La variabile dell'acqua di raffreddamento
L'acqua di raffreddamento non è un fluido unico. Varia da pianta a pianta-dall'acqua pulita-del fiume all'acqua delle torri di raffreddamento ad alto-ciclo, carica di solidi disciolti, particelle sospese e attività biologica. La velocità del fluido sul lato del mantello-in uno scambiatore di calore a fascio tubiero-e-in PTFE deve essere adattata alla chimica specifica dell'acqua di raffreddamento.
Una velocità troppo bassa consente ai solidi sospesi di depositarsi, favorisce l'adesione del biofilm e accelera la formazione di incrostazioni sulle superfici del tubo in PTFE. Una velocità troppo elevata spreca energia di pompaggio, aumenta il rischio di erosione e può causare vibrazioni indotte dal flusso-dei tubi flessibili in PTFE.
La velocità ottimale è un compromesso tra queste esigenze contrastanti e il punto di equilibrio si sposta a seconda della chimica dell'acqua di raffreddamento. Una raccomandazione sulla velocità-taglia{2}}adatta a tutti-è inadeguata.
La soglia di velocità dell'incrostazione
Diversi meccanismi di incrostazione hanno diverse dipendenze dalla velocità. Comprendere quale meccanismo predomina per una data composizione chimica dell'acqua di raffreddamento guida la specifica della velocità.
La formazione di incrostazioni da cristallizzazione-la deposizione di carbonato di calcio, solfato di calcio o silice-è controllata principalmente dalla temperatura e dalla concentrazione, non dalla velocità. Tuttavia, una velocità più elevata riduce la temperatura della parete migliorando il trasferimento di calore, che riduce la forza motrice della cristallizzazione sulla superficie del tubo.
L'incrostazione di particolato-la deposizione di limo sospeso, prodotti di corrosione o detriti trasportati dall'aria-dipende fortemente dalla velocità-. Al di sotto di una velocità critica, le particelle si depositano per gravità sulle superfici orizzontali del tubo. La velocità critica per prevenire la sedimentazione delle particelle sul PTFE è di circa 0,3-0,5 m/s, inferiore a quella dei tubi metallici perché la superficie liscia e idrofoba riduce l'adesione delle particelle.
L'attacco del biofouling-e la crescita di microrganismi-è sensibile alla velocità-. La formazione del biofilm è inibita a velocità superiori a 0,8-1,0 m/s, dove lo sforzo di taglio del fluido supera la forza adesiva del film microbico. Tuttavia, la bassa energia superficiale del PTFE riduce già l'adesione del biofilm rispetto alle superfici metalliche.
Tabella 1: Velocità laterale del guscio consigliata- in base al tipo di acqua di raffreddamento
| Tipo di acqua di raffreddamento | Chimica tipica | Rischio primario di incrostazione | Velocità consigliata (m/s) | Base |
|---|---|---|---|---|
| Una volta-attraverso l'acqua del fiume | Basso TDS, solidi sospesi variabili | Biofouling particolato stagionale | 0.5-0.8 | Previene la sedimentazione; modera il biofilm |
| Acqua della torre di raffreddamento (cicli bassi) | TDS moderato, trattato con biocida | Incrostazioni, qualche incrostazione biologica | 0.6-1.0 | Controlla il ridimensionamento tramite la riduzione della temperatura della parete |
| Acqua della torre di raffreddamento (cicli elevati) | Alto TDS, elevata durezza | Grave rischio di ridimensionamento | 0.8-1.2 | Massimizza il trasferimento di calore per ridurre al minimo la temperatura della parete |
| Acqua trattata-a circuito chiuso | TDS basso, inibito | Incrostazione minima | 0.4-0.6 | Efficienza energetica-; basso rischio di incrostazioni |
| Acqua di mare (una volta-attraversata) | TDS elevato, cloruro, attività biologica | Biofouling, qualche ridimensionamento | 1.0-1.5 | L'alta velocità inibisce l'attaccamento delle macro-incrostazioni |
| Acqua salmastra | TDS variabile, solfato | Desquamazione, biofouling | 0.8-1.2 | Compromesso tra controllo delle incrostazioni e delle incrostazioni |
PTFE-Considerazioni sulla velocità specifica
I tubi in PTFE sono flessibili. A velocità lato guscio- superiori a 1,5 m/s, le vibrazioni indotte dal flusso- possono eccitare il movimento del tubo. La velocità critica per l'insorgenza delle vibrazioni dipende dalla campata del tubo non supportato. Una distanza tra i supporti più ravvicinata consente velocità più elevate senza vibrazioni.
Le superfici in PTFE sono idrofobiche. Il comportamento dello strato limite differisce dalle superfici metalliche idrofile. La velocità di scorrimento sull'interfaccia acqua del PTFE-riduce leggermente lo stress di taglio della parete rispetto a una superficie metallica antiscivolo. L'effetto pratico è una piccola riduzione della velocità richiesta per ottenere una determinata resistenza alle incrostazioni.
PTFE is not subject to erosion-corrosion in the conventional sense because there is no protective film to remove. However, at very high velocities (>2,5 m/s) con acqua contenente particelle abrasive, può verificarsi un'erosione meccanica della superficie del PTFE. Ciò è raro nel servizio dell'acqua di raffreddamento ma rilevante per le fonti d'acqua con un elevato carico di limo.
Ottimizzazione della velocità con funzionalità anti-fouling
Il design dello scambiatore di calore in PTFE può incorporare caratteristiche che migliorano la resistenza alle incrostazioni a velocità più basse. I deflettori elicoidali creano un flusso vorticoso che scruta le superfici dei tubi in modo più efficace rispetto al flusso in linea retta-dei deflettori segmentali. Il flusso vorticoso mantiene la sospensione del particolato e inibisce l'attaccamento del biofilm a velocità inferiori del 20-30% rispetto a quelle richieste con i deflettori convenzionali.
La capacità di velocità inferiore riduce i costi energetici di pompaggio pur mantenendo la resistenza alle incrostazioni dei progetti a velocità più elevata-. Il risparmio energetico nel corso della vita utile dell'apparecchiatura può essere sostanziale.
Riepilogo
La chimica dell'acqua di raffreddamento determina la velocità laterale del mantello-ottimale negli scambiatori di calore a fascio tubiero-e-in PTFE. L'intervallo consigliato va da 0,4 m/s per l'acqua pulita a circuito chiuso-a 1,5 m/s per l'acqua di mare. La selezione della velocità bilancia la prevenzione della sedimentazione del particolato, l'inibizione del biofilm e il controllo delle incrostazioni rispetto all'energia di pompaggio e ai limiti delle vibrazioni.
La bassa energia superficiale e la superficie liscia del PTFE forniscono una resistenza intrinseca alle incrostazioni che consente velocità inferiori del 10-20% rispetto a quelle richieste per gli scambiatori metallici nello stesso servizio. Il design del deflettore elicoidale riduce ulteriormente i requisiti di velocità mantenendo il controllo delle incrostazioni.
I consigli tecnici per le specifiche sulla velocità dello scambiatore a guscio-e-tubo in PTFE sono disponibili previa presentazione dell'analisi dell'acqua di raffreddamento, dell'intervallo di temperatura operativa, dello storico delle incrostazioni degli scambiatori esistenti e della capacità di pompaggio disponibile.
