Il paradosso
Uno scambiatore di calore in PTFE dimensionato per un servizio di 60 kW con una pressione del vapore di 4 bar non riesce a mantenere il setpoint della temperatura di processo quando funziona a 4 bar. La valvola del vapore si apre completamente. La temperatura del bagno scende al di sotto del valore target. Tuttavia, quando l'operatore riduce la pressione del vapore a 2 barg, lo scambiatore improvvisamente funziona meglio-la temperatura del bagno aumenta e si stabilizza vicino al setpoint. Lo scambiatore fornisce più calore a una pressione del vapore inferiore. Questo è contro-intuitivo.
La causa è l'allagamento di condensa a pressione più elevata. A 4 barg, la temperatura del vapore è di 152 gradi e la velocità di trasferimento del calore per unità di superficie è elevata. Il tasso di generazione della condensa è corrispondentemente elevato. Il sistema di drenaggio della condensa-lo scaricatore di vapore e la tubazione di ritorno-non sono in grado di gestire il carico massimo di condensa a 4 barg. La condensa ritorna nei tubi, allagando la parte inferiore. I tubi allagati non contribuiscono in alcun modo al trasferimento di calore. La superficie effettiva è ridotta. Lo scambiatore non può fornire il suo servizio nominale.
A 2 barg, la temperatura del vapore è di 133 gradi. La velocità di trasferimento del calore è inferiore e la velocità di generazione della condensa è inferiore. Il sistema di drenaggio può gestire il carico ridotto. Non si verificano inondazioni. Tutti i tubi contribuiscono al trasferimento di calore. La superficie effettiva è maggiore rispetto a quella di 4 barg (dove l'inondazione ha rimosso parte dell'area). La potenza termica totale è maggiore alla pressione più bassa nonostante il LMTD inferiore.
Il calcolo del carico di condensa
La velocità di generazione della condensa è: m_cond=Q / h_fg, dove Q è il rendimento termico e h_fg è il calore latente del vapore. A 4 barg, h_fg è di circa 2.100 kJ/kg. A 2 barg corrisponde a circa 2.160 kJ/kg. Il calore latente è quasi costante, quindi il flusso di massa della condensa è direttamente proporzionale al rendimento termico.
Se lo scambiatore a 4 barg tenta di erogare 60 kW, il carico di condensa è 60/2,100=0.0286 kg/s=103 kg/h. A 2 barg, per un servizio ridotto di 45 kW (limitato dal LMTD inferiore), il carico è 45/2,160=0.0208 kg/s=75 kg/h-una riduzione del 27%.
Lo scaricatore di condensa e la linea di ritorno della condensa devono essere dimensionati per il carico di punta della condensa. Se lo scaricatore è stato selezionato in base alla normale condizione operativa a 2-3 barg, potrebbe essere sottodimensionato per il caso a 4 barg in cui il carico di condensa è maggiore. La capacità dello scaricatore alla pressione differenziale operativa (pressione del vapore meno pressione della linea di ritorno) determina se è in grado di gestire il carico.
| Pressione del vapore | Dovere di calore | Carico di condensa | Capacità dello scaricatore (esempio: DN15 F&T) | Allagamento? |
|---|---|---|---|---|
| 2 barg | 45 chilowatt | 75 kg/ora | 120 kg/h a 1,5 bar ΔP | NO |
| 3 barg | 53kW | 89 kg/ora | 140 kg/h a 2,5 bar ΔP | NO |
| 4 barg | 60 chilowatt | 103 kg/ora | 100 kg/h a 3,5 bar ΔP (capacità ridotta a causa del vapore di flash) | SÌ |
La conferma diagnostica
La diagnosi di allagamento viene confermata misurando il profilo della temperatura della parete del tubo. Se le sezioni inferiori dei tubi sono fredde (vicine alla temperatura di processo), la condensa sta allagando tali sezioni. La misurazione può essere effettuata con termometro a infrarossi o termocoppia a contatto in punti accessibili del fascio tubiero.
Una seconda conferma è un aumento temporaneo della capacità di drenaggio della condensa. Aprendo brevemente il bypass dello scaricatore di condensa (se è installato un bypass) o aumentando lo sfiato della linea di ritorno della condensa è possibile eliminare temporaneamente l'allagamento e ripristinare la potenza termica a 4 barg. Se questo test ripristina le prestazioni, il sistema di drenaggio è sottodimensionato.
L'azione correttiva
La soluzione definitiva è aumentare la capacità di drenaggio della condensa. Le opzioni includono: l'installazione di uno scaricatore di condensa più grande, l'aggiunta di un secondo scaricatore in parallelo, l'aumento del diametro della linea di ritorno della condensa, la riduzione della contropressione della linea di ritorno della condensa (migliorando lo sfiato o installando una pompa per la condensa) o la nuova pendenza del collettore della condensa per migliorare il drenaggio.
Se non è possibile aumentare la capacità di drenaggio, la pressione del vapore può essere limitata al massimo che il sistema di drenaggio può gestire senza allagamento. Una valvola-limitatrice di pressione o un limite del setpoint del sistema di controllo impedisce il funzionamento a pressioni che causano allagamenti.
Riepilogo
Uno scambiatore di calore in PTFE che funziona meglio a una bassa pressione del vapore rispetto alla pressione di progetto subisce un allagamento di condensa a una pressione più elevata. La velocità di generazione della condensa supera la capacità del sistema di drenaggio, allagando le sezioni inferiori del tubo e riducendo la superficie effettiva. La diagnosi viene confermata dal profilo della temperatura della parete del tubo e da un test di bypass della trappola. La soluzione è aumentare la capacità di drenaggio o limitare la pressione massima del vapore.
Il supporto tecnico per la risoluzione dei problemi relativi alle prestazioni dello scambiatore di calore in PTFE è disponibile previa presentazione della pressione del vapore, del carico di condensa, delle specifiche dello scaricatore, della configurazione della linea di ritorno della condensa e dei dati sulle prestazioni osservate.
