1. Inleiding

Waterkracht is een belangrijke en hernieuwbare energiebron die een cruciale rol speelt in de wereldwijde energiemix. Waterkrachtcentrales zetten de energie van stromend of vallend water om in elektrische energie. Tijdens de werking van waterkrachtcentrales genereren verschillende componenten warmte, en efficiënt warmtebeheer is essentieel om een stabiele en betrouwbare werking te garanderen. Platenwarmtewisselaars zijn een populaire keuze geworden voor warmteoverdrachtstoepassingen in waterkrachtcentrales vanwege hun unieke eigenschappen.

2. Werkingsprincipe van Platenwarmtewisselaars

Een platenwarmtewisselaar bestaat uit een reeks dunne, gegolfde metalen platen die op elkaar zijn gestapeld. Deze platen worden gescheiden door pakkingen om afwisselende kanalen voor de warme en koude vloeistoffen te creëren. Wanneer de warme vloeistof (zoals heet water of olie) en de koude vloeistof (meestal koelwater) door hun respectievelijke kanalen stromen, wordt warmte overgedragen van de warme vloeistof naar de koude vloeistof via de dunne plaatwanden. Het gegolfde ontwerp van de platen vergroot het oppervlak dat beschikbaar is voor warmteoverdracht en bevordert turbulentie in de vloeistofstroom, waardoor de warmteoverdrachtsefficiëntie wordt verbeterd.

Wiskundig gezien kan de warmteoverdrachtsnelheid (Q) in een platenwarmtewisselaar worden beschreven door de formule:

Q=U*A*δTlm

waarbij (U) de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt is, (A) het warmteoverdrachtsoppervlak is en δTlm  het logaritmische gemiddelde temperatuurverschil tussen de warme en koude vloeistoffen is. De unieke structuur van de platenwarmtewisselaar draagt bij aan een relatief hoge waarde van (U), waardoor efficiënte warmteoverdracht mogelijk is..

3. Toepassingen van Platenwarmtewisselaars in Waterkrachtcentrales

3.1 Koeling van Turbine Smeerolie

De turbine in een waterkrachtcentrale is een kritieke component. De smeerolie die wordt gebruikt om de turbine lagers en andere bewegende delen te smeren, kan tijdens de werking opwarmen door wrijving. Hoge temperaturen kunnen de smerende eigenschappen van de olie aantasten en schade aan de turbinecomponenten veroorzaken. Platenwarmtewisselaars worden gebruikt om de smeerolie te koelen. De hete smeerolie stroomt door de ene kant van de platenwarmtewisselaar, terwijl koelwater uit een geschikte bron (zoals een rivier, meer of koeltoren) door de andere kant stroomt. Warmte wordt overgedragen van de hete olie naar het koelwater, waardoor de temperatuur van de smeerolie wordt verlaagd en de goede werking ervan wordt gewaarborgd.

In een grootschalige waterkrachtcentrale met een krachtige turbine kan bijvoorbeeld een platenwarmtewisselaar met een groot warmteoverdrachtsoppervlak worden geïnstalleerd. De koelwaterstroomsnelheid kan worden aangepast aan de temperatuur van de smeerolie om de olietemperatuur binnen het optimale bereik te houden, meestal rond de 40 - 50 °C. Dit helpt de levensduur van de turbine te verlengen en de algehele efficiëntie van het energieopwekkingsproces te verbeteren.

3.2 Generator Koeling

Generatoren in waterkrachtcentrales produceren tijdens de werking een aanzienlijke hoeveelheid warmte. Om oververhitting te voorkomen en de stabiele werking van de generator te garanderen, is effectieve koeling noodzakelijk. Platenwarmtewisselaars kunnen worden gebruikt in generator koelsystemen. In sommige gevallen worden watergekoelde generatoren gebruikt, waarbij het hete koelmiddel (meestal gedemineraliseerd water) dat warmte heeft opgenomen van de generatorcomponenten door de platenwarmtewisselaar stroomt. Het koude water uit een externe bron (zoals een koelwatercircuit) wisselt warmte uit met het hete koelmiddel, waardoor het wordt afgekoeld zodat het terug naar de generator kan worden gecirculeerd voor verdere warmteabsorptie.

Naast watergekoelde generatoren zijn er ook waterstofgekoelde generatoren. Hoewel waterstof uitstekende warmteoverdrachtseigenschappen heeft, kunnen platenwarmtewisselaars nog steeds worden gebruikt in het waterstofkoelsysteem. Om bijvoorbeeld het waterstofgas te koelen nadat het warmte heeft opgenomen van de generator, kan een platenwarmtewisselaar worden gebruikt. De koude vloeistof (zoals water of een koelmiddel) in de warmtewisselaar koelt het hete waterstofgas, waardoor de juiste temperatuur van de waterstof wordt gehandhaafd en de efficiënte werking van de generator wordt gewaarborgd.

3.3 Koeling van Afsluitwater

In waterkrachtturbines wordt afsluitwater gebruikt om lekkage van water uit de turbinerotor te voorkomen. Het afsluitwater kan tijdens de werking opwarmen en de verhoogde temperatuur kan de afdichtingsprestaties beïnvloeden. Platenwarmtewisselaars worden geïnstalleerd om het afsluitwater te koelen. Het hete afsluitwater gaat door de ene kant van de warmtewisselaar en koud water uit een koelbron wisselt warmte uit met het. Door het afsluitwater op een geschikte temperatuur te houden, blijft de integriteit van de afdichting behouden, waardoor het risico op waterlekkage wordt verminderd en de efficiëntie van de turbinewerking wordt verbeterd.

3.4 Koeling van Hulpapparatuur

Waterkrachtcentrales hebben een verscheidenheid aan hulpapparatuur, zoals transformatoren, pompen en compressoren. Deze componenten genereren ook warmte tijdens de werking en vereisen koeling. Platenwarmtewisselaars kunnen worden toegepast om de smeerolie of het koelwater van deze hulpapparatuur te koelen. In een transformator kan bijvoorbeeld de isolatieolie opwarmen door de verliezen in de transformatorkern en -wikkelingen. Een platenwarmtewisselaar kan worden gebruikt om de isolatieolie te koelen, waardoor de veilige en stabiele werking van de transformator wordt gewaarborgd. Evenzo kunnen voor pompen en compressoren platenwarmtewisselaars hun smeerolie of de procesvloeistof koelen, waardoor de betrouwbaarheid en levensduur van deze hulpapparatuur worden verbeterd.

4. Voordelen van het Gebruik van Platenwarmtewisselaars in Waterkrachtcentrales

4.1 Hoge Warmteoverdrachtsefficiëntie

Zoals eerder vermeld, biedt het gegolfde plaatontwerp van platenwarmtewisselaars een groot warmteoverdrachtsoppervlak. De turbulentie die door de golfplaten wordt gecreëerd, verbetert ook de warmteoverdrachtscoëfficiënt. In vergelijking met traditionele buizenwarmtewisselaars kunnen platenwarmtewisselaars veel hogere warmteoverdrachtsnelheden bereiken. In een waterkrachtcentrale betekent deze hoge efficiëntie dat er minder koelwater nodig is om hetzelfde niveau van warmteafvoer te bereiken, waardoor het waterverbruik en de energie die nodig is om het koelwater te pompen, worden verminderd.

In een generator koeltoepassing kan een platenwarmtewisselaar bijvoorbeeld warmte overdragen met een totale warmteoverdrachtscoëfficiënt in het bereik van 2000 - 5000 W/(m²·K), terwijl een buizenwarmtewisselaar een coëfficiënt van 1000 - 2000 W/(m²·K) kan hebben. Deze hogere efficiëntie maakt een compacter en energiezuiniger koelsysteem in de waterkrachtcentrale mogelijk.

4.2 Compact Ontwerp

Platenwarmtewisselaars zijn veel compacter dan veel andere soorten warmtewisselaars. De gestapelde plaatstructuur neemt aanzienlijk minder ruimte in beslag. In een waterkrachtcentrale, waar de ruimte beperkt kan zijn, vooral in gebieden met complexe apparatuuropstellingen, is het compacte ontwerp van platenwarmtewisselaars zeer voordelig. Ze kunnen gemakkelijk in krappe ruimtes worden geïnstalleerd, waardoor de totale voetafdruk van het koelsysteem wordt verkleind.

Bijvoorbeeld, bij het achteraf aanbrengen van een bestaande waterkrachtcentrale om de koelcapaciteit te verbeteren, maakt de compacte aard van platenwarmtewisselaars de toevoeging van nieuwe warmtewisseleenheden mogelijk zonder grote wijzigingen aan de bestaande infrastructuur, wat zowel tijd als kosten bespaart.

4.3 Eenvoudig Onderhoud

Het modulaire ontwerp van platenwarmtewisselaars maakt ze relatief gemakkelijk te onderhouden. De platen zijn gemakkelijk toegankelijk en kunnen worden verwijderd voor reiniging of vervanging. In een waterkrachtcentraleomgeving, waar het koelwater onzuiverheden kan bevatten die vervuiling op de warmteoverdrachtsoppervlakken kunnen veroorzaken, is de mogelijkheid om de platen snel te reinigen cruciaal. Als een pakking faalt of een plaat beschadigd is, kan deze afzonderlijk worden vervangen, waardoor de uitvaltijd van de apparatuur wordt geminimaliseerd.

Regelmatig onderhoud van platenwarmtewisselaars in waterkrachtcentrales omvat doorgaans het visueel inspecteren van de platen op tekenen van corrosie of vervuiling, het controleren van de integriteit van de pakkingen en het reinigen van de platen met geschikte reinigingsmiddelen. Dit eenvoudige onderhoud helpt om de betrouwbare werking van de warmtewisselaars en de algehele waterkrachtcentrale op de lange termijn te garanderen.

4.4 Kosteneffectiviteit

Hoewel de initiële kosten van een platenwarmtewisselaar iets hoger kunnen zijn dan die van sommige basiswarmtewisselaartypen, is hun kosteneffectiviteit op de lange termijn duidelijk. Hun hoge warmteoverdrachtsefficiëntie vermindert het energieverbruik dat gepaard gaat met koeling, wat resulteert in lagere bedrijfskosten. Het compacte ontwerp vermindert ook de installatiekosten, omdat er minder ruimte nodig is voor de installatie. Bovendien dragen het eenvoudige onderhoud en de lange levensduur van platenwarmtewisselaars bij aan de totale kostenbesparingen bij de werking van een waterkrachtcentrale.

5. Uitdagingen en Oplossingen bij de Toepassing van Platenwarmtewisselaars in Waterkrachtcentrales

5.1 Vervuiling

Vervuiling is een veelvoorkomend probleem in warmtewisselaars, en waterkrachtcentrales vormen daarop geen uitzondering. Het koelwater dat in waterkrachtcentrales wordt gebruikt, kan zwevende stoffen, micro-organismen en andere onzuiverheden bevatten. Deze stoffen kunnen zich afzetten op de warmteoverdrachtsoppervlakken van de platenwarmtewisselaar, waardoor de warmteoverdrachtsefficiëntie wordt verminderd. Om dit probleem aan te pakken, is voorbehandeling van het koelwater essentieel. Filtersystemen kunnen worden geïnstalleerd om zwevende stoffen te verwijderen en chemische behandeling kan worden gebruikt om de groei van micro-organismen te beheersen.

Daarnaast is regelmatige reiniging van de platenwarmtewisselaar noodzakelijk. Mechanische reinigingsmethoden, zoals het gebruik van borstels of hogedrukwaterstralen, kunnen worden gebruikt om afzettingen van de plaatoppervlakken te verwijderen. Chemische reinigingsmiddelen kunnen ook worden gebruikt, maar er moet op worden gelet dat ze de platen of pakkingen niet beschadigen.

5.2 Corrosie

Het koelwater in waterkrachtcentrales kan een bepaalde mate van corrosiviteit hebben, vooral als het opgeloste zouten of zuren bevat. Corrosie kan de platenwarmtewisselaar na verloop van tijd beschadigen, waardoor de levensduur en prestaties worden verminderd. Om corrosie te voorkomen, worden de materialen van de platenwarmtewisselaar zorgvuldig geselecteerd. Roestvrijstalen platen worden vaak gebruikt vanwege hun goede corrosiebestendigheid. In sommige gevallen kunnen meer corrosiebestendige materialen zoals titanium worden gebruikt, vooral wanneer het koelwater zeer corrosief is.

Coatings kunnen ook op de plaatoppervlakken worden aangebracht om een extra beschermingslaag tegen corrosie te bieden. Kathodische beschermingssystemen kunnen in het koelwatercircuit worden geïnstalleerd om het risico op corrosie verder te verminderen. Regelmatige monitoring van de corrosiesnelheid van de platenwarmtewisselaar is belangrijk om eventuele vroege tekenen van corrosie te detecteren en passende maatregelen te nemen.

5.3 Drukval

De stroming van vloeistoffen door een platenwarmtewisselaar veroorzaakt een drukval. In een waterkrachtcentrale kan de drukval, als deze te hoog is, het energieverbruik van de pompen die worden gebruikt om de vloeistoffen te laten circuleren, verhogen. Om de drukval te optimaliseren, moet het ontwerp van de platenwarmtewisselaar zorgvuldig worden overwogen. Het golfpatroon van de platen, het aantal platen en de stroomopstelling (parallel of tegenstroom) kunnen allemaal van invloed zijn op de drukval.

Computervloeistofdynamica (CFD)-simulaties kunnen tijdens de ontwerpfase worden gebruikt om de drukval te voorspellen en de ontwerpparameters te optimaliseren. Tijdens de werking kunnen de stroomsnelheden van de warme en koude vloeistoffen worden aangepast om de warmteoverdrachtsprestaties en de drukval in evenwicht te brengen. Indien nodig kunnen extra pompen worden geïnstalleerd om de drukval te compenseren, maar dit moet gebeuren rekening houdend met de algehele energie-efficiëntie van het systeem.

6. Conclusie

Platenwarmtewisselaars hebben een breed scala aan toepassingen in waterkrachtcentrales en bieden tal van voordelen, zoals een hoge warmteoverdrachtsefficiëntie, een compact ontwerp, eenvoudig onderhoud en kosteneffectiviteit. Ze spelen een cruciale rol bij het koelen van verschillende componenten in waterkrachtcentrales, waardoor de stabiele en efficiënte werking van het energieopwekkingsproces wordt gewaarborgd. Uitdagingen zoals vervuiling, corrosie en drukval moeten echter worden aangepakt door middel van een passend ontwerp, waterbehandeling en onderhoudsstrategieën. Met voortdurende ontwikkelingen in de warmtewisselaartechnologie en de toenemende vraag naar schone en efficiënte energie, zullen platenwarmtewisselaars naar verwachting een belangrijke rol blijven spelen in de ontwikkeling en werking van waterkrachtcentrales in de toekomst.