La sfida a livello variabile
Una vasca di risciacquo in una linea di placcatura funziona all'80% della capacità durante la produzione normale, ma scende al 40% durante il cambio dei pezzi. Lo scambiatore di calore in PTFE deve fornire il pieno funzionamento di riscaldamento al livello basso senza essere danneggiato quando il serbatoio viene riempito al livello alto. La profondità di immersione-la distanza verticale dalla superficie del liquido alla parte superiore dello scambiatore di calore-determina sia le prestazioni termiche che la sicurezza meccanica.
Impostare lo scambiatore troppo in profondità e a livelli bassi del serbatoio i tubi superiori diventano esposti. I tubi esposti nel servizio vapore si surriscaldano nell'aria, danneggiando potenzialmente le strutture di supporto e creando pericolo di ustioni. Posizionando lo scambiatore troppo in profondità, ad alti livelli del serbatoio la superficie riscaldante si concentrerà vicino al fondo del serbatoio, favorendo la stratificazione termica e la miscelazione incompleta.
La profondità di immersione ottimale è una percentuale calcolata dell'altezza del fascio tubiero che garantisce la sommersione a tutti i normali livelli operativi mantenendo uno spazio adeguato per la dilatazione termica ed evitando il contatto con i fanghi sul fondo del serbatoio.
Il requisito minimo di immersione
Un tubo scambiatore di calore in PTFE che trasporta vapore saturo a 3 barg ha una temperatura interna di 143 gradi. Quando immersa nel liquido, la temperatura della parete esterna è di 10-30 gradi inferiore alla temperatura del vapore, a seconda del coefficiente di trasferimento del calore. Quando esposta all'aria, la temperatura della parete esterna si avvicina alla temperatura del vapore, poiché il raffreddamento ad aria rimuove il calore trascurabile.
Il problema con i tubi esposti non è il PTFE in sé-classificato per un servizio continuo a 260 gradi-ma il sistema di supporto. Le piastre di supporto in PVDF si ammorbidiscono sopra i 150 gradi. Le staffe di supporto in metallo si espandono a velocità diverse rispetto al PTFE, allentando potenzialmente la presa del tubo. La pratica di progettazione sicura garantisce che tutti i tubi che trasportano il vapore rimangano sommersi al livello operativo minimo.
La profondità di immersione minima viene calcolata come la distanza dal livello di liquido più basso previsto alla parte superiore della fila di tubi che trasportano il vapore-più in alto, più un margine di sicurezza per l'incertezza della misurazione del livello e l'azione delle onde dovuta all'agitazione. Un margine tipico è di 50-100 mm.
Tabella 1: parametri di immersione consigliati per scambiatori di calore in PTFE in serbatoi a-livello variabile
| Parametro | Valore consigliato | Base |
|---|---|---|
| Immersione minima sopra la fila del tubo superiore | 75-100 mm | Tiene conto dell'errore del sensore di livello e delle onde superficiali |
| Tolleranza massima all'esposizione del tubo | 0% (nessun tubo sopra il liquido al livello minimo) | I tubi in PTFE sopravvivono a una breve esposizione, ma i supporti potrebbero no |
| Distanza dal fondo del serbatoio | 100-150mm | Previene l'ingestione di fanghi e ne consente la circolazione |
| Gioco di dilatazione termica superiore al livello massimo | Non applicabile (espansione sistemata orizzontalmente) | Il design della bobina in PTFE include anelli di espansione |
| Percentuale del fascio tubiero sommerso al livello minimo | 100% dei tubi riscaldanti attivi | Tutti i tubi-che trasportano il vapore devono essere immersi |
| Percentuale del fascio tubiero sommerso al livello massimo | 100% + distanza dal bordo del serbatoio per troppopieno | Previene l'interferenza della bobina con i coperchi del serbatoio |
Il bilancio della stratificazione termica
La profondità di immersione non influisce solo sulla sicurezza-antincendio a secco. Determina la distribuzione verticale dell'apporto di calore. Uno scambiatore di calore posto interamente in prossimità del fondo della vasca riscalda fortemente la zona del fondo, creando un pennacchio galleggiante che risale in superficie. Il profilo della temperatura verticale dipende dall'efficacia con cui questo pennacchio si mescola con il contenuto del serbatoio.
Nei serbatoi profondi con livelli variabili, la configurazione ottimale spesso utilizza una griglia verticale in PTFE che si estende dalla zona di livello minimo fino in prossimità del fondo del serbatoio. A livelli elevati del serbatoio, l'intera griglia è attiva e si riscalda uniformemente attraverso la profondità. A livelli bassi, la parte superiore della griglia è passiva-il vapore viene indirizzato verso quelle sezioni-mentre la parte inferiore continua a riscaldarsi.
In alternativa, l'intero scambiatore è dimensionato per il funzionamento al livello minimo, e il carico di riscaldamento a livelli più alti è soddisfatto dallo stesso scambiatore funzionante a pressione o flusso di vapore ridotti. Questo approccio semplifica il controllo ma richiede che lo scambiatore si adatti alla profondità ridotta al livello minimo.
-Rilevamento multilivello e controllo del vapore
I serbatoi con ampie variazioni di livello beneficiano del controllo del vapore con compensazione del livello-. Un sensore di livello segnala al sistema di controllo quando il livello del liquido scende al di sotto di una soglia. Il sistema di controllo riduce la pressione del vapore per limitare la temperatura della parete del tubo nella sezione parzialmente esposta oppure isola il vapore nelle file di tubi superiori tramite valvole di controllo separate su scambiatori multi-circuito.
L'approccio più semplice-utilizzato nella maggior parte delle installazioni-è dimensionare lo scambiatore in modo che funzioni completamente sommerso al livello minimo e accettare che a livelli più alti lo scambiatore rappresenti un sistema di dimensioni conservative con capacità di riserva. La capacità di riserva prolunga la durata dello scambiatore di calore e consente la futura intensificazione del processo senza sostituzione delle apparecchiature.
Riepilogo
La profondità di immersione ottimale per uno scambiatore di calore in PTFE in serbatoi con livelli operativi variabili garantisce che tutti i tubi che trasportano il vapore-rimangano sommersi al livello minimo previsto, con un margine di sicurezza di 75-100 mm. Lo scambiatore è posizionato con luce inferiore di 100-150 mm per la gestione dei fanghi. Nei serbatoi profondi con ampie fluttuazioni di livello, i design multicircuito consentono l'isolamento delle sezioni superiori del tubo a livelli bassi.
Il corretto calcolo della profondità di immersione previene-danni da fuoco secco ai supporti, elimina i rischi di ustioni derivanti dai tubi caldi esposti e garantisce un riscaldamento affidabile a tutti i normali livelli operativi.
I consigli tecnici per il posizionamento degli scambiatori di calore in PTFE nei serbatoi a livello- variabile sono disponibili previa presentazione delle dimensioni del serbatoio, dei livelli operativi minimi e massimi, della precisione del sensore di livello e dei requisiti di funzionamento del riscaldamento.
