een economisch voordeel dat vaak wordt onderschat in directe vergelijking met de PHE: het ijsopslagsysteem ontkoppelt de productie van koeling van de koelvraag. De koelmachine laadt het opslagsysteem op tijdens daluren, wanneer de vraag naar elektriciteit lager is en de energietarieven gunstiger zijn. Piekbelastingen worden door het opslagsysteem opgevangen zonder dat de koelmachine overgedimensioneerd hoeft te worden. In de praktijk betekent dit: een kleinere koelmachine, lagere bedrijfskosten en stabielere procestemperaturen, zelfs bij fluctuerende belastingsprofielen.

Pillow Plate-warmteoverdrachtssystemen

Pillow Platen zijn gestructureerde dubbele platen met geïntegreerde koelmiddelkanalen, die worden geïnstalleerd als tankmantels, ingebouwde plafonds of hangende warmtewisselaars direct in de tank. Ze koelen producten en procesmedia nauwkeurig tot temperaturen rond 0 °C, zonder het risico op bevriezing dat bij een PHE in dit temperatuurbereik onderhoud zou vereisen.

Bij HTT AG worden Pillow Platen op maat ontworpen om aan te sluiten bij de geometrie van de vaten en de proceseisen van de klant. Afmetingen, wanddikte, koelmiddelstroomtraject en drukval worden berekend, niet geschat. Dit maakt een temperatuurregeling mogelijk die aanzienlijk nauwkeuriger is dan gestandaardiseerde PHE-oplossingen, wat van cruciaal belang is wanneer strakke temperatuurtoleranties rechtstreeks van invloed zijn op de productkwaliteit en houdbaarheid.

De behoefte aan proceswatertemperaturen onder de 2 °C is geen nichekwestie. Het betreft een breed scala aan sectoren waar productkwaliteit en procesveiligheid rechtstreeks afhankelijk zijn van de koeltemperatuur.

Productie van bakkerijproducten: Het deeg warmt op door wrijving tijdens het kneden. Om de glutenstructuur te behouden en te voorkomen dat de gist voortijdig actief wordt, moet de deegtemperatuur nauwkeurig worden geregeld. Dat is alleen haalbaar met proceswater van bijna 0 °C.

Zuivel- en melkverwerking: Na aanvoer moet rauwe melk binnen een bepaald tijdsbestek worden gekoeld tot onder de 4 °C, en in sommige processen tot onder de 2 °C, om bacteriegroei te voorkomen en de houdbaarheid te waarborgen. Koeling met ijswater is hier geen luxe, maar een procesvereiste. BUCOdelot-systemen worden al decennia lang gebruikt op melkveebedrijven en in verwerkingsbedrijven.

Vis- en zeevruchtenverwerking: Verse producten bederven snel. In veel processtappen zijn koeltemperaturen rond 0 °C wettelijk of volgens kwaliteitsnormen vereist. Ijsopslagsystemen die continu ijswater van 0 tot 1 °C leveren, zijn in deze sector al lang ingeburgerd. Een belangrijk punt: bij conventionele ‘coil-in-tank’-systemen wordt vaak gebruikgemaakt van gegalvaniseerd materiaal, wat volgens de Europese voedselveiligheidsvoorschriften niet is toegestaan. BUCOdelot-systemen zijn volledig vervaardigd uit roestvrij staal.

Farmaceutische industrie: Reactiekoeling, kristallisatieprocessen en temperatuurregeling voor gevoelige actieve ingrediënten vereisen nauwkeurige proceswatertemperaturen die een standaard PHE op de lange termijn niet betrouwbaar kan leveren zonder aanzienlijke regelingskosten.

De technologische keuze begint niet met een systeemvergelijking. Het begint met één enkele vraag: welke uitlaattemperatuur van het water heeft uw proces daadwerkelijk nodig?

Als u 3 °C nodig hebt en een warmtewisselaar (PHE) voldoet al goed aan uw economische eisen, dan zal een openhartig gesprek met HTT AG u precies dat vertellen. Als u 1 °C of 0,5 °C nodig hebt, moet u het volledige kostenplaatje in kaart brengen: kapitaalkosten plus regelsysteem plus onderhoud van pakkingen plus energieverbruik van de pomp plus bedrijfsrisico, over de volledige levensduur van het systeem. Een technologie die speciaal voor dit temperatuurbereik is ontworpen en die thermisch gelijkwaardige prestaties levert met aanzienlijk minder inspanning, is de zuinigere en betrouwbaardere keuze over de gehele levensduur van het systeem.

Vertel ons wat uw procesvereisten zijn. Wij zullen u aangeven welk systeem het aantoonbaar betere ontwerp biedt voor uw temperatuurbereik.